Introducción
En este artículo se explica qué es un caudalímetro y se ofrece una descripción de los distintos tipos de caudalímetros. También se aborda las ventajas del uso de caudalímetros y las reglas básicas de instalación.
Sumario:
- ¿Qué es un caudalímetro?
- Tipos de caudalímetros
- Seleccionar un caudalímetro adecuado
- Ventajas de los caudalímetros
- Interruptor de caudal frente a caudalímetro
- Ventajas del uso de caudalímetros
- Caudalímetros digitales frente a mecánicos
- Instalación del caudalímetro
¿Qué es un caudalímetro?
Un caudalímetro es un dispositivo de medición de caudal que se utiliza para determinar el caudal másico y volumétrico, lineal o no lineal, de un líquido o un gas. Entre los muchos nombres que reciben los caudalímetros se encuentran caudalímetro, indicador de caudal, medidor de líquido y sensor de caudal. Su denominación depende de su uso industrial. La finalidad de un caudalímetro es mejorar la precisión, exactitud y resolución de la medición de fluidos.
Los caudalímetros pueden medir el volumen, la velocidad o la masa de un líquido o gas. Utilizando varios cálculos, informan del caudal másico, la presión absoluta, la presión diferencial, la viscosidad y los datos de temperatura que pueden utilizarse para determinar el caudal. El caudal se calcula multiplicando la velocidad (v) por el área de la sección transversal (A) (Q = v x A), siendo las unidades para Q los metros cúbicos por segundo (m3/s). La masa se calcula mediante la fórmula ṁ = Q multiplicado por ρ (ṁ = Q x ρ), donde Q es igual al caudal y ρ es igual a la densidad de masa. La masa es la principal preocupación para los gases, las reacciones químicas y la combustión.
La finalidad de un caudalímetro es medir la cantidad de un material que fluye a través de él en un periodo de tiempo determinado. La compresibilidad de los gases y su cambio de volumen cuando se someten a presión, se calientan o se enfrían modifica el volumen de un gas, que no es como el mismo gas en otras condiciones. Esto determina el tipo de caudalímetro utilizado para medir los caudales de gas. Los caudales de gas se miden en metros cúbicos por hora (acm/h), metros cúbicos por segundo (sm3/seg), mil metros cúbicos estándar por hora (kscm/h), pies lineales por minuto (LFM) o millones de pies cúbicos estándar por día (MMSCFD).
La medición de los caudales de líquidos varía en función de la aplicación y la industria, siendo las medidas habituales galones por minuto, litros por segundo, litros por m2 por hora, bushels por minuto y metros cúbicos por segundo (cumecs). Una unidad especial que se utiliza en oceanografía es el volumen de transporte (sverdrup o Sv).
Tipos de caudalímetros
El control del caudal es una parte esencial de muchas aplicaciones industriales y requiere el uso de una amplia selección de caudalímetros diseñados específicamente para satisfacer las necesidades de todo tipo de aplicaciones. Los materiales que se miden incluyen agua, aceite, gas natural y vapor, y los caudalímetros para cada material comparten la misma función, pero operan de forma diferente.
Aunque la función de cada caudalímetro es la misma, cada tipo se ajusta para satisfacer las necesidades de una aplicación. Los dos tipos básicos de caudalímetros son los volumétricos y los másicos. Las diferencias entre ambos tipos radican en lo que miden: un caudalímetro másico mide la cantidad de masa, mientras que uno volumétrico mide el volumen. Un caudal volumétrico está influido por la temperatura y la presión, mientras que un caudal másico está influido por la densidad de un líquido o gas. Los distintos tipos de caudalímetros incluyen los de presión diferencial, velocidad, desplazamiento positivo, caudal másico y canal abierto.
Caudalímetros volumétricos
Caudalímetros de presión diferencial (DP)
Los caudalímetros de presión diferencial utilizan la ecuación de Bernoulli, que establece que la velocidad del flujo de un fluido aumenta a medida que disminuye su presión. Para medir el caudal, un caudalímetro diferencial coloca una constricción u obstrucción en una tubería que crea una caída de presión a través del caudal. A medida que pasa más caudal por la constricción, aumenta la caída de presión, que es proporcional al cuadrado del caudal.
Los sensores de presión de un caudalímetro diferencial se colocan antes y después de la constricción para medir con precisión el caudal cuando la constricción provoca un cambio en la energía cinética del caudal al ser dirigido a través del caudalímetro para ser medido por un segundo sensor. Los caudalímetros de presión diferencial suelen utilizar un tubo Venturi diseñado para constreñir y ralentizar el caudal. Los subtipos de caudalímetros de presión diferencial son la placa de orificio, la boquilla de flujo, el caudalímetro Venturi y el rotámetro.
- Sistemas de caudalímetros de placa de orificio – Con un caudalímetro de placa de orificio, un líquido o gas pasa a través de la placa, lo que crea una caída de presión que varía según el caudal y la presión diferencial entre las porciones de salida y entrada del caudalímetro. Los caudalímetros de placa de orificio pueden ser de una sola cámara, de doble cámara o de doble bloqueo y purga.
- Medidor Venturi – Un medidor de caudal Venturi mide el caudal reduciendo el área transversal del caudal mediante un tubo Venturi, lo que genera una diferencia de presión. Un sensor de presión diferencial mide la caída de presión como medida del caudal. Los caudalímetros Venturi utilizan dos mediciones de presión y una de temperatura para determinar el caudal. La primera lectura de presión se realiza en la parte superior de la corriente para calcular la densidad. La segunda lectura de presión se realiza en la garganta del tubo Venturi. Las lecturas de temperatura se toman aguas arriba para no perturbar el perfil del caudal.
- Rotámetro – Un rotámetro es un caudalímetro mecánico que incluye un tubo cónico vertical con un flotador móvil que se instala de forma que el flotador pueda subir por el tubo para medir el caudal. La conicidad del tubo es menor en la parte inferior y se expande hacia la parte superior y tiene graduaciones de escala marcadas en el tubo. Cuando no hay caudal, el flotador se sitúa en el fondo del tubo. A medida que aumenta el caudal de fluido, el flotador sube hasta que alcanza el equilibrio para proporcionar una lectura del caudal.
Caudalímetros de velocidad
Los caudalímetros de velocidad son caudalímetros volumétricos que se utilizan para calcular el caudal computando la velocidad del flujo mediante sensores situados a lo largo del flujo. La precisión de los caudalímetros de velocidad depende de que la densidad, la sección transversal de la tubería y la velocidad del fluido permanezcan constantes. Cualquier tipo de dispositivo que pueda medir directamente la velocidad del fluido es capaz de medir el caudal volumétrico de un fluido en una tubería que tenga un área de sección transversal determinada. Los tipos de caudalímetros de velocidad incluyen los de turbina y los de vórtice.
- Caudalímetros de tubo de Pitot – Un caudalímetro de tubo de Pitot tiene dos tubos para medir la presión del fluido, siendo la diferencia entre la presión en los tubos proporcional a la velocidad del flujo. Un tubo mide la presión de impacto mientras que el otro mide la presión estática. Los tubos se montan por separado o en una carcasa como una sola unidad y se encuentran en ángulo recto con respecto al caudal. El tubo de presión de impacto total tiene forma de L con una abertura orientada hacia el caudal. La presión estática del tubo es la presión de funcionamiento de la tubería aguas arriba del tubo de impacto total y en ángulo recto con el caudal. La presión dinámica es la diferencia entre la presión total y la presión estática de los tubos multiplicada por la relación entre la constante dimensional y la densidad. A medida que aumenta la velocidad, el perfil de la tubería pasa de alargado a turbulento o plano.
- Caudalímetros calorimétricos – Los caudalímetros calorimétricos, también conocidos como monitores térmicos de caudal, utilizan el principio calorimétrico, que establece que un medio que fluye absorbe energía calorífica y la arrastra. Un sensor del caudalímetro se calienta. Cuando el caudal pasa por el sensor calentado, éste se enfría. Un segundo sensor mide la temperatura del medio tras la absorción de calor del sensor calentado. El caudal se determina por la diferencia entre las temperaturas de los dos sensores. Cuando la diferencia entre los sensores es muy baja, la velocidad del caudal es mayor.
- Caudalímetros de turbina – Los caudalímetros de turbina utilizan la rotación mecánica de un rotor que se coloca en el flujo para determinar el caudal, siendo la rotación del rotor proporcional a la velocidad del flujo. Se utilizan con líquidos limpios y viscosos y tienen una precisión del 0,5%. Los caudalímetros de turbina se clasifican como caudalímetros de paletas giratorias que incluyen los caudalímetros de rueda de paletas y los caudalímetros de rueda Pelton, cada versión de los cuales tiene un rotor de forma diferente. El rotor angulado, torcido o de paletas es paralelo al flujo y lo enfrenta de frente. A medida que el caudal se desplaza por la tubería, la turbina gira, cuyo movimiento es detectado electrónicamente por un captador magnético. La salida de frecuencia del captador se utiliza directamente o se convierte en una señal analógica.
- Caudalímetros electromagnéticos – Los caudalímetros electromagnéticos, también conocidos como medidores magnéticos, medidores electromagnéticos y caudalímetros magnéticos, utilizan la inducción electromagnética para medir la velocidad del líquido. Con un caudalímetro electromagnético, se colocan electrodos en el flujo que crean un campo magnético y leen el voltaje del flujo a medida que pasa por los electrodos. El principio de los caudalímetros electromagnéticos se basa en la ley de Faraday, que establece que un conductor que se mueve a través de un campo magnético produce una señal eléctrica proporcional a la velocidad del flujo. Cuando un fluido atraviesa el campo magnético de los electrodos, las partículas conductoras del fluido modifican la tensión del campo magnético. La variación de la tensión se utiliza para medir y calcular la velocidad del flujo.
- Caudalímetros de vórtice – Los caudalímetros de vórtice miden la velocidad del fluido utilizando el efecto von Kármán, que establece que cuando un flujo pasa por un cuerpo, se genera un patrón de remolinos. En un caudalímetro de vórtice, se coloca una barra trituradora en el flujo que hace que el fluido se separe y forme una presión diferencial alternante o vórtices en la parte posterior de la barra. Los vórtices hacen que un sensor oscile a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del fluido. El elemento sensor convierte la frecuencia de oscilación en una señal eléctrica que se transforma en una lectura de la velocidad.
- Caudalímetros ultrasónicos – Un caudalímetro ultrasónico mide la velocidad del fluido enviando ondas ultrasónicas a través del flujo en la dirección del flujo y en la dirección opuesta al flujo. Las ondas ultrasónicas y la velocidad del flujo se combinan para calcular el caudal. La estructura de un caudalímetro ultrasónico incluye dos transmisores y dos receptores, uno en cada lado opuesto de la tubería a una distancia medida entre sí. En un caudalímetro ultrasónico, las ondas sonoras se envían al caudal mediante transductores que entran en contacto directo con el caudal o mediante transductores de pinza conectados al exterior de la tubería. Se miden ráfagas alternas de ultrasonidos para determinar el tiempo que tarda el sonido en viajar entre los transductores. La diferencia en los tiempos de tránsito es proporcional a la velocidad del caudal. Los medidores ultrasónicos en línea son del tipo de inserción con dos conjuntos de transductores ultrasónicos alineados uno frente al otro. Los medidores de flujo ultrasónicos con abrazadera se conectan al exterior de la tubería.
- Medidores de flujo hidráulico – El término medidor de flujo hidráulico es un término genérico que se refiere a los medidores de flujo que miden y monitorean el flujo de fluido hidráulico. Se utilizan varios tipos diferentes de caudalímetros para controlar el fluido hidráulico debido a las diferentes viscosidades y caudales de cada tipo de fluido hidráulico.
Caudalímetro de desplazamiento positivo (PD)
- Caudalímetros ultrasónicos – Un caudalímetro ultrasónico mide la velocidad del fluido enviando ondas ultrasónicas a través del flujo en la dirección del flujo y en la dirección opuesta al flujo. Las ondas ultrasónicas y la velocidad del flujo se combinan para calcular el caudal. La estructura de un caudalímetro ultrasónico incluye dos transmisores y dos receptores, uno en cada lado opuesto de la tubería a una distancia medida entre sí. En un caudalímetro ultrasónico, las ondas sonoras se envían al caudal mediante transductores que entran en contacto directo con el caudal o mediante transductores de pinza conectados al exterior de la tubería. Se miden ráfagas alternas de ultrasonidos para determinar el tiempo que tarda el sonido en viajar entre los transductores. La diferencia en los tiempos de tránsito es proporcional a la velocidad del caudal. Los medidores ultrasónicos en línea son del tipo de inserción con dos conjuntos de transductores ultrasónicos alineados uno frente al otro. Los medidores de flujo ultrasónicos con abrazadera se conectan al exterior de la tubería.
- Medidores de flujo hidráulico – El término medidor de flujo hidráulico es un término genérico que se refiere a los medidores de flujo que miden y monitorean el flujo de fluido hidráulico. Se utilizan varios tipos diferentes de caudalímetros para controlar el fluido hidráulico debido a las diferentes viscosidades y caudales de cada tipo de fluido hidráulico. Están fabricados con un material elástico capaz de soportar
Caudalímetros másicos
Mientras que los caudalímetros volumétricos miden la velocidad del flujo de gases y líquidos, los caudalímetros másicos determinan el caudal midiendo la transferencia convectiva de calor en la superficie del flujo mediante sensores de temperatura situados en el flujo o fijados a las tuberías. Son dispositivos de medición directa capaces de medir una amplia gama de temperaturas con precisión y exactitud. Los caudalímetros másicos son adecuados para su uso con una gran variedad de fluidos, incluidos lodos y otros materiales viscosos, fluidos no conductores y otros fluidos másicos por su densidad. Dos tipos comunes de caudalímetros másicos son los de coriolis y los de masa térmica.
Un caudalímetro másico mide la masa de un fluido por su inercia a medida que pasa a través de un tubo vibrante equipado con sensores en la entrada y la salida. La vibración del tubo provoca una oscilación proporcional a la masa del fluido. El principio de los caudalímetros másicos se basa en el efecto Coriolis, según el cual todo cuerpo que se desplaza sobre la superficie terrestre tiende a desviarse de su trayectoria debido a la rotación de la Tierra. El movimiento de torsión de los tubos cuando los fluidos fluyen a través de ellos representa la deriva lateral causada por la rotación de la tierra.
- Medidor de caudal másico térmico – Los medidores de caudal másico térmicos utilizan el principio de dispersión térmica, que es el índice de calor absorbido por un fluido, para medir el caudal másico. Tienen dos sensores de temperatura, uno de los cuales es el elemento calefactor y el otro el elemento sensor. A medida que el caudal lo atraviesa, el elemento calefactor se enfría debido al caudal, que es detectado por el elemento sensor. La eliminación de calor del elemento calefactor es proporcional al caudal másico.
- Caudalímetros de Coriolis – Los caudalímetros de Coriolis funcionan según el principio de Coriolis, que establece que una masa en movimiento en un sistema en rotación experimenta una fuerza que actúa perpendicularmente al movimiento y al eje de rotación. Cuando un fluido circula por una tubería, experimenta una aceleración de Coriolis debido a la introducción de la rotación en la tubería. La fuerza generada por el efecto de inercia de Coriolis es el caudal de un fluido. La fuerza de inercia generada es perpendicular a la dirección del flujo, lo que es utilizado por un caudalímetro Coriolis para medir la masa y determinar el caudal.A medida que un líquido o gas fluye a través de un tubo o tubos de un caudalímetro Coriolis, un actuador hace vibrar el tubo, lo que provoca artificialmente una aceleración de Coriolis en el flujo que produce una fuerza de torsión que causa un cambio de fase. La cantidad de fuerza de torsión es proporcional a la masa que un medidor utiliza para medir el caudal másico detectando el momento angular. Un caudalímetro Coriolis puede medir el caudal en dirección de avance o de retroceso y se utiliza para pruebas de estanqueidad y mediciones de bajo caudal.
Caudalímetros de canal abierto
Medidores de caudal de canal abierto – Los medidores de caudal de canal abierto son medidores de caudal sin contacto que utilizan sensores de nivel que detectan el nivel de un líquido, normalmente agua, en un canal, un canal, un vertedero o una tubería parcialmente llena. El caudal se determina utilizando el nivel del líquido y su volumen y la ecuación de Manning, que requiere un caudal uniforme con la misma pendiente en el fondo y en la superficie para calcular el caudal. Un factor clave en el uso de la ecuación de Manning es la rugosidad o fricción que el canal aplica al caudal, que se calcula o se extrae de una tabla. El caudal (Q) es igual a la velocidad (v) del flujo multiplicada por el área de flujo (A), todo ello igual al coeficiente de rugosidad calculado multiplicado por el radio hidráulico (R), el área (A) y la raíz cuadrada de la pendiente (⅔ √S).
Caudalímetros de muelle y de pistón
Los caudalímetros de muelle y pistón son caudalímetros de fácil visualización que utilizan un pistón y un muelle para calcular el caudal. A medida que el caudal entra en el caudalímetro, crea un diferencial de presión que mueve el pistón contra el muelle, que se mueve en proporción directa a la velocidad del caudal. El caudal se visualiza de la misma manera que un rotámetro y tiene una línea indicadora roja en el pistón que se mueve a lo largo de una escala numérica precalibrada que está montada en una sección transparente del cuerpo del caudalímetro.
Los caudalímetros de muelle y pistón miden el caudal anular, que es un tipo de caudal de fluido más ligero en el centro de una tubería y más pesado a lo largo de sus paredes. Las escalas de un caudalímetro de muelle y pistón se basan en la gravedad de los fluidos, siendo 0,84 para el aceite y 1,0 para el agua. Los caudalímetros de muelle y pistón, al igual que los rotámetros, tienen un diseño sencillo y son una alternativa a los rotámetros, ya que pueden configurarse para transmitir señales eléctricas.
Caudalímetros digitales
Los caudalímetros digitales son caudalímetros de alta tecnología que tienen cuatro componentes que actúan como sensores. Incluyen anemómetros, termistores y transductores de manómetro, todos los cuales tienen contacto directo con el caudal y miden el caudal másico, la temperatura del gas y la presión del gas/de retorno. El único sensor externo de un caudalímetro digital es el transductor de presión absoluta que produce lecturas de presión sin la influencia de la presión atmosférica.
- Los anemómetros miden la velocidad del viento y el movimiento de las corrientes de gas, siendo los más comunes los de hilo caliente. Los alambres de un anemómetro se calientan a una temperatura constante y se exponen a la corriente del flujo. Miden la cantidad de corriente necesaria para que los hilos mantengan su temperatura constante y la cantidad de pérdida de calor causada por la corriente.
- El termistor vigila y controla las fluctuaciones de temperatura utilizando resistencias eléctricas que tienen una resistencia que depende de la temperatura. Se utilizan como limitadores de corriente de irrupción, protectores de sobrecorriente o sensores de temperatura.
- Los transductores de presión manométrica permiten comparar la presión del sistema con la presión ambiente. La detección de la diferencia entre las presiones ayuda a evitar daños en el sistema que podrían ser causados por cantidades excesivas de gas y contrapresión.
- Los transductores de presión absoluta producen lecturas que no se ven afectadas por la presión ambiente. Están sellados y apartados del flujo del material, lo que les permite utilizar el vacío como referencia y punto cero.
Las lecturas que acumulan los cuatro sensores de un caudalímetro digital miden el caudal másico, que se convierte en caudal volumétrico según la densidad del flujo y la contrapresión del sistema.
Caudalímetros de agua
Existen varias formas de caudalímetros de agua, cada una de ellas diseñada para satisfacer las necesidades de una aplicación, los requisitos de mantenimiento y el coste. Miden el volumen de lodos, agua y fluidos de tuberías cerradas. Los tipos de medidores de caudal de agua incluyen medidores de caudal mecánicos, medidores de caudal de vórtice, medidores de caudal ultrasónicos y medidores de caudal magnéticos, siendo los medidores de caudal mecánicos los más utilizados y los más económicos. Cada tipo de medidor de flujo de agua está diseñado para medir, monitorear y controlar el flujo de agua en una tubería, manguera u otro medio de transporte.
Los caudalímetros de agua funcionan según los mismos principios que otros caudalímetros, pero están diseñados para medir el caudal de agua. Son un subconjunto y una forma especial de medidor de flujo que funciona sólo con agua aunque algunos medidores de flujo son medidores de flujo de agua pero son capaces de medir otros líquidos y gases.
Caudalímetros de combustible
Los medidores de flujo de combustible miden la cantidad de fluido que se transfiere utilizando una pantalla visual digital o mecánica para mostrar cuánto combustible se ha transferido durante una operación. Hay varios tipos de caudalímetros que se utilizan para controlar la transferencia de combustible. La forma en que completan la medición varía entre los diferentes tipos.
Un medidor de flujo de combustible de disco de tuerca tiene un disco con el que entra en contacto el combustible cuando entra en el medidor de flujo. El disco se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de su eje vertical a medida que pasa el combustible. El movimiento hacia adelante y hacia atrás del disco proporciona una indicación de la cantidad de fluido que se transfiere a través del medidor.
Los caudalímetros de combustible de engranajes ovalados tienen engranajes que giran en ángulo recto entre sí creando una forma de T. Los engranajes engranan en el centro del caudal para impedir el paso del combustible. Cuando el flujo entra en el caudalímetro, empuja contra los engranajes y los hace girar y salir del caudalímetro. Los imanes de los engranajes envían señales a un interruptor de láminas electrónico que proporciona una lectura del transporte de combustible.
Los caudalímetros de combustible de turbina utilizan una turbina giratoria que gira en el combustible alrededor de un eje. La acción mecánica de la turbina giratoria se convierte en un caudal. A medida que el combustible impacta en las palas de la turbina, éstas giran a una velocidad constante que es proporcional a la velocidad del combustible.
Conclusión
- Un caudalímetro es un dispositivo de medición de caudal que se utiliza para determinar el caudal másico y volumétrico, lineal o no lineal, de un líquido o un gas.
- El control del caudal es una parte esencial de muchas aplicaciones industriales y requiere el uso de una amplia selección de caudalímetros diseñados específicamente para satisfacer las necesidades de todo tipo de aplicaciones.
- Una de las consideraciones relativas al uso de un caudalímetro es el tipo de caudal, que puede ser de canal abierto o de conducto cerrado. El flujo de canal abierto está abierto a la atmósfera y es un canal, vertedero o canal, mientras que el flujo de conducto cerrado está en un tubo o tubería.
- Los caudalímetros pueden medir el volumen, la velocidad o la masa de un líquido o gas. Utilizando diversos cálculos, informan del caudal másico, la presión absoluta, la presión diferencial, la viscosidad y los datos de temperatura que pueden utilizarse para determinar el caudal.
- La ubicación de un caudalímetro es un factor importante a la hora de proporcionar datos precisos y fiables. El mejor caudalímetro será inexacto si se instala incorrectamente. Los errores en la instalación se producen cuando se fuerza la ubicación, posición o caudal del caudalímetro equivocado.
Gometrics puede ayudarle a elegir el caudalímetro más adecuado a su necesidad.
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