3.5: Sensores de flujo

Introducción

El flujo se define como la velocidad (volumen o área por unidad de tiempo) a la que una sustancia viaja a través de una sección transversal dada y se caracteriza a temperaturas y presiones específicas. Los instrumentos utilizados para medir el flujo se denominan medidores de flujo. Los componentes principales de un medidor de flujo incluyen el sensor, el procesador de señal y el transmisor. Los sensores de flujo utilizan ondas acústicas y campos electromagnéticos para medir el flujo a través de un área determinada a través de cantidades físicas, como aceleración, frecuencia, presión y volumen. Como resultado, muchos caudalímetros se nombran con respecto a la propiedad física que ayuda a medir el flujo.

La medición de flujo resulta crucial en diversas industrias, incluidas las industrias petroleras y químicas. En consecuencia, la medición de flujo se convierte en un componente importante en el éxito económico general o fracaso de cualquier proceso dado. Lo más importante es que las mediciones de flujo precisas garantizan la seguridad del proceso y para quienes participan en su éxito.

Antes de leer sobre los intrincados detalles de varios caudalímetros es una buena idea pensar en aspectos distintos al diseño, las ecuaciones de gobierno y el mecanismo que utiliza un caudalímetro para identificar un perfil de flujo. Para ganar más de esta sección considera las siguientes preguntas a la hora de aprender sobre cada caudalímetro porque a la hora de elegir un caudalímetro las dos cosas principales en las que pensar son el costo y la aplicación:

1. ¿Qué mecanismo utiliza este medidor de flujo para medir el flujo?
2. ¿Qué tan caro es?
3. ¿Qué impacto tiene en el sistema? (¿Cuánta energía extrae del sistema y la perturbación del flujo causa problemas significativos hacia arriba o hacia abajo?
4. ¿Cuáles son los límites de precisión de la herramienta? (La mayor precisión y precisión da como resultado un mayor costo, especialmente para aquellos con capacidades automatizadas de filtrado de ruido y amplificación de señal.

A veces se te puede dar una tarea para comprar una herramienta para el sistema de tu empresa y entregarte con ella una lista de cualidades a buscar en orden de importancia, a veces vas a tener que hacer esta lista tú mismo. La siguiente tabla es un componente del método TRIZ para elaborar una lista de cualidades en orden descendente de importancia a la izquierda, perpendicular al factor en el que incide, a la derecha. Para un sistema determinado, descubrió que la solución más barata para medir con precisión los caudales de varias tuberías es colocar múltiples caudalímetros en una serie de posiciones. A partir de algunos cálculos que utilizan la propagación del error, encuentra un rango moderado de límites de precisión necesarios para que su sistema se considere bien monitoreado. Sabes que los límites de precisión son menos importantes que el costo total de todos los medidores de flujo porque tu jefe te dijo que no desperdiciaras dinero. En la tabla puedes ver que el Costo está en la parte superior de la columna izquierda por lo que el Costo es la principal preocupación. La precisión se encuentra en la columna más alejada a la izquierda de la fila superior, por lo que el costo exacerba de manera más dramática la Precisión del medidor de flujo cuando se minimiza. En el cuadro de intersección se ve que los caudalímetros de menor precio son los que tienen menor precisión, en términos generales. La siguiente cualidad más importante de su asignación es obtener medidores de flujo con la precisión adecuada, por lo que la Precisión está por debajo del Costo en la columna izquierda. Mirando a la fila superior se ve que la Precisión del medidor de flujo afecta más grandemente el Impacto en el sistema. Si tiene un medidor de flujo de baja calidad puede deberse al lado del mecanismo utilizado para medir el flujo o la potencia que el medidor extrae del sistema (a través de la mezcla, pérdidas por fricción, aumento en la turbulencia del flujo, o efectos de flotación causados por la transferencia de calor). Completando el resto de la tabla puedes decidir si hay contradicciones a lo que pensabas que eran las cualidades más importantes en base a las entradas en las celdas que se cruzan.

Un ejemplo donde este modelo es importante es para un sistema que contiene partículas suspendidas en un fluido. Si desea medir el caudal, podría ser más barato usar un tubo pitot, pero el mayor costo de mantener el medidor de flujo se extiende al tiempo de inactividad del sistema, más trabajo de los técnicos para un aspecto relativamente pequeño del proceso y menores ganancias como resultado. Para este sistema, el mantenimiento sería el factor más importante seguido de la precisión, el impacto en el sistema y el costo. Si el costo fuera el factor menos importante podrías permitirte instalar un par de medidores Doppler, reunir mediciones precisas y el impacto de las mediciones en el sistema sería relativamente bajo.

Tipos Comunes de Medidores de Flujo

El caudal determinado por el sensor de flujo se deriva de otras propiedades físicas. La relación entre las propiedades físicas y el caudal se deriva de principios fundamentales de flujo de fluidos, como la ecuación de Bernoulli.

PRESIÓN DIFERENCIAL

Estos sensores funcionan de acuerdo con el principio de Bernoulli que establece que la caída de presión a través del medidor es proporcional al cuadrado del caudal.

\[-\Delta p \propto V^{2} \nonumber \]

Usar la caída de presión a través de la sección transversal de una tubería es una de las maneras más comunes para determinar una medición de flujo. Como resultado, esta propiedad tiene grandes implicaciones para aplicaciones industriales. Los caudalímetros caracterizados por presión diferencial vienen en varias variedades diferentes y se pueden dividir en dos categorías, laminar y turbulento. Los sensores de presión diferencial operan con respecto al principio de Bernoulli. El principio de Bernoulli establece que la caída de presión a través del medidor es proporcional al cuadrado del caudal.

Medidor de Orificio

Las placas de orificio se instalan en medidores de flujo para calcular los balances de materiales que finalmente resultarán en una medición del flujo de fluido en el sensor. Una placa de orificio se coloca en una tubería que contiene un flujo de fluido, que restringe el flujo suave del fluido dentro de la tubería. Al restringir el flujo, el medidor de orificios provoca una caída de presión a través de la placa. Al medir la diferencia entre las dos presiones a través de la placa, el medidor de orificios determina el caudal a través de la tubería. Cuanto mayor sea la caída de presión, más rápido sería el caudal. Hay dos tipos de medidores de orificio que se utilizan generalmente en la industria, son el borde orificio-cuadrado y el borde orificio-cónico. El borde orificio-cuadrado tiene una fricción insignificante en la interfaz entre el fluido y la placa de orificio. Estos tipos de placas de orificio se recomiendan para flujos de fluidos suaves, particularmente líquidos y gases limpios como el vapor. Generalmente, los orificios de drenaje se incorporan en el diseño para que los líquidos y gases no se acumulen dentro de las tuberías. Los fluidos multifásicos no se recomiendan para el borde cuadrado del orificio porque la obstrucción se convierte en un problema significativo a medida que avanza el tiempo. El borde orificio-cónico es similar al borde orificio-cuadrado, la diferencia principal es que el borde orificio-cónico tiene un área de sección transversal que se expande gradualmente, y esta área transversal es de forma circular. Un diseño de borde cónico suele ser una mejor opción para flujos de baja velocidad y alta viscosidad. Ambos tipos funcionan mejor bajo condiciones de temperatura y presión comparables, tamaños de tubería y proporcionan precisiones similares.

Los medidores de orificio utilizados junto con celdas DP (Presión Diferencial) son una de las formas más comunes de medición de flujo. Además, se puede utilizar un medidor de orificios para medir flujos cuando hay una diferencia significativa de presión en la tubería, como entre los lados aguas arriba y aguas abajo de una tubería parcialmente obstruida, que es exactamente lo que hace el medidor de orificios por sí solo. La placa ofrece una obstrucción medida con precisión que esencialmente encoge la tubería y obliga a la sustancia que fluye a contraerse. Una celda DP permite la comparación de la presión en el lado aguas arriba (sin obstrucciones) y el lado aguas abajo (constreñido). Una mayor tasa de flujo de fluido generalmente daría como resultado una mayor caída de presión, ya que el tamaño del orificio permanece constante y el fluido se mantiene más tiempo construyendo energía potencial en el lado aguas arriba del orificio. Algunos de los otros tipos de placas de orificio incluyen placas concéntricas, excéntricas y segmentarias, cada una con diferentes formas y colocaciones para medir diferentes procesos. Estas placas están disponibles en formas variadas para que el medidor tenga la estructura óptima para diferentes aplicaciones. Además, la densidad y viscosidad del fluido, y la forma y el ancho de la tubería también influyen en la elección de la forma de la placa a usar.

Dicha caída de presión a través de la placa se relaciona entonces con el caudal utilizando principios básicos de mecánica de fluidos que incorporan parámetros como la densidad del fluido y el tamaño de la tubería. El caudal Q, dado por el medidor de orificio, suele modelarse con la siguiente ecuación:

Donde p ₁ − p ₂ es la caída de presión a través de la placa, ρ es la densidad del fluido, _A1 es el área de la sección transversal de la tubería, _A2 es el área de la sección transversal del orificio y C _d es coeficiente de descarga (generalmente alrededor de 0.6). C _d se utiliza para contabilizar las pérdidas de energía dentro del sistema.

El medidor de orificio es uno de los caudalímetros más utilizados, ya que es económico de instalar y operar, es sencillo y fácil de construir, y es altamente robusto y duradero. Los medidores de orificio no solo son simples y baratos, también se pueden entregar para casi cualquier aplicación y estar hechos de cualquier material. Esta simplicidad de su diseño y función es una de sus ventajas primordiales, ya que el medidor consiste esencialmente en solo una placa modificada. Esto no solo reduce su precio inicial sino que también reduce sus costos operativos, gastos de mantenimiento, y el gasto y disponibilidad de refacciones. Los caudales más bajos reducen su precisión, mientras que los caudales más altos combinados con placas de orificio sin usar de alta calidad lo aumentan. La placa de orificio es mejor cuando un borde afilado está presente hacia el lado aguas arriba del medidor. El desgaste reduce la precisión de las placas de orificio. La tasa de reducción de las placas de orificio es generalmente inferior a 5:1. Más información sobre las tarifas de cobertura se menciona en una sección posterior.

Medidor Venturi

Los medidores Venturi pueden pasar 25 — 50% más de flujo que un medidor de orificio. En una configuración de medidor Venturi, una tubería corta y de menor diámetro se sustituye en una línea de flujo existente. Debido a que el medidor Venturi es insensible a los cambios en el perfil de velocidad del flujo de fluido, el diseño de la tubería no necesita ser recto como el medidor de orificio. Aunque inicialmente caro, el medidor Venturi tiene costos de mantenimiento y operación relativamente bajos.

En el Tubo Venturi el caudal de fluido se mide reduciendo el área de flujo de sección transversal en la trayectoria de flujo, generando una diferencia de presión. Después del área constreñida, el fluido pasa a través de una sección de salida de recuperación de presión, donde se recupera hasta 80% de la presión diferencial generada en el área constreñida.

Hay dos tipos principales de medidores Venturi. El primero, conocido como el clásico medidor Herschel Venturi, es un metro muy largo caracterizado a continuación. Las lecturas de presión en diferentes puntos del medidor se combinan para proporcionar una lectura de presión promedio. La limpieza del medidor Venturi clásico es limitada. El segundo tipo de medidor Venturi se conoce como el medidor Venturi de forma corta. Esto difiere de su contraparte más larga por su tamaño y peso reducidos.

Según el principio de Bernoulli, el área transversal más pequeña resulta en un flujo más rápido y, por lo tanto, una presión El medidor Venturi mide la caída de presión entre esta sección constreñida de tubería y la sección no restringida.

El coeficiente de descarga para el medidor Venturi es generalmente mayor que el utilizado para el orificio, generalmente oscilando entre .94 y .99.

El medidor Venturi se usa más comúnmente para medir caudales muy grandes donde las pérdidas de energía podrían llegar a ser significativas. El caudalímetro Venturi tiene un costo de arranque más alto que un orificio, pero se equilibra con los costos de operación reducidos.

Debido a la simplicidad y confiabilidad, el caudalímetro de tubo Venturi se usa a menudo en aplicaciones donde son necesarias mayores proporciones de cobertura o caídas de presión más bajas que las que las placas de orificio pueden proporcionar. Con la instrumentación adecuada y la calibración de flujo, el caudal del medidor Venturi se puede reducir a aproximadamente el 10% de su rango de escala completa con la precisión adecuada. Esto proporciona una relación de reducción de alrededor de 10:1.

Boquilla de flujo

Otro tipo de caudalímetro de presión diferencial es la boquilla de flujo. Las boquillas de flujo se utilizan a menudo como elementos de medición para el flujo de aire y gas en aplicaciones industriales. A altas velocidades, las boquillas de flujo pueden manejar un flujo de líquido aproximadamente 60 por ciento mayor que las placas de orificio que tienen la misma caída de presión. Para mediciones donde están presentes altas temperaturas y velocidades, la boquilla de flujo puede proporcionar una mejor solución que una placa de orificio. Su construcción lo hace sustancialmente más rígido en condiciones adversas y los datos del coeficiente de flujo a altos números de Reynolds están mejor documentados que para placas de orificio. Los líquidos con sólidos suspendidos también se pueden medir con boquillas de flujo. Sin embargo, el uso de las boquillas de flujo no se recomienda para líquidos altamente viscosos o aquellos que contienen grandes cantidades de sólidos pegajosos. La tasa de reducción de las boquillas de flujo es similar a la de la placa de orificios. La boquilla de flujo es relativamente simple y barata, y está disponible para muchas aplicaciones en muchos materiales.

La boquilla sónica: boquilla de flujo crítico (estrangulado)

Un tipo de boquilla de flujo es la boquilla sónica. La Boquilla Sonic es un caudalímetro convergente-divergente. Consiste en una sección de entrada redondeada lisa que converge a un área mínima de garganta y diverge a lo largo de una sección de recuperación de presión o cono de salida.

La Boquilla Sonic se opera presurizando la entrada (P1) o evacuando la salida (P3), para lograr una relación de presión de 1.2 a 1 o mayor, entrada a salida. Cuando un gas acelera a través de una boquilla, la velocidad aumenta y la presión y la densidad del gas disminuyen. La velocidad máxima se logra en la garganta, el área mínima, donde rompe Mach 1 o sónico. En este punto no es posible aumentar el flujo bajando la presión aguas abajo. El flujo se ahoga. Las diferencias de presión dentro de un sistema de tuberías viajan a la velocidad del sonido y generan flujo. Las diferencias aguas abajo o las perturbaciones en la presión, que viajan a la velocidad del sonido, no pueden moverse aguas arriba más allá de la garganta de la Boquilla porque la velocidad de la garganta es mayor y en la dirección opuesta.

Las boquillas sónicas se utilizan en muchos sistemas de control para mantener caudales de gas fijos, precisos y repetibles no afectados por la presión aguas abajo. Si tienes un sistema con consumo de gas cambiante o variable aguas abajo y quieres alimentarlo con un caudal constante o bloqueado, una Boquilla Sonic es una excelente manera de lograrlo.

Tubos Pitot

Los tubos Pitot miden la velocidad local debido a la diferencia de presión entre los puntos 1 y 2 en los diagramas a continuación. A diferencia de los otros caudalímetros diferenciales, los tubos pitot solo detectan el flujo de fluido en un punto en lugar de un cálculo general. El primer diagrama muestra una configuración de tubo pitot simple mientras que el segundo muestra una configuración de tubo pitot compacto.

Ambos tubos funcionan de manera similar. Cada tubo pitot tiene dos aberturas, una perpendicular al flujo y otra paralela al flujo. El tubo de impacto tiene su abertura perpendicular al flujo de fluido, permitiendo que el fluido ingrese al tubo en el punto 2, y acumule presión hasta que la presión permanezca constante. A este punto se le conoce como el punto de estancamiento. El tubo estático, con aberturas paralelas al flujo de fluido, da la presión estática y provoca que un fluido sellado de densidad conocida se desplace en la base del tubo. La caída de presión se puede calcular usando el cambio de altura junto con las densidades del fluido y la ecuación a continuación.

\[\Delta p=\Delta h\left(\rho_{A}-\rho\right) g \nonumber \]

con Δ p como la caída de presión, ρ _A como la densidad conocida del fluido, ρ como densidad del fluido fluyente y g como la aceleración debida a la gravedad.

Esta caída de presión puede estar relacionada con la velocidad después de contabilizar las pérdidas en toda la tubería en el sistema, dada por C _p. Este coeficiente adimensional se encuentra a través de una calibración precisa del tubo pitot. La siguiente ecuación describe esta relación.

\[v=C_{p} \sqrt{\frac{2\left(p_{1}-p_{2}\right)}{\rho}} \nonumber \]

con v como la velocidad del fluido, C _p como el coeficiente de pérdida, p ₁ como la presión en el punto 1, p ₂ como la presión en el punto 2 y ρ como la densidad del fluido que fluye.

Al colocar el tubo en el centro exacto de la tubería, se puede medir la velocidad máxima y la velocidad promedio se puede calcular a través del número de Reynolds. La ecuación gobernante y el gráfico están a continuación.

\[R e=\frac{D v_{\max } \rho}{\mu} \nonumber \]

con Re como el número de Reynolds, D como el diámetro de la tubería, v _max como la velocidad máxima, ρ como la densidad del fluido que fluye y μ como la viscosidad del fluido que fluye.

Adaptado de Geankoplis.

Finalmente, el caudal se puede encontrar contabilizando el área de la tubería.

\[Q=v_{\operatorname{avg}} \frac{\pi}{2} r^{2} \nonumber \]

con\(Q\) como el caudal volumétrico,\(v_{avg}\) como la velocidad promedio, y\(r\) como el radio de la tubería.

Cabe señalar que todas las ecuaciones se aplican solo a fluidos incompresibles, pero estos pueden ser utilizados para aproximar flujos de gas a velocidades moderadas. Este caudalímetro también debe colocarse al menos 100 diámetros de tubería a distancia, aguas abajo de la obstrucción de flujo más cercana. Esto asegura que no haya fluctuaciones de presión no deseadas y lecturas precisas del tubo pitot. Además, los fluidos que contienen partículas grandes pueden obstruir el tubo pitot y deben evitarse.

FUERZA DIRECTA

Estos medidores de flujo están gobernados por fuerzas de equilibrio dentro del sistema.

Rotámetro

Un rotámetro es un tubo instalado verticalmente que aumenta de diámetro al aumentar la altura. El medidor debe instalarse verticalmente para que los efectos de gravedad se incorporen fácilmente a las ecuaciones gobernantes. El fluido fluye a través de la parte inferior del tubo y sale a través de la parte superior. Dentro del tubo de vidrio hay un flotador que cambia de posición con el caudal. Cuando no hay flujo de líquido, el flotador descansa en la parte inferior del medidor.

El concepto aplicado para el rotámetro es el área diferencial. A medida que cambia el caudal del fluido, la posición del flotador cambia y el área anular cambia directamente, manteniendo una caída de presión constante a través del medidor. Los cambios en la posición del flotador y el área anular son aproximadamente lineales con cambios en el caudal. Al lograr un caudal estable, las fuerzas verticales se equilibran y por lo tanto la posición del flotador permanece constante. El flujo volumétrico viene dado por la siguiente ecuación:

\[Q=C A_{b} \sqrt{\frac{2 g\left(\frac{V_{f}\left(\rho_{f}-\rho\right)}{A_{f}}-\rho h_{f}\right)}{\rho\left[1-\left(\frac{A_{b}}{A_{a}}\right)^{2}\right]}} \nonumber \]

siendo C el coeficiente de descarga, A _b siendo el área de la sección transversal de la parte superior del flotador, V _f volumen del flotador, ρ _f la densidad del flotador, ρ la densidad del fluido h _f la altura del flotador, _{A a} el área de la sección transversal de la parte inferior del flotador.

Generalmente, los rotámetros son económicos y fáciles de usar. Esto les permite ser utilizados en muchas aplicaciones de plantas.

Medidor de Turbina

Una rueda de turbina se coloca en una tubería que contiene el fluido que fluye. A medida que el fluido fluye a través de la turbina, la turbina se ve obligada a girar a una velocidad proporcional al caudal de fluido. Un captador magnético está montado en la rueda de la turbina, y un sensor registra los pulsos de voltaje producidos. La información de voltaje se puede traducir a la lectura real del medidor de flujo.

La siguiente es la ecuación utilizada para modelar el medidor de turbina:

\[Q=V A=\frac{\omega(\bar{r})^{2} A^{2}}{\bar{r} A \tan \beta-0.037 R e^{-0.2} n\left(R_{o}+R_{i}\right) D \sin \beta} \nonumber \]

con A el área de la tubería, el radio cuadrático medio de la raíz, la velocidad rotacional ω, β el ángulo entre la dirección del flujo y las palas de la turbina, R _o el radio exterior de la pala, R _i el radio interior y D la distancia entre las palas.

Hay dos ventajas principales del medidor de turbina sobre los dispositivos convencionales de cabezal diferencial

1. Los registros extendidos son más precisos del flujo en el rango de flujo bajo de la operación del proceso. Esto resulta de que el registro es proporcional a la velocidad en lugar del cuadrado de velocidad
2. La pérdida de carga comparativamente baja a través del medidor

Otra ventaja de usar este tipo de caudalímetros es la confiabilidad. Extensas pruebas han demostrado estos resultados. Adicionalmente, el medidor de flujo de turbina no tiene un alto costo de instalación. Sin embargo, debido al movimiento de la rueda de la turbina, puede producirse una caída de presión de baja a media. También se puede requerir el reemplazo de la rueda de turbina debido a la abrasión causada por partículas dentro del fluido.

Medidor de flujo de hélice

Los medidores de flujo de hélice tienen un elemento giratorio similar a la rueda en los medidores de turbina. Nuevamente, la rotación es causada por el flujo de fluido a través de la hélice, y se crean pulsos de voltaje a medida que la hélice pasa por un sensor magnético u óptico. De manera similar, la frecuencia de los pulsos es proporcional al caudal del fluido y los voltajes pueden correlacionarse directamente con el caudal del fluido.

Los medidores de flujo de hélice a menudo se usan específicamente con agua, aunque también se pueden usar otros fluidos. Bajo costo junto con alta precisión hacen que los medidores de flujo de hélice sean una opción común en muchas aplicaciones.

Sensores de rueda de paleta

Un tipo de sensor de hélice es el sensor de rueda de paletas. Los sensores de rueda de paletas son similares a los sensores de turbina, excepto por una cosa. El eje del sensor de rueda de paletas es perpendicular al flujo del fluido mientras que el eje del sensor de turbina es paralelo al flujo del fluido. Esto agrega varias ventajas para el sensor de flujo de la rueda de paletas. Debido a que el eje es perpendicular al flujo, sostiene menos axial del fluido, y por lo tanto menos fricción. Los sensores de rueda de paletas también tienen un número menor de palas, por lo que se necesita menos fuerza para girar la rueda de paletas. Esto significa que una rueda de paletas puede ser precisa a flujos más bajos, tener una alta eficiencia, así como una vida útil más larga.

Hay dos tipos de sensores de rueda de paletas, sensores de inserción y sensores en línea. Hay más de un diseño para un sensor de inserción, pero un diseño popular tiene el rodamiento integrado en el rotor y el eje deslizándose a través de él como eje central de giro. La cuchilla sale y se inserta en la tubería con el fluido que fluye. Un sensor de rueda de paletas en línea se utiliza para tuberías más pequeñas. Contiene un conjunto de rotor con el imán sellado en su interior y un cuerpo principal.

Medidor de flujo másico Coriolis

Un medidor de flujo Coriolis aprovecha el fenómeno natural en el que un objeto comenzará a “derivar” a medida que viaja desde o hacia el centro de una rotación que ocurre en el entorno circundante. Un tiovivo sirve como una simple analogía; una persona que viaja desde el borde exterior del círculo hasta su centro se encontrará desviándose de su trayectoria en línea recta en la dirección de la rotación del paseo.

Los caudalímetros Coriolis generan este efecto al desviar el flujo de fluido a través de un par de tubos en U paralelos sometidos a vibración perpendicular al flujo. Esta vibración simula una rotación de la tubería, y la “deriva” de Coriolis resultante en el fluido hará que los tubos en U se tuerzan y se desvíen de su alineación paralela. Esta fuerza de Coriolis que produce esta desviación es en última instancia proporcional al caudal másico a través de los tubos en U.

\[\text{Mass Flow}=\frac{F_{c}}{2 w x} \nonumber \]

donde\(F_c\) se observa la fuerza de Coriolis,\(w\) es la velocidad angular resultante de la rotación, y\(x\) es la longitud de la tubería en el caudalímetro.

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) El patrón de vibración durante la ausencia de flujo y (derecha) El patrón de vibración con flujo másico. (CC BY-SA 2.5; Cleonis vía Wikipedia)

Debido a que el caudalímetro Coriolis mide el caudal másico del fluido, la lectura no se verá afectada por fluctuaciones en la densidad del fluido. Además, la ausencia de obstrucciones directas al flujo hace que el caudalímetro Coriolis sea una opción adecuada para medir el flujo de fluidos corrosivos. Sus limitaciones incluyen una caída de presión significativa y una precisión disminuida en presencia de gases de bajo flujo.

FRECUENCIA

Estos medidores de flujo utilizan señales de frecuencia y electrónicas para calcular el caudal.

Medidor de flujo de desprendimiento de vórtice

Un cuerpo romo y no aerodinámico se coloca en la corriente del flujo a través de una tubería. Cuando la corriente de flujo golpea el cuerpo, se producen una serie de vórtices alternos, lo que hace que el fluido se arremoline a medida que fluye aguas abajo. El número de vórtices formados es directamente proporcional a la velocidad del flujo y, por lo tanto, al caudal. Los vórtices se detectan aguas abajo del cuerpo romo mediante un haz ultrasónico que se transmite perpendicular a la dirección del flujo. A medida que los vórtices cruzan la viga, alteran la onda portadora a medida que la señal se procesa electrónicamente, utilizando un circuito de frecuencia a voltaje. El siguiente diagrama muestra el principio básico del caudalímetro de desprendimiento de vórtices:

Los caudalímetros de desprendimiento de vórtice se utilizan mejor en flujo turbulento con un número de Reynolds mayor a 10,000. Una ventaja de usar este tipo de caudalímetro es su insensibilidad a la temperatura, presión y viscosidad. La principal desventaja de usar este método es la caída de presión causada por la obstrucción del flujo.

Medidores de flujo ultrasónicos

Existen dos tipos de medidores ultrasónicos, el tiempo/tiempo de tránsito de vuelo y los modelos Doppler, los cuales tienen ecuaciones únicas que representan los principios detrás de ellos. La base para estos medidores es monitorear las ondas ultrasónicas en el fluido que pasa a través de un campo acústico preconfigurado. Estos medidores se basan en la técnica de las ondas sonoras que cambian.

Medidores de flujo de tiempo de transito/tiempo de vuelo

Los medidores de tiempo de tránsito tienen dos transductores opuestos fuera de la tubería para medir el tiempo de una señal enviada desde un transductor aguas arriba a un transductor aguas abajo y viceversa.

Esto permite determinar la velocidad promedio y por lo tanto el caudal\(Q\),,.

\[Q=K\left(\frac{\pi d^{3} \tan \alpha}{8}\right)\left(\frac{1}{t_{U D}}-\frac{1}{t_{D U}}\right) \nonumber \]

donde d es el diámetro de la tubería, α es el ángulo entre la dirección del flujo y la tubería, t _UD es el tiempo para que la señal llegue al transductor aguas abajo desde el transductor aguas arriba, y t _DU es el tiempo para que la señal llegue al transductor aguas arriba del transductor aguas abajo.

Con el Caudalímetro Ultrasónico Time of Flight se mide el tiempo para que el sonido viaje entre un transmisor y un receptor. Este método no es confiable en las partículas en el fluido.

Dos transmisores/receptores (transceptores) están ubicados a cada lado de la tubería. Los transmisores envían ondas ultrasónicas pulsantes en una frecuencia predefinida de un lado a otro. La diferencia de frecuencia es proporcional a la velocidad media del fluido.

El tiempo de transmisión de pulso descendente se puede expresar como

\[t_d = \dfrac{L}{c + v \cos Φ} \nonumber \]

donde\(t_d\) es el tiempo de transmisión de pulso descendente y\(L\) es la distancia entre transceptores.

El tiempo de transmisión de pulso descendente se puede expresar como

\[t_u = \dfrac{L}{c - v \cos Φ} \nonumber \]

donde\(t_u\) es el tiempo de transmisión del pulso ascendente.

Dado que el sonido viaja más rápido aguas abajo que aguas arriba, la diferencia se puede expresar como

\[t = \dfrac{t_d - t_u) t = \dfrac{ 2 v L \cos Φ}{c^2 - v^2 \cos 2Φ} t = \dfrac{2 v L \cos Φ}{c^2} \label{4} \]

(ya que\(v\) es muy pequeño en comparación con\(c\))

Medidores Doppler

Los medidores Doppler utilizan el desplazamiento de frecuencia de una señal ultrasónica cuando es reflejada por partículas suspendidas o burbujas de gas (discontinuidades) en movimiento. El Caudalímetro Ultrasónico de Efecto Doppler utiliza sonido ultrasónico reflejado para medir la velocidad del fluido. Al medir el desplazamiento de frecuencia entre la fuente de frecuencia ultrasónica, el receptor y el portador de fluido, se mide el movimiento relativo. El desplazamiento de frecuencia resultante se denomina Efecto Doppler.

Estas señales reflejadas viajan a la velocidad de la luz.

\[V_{;}=\frac{V_{s} \Delta f}{2 f_{\text {actual }} \cos \alpha} \nonumber \]

donde\(f\) es la frecuencia real y\(Δf\) es el cambio en la frecuencia o desplazamiento de frecuencia.

La velocidad del fluido se puede expresar como

\[v = \dfrac{ c (f_r - f_t)}{2 ft \cos Φ} \nonumber \]

donde

• \(f_r\)es la frecuencia recibida
• \(f_t\)es la frecuencia de transmisión
• \(v\)es la velocidad del flujo de fluido
• \(Φ\)es el ángulo relativo entre el haz ultrasónico transmitido y el flujo de fluido
• \(c\)es la velocidad del sonido en el fluido

Este método requiere que haya algunas partículas reflectantes en el fluido. El método no es adecuado para líquidos claros.

Ventajas con el Caudalímetro Ultrasónico de Efecto Doppler

Los medidores Doppler se pueden usar donde otros medidores no funcionan. Esto podría ser en lodos líquidos, líquidos aireados o líquidos con alguna cantidad pequeña o grande sobre sólidos suspendidos. Las ventajas se pueden resumir en:

Limitaciones con los caudalímetros ultrasónicos de efecto Doppler

Beneficios con los caudalímetros ultrasónicos como un todo

• El rendimiento de los caudalímetros Doppler depende en gran medida de las propiedades físicas del fluido, como la conductividad sónica, la densidad de partículas y el perfil de flujo.
• La falta de uniformidad de la distribución de partículas en la sección transversal de la tubería puede resultar en una velocidad media calculada incorrectamente. La precisión del caudalímetro es sensible a las variaciones del perfil de velocidad y a la distribución de los reflectores acústicos en la sección de medición.
• A diferencia de otros caudalímetros acústicos, los medidores Doppler se ven afectados por cambios en la velocidad sónica del líquido. Como resultado, el medidor también es sensible a los cambios de densidad y temperatura. Estos problemas hacen que los caudalímetros Doppler no sean adecuados para aplicaciones de medición de alta precisión.
• Obstrucción menos flujo
• Caída de presión igual a una longitud equivalente de tubería recta
• No se ve afectado por los cambios de temperatura, densidad o viscosidad
• Capacidad de flujo bidireccional
• Corte de flujo bajo
• Resistente a la corrosión

Ambos medidores son efectivos para medir canales abiertos y tuberías parcialmente llenas pero son muy sensibles a las condiciones de flujo y por lo tanto deben calibrarse con cuidado. Además, no hay caída de presión ya que no hay obstrucciones en la trayectoria del flujo.

OTROS TIPOS

Medidor de Flujo Magnético

Un medidor de flujo de modelo magnético posiciona bobinas eléctricas alrededor de la tubería del flujo a medir. Se establece un par de electrodos a través de la pared de la tubería. El fluido que fluye tiene un valor mínimo de conductividad eléctrica, el movimiento del fluido a través de la tubería actúa como un conductor que se mueve a través del campo magnético. Hay un cambio inducido en el voltaje entre los electrodos, que es proporcional a la velocidad del flujo.

La velocidad de flujo se encuentra midiendo los cambios de voltaje inducido del fluido conductor que pasa a través de un campo magnético controlado en ángulo recto. Según la Ley de Faraday, la magnitud del voltaje inducido es directamente proporcional al producto del flujo magnético, distancia entre sondas y la velocidad del medio (fluido).

\[E=-N \frac{d \phi}{d t}=-N B \frac{d A}{d t}=-N B D \frac{d z}{d t}=-N B D v \nonumber \]

donde\(E\) esta el voltaje de la corriente inducida,\(N\) es el numero de vueltas,\(B\) es el campo magnetico externo,\(φ\) es el flujo magnetico,\(D\) es la distancia entre electrodos y\(v\) es la velocidad del fluido.

Algunas de las ventajas son la mínima caída de presión debido a las obstrucciones mínimas en la trayectoria del flujo; bajo costo de mantenimiento debido a que no hay partes móviles. Una de las desventajas es que por lo general requiere de un fluido con una conductividad eléctrica superior a 3 µS/cm.

Medidor de Flujo Calorimétrico

Este tipo de medidor de flujo es adecuado para monitorear los caudales de medios líquidos y gaseosos. El principio calorimétrico se basa en dos sensores de temperatura en cuartos cercanos uno del otro pero aislados térmicamente entre sí.

Uno de los dos sensores de temperatura se calienta constantemente y el efecto de enfriamiento del fluido que fluye se utiliza para monitorear el caudal. En una condición de fluido de fase estacionaria hay una diferencia de temperatura constante entre los dos sensores de temperatura. Cuando el flujo de fluido aumenta, se extrae energía térmica del sensor calentado y se reduce la diferencia de temperatura entre los sensores. La reducción es proporcional al caudal del fluido. El medidor de flujo calorimétrico puede lograr una precisión relativamente alta a bajos caudales.

Aplicaciones comunes: compresión de aire, compresión de argón, compresión de nitrógeno, compresión de dióxido de carbono y detección de flujo de todos los fluidos (líquidos y gases)

Medidor de flujo de engranajes

Este tipo de medidor de flujo tiene engranajes de forma ovalada con dientes de ajuste que controlan la cantidad de fluido que pasa a través. El caudal se calcula por el número de veces que los engranajes se llenan y se vacían. Estos medidores tienen alta precisión y se utilizan para medir bajo flujo y para fluidos de alta viscosidad. Es muy fácil instalar este tipo de medidores ya que no requiere tubería.

Medidores de flujo térmico

Estos medidores de flujo aprovechan las propiedades térmicas del fluido para medir el flujo del fluido en una tubería. En la mayoría de los medidores de flujo térmico, se aplica una cantidad medida de calor al calentador del sensor. Porciones de este calor se pierden al fluido a medida que fluye. En consecuencia, a medida que aumenta el flujo de fluido se pierde más calor. La cantidad de calor perdido se rastrea usando un instrumento de medición de temperatura en el sensor. Entonces un transmisor electrónico utiliza la entrada de calor y las mediciones de temperatura para calcular el flujo de fluido, tomando en cuenta las propiedades térmicas del fluido.

Las aplicaciones comunes de los medidores de flujo térmico son medir el caudal de gases limpios como aire, nitrógeno, hidrógeno, helio, amoníaco y argón. La mayoría de los medidores de flujo térmico se utilizan para medir gases puros que serían utilizados en experimentos de laboratorio o producción de semiconductores. También se pueden medir mezclas como el flujo de chimenea, pero las composiciones de la mezcla deben ser conocidas para usar las propiedades térmicas apropiadas de cada componente en la mezcla. La ventaja clave de esta tecnología es su dependencia de las propiedades térmicas que son en su mayoría independientes de la densidad del gas.

Sin embargo, se debe tener precaución si se utiliza este tipo de caudalímetro para medir un fluido de composición desconocida o variable. Adicionalmente, los medidores de flujo térmico no deben usarse para medir fluidos abrasivos porque pueden dañar el sensor. Algunos fluidos pueden recubrir el sensor haciendo que sea inoperable y deben limpiarse regularmente para que sea útil.

Tabla de Medidores de Flujo

En la siguiente tabla se describen los detalles de la mayoría de los medidores de flujo. Esto puede ser útil para responder el ejemplo 1. La precisión se da en términos de FSD (deflexión a escala completa) que es la deflexión del puntero del medidor al punto más lejano de la escala. Esto implica la medición más alta.

Distorsión del perfil de

En el mundo real, el perfil de flujo no siempre es simétrico. Los accesorios de tubería como los codos, las piezas en T y los reductores pueden cambiar el perfil de flujo. Un ejemplo de un accesorio que alterna el perfil de flujo es un codo afilado que provoca remolinos puros en todo el fluido. Algunos caudalímetros son más sensibles a tipos particulares de distorsión de flujo. Las condiciones de flujo más complejas producen un mejor perfil de velocidad, pero hay una compensación ya que son más caras y dan mayores caídas de presión.

Relación de Turndown

La relación de reducción es un término utilizado para describir el rango de operabilidad precisa de un caudalímetro específico. Esta capacidad de rango es crítica a la hora de seleccionar caudalímetros para aplicaciones específicas. Por lo general, en un ajuste de planta el flujo de gas puede no ser constante, pero se necesita una medición precisa del flujo de gas que va desde ningún flujo hasta flujo completo.

Por ejemplo, si se está utilizando gas nitrógeno en una planta que realiza múltiples reacciones discontinuas, a veces se necesitará poco nitrógeno (100 m3/min) y otras veces se necesitará un flujo completo de nitrógeno (1000 m3/min). Para este sistema, la relación de reducción es 10:1. En consecuencia, un caudalímetro debe tener una relación de reducción de al menos 10:1.

Para cada tipo de caudalímetro, la relación de reducción está limitada por las restricciones teóricas y físicas. Por ejemplo, para un medidor de orificios, la precisión puede verse comprometida cerca de los límites de la capacidad de rango. Los medidores de orificio crean una caída de presión en el fluido medido que es proporcional a la velocidad al cuadrado. Si el rango de presiones diferenciales se vuelve demasiado grande, la precisión general del medidor de flujo en sus límites de rango puede ser inconsistente.

La relación de cobertura se puede expresar como:

\[TR = qmax / qmin \label{1} \]

donde

La siguiente tabla muestra una lista de relaciones de reducción típicas para diferentes caudalímetros.

Ejemplo - Relación de reducción para un medidor de orificio

La relación de reducción - TR - para un medidor de orificio con flujo máximo de 12 kg/s y un flujo mínimo de 3 kg/s se puede calcular como:

TR = (12 kg/s)/(3 kg/s) = 4 - normalmente expresado como relación de reducción de 4:1

Esta es una relación de reducción típica para una placa de orificio. En general una placa de orificio tiene una relación de reducción entre 3:1 y 5:1.

Relación de cobertura y señal medida

El gráfico anterior muestra cómo la relación de reducción afecta a la señal medida% y el caudalímetro%. Con una mayor relación de reducción, hay un rango mayor en el que pueden operar los caudalímetros. En un caudalímetro basado en el principio de orificio o venturi, se utiliza la presión diferencial aguas arriba y aguas abajo de una obstrucción en el flujo para indicar el flujo. De acuerdo con la Ecuación de Bernoulli la presión diferencial aumenta con el cuadrado de velocidad de flujo. Una relación de reducción grande obstaculizará la señal de medición a un caudal bajo y es por eso que los medidores de venturi y orificio no son precisos a caudales bajos.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

a) El petróleo fluye en una tubería de tamaño mediano que es insensible a la temperatura y la presión. La caída de presión medida es relativamente baja. ¿Qué tipo de caudalímetro se recomienda?

Caudalímetro Coriolis porque mide eficazmente los caudales de líquidos de alta viscosidad a una baja caída de presión. Los caudalímetros Coriolis también son insensibles a la temperatura y la presión.

b) ¿Por qué se recomienda Doppler solo para líquidos que contengan sólidos o gases suspendidos?

El sensor Doppler transmite sonido a la corriente de flujo, que debe reflejarse de nuevo al sensor para indicar la velocidad del flujo. Las burbujas de gas o los sólidos suspendidos actúan como reflectores para la señal Doppler. Los caudalímetros Doppler se recomiendan para líquidos que contengan sólidos o burbujas con un tamaño mínimo de 100 micras y una concentración mínima de 100 ppm.

(c) ¿Cuándo usaría los medidores de flujo Vortex?

Vortex se utiliza principalmente para medir los caudales de vapor. También se utilizan para medir gases y líquidos con baja viscosidad que apenas contienen sólidos.

(d) Un líquido conductor fluye en una tubería (tamaño 1000 mm) a la temperatura de 430K. ¿Qué tipo de caudalímetro se recomienda para medir el caudal?

El medidor de flujo electromagnético se utiliza en este caso ya que mide los caudales de los líquidos conductores.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

El queroseno a 20 grados C fluye a 18 m ³/h en una tubería de 5 cm de diámetro. Si se instala un orificio de placa delgada de 2 cm de diámetro con grifos de esquina, ¿cuál será la caída medida en Pa? ¿Por qué se usa el medidor de orificio en este caso?

Datos dados: C _d =0.6030; μ = 192E-3 kg/ (m s) para queroseno; ρ = 804 kg/m^3

Solución

En este caso se utiliza medidor de orificio porque el queroseno es un líquido limpio y no viscoso.

Por lo general, la velocidad de la tubería se calcula usando la fórmula de velocidad para calcular los valores de Re y C _d. La velocidad de la tubería es:

\[v=\frac{Q}{A}=\frac{\left(\frac{18}{3600}\right)}{\left(\frac{\pi}{4}\left(0.05^{2}\right)\right.}=2.55 \mathrm{m} / \mathrm{s} \nonumber \]

En este caso, ya tenemos el C _d. Entonces, usando la fórmula de caída de presión del orificio, calcule

\[Q=\frac{18}{3600}=0.6030 \frac{(2 \pi)(0.02)^{2}}{\sqrt{1-\frac{(0.04)^{2}}{(0.02)^{2}}}} \sqrt{\frac{2 \Delta p}{804}}=0.005 m^{3} / h \nonumber \]

El paso final es resolver para Δ p para dar 273 kPa.

\[\Delta p=\frac{(0.005)^{2} *\left(1-\frac{(0.04)^{2}}{(0.02)^{2}}\right)(804)}{(0.6030)^{2}(2 \pi)^{2}(0.02)^{4}(2)}=273 k P a \nonumber \]

Rincón de Sage

Selección de un sensor de flujo industrial

Referencias

Colaboradores y Atribuciones

• TR = Relación de reducción
• qmax = flujo máximo
• qmin = flujo mínimo
• Catálogo Cole-Palmer, 2005-2006
• [5] Sitio web de Fundamentos de Ingeniería
• Perry, Robert H., Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7a Edición. McGraw-Hill, 1997.
• Richardson, J.F. y Peacock, D.G., Ingeniería Química, 3a Edición, Tomo 3. Butterworth- Heinemann, 1994.
• [6] Medición y control de procesos Productos
• [7] Caudalímetros universales Presenta Flowmeters.com
• [8] Transacciones Volumen 4: Medición de Flujo y Nivel
• [9] Entrada de Wikipedia sobre caudalímetros másicos de Coriolis
• [10] Literatura Omega: Medición de Flujo y Nivel
• Geankoplis, Christie John, Procesos de transporte y principios del proceso de separación, 4ta edición, Pearson Education, 2003.
• McKetta, John J., Cunningham, William A., Enciclopedia de Procesamiento y Diseño Químico: Volumen 43 - Control de Procesos: Simulación de Retroalimentación para Optimización de Procesos, CRC Press, 1993.
• Autores: (14 de septiembre de 2006) Ashwini Miryala, Kyle Scarlett, Zachary Zell, Brandon Kountz
• Stewards: (5 de septiembre de 2007) Jeremy Goldfarb, Daniel McClure, Lilian Ngobi, Daniel Wheeler