Fundamentos de la Medición de Flujo

Caudal (Q)

Es la medida de la velocidad de transferencia de materia en términos de volumen. Es afectado por la temperatura, la densidad, la presión y la viscosidad.

Nociones Básicas de Flujo

• Velocidad del Flujo: Se refiere a la rapidez y dirección de las partículas del fluido.
• Velocidad Media: Es la velocidad promedio del patrón del fluido.
• Patrón de Flujo: Se refiere a la forma en que las partículas de fluido se mueven en la tubería.
• Flujo Laminar: Partículas lentas cuyo movimiento se puede expresar como lineal y en láminas. En las paredes la velocidad es 0 y en el centro es máxima.
• Flujo Turbulento: Partículas rápidas cuyos movimientos son aleatorios. La distribución de velocidad se vuelve más aplanada.
• Número de Reynolds (Re): Relación adimensional entre las fuerzas dinámicas y las fuerzas viscosas del fluido. Este valor permite clasificar el tipo de flujo:
  • Re < 2000: Flujo laminar.
  • Re > 4000: Flujo turbulento.
• Fricción: El contacto con la superficie de la tubería frena el fluido por completo. Estas moléculas desaceleran a las moléculas sucesivas, lo que ocasiona una reducción de la velocidad y una pérdida de presión.

Principios Físicos Aplicados

• Ecuación de Continuidad: El caudal (Q) no varía dentro de la misma tubería debido a la conservación de la masa. Dado que Q = Velocidad (Vel) × Área (A), al cambiar el área, la velocidad cambia de forma inversa.
• Principio de Bernoulli: Establece que el fluido posee tres tipos de energía: cinética (velocidad), potencial (altura) y de presión.

  Para una restricción en una tubería horizontal, las alturas son iguales y se anulan. Esta restricción genera cambios en la presión y la velocidad, y esta última se puede expresar en función del caudal.

Clasificación de Medidores de Flujo

Los medidores se clasifican según su principio de funcionamiento:

• Presión Diferencial (DP)
• Desplazamiento Positivo
• Área Variable
• Volumétricos (o de Velocidad)
• Flujo Másico

1. Medidores de Presión Diferencial (DP)

1.a Placa Orificio

• Se instala dentro de la tubería.
• Placa circular u ovalada, generalmente de acero inoxidable.
• Disponible en varios diámetros (a partir de 1/8”).
• Genera pérdidas de presión del 20% al 40%.

Tipos de Placas Orificio

• Concéntrico: Para líquidos de baja viscosidad, gases o vapor de baja velocidad.
• Excéntrico y Segmental: Para fluidos con material en suspensión o condensado de vapor.

1.b Tubo Venturi

Genera el mismo fenómeno que la placa orificio, pero con una reducción progresiva hasta la garganta, minimizando las pérdidas de carga.

1.c Tobera

Es un simple estrechamiento en la tubería.

• Es una variación del Tubo Venturi, con una restricción elíptica.
• Apropiada para fluidos muy turbulentos (Re > 50000).
• La caída de presión es intermedia: Placa Orificio > Tobera > Tubo Venturi.

1.d Tubo Pitot

Es un tubo insertado en la tubería que permite generar una columna de fluido a causa de la fuerza dentro de la tubería.

• Mide simultáneamente la presión estática y la dinámica (de impacto).
• Reduce la caída de presión.
• Se usa principalmente para gases, debido a la susceptibilidad a obstrucciones en líquidos.

1.e Medidor de Impacto

• Mide la fuerza de impacto, que es proporcional al diferencial de presión.
• Utiliza un disco sólido perpendicular al fluido.
• La barra conectada al disco se enlaza a un transmisor eléctrico o neumático.
• Se usa en fluidos sucios con bajo Número de Reynolds.

Ventajas de los Medidores de Presión Diferencial

• No tienen partes móviles.
• Amplio rango de tamaños.
• Funcionan con gases y líquidos.
• Son el estándar industrial de facto.
• Son simples y no siempre necesitan calibración.

Desventajas de los Medidores de Presión Diferencial

• Relación no lineal entre la presión y el caudal (Q).
• No son altamente exactos.
• Ocasionan cierta pérdida de presión.
• Son afectados por la viscosidad.
• Instalación costosa.

2. Medidores de Desplazamiento Positivo

Operan atrapando un volumen unitario conocido del fluido y desplazándolo desde la entrada a la salida del sensor. Al contar el número ‘n’ de volúmenes desplazados por unidad de tiempo, se conoce el caudal. Se conocen también como contadores cuando operan independientemente del tiempo transcurrido.

• Separan la corriente en segmentos de igual volumen.
• Las partes se mueven gracias a la energía del fluido.
• Pueden totalizar el flujo en un intervalo.
• La señal de salida puede ser un tren de pulsos.
• Requieren filtros aguas arriba.
• No son adecuados en presencia de burbujas.

2.a Disco Oscilante

Consiste en una cámara con un disco que oscila al girar. Esta rotación es proporcional al caudal. Gracias al acople magnético, se puede generar una señal. Se usa en agua y/o líquidos que no requieren alta precisión.

2.b Engranaje Oval

Utiliza dos engranajes ovalados que rotan por efecto del flujo. El caudal se determina porque por cada revolución pasa una cantidad fija de fluido. El flujo es proporcional a la velocidad de rotación. Se usa con fluidos viscosos, aceites, grasas y/o líquidos con sólidos en suspensión.

Ventajas de los Medidores de Desplazamiento Positivo

• Buena exactitud y repetibilidad.
• Apto para alta viscosidad.
• Permite medición local y por transmisión.
• No requiere alimentación eléctrica.

Desventajas de los Medidores de Desplazamiento Positivo

• Costosos.
• Alta pérdida de carga hidráulica.
• No aptos para fluidos abrasivos o sucios.
• Partes expuestas a bloquearse.
• Limitan el caudal máximo que puede pasar.

3. Medidor de Área Variable (Rotámetro)

Se utiliza un dispositivo que, al restringir el paso, causa una pérdida de presión constante sin importar la cantidad de fluido. El área de paso se adapta al caudal.

4. Medidores Volumétricos (o de Velocidad)

• Miden en realidad la velocidad del fluido.
• Se calibran en unidades de flujo.
• Se basan en la relación Q = Área × Velocidad.
• Son lineales.

4.a De Turbina

Se añade una turbina en una sección de la tubería. El rotor girará proporcionalmente a la velocidad del fluido. Las aspas se monitorizan con luz, láser o magnéticamente. Se generan pulsos eléctricos, de modo que la frecuencia es proporcional a la velocidad y el número de pulsos es proporcional a la cantidad de flujo.

Se usa en fluidos limpios y de baja viscosidad, con un rango de 0.001 a 40,000 galones por minuto (GPM). Requieren tramos de tubería recta (10 diámetros aguas arriba; 5 diámetros aguas abajo).

Ventajas del Medidor Volumétrico de Turbina

• Buena exactitud.
• Fácil instalación y mantenimiento.
• Señal de salida apta para totalizar.
• Disponible para tasas bajas de flujo.

Desventajas del Medidor Volumétrico de Turbina

• Sensible a los cambios de viscosidad.
• Requiere tramo de tubería recta.
• Solo para líquidos y gases limpios.

4.b Electromagnético (Magmeter)

Utiliza la Ley de Faraday: si un conductor se mueve a una velocidad en un campo magnético, se induce una Fuerza Electromotriz (FEM). En este caso, el fluido conductor dentro de la tubería actúa como un conductor en movimiento. Al añadir un imán en dicho segmento, el caudal es lo que determina la FEM inducida, la cual se mide mediante electrodos opuestos.

4.c Ultrasónico

Se emite una onda a favor y otra en contra del fluido. El flujo perturba dichas ondas, y la perturbación varía según la velocidad. Para captar esto, se lee el diferencial de tiempo en segundos, con el cual se obtiene la velocidad.

Efecto Doppler Aplicado

El Efecto Doppler es el cambio de frecuencia de una señal relativo al movimiento (ejemplo: el sonido de una ambulancia). Cuando la fuente se acerca, la frecuencia aumenta y la longitud de onda disminuye; cuando se aleja, la frecuencia disminuye y la longitud de onda aumenta.

Llevado a los medidores, el emisor manda ondas a frecuencia constante. Estas ondas son reflejadas por partículas o burbujas en el líquido. El movimiento del fluido hace que la frecuencia emitida sea distinta a la frecuencia recibida. Con este diferencial de frecuencia se puede determinar la velocidad.

4.d Vortex o Torbellino

Utiliza el Efecto Von Kármán, donde al añadir un obstáculo en el paso del fluido se generan remolinos (vórtices). El número de remolinos generados es proporcional a la velocidad.

Composición del Medidor Vortex

1. Elemento que genera los remolinos.
2. Detector que convierte los vórtices a una señal eléctrica.
3. Amplificador para enviar la señal.

5. Medidor de Flujo Másico

Se desarrollaron por la necesidad de conocer con exactitud la masa durante una transferencia. El principio más común es el Efecto Coriolis.

Efecto Coriolis

Es un efecto que se produce si el sistema de referencia se encuentra en rotación, lo que ocasiona la curvatura de la trayectoria de un elemento externo a él.

Al pasar fluido por un tubo en un sistema vibratorio, este se ve alterado. Para aprovechar el efecto Coriolis, se colocan medidores de frecuencia en la entrada y salida del tubo. Dado que el tubo tiene una frecuencia de vibración conocida, el cambio de frecuencia (desfase) permite conocer la masa que está pasando. Los medidores de frecuencia envían una señal eléctrica.

Medición por Transferencia de Calor

Otra manera de medir el flujo másico es mediante la transferencia de calor. Según el diferencial de temperatura entre la entrada y la salida, se puede determinar el flujo másico que pasa por la tubería. A mayor flujo másico, más potencia se disipa, lo cual se relaciona con la potencia del filamento calefactor.

Ventajas del Medidor de Flujo Másico

• Buena exactitud y amplio rango de medida.
• Lectura directamente en unidades de masa.
• Costo de mantenimiento bajo.
• Son lineales.

Desventajas del Medidor de Flujo Másico

• Costosos.
• Pérdida de carga media.
• Generalmente no pueden usarse en gases (debido a la poca masa).
• Instalación costosa.
• No se pueden utilizar en tuberías de gran tamaño.

Proceso de Selección del Sensor Adecuado

1. Identificar las características del caudal que se busca medir (magnitudes esperadas, tipo de flujo, etc.).
2. Determinar los requerimientos del dueño del sistema (tipo de medición deseada, sistema de control, etc.).
3. Selección del tipo de sensor: Valoración de las tecnologías disponibles, selección de fabricantes, valoración económica, operativa y técnica.