Medición de caudal – Técnico superior

Introducción

La selección eficaz de un medidor de caudal exige
un conocimiento práctico de la tecnología del
medidor, además de un profundo conocimiento del proceso y
del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se
utiliza con el propósito de facturar un consumo,
deberá ser lo más precisa posible, teniendo en
cuenta el valor económico del fluido que pasa a
través del medidor, y la legislación obligatoria
aplicable en cada caso.

En este estudio se examinan los conceptos básicos
de la medida de caudal y las características de los
instrumentos de medida. Entré los principales medidores
que se estudian se citan, en primer lugar, los medidores de
presión diferencial. Después se estudian los
medidores con accionamiento mecánico, es decir, los
medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo
turbina, para finalizar con los medidores de caudal de tipo
electromagnético y los medidores de tipo
ultrasónico. Aquí se clasifican y describen
sucintamente los dispositivos más utilizados para la
medida de caudales que circula por una conducción, que en
realidad se basan en la medida de velocidades por las que el
fluido circula por una conducción. En la mayoría de
estos instrumentos, el caudal se calcula de forma indirecta
mediante el cálculo directo de la diferencia de
presión que se produce en el mismo.

Existen instrumentos que miden la velocidad local en un
punto de la conducción, y equipos que miden la velocidad
media a su paso por una sección

Medidor de
caudal.

Es un dispositivo que, instalado en una tubería,
permite conocer el flujo volumétrico o caudal que
está circulando por la misma, parámetro éste
de muchísima importancia en aquellos procesos que
involucran el transporte de un fluido. La mayoría de los
medidores de caudal se basan en un cambio del área de
flujo, lo que provoca un cambio de presión que puede
relacionarse con el caudal a través de la ecuación
de Bernoulli.

El caudal es la variable de proceso básica
más difícil de medir.

Flujo a través de restricciones
ecuaciones:

Tipos de Medidores de
Caudal.

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste
en la determinación de la cantidad de masa o volumen que
circula por la conducción por unidad de tiempo.

Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un
caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros o
medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los
contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir
y justificar el volumen que ha circulado por la
conducción.

Principales medidores de presión
diferencial:

Entre los principales tipos de medidores de
presión diferencial se pueden destacar los
siguientes:

• Placas de orificio,

• Toberas,

• Tubos Venturi,

• Tubos Pitot,

• Tubos Annubar,

• Codos,

• Medidores de área variable,

• Medidores de placa.

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.

• Las principales ventajas de dichos medidores
  son:

• su sencillez de construcción, no incluyendo
  partes móviles,

• 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.

• Sus principales desventajas son:

• 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.

Tubo
Venturi.

El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero
está diseñado para eliminar la separación de
capas próximas a los bordes y por lo tanto producir
arrastre. El cambio en la sección transversal produce un
cambio de presión entre la sección convergente y la
garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta
caída de presión. Aunque es más caro que una
placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de
presión no recuperable mucho menor.

Figura
1.1 y 1.2

En la figura 2 se muestra el perfil de un
tubo venturi clásico, donde se puede apreciar la
disposición de las tomas de presión para determinar
la presión diferencial.

Figura
2

Como se aprecia en la figura 2 se pueden destacar tres
partes fundamentales: a) una sección de entrada
cónica convergente en la que la sección transversal
disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del
fluido y una disminución de la presión; b) una
sección cilíndrica en la que se sitúa la
toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se
mantiene prácticamente constante, y c) una tercera
sección de salida cónica divergente en la que la
sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y
aumentando la presión. La incorporación de esta
sección de salida permite una recuperación de la
mayor parte de la presión diferencial producida y, por
tanto, un ahorro de energía.

Tubo
pitot.

Se trata de un dispositivo sumamente simple para medir
la presión cinética. Consta, básicamente de
dos sondas de presión, una toma cuya superficie se coloca
perpendicular a la dirección de la corriente (justo en el
punto donde se desea conocer la velocidad), y de otra toma de
presión con superficie paralela a la dirección de
la corriente. Con la primera toma se mide la presión de
impacto, y con la segunda la presión estática, de
forma que la diferencia entre ambas (medidas con un
manómetro diferencial) es la presión
cinética. En ésta se basa el cálculo de la
velocidad local en el punto donde se colocó la sonda de la
presión de impacto.

Figura 3. Medida de la velocidad
local.

Suelen utilizarse tubos de Pitot para la medida de
caudales de gas en grandes conducciones, como chimeneas de
industrias pesadas. Un inconveniente del uso del tubo de Pitot en
flujos gaseosos es la pequeña diferencia de presión
que se genera. Cuando el dispositivo empleado para la medida de
la diferencia de presión es un tubo manométrico,
circunstancia habitual en equipos de medida de campo, la altura
que alcanza el líquido manométrico, hm es muy
pequeña. Se ha pretendido corregir este inconveniente con
una modificación del instrumento que se conoce con el
nombre de tubo de Pitot invertido o pitómetro.
Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para
medir bajas velocidades del aire. Para líquidos
quizás el principal problema sea la rotura de la
sonda.

Placa Orificio.

Una placa orificio es una restricción con una
abertura más pequeña que el diámetro de la
cañería en la que está inserta. La placa
orificio típica presenta un orificio concéntrico,
de bordes agudos. Debido a la menor sección, la velocidad
del fluido aumenta, causando la correspondiente
disminución de la presión. El caudal puede
calcularse a partir de la medición de la caída de
presión en la placa orificio, P1-P3. La placa orificio es
el sensor de caudal más comúnmente utilizado, pero
presenta una presión no recuperable muy grande, debido a
la turbulencia alrededor de la placa, ocasionando un alto consumo
de energía.

Estos instrumentos se caracterizan
por:

• Es una forma sencilla de medir caudal (es una chapa
  precisamente agujereada).

• Es importante diferenciar entre una medición
  de proceso y una medición fiscal.

• En ciertos casos, cuando circula gas se utiliza un
  transmisor multivariable.

• Suelen requerir arreglos de piping
  específicos para poder cumplimentar con sus
  importantes requisitos de tramos rectos.

Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan,
según se muestra en la figura, se pueden destacar
los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de
entrada cónica.

Aplicaciones
típicas de los instrumentos en un control de
proceso.

Dado que la mayoría de las aplicaciones de los
instrumentos de medición de caudales se hacen con tubos
venturi, se verán con más detalle que los
demás, pues el uso de tubos venturi esta mucho mas
plasmado en muchas más áreas como industrias,
mecánica, y ahorro de energía; mientras que los
medidores de placa orificio y de tobera de flujo son usados
mayoritariamente para, valga la redundancia, medir
caudales.

Aplicaciones del efecto Venturi: 

• Hidráulica:
  La depresión generada en un estrechamiento al aumentar
  la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la
  fabricación de máquinas que proporcionan
  aditivos en una conducción hidráulica. Es muy
  frecuente la utilización de este efecto "Venturi" en
  los mezcladores del tipo Z para añadir
  espumógeno en una conducción de agua para la
  extinción.

• Aeronáutica:
  Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para
  explicar la sustentación producida en alas de aviones,
  este efecto por sí solo no es suficiente para explicar
  la sustentación aérea. En la
  sustentación intervienen además
  el principio
  de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor
  velocidad al pasar por la región más convexa
  del ala de un avión. La tercera ley de
  Newtonestá también involucrada en este
  principio. Además, se utiliza este tubo para proveer
  succión a los instrumentos que trabajan con
  vacío, (Coordinador
  de giro, Horizonte
  artificial, etc.) en los aviones que no están
  provistos de bombas mecánicas de
  vacío.

• Motor:
  el carburador aspira
  el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el
  aire (fluido del conducto principal), al pasar por un
  estrangulamiento.

• Hogar: En los equipos ozonificadores de agua,
  se utiliza un pequeño tubo Venturi para efectuar una
  succión del ozono que se
  produce en un depósito de vidrio, y así
  mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con
  la idea de destruir las posibles bacterias
  patógenas y de desactivar los virus y otros
  microorganismos que no son sensibles a la desinfección
  con cloro.

• Tubos de Venturi: Medida de velocidad de
  fluidos en conducciones y aceleración de
  fluidos.

• Acuarofilia: En las tomas de bombas de agua o
  filtros, el efecto Venturi se utiliza para la
  inyección de aire y/o CO2.

• Neumática:
  Para aplicaciones de ventosas y eyectores.

• Cardiología:
  El efecto Venturi se utiliza para explicar la
  regurgitación mitral que se puede dar en
  la miocardiopatía
  hipertrófica, y que es causa de muerte
  súbita en deportistas. La explicación es que el
  movimiento sistólico anterior (MSA) que realiza la
  valva anterior de la válvula mitral, se produce porque
  la hipertrofia septal y el estrechamiento del tracto de
  salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v.
  mitral, que debido al efecto Venturi, succiona el extremo de
  la valva anterior contra el septo, que impide la salida de
  sangre, por lo que regurgita hacia la aurícula
  izquierda.

• Neumología:
  El efecto Venturi se utiliza en máscaras para la
  administración de concentraciones exactas
  de oxígeno,
  para controlar la FiO2;
  se denominan máscaras de Venturi o Ventimask. El
  oxígeno al 100% suministrado durante cierto periodo de
  tiempo es tóxico, por lo que se mezcla con aire
  externo cuya concentración de oxígeno es del
  21%, de modo que en función de la cantidad de aire que
  se mezcle con el oxígeno al 100%, la
  concentración de oxígeno será mayor o
  menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%. El
  oxígeno puro al pasar por el conducto con un calibre
  menor, se produce el efecto Venturi, se genera una
  presión negativa que permite la entrada del aire
  procedente del exterior a través de unos orificios
  circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios,
  entra más o menos aire y por tanto menor o mayor
  concentración de oxígeno que finalmente el
  paciente recibirá.

• Odontología:
  el sistema de aspiración de saliva en
  los equipos
  dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi.
  Ahora la aspiración está motorizada.

Aplicaciones del tubo
pitot:

Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy
limitadas en la Industria, dada la facilidad con que se obstruyen
por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir.
En general, se utilizan en tuberías de gran
diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y
vapores. Su precisión depende de la distribución de
las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas que
resultan difíciles de medir.

El tubo de pitot se utiliza como instrumento de medida
de la velocidad de los aviones respecto el aire. Hay que tener en
cuenta que es justamente la velocidad relativa entre el
avión y el aire (IAS, Indicated Air Speed) que se conoce
como la velocidad del aire indicada, es la que mantiene al
avión en vuelo, no la velocidad respecto el suelo (GS
ground speed). El GPS da la velocidad del avión respecto
el suelo y mediante el tubo de pitot se obtiene la velocidad
respecto el aire.

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.

Pérdida de
presión: debido a que los detalles
de construcción de
los distintos medidores son muy diferentes, éstos
proporcionan diversas cantidades de pérdida de
energía o pérdida de presión conforme el
fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los
medidores de fluido llevan a cabo la medición
estableciendo una restricción o un dispositivo
mecánico en la corriente de flujo, causando así la
pérdida de energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento
de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las
propiedades y condiciones del fluido. Una consideración
básica es si el fluido es un líquido o
un gas.
Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad,
la temperatura,
la corrosión,
la conductividad eléctrica, la claridad óptica,
las propiedades de lubricación y homogeneidad.

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

República Bolivariana de
Venezuela

Ministerio del Poder
Popular

Para la Educación
Universitaria

Del Estado Portuguesa

Universidad Politécnica de
Portuguesa

Programa Nacional de Formación
en Electricidad

Autor:

Pérez Ernesto

Calderón
Víctor

Fonseca José

Blanco Carlos

Rafael Piñero

Xavier Bastidas

Sección: 611 – ING.
Eléctrica