La medición del caudal es la cuantificación del movimiento de un fluido a granel . El caudal se puede medir de diversas formas utilizando dispositivos denominados caudalímetros . A continuación, se enumeran los tipos más comunes de caudalímetros con aplicaciones industriales:
Los métodos de medición de caudal distintos de los caudalímetros de desplazamiento positivo se basan en las fuerzas producidas por la corriente que fluye a medida que supera una constricción conocida, para calcular indirectamente el caudal. El caudal se puede medir midiendo la velocidad del fluido sobre un área conocida. Para caudales muy grandes, se pueden utilizar métodos trazadores para deducir el caudal a partir del cambio en la concentración de un colorante o un radioisótopo.
Tanto el flujo de gas como el de líquido se pueden medir en magnitudes físicas del tipo caudal volumétrico o caudal másico , con sus respectivas unidades del SI, como metros cúbicos por segundo o kilogramos por segundo, respectivamente. Estas medidas están relacionadas con la densidad del material . La densidad de un líquido es casi independiente de las condiciones. Este no es el caso de los gases, cuya densidad depende en gran medida de la presión, la temperatura y, en menor medida, la composición.
Cuando se transfieren gases o líquidos por su contenido energético, como en la venta de gas natural , el caudal también puede expresarse en términos de flujo de energía, como gigajulios por hora o BTU por día. El caudal de energía es el caudal volumétrico multiplicado por el contenido energético por unidad de volumen o el caudal másico multiplicado por el contenido energético por unidad de masa. El caudal de energía suele derivarse del caudal másico o volumétrico mediante el uso de una computadora de flujo .
En contextos de ingeniería, el caudal volumétrico suele recibir el símbolo , y el caudal másico , el símbolo .
Para un fluido que tiene densidad , los caudales másico y volumétrico pueden estar relacionados mediante .
Los gases son compresibles y cambian de volumen cuando se los somete a presión, se los calienta o se los enfría. Un volumen de gas en unas condiciones de presión y temperatura determinadas no es equivalente al mismo gas en condiciones diferentes. Se hará referencia al caudal "real" a través de un medidor y al caudal "estándar" o "base" a través de un medidor con unidades como acm/h (metros cúbicos reales por hora), sm3 / sec (metros cúbicos estándar por segundo), kscm/h (miles de metros cúbicos estándar por hora), LFM (pies lineales por minuto) o MMSCFD (millones de pies cúbicos estándar por día).
El caudal másico de gas se puede medir directamente, independientemente de los efectos de la presión y la temperatura, con medidores de caudal ultrasónicos , medidores de caudal másico térmicos , medidores de caudal másico Coriolis o controladores de caudal másico .
En el caso de los líquidos, se utilizan distintas unidades según la aplicación y la industria, pero pueden incluirse galones (estadounidenses o imperiales) por minuto, litros por segundo, litros por m2 por hora, bushels por minuto o, al describir los caudales de los ríos, cumecs (metros cúbicos por segundo) o acre-pies por día. En oceanografía, una unidad común para medir el transporte de volumen (volumen de agua transportado por una corriente, por ejemplo) es el sverdrup (Sv), equivalente a 10 6 m3 / s .
Un elemento de flujo primario es un dispositivo insertado en el fluido que fluye y que produce una propiedad física que puede relacionarse con precisión con el flujo. Por ejemplo, una placa de orificio produce una caída de presión que es una función del cuadrado del caudal volumétrico que pasa por el orificio. Un elemento de flujo primario de un medidor de vórtice produce una serie de oscilaciones de presión. Generalmente, la propiedad física generada por el elemento de flujo primario es más fácil de medir que el flujo en sí. Las propiedades del elemento de flujo primario y la fidelidad de la instalación práctica a las suposiciones realizadas en la calibración son factores críticos en la precisión de la medición del flujo. [1]
Un medidor de desplazamiento positivo puede compararse con un balde y un cronómetro. El cronómetro se pone en marcha cuando comienza el flujo y se detiene cuando el balde alcanza su límite. El volumen dividido por el tiempo da el caudal. Para mediciones continuas, necesitamos un sistema de baldes que se llenan y vacían continuamente para dividir el flujo sin dejar que salga de la tubería. Estos desplazamientos volumétricos que se forman y colapsan continuamente pueden tomar la forma de pistones que se mueven alternativamente en cilindros, dientes de engranajes que se acoplan contra la pared interna de un medidor o a través de una cavidad progresiva creada por engranajes ovalados giratorios o un tornillo helicoidal.
Debido a que se utilizan para la medición de agua doméstica, los medidores de pistón , también conocidos como medidores de pistón rotatorio o de desplazamiento semipositivo, son los dispositivos de medición de flujo más comunes en el Reino Unido y se utilizan para casi todos los tamaños de medidores hasta 40 mm ( 1+1 ⁄ 2 in). El medidor de pistón funciona según el principio de un pistón que gira dentro de una cámara de volumen conocido. Por cada rotación, una cantidad de agua pasa a través de la cámara del pistón. A través de un mecanismo de engranajes y, a veces, un accionamiento magnético , se avanza un dial de aguja y una pantalla tipo odómetro .
Un medidor de engranajes ovalados es un medidor de desplazamiento positivo que utiliza dos o más engranajes oblongos configurados para girar en ángulos rectos entre sí, formando una T. Este tipo de medidor tiene dos lados, que pueden llamarse A y B. No pasa fluido a través del centro del medidor, donde los dientes de los dos engranajes siempre engranan. En un lado del medidor (A), los dientes de los engranajes cierran el flujo de fluido porque el engranaje alargado del lado A sobresale hacia la cámara de medición, mientras que en el otro lado del medidor (B), una cavidad contiene un volumen fijo de fluido en una cámara de medición. A medida que el fluido empuja los engranajes, los hace girar, lo que permite que el fluido en la cámara de medición del lado B se libere hacia el puerto de salida. Mientras tanto, el fluido que ingresa al puerto de entrada será impulsado hacia la cámara de medición del lado A, que ahora está abierta. Los dientes del lado B ahora cerrarán el fluido para que no ingrese al lado B. Este ciclo continúa a medida que los engranajes giran y el fluido se mide a través de cámaras de medición alternas. Los imanes permanentes en los engranajes giratorios pueden transmitir una señal a un interruptor de láminas eléctrico o a un transductor de corriente para medir el caudal. Aunque se afirma que ofrecen un alto rendimiento, por lo general no son tan precisos como el diseño de paletas deslizantes. [2]
Los medidores de engranajes se diferencian de los medidores de engranajes ovalados en que las cámaras de medición están formadas por los espacios entre los dientes de los engranajes. Estas aberturas dividen la corriente de fluido y, a medida que los engranajes giran alejándose del puerto de entrada, la pared interior del medidor cierra la cámara para contener la cantidad fija de fluido. El puerto de salida está ubicado en el área donde los engranajes se vuelven a unir. El fluido es expulsado del medidor a medida que los dientes de los engranajes se engranan y reducen los bolsillos disponibles a un volumen casi nulo.
Los caudalímetros de engranajes helicoidales reciben su nombre de la forma de sus engranajes o rotores. Estos rotores se asemejan a la forma de una hélice, que es una estructura en forma de espiral. A medida que el fluido fluye a través del medidor, ingresa a los compartimentos de los rotores, lo que hace que estos giren. La longitud del rotor es suficiente para que la entrada y la salida estén siempre separadas entre sí, bloqueando así el flujo libre de líquido. Los rotores helicoidales acoplados crean una cavidad progresiva que se abre para admitir fluido, se sella y luego se abre hacia el lado de aguas abajo para liberar el fluido. Esto sucede de manera continua y el caudal se calcula a partir de la velocidad de rotación.
Este es el sistema de medición más comúnmente utilizado para medir el suministro de agua en las casas. El fluido, generalmente agua, ingresa por un lado del medidor y golpea el disco oscilante , que está montado excéntricamente. El disco debe entonces "bambolearse" u oscilar alrededor del eje vertical, ya que la parte inferior y la parte superior del disco permanecen en contacto con la cámara de montaje. Una partición separa las cámaras de entrada y salida. A medida que el disco oscila, proporciona una indicación directa del volumen del líquido que ha pasado a través del medidor, ya que el flujo volumétrico se indica mediante un conjunto de engranajes y registros, que está conectado al disco. Es confiable para mediciones de flujo con una precisión del 1 por ciento. [3]
El caudalímetro de turbina (mejor descrito como turbina axial) traduce la acción mecánica de la turbina que gira en el flujo de líquido alrededor de un eje en una tasa de flujo legible por el usuario (gpm, lpm, etc.). La turbina tiende a tener todo el flujo circulando a su alrededor.
La rueda de la turbina se encuentra en el camino de una corriente de fluido. El fluido que fluye choca contra las aspas de la turbina, impartiendo una fuerza a la superficie de las aspas y poniendo en movimiento el rotor. Cuando se alcanza una velocidad de rotación constante, la velocidad es proporcional a la velocidad del fluido.
Los medidores de flujo de turbina se utilizan para la medición del flujo de gas natural y líquido. [4] Los medidores de turbina son menos precisos que los medidores de desplazamiento y de chorro a caudales bajos, pero el elemento de medición no ocupa ni restringe severamente todo el camino del flujo. La dirección del flujo es generalmente recta a través del medidor, lo que permite caudales más altos y menos pérdida de presión que los medidores de tipo desplazamiento. Son el medidor de elección para grandes usuarios comerciales, protección contra incendios y como medidores maestros para el sistema de distribución de agua . Por lo general, se requiere instalar filtros delante del medidor para proteger el elemento de medición de la grava u otros desechos que podrían ingresar al sistema de distribución de agua. Los medidores de turbina generalmente están disponibles para 4 a 30 cm ( 1+1 ⁄ 2 – 12 pulgadas) o tamaños de tubería mayores. Los cuerpos de los medidores de turbina generalmente están hechos de bronce, hierro fundido o hierro dúctil. Los elementos internos de la turbina pueden ser de plástico o aleaciones metálicas no corrosivas. Son precisos en condiciones normales de trabajo, pero se ven muy afectados por el perfil de flujo y las condiciones del fluido.
Los medidores de incendios son un tipo especializado de medidor de turbina con aprobaciones para los altos caudales requeridos en los sistemas de protección contra incendios. A menudo están aprobados por Underwriters Laboratories (UL) o Factory Mutual (FM) o autoridades similares para su uso en protección contra incendios. Los medidores de turbina portátiles se pueden instalar temporalmente para medir el agua utilizada de una boca de incendios . Los medidores normalmente están hechos de aluminio para ser livianos y suelen tener una capacidad de 7,5 cm (3 pulgadas). Las empresas de agua a menudo los requieren para la medición del agua utilizada en la construcción, el llenado de piscinas o donde aún no se ha instalado un medidor permanente.
El medidor Woltman (inventado por Reinhard Woltman en el siglo XIX) consta de un rotor con aspas helicoidales insertadas axialmente en el flujo, de forma muy similar a un ventilador entubado; puede considerarse un tipo de medidor de caudal de turbina. [5] Se los conoce comúnmente como medidores de hélice y son populares en tamaños más grandes.
Un medidor de chorro único consiste en un impulsor simple con paletas radiales, sobre el que incide un solo chorro. Son cada vez más populares en el Reino Unido en tamaños más grandes y son comunes en la UE .
Los caudalímetros de rueda de paletas constan de tres componentes principales: el sensor de rueda de paletas, el conector de la tubería y la pantalla/controlador. El sensor de rueda de paletas consta de una rueda/impulsor que gira libremente con imanes integrados que son perpendiculares al flujo y que girarán cuando se inserten en el medio que fluye. A medida que los imanes de las paletas giran más allá del sensor, el caudalímetro de rueda de paletas genera una señal de frecuencia y voltaje que es proporcional al caudal. Cuanto más rápido sea el flujo, mayor será la frecuencia y el voltaje de salida.
El medidor de rueda de paletas está diseñado para insertarse en un accesorio de tubería, ya sea en línea o en estilo de inserción. Están disponibles con una amplia gama de estilos de accesorios, métodos de conexión y materiales como PVDF, polipropileno y acero inoxidable. Al igual que los medidores de turbina, el medidor de rueda de paletas requiere un tramo mínimo de tubería recta antes y después del sensor. [6]
Los indicadores y controladores de caudal se utilizan para recibir la señal del medidor de rueda de paletas y convertirla en valores de caudal real o caudal total. La señal procesada se puede utilizar para controlar el proceso, generar una alarma, enviar señales a fuentes externas, etc.
Los medidores de caudal de rueda de paletas (también conocidos como sensores de rueda Pelton ) ofrecen una opción de costo relativamente bajo y alta precisión para muchas aplicaciones de sistemas de flujo, generalmente con agua o fluidos similares al agua. [6]
Un medidor de chorro múltiple o multichorro es un medidor de velocidad que tiene un impulsor que gira horizontalmente sobre un eje vertical. El elemento impulsor se encuentra en una carcasa en la que múltiples puertos de entrada dirigen el flujo de fluido en el impulsor, lo que hace que gire en una dirección específica en proporción a la velocidad del flujo. Este medidor funciona mecánicamente de manera muy similar a un medidor de chorro único, excepto que los puertos dirigen el flujo en el impulsor de manera uniforme desde varios puntos alrededor de la circunferencia del elemento, no solo desde un punto; esto minimiza el desgaste desigual en el impulsor y su eje. Por lo tanto, se recomienda que estos tipos de medidores se instalen horizontalmente con el índice de su rodillo apuntando hacia el cielo.
La turbina de rueda Pelton (mejor descrita como turbina radial ) traduce la acción mecánica de la rueda Pelton que gira en el flujo de líquido alrededor de un eje en una tasa de flujo legible por el usuario (gpm, lpm, etc.). La rueda Pelton tiende a tener todo el flujo circulando a su alrededor con el flujo de entrada enfocado en las aspas por un chorro. Las ruedas Pelton originales se usaban para la generación de energía y consistían en una turbina de flujo radial con "copas de reacción" que no solo se mueven con la fuerza del agua en la cara, sino que devuelven el flujo en dirección opuesta utilizando este cambio de dirección del fluido para aumentar aún más la eficiencia de la turbina .
El caudal que pasa por una tubería de gran tamaño, como la que se utiliza en una central hidroeléctrica, se puede medir promediando la velocidad del caudal en toda la zona. Se pueden hacer pasar correntómetros de tipo hélice (similares al correntómetro Ekman puramente mecánico , pero ahora con adquisición electrónica de datos) por la zona de la tubería de gran tamaño y promediar las velocidades para calcular el caudal total, que puede ser del orden de cientos de metros cúbicos por segundo. El caudal debe mantenerse constante durante el recorrido de los correntómetros. En la norma IEC 41 se dan métodos para probar turbinas hidroeléctricas. Estas mediciones de caudal suelen ser importantes desde el punto de vista comercial cuando se prueba la eficiencia de turbinas de gran tamaño.
Existen varios tipos de caudalímetros que se basan en el principio de Bernoulli . La presión se mide mediante placas laminares, un orificio, una boquilla o un tubo Venturi para crear una constricción artificial y luego medir la pérdida de presión de los fluidos a medida que pasan por esa constricción [7], o midiendo las presiones estáticas y de estancamiento para derivar la presión dinámica .
Un medidor Venturi constriñe el flujo de alguna manera, y los sensores de presión miden la presión diferencial antes y dentro de la constricción. Este método se usa ampliamente para medir el caudal en la transmisión de gas a través de tuberías , y se ha utilizado desde la época del Imperio Romano . El coeficiente de descarga del medidor Venturi varía de 0,93 a 0,97. Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos de líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel , quien los utilizó para medir flujos pequeños y grandes de agua y aguas residuales a partir de finales del siglo XIX. [8]
Una placa de orificio es una placa con un orificio que la atraviesa y que se coloca perpendicularmente al flujo; restringe el flujo y la medición de la diferencia de presión a través de la restricción proporciona el caudal. Es básicamente una forma rudimentaria de medidor Venturi , pero con mayores pérdidas de energía. Hay tres tipos de orificio: concéntrico, excéntrico y segmentario. [9] [10]
El tubo Dall es una versión abreviada de un medidor Venturi, con una caída de presión menor que una placa de orificio. Al igual que con estos medidores de caudal, el caudal en un tubo Dall se determina midiendo la caída de presión causada por la restricción en el conducto. La diferencia de presión se mide típicamente utilizando transductores de presión de diafragma con lectura digital. Dado que estos medidores tienen pérdidas de presión permanentes significativamente menores que los medidores de orificio, los tubos Dall se utilizan ampliamente para medir el caudal de tuberías grandes. La presión diferencial producida por un tubo Dall es mayor que la del tubo Venturi y la boquilla, todos ellos con el mismo diámetro de garganta.
Para medir la velocidad del flujo de un fluido se utiliza un tubo de Pitot . El tubo se coloca en dirección al flujo y se mide la diferencia entre la presión de estancamiento en la punta de la sonda y la presión estática en su costado, lo que da como resultado la presión dinámica a partir de la cual se calcula la velocidad del fluido utilizando la ecuación de Bernoulli . Se puede determinar una tasa volumétrica de flujo midiendo la velocidad en diferentes puntos del flujo y generando el perfil de velocidad. [11]
Los tubos de Pitot promediadores (también llamados sondas de impacto) extienden la teoría del tubo de Pitot a más de una dimensión. Un tubo de Pitot promediador típico consta de tres o más orificios (según el tipo de sonda) en la punta de medición dispuestos en un patrón específico. Más orificios permiten que el instrumento mida la dirección de la velocidad del flujo además de su magnitud (después de la calibración adecuada). Tres orificios dispuestos en una línea permiten que las sondas de presión midan el vector de velocidad en dos dimensiones. La introducción de más orificios, por ejemplo, cinco orificios dispuestos en una formación de "más", permite la medición del vector de velocidad tridimensional.
Los medidores cónicos son un dispositivo de medición de presión diferencial más nuevo que McCrometer lanzó por primera vez en 1985 en Hemet, CA. El medidor cónico es un medidor de presión diferencial (PD) genérico pero robusto que ha demostrado ser resistente a los efectos del flujo asimétrico y arremolinado. Si bien funcionan con los mismos principios básicos que los medidores de PD de tipo Venturi y de orificio, los medidores cónicos no requieren las mismas tuberías de entrada y salida. [12] El cono actúa como un dispositivo de acondicionamiento y como un productor de presión diferencial. Los requisitos de entrada están entre 0 y 5 diámetros en comparación con hasta 44 diámetros para una placa de orificio o 22 diámetros para un Venturi. Debido a que los medidores cónicos generalmente son de construcción soldada, se recomienda calibrarlos siempre antes del servicio. Inevitablemente, los efectos del calor de la soldadura causan distorsiones y otros efectos que impiden que se recopilen y publiquen datos tabulares sobre coeficientes de descarga con respecto al tamaño de la línea, la relación beta y los números de Reynolds operativos. Los medidores cónicos calibrados tienen una incertidumbre de hasta ±0,5%. Los medidores de cono no calibrados tienen una incertidumbre de ±5,0 % [ cita requerida ]
Los medidores de resistencia lineal, también llamados medidores de caudal laminar, miden caudales muy bajos en los que la presión diferencial medida es linealmente proporcional al caudal y a la viscosidad del fluido. Este tipo de caudal se denomina flujo de arrastre viscoso o flujo laminar, a diferencia del flujo turbulento medido por placas de orificio, Venturis y otros medidores mencionados en esta sección, y se caracteriza por números de Reynolds inferiores a 2000. El elemento de caudal primario puede consistir en un único tubo capilar largo, un haz de dichos tubos o un tapón poroso largo; estos caudales bajos crean pequeños diferenciales de presión, pero los elementos de caudal más largos crean diferenciales más altos y más fáciles de medir. Estos medidores de caudal son particularmente sensibles a los cambios de temperatura que afectan a la viscosidad del fluido y al diámetro del elemento de caudal, como se puede ver en la ecuación de Hagen-Poiseuille que rige el caudal . [13] [14]
Un "medidor de área variable" mide el flujo de fluido al permitir que el área de la sección transversal del dispositivo varíe en respuesta al flujo, lo que provoca un efecto medible que indica la velocidad. Un rotámetro es un ejemplo de medidor de área variable, donde un "flotador" ponderado se eleva en un tubo cónico a medida que aumenta la velocidad de flujo; el flotador deja de elevarse cuando el área entre el flotador y el tubo es lo suficientemente grande como para que el peso del flotador se equilibre con el arrastre del flujo de fluido. Un tipo de rotámetro utilizado para gases médicos es el caudalímetro de tubo Thorpe . Los flotadores se fabrican en muchas formas diferentes, siendo las esferas y las elipses esféricas las más comunes. Algunos están diseñados para girar visiblemente en la corriente de fluido para ayudar al usuario a determinar si el flotador está atascado o no. Los rotámetros están disponibles para una amplia gama de líquidos, pero se utilizan más comúnmente con agua o aire. Se pueden fabricar para medir el flujo de manera confiable con una precisión de hasta el 1%.
Otro tipo es el de orificio de área variable, en el que un émbolo cónico accionado por resorte se desvía por el flujo que pasa a través de un orificio. El desplazamiento puede estar relacionado con el caudal. [15]
Los caudalímetros ópticos utilizan luz para determinar el caudal. Las partículas pequeñas que acompañan a los gases naturales e industriales pasan a través de dos rayos láser enfocados a corta distancia entre sí en el camino del flujo en una tubería mediante la iluminación de la óptica. La luz láser se dispersa cuando una partícula cruza el primer rayo. La óptica de detección recoge la luz dispersada en un fotodetector, que luego genera una señal de pulso. Cuando la misma partícula cruza el segundo rayo, la óptica de detección recoge la luz dispersa en un segundo fotodetector, que convierte la luz entrante en un segundo pulso eléctrico. Al medir el intervalo de tiempo entre estos pulsos, se calcula la velocidad del gas como donde es la distancia entre los rayos láser y es el intervalo de tiempo.
Los caudalímetros ópticos basados en láser miden la velocidad real de las partículas, una propiedad que no depende de la conductividad térmica de los gases, de las variaciones en el caudal de los gases ni de su composición. El principio de funcionamiento permite que la tecnología láser óptica proporcione datos de caudal de gran precisión, incluso en entornos difíciles que pueden incluir altas temperaturas, caudales bajos, alta presión, alta humedad, vibración de las tuberías y ruido acústico.
Los caudalímetros ópticos son muy estables, no tienen partes móviles y ofrecen una medición altamente repetible durante la vida útil del producto. Debido a que la distancia entre las dos láminas láser no cambia, los caudalímetros ópticos no requieren calibración periódica después de su puesta en servicio inicial. Los caudalímetros ópticos requieren solo un punto de instalación, en lugar de los dos puntos de instalación que suelen requerir otros tipos de medidores. Un único punto de instalación es más simple, requiere menos mantenimiento y es menos propenso a errores.
Los caudalímetros ópticos disponibles comercialmente son capaces de medir caudales desde 0,1 m/s hasta más rápido que 100 m/s (relación de reducción de 1000:1) y han demostrado ser eficaces para la medición de gases de combustión de pozos de petróleo y refinerías, que contribuyen a la contaminación atmosférica. [16]
El flujo en canal abierto describe los casos en los que el líquido que fluye tiene una superficie superior abierta al aire; la sección transversal del flujo solo está determinada por la forma del canal en el lado inferior y es variable según la profundidad del líquido en el canal. Las técnicas apropiadas para una sección transversal fija del flujo en una tubería no son útiles en canales abiertos. La medición del flujo en vías fluviales es una aplicación importante del flujo en canal abierto; dichas instalaciones se conocen como medidores de caudal .
El nivel del agua se mide en un punto designado detrás del vertedero o en el canal utilizando varios dispositivos secundarios (burbujeadores, ultrasonidos, flotador y presión diferencial son métodos comunes). Esta profundidad se convierte en un caudal según una fórmula teórica de la forma donde es el caudal, es una constante, es el nivel del agua y es un exponente que varía con el dispositivo utilizado; o se convierte de acuerdo con puntos de datos de nivel/caudal derivados empíricamente (una "curva de caudal"). El caudal se puede integrar a lo largo del tiempo en el caudal volumétrico. Los dispositivos de nivel a caudal se utilizan comúnmente para medir el caudal de aguas superficiales (manantiales, arroyos y ríos), vertidos industriales y aguas residuales. De estos, los vertederos se utilizan en corrientes de flujo con bajos contenidos de sólidos (normalmente aguas superficiales), mientras que los canales se utilizan en flujos que contienen contenidos de sólidos bajos o altos. [17]
El área de la sección transversal del flujo se calcula a partir de una medición de profundidad y la velocidad media del flujo se mide directamente (los métodos Doppler y de hélice son comunes). La velocidad multiplicada por el área de la sección transversal produce un caudal que se puede integrar en el caudal volumétrico. Hay dos tipos de caudalímetros de velocidad de área: (1) húmedos; y (2) sin contacto. Los sensores de velocidad de área húmeda se tienen que montar normalmente en el fondo de un canal o río y utilizan el Doppler para medir la velocidad de las partículas arrastradas. Con la profundidad y una sección transversal programada, esto puede proporcionar una medición del caudal de descarga. Los dispositivos sin contacto que utilizan láser o radar se montan sobre el canal y miden la velocidad desde arriba y luego utilizan ultrasonidos para medir la profundidad del agua desde arriba. Los dispositivos de radar solo pueden medir velocidades superficiales, mientras que los dispositivos basados en láser pueden medir velocidades subsuperficiales. [18]
Se añade una cantidad conocida de colorante (o sal ) por unidad de tiempo a una corriente de flujo. Después de mezclar por completo, se mide la concentración. La tasa de dilución es igual a la velocidad de flujo.
La velocimetría acústica Doppler (ADV) está diseñada para registrar componentes de velocidad instantánea en un único punto con una frecuencia relativamente alta. Las mediciones se realizan midiendo la velocidad de las partículas en un volumen de muestreo remoto en función del efecto de desplazamiento Doppler. [19]
Los caudalímetros másicos térmicos generalmente utilizan combinaciones de elementos calefactores y sensores de temperatura para medir la diferencia entre la transferencia de calor estática y fluida a un fluido e inferir su flujo con el conocimiento del calor específico y la densidad del fluido. También se mide y compensa la temperatura del fluido. Si las características de densidad y calor específico del fluido son constantes, el medidor puede proporcionar una lectura directa del caudal másico y no necesita ninguna compensación de presión y temperatura adicional en su rango especificado.
El progreso tecnológico ha permitido la fabricación de caudalímetros másicos térmicos a escala microscópica llamados sensores MEMS ; estos dispositivos de flujo pueden utilizarse para medir caudales en el rango de nanolitros o microlitros por minuto.
La tecnología de caudalímetro másico térmico (también llamado caudalímetro de dispersión térmica o caudalímetro de desplazamiento térmico) se utiliza para aire comprimido, nitrógeno, helio, argón, oxígeno y gas natural. De hecho, la mayoría de los gases se pueden medir siempre que estén bastante limpios y no sean corrosivos. Para gases más agresivos, el medidor puede estar hecho de aleaciones especiales (por ejemplo, Hastelloy ), y el presecado del gas también ayuda a minimizar la corrosión.
En la actualidad, los caudalímetros másicos térmicos se utilizan para medir el caudal de gases en una gama cada vez mayor de aplicaciones, como las reacciones químicas o las aplicaciones de transferencia térmica que son difíciles de medir para otras tecnologías de medición de caudal. Otras aplicaciones típicas de los sensores de caudal se pueden encontrar en el campo médico, como por ejemplo, los dispositivos CPAP, los equipos de anestesia o los dispositivos respiratorios. [7] Esto se debe a que los caudalímetros másicos térmicos controlan las variaciones en una o más de las características térmicas (temperatura, conductividad térmica y/o calor específico) de los medios gaseosos para definir el caudal másico.
En muchos automóviles de modelos recientes, se utiliza un sensor de flujo de masa de aire (MAF) para determinar con precisión el caudal de masa de aire de admisión utilizado en el motor de combustión interna . Muchos de estos sensores de flujo de masa utilizan un elemento calefactor y un sensor de temperatura descendente para indicar el caudal de aire. Otros sensores utilizan una paleta accionada por resorte. En cualquier caso, la unidad de control electrónico del vehículo interpreta las señales del sensor como una indicación en tiempo real de los requisitos de combustible de un motor.
Otro método de medición de caudal consiste en colocar un cuerpo desprendido (llamado barra desprendible) en el camino del fluido. A medida que el fluido pasa por esta barra, se crean perturbaciones en el flujo llamadas vórtices . Los vórtices siguen un rastro detrás del cilindro, alternativamente desde cada lado del cuerpo desprendido. Este rastro de vórtices se llama calle de vórtices de Von Kármán, en honor a la descripción matemática que von Kármán hizo del fenómeno en 1912. La frecuencia con la que estos vórtices alternan lados es esencialmente proporcional al caudal del fluido. Dentro, encima o aguas abajo de la barra desprendible hay un sensor para medir la frecuencia del desprendimiento de vórtices. Este sensor suele ser un cristal piezoeléctrico , que produce un pulso de voltaje pequeño, pero medible, cada vez que se crea un vórtice. Dado que la frecuencia de dicho pulso de voltaje también es proporcional a la velocidad del fluido, se calcula un caudal volumétrico utilizando el área de la sección transversal del caudalímetro. La frecuencia se mide y el caudal se calcula mediante la electrónica del caudalímetro utilizando la ecuación donde es la frecuencia de los vórtices, la longitud característica del cuerpo romo, es la velocidad del flujo sobre el cuerpo romo y es el número de Strouhal , que es esencialmente una constante para una forma de cuerpo dada dentro de sus límites operativos.
Los caudalímetros sonares son dispositivos no intrusivos que se colocan con abrazaderas y miden el caudal en tuberías que transportan lodos, fluidos corrosivos, fluidos multifásicos y caudales en los que no se desean caudalímetros de inserción. Los caudalímetros sonares se han adoptado ampliamente en las industrias de minería, procesamiento de metales y exploración y producción de petróleo y gas, donde las tecnologías tradicionales tienen ciertas limitaciones debido a su tolerancia a diversos regímenes de caudal y relaciones de reducción.
Los caudalímetros sonares tienen la capacidad de medir la velocidad de líquidos o gases de forma no intrusiva dentro de la tubería y luego convertir esta medición de velocidad en un caudal utilizando el área de la sección transversal de la tubería y la presión y temperatura de la línea. El principio detrás de esta medición de caudal es el uso de la acústica subacuática.
En acústica submarina , para localizar un objeto bajo el agua, el sonar utiliza dos factores conocidos:
y luego calcula la incógnita:
Del mismo modo, la medición de flujo por sonar utiliza las mismas técnicas y algoritmos empleados en la acústica submarina, pero los aplica a la medición de flujo de pozos de petróleo y gas y líneas de flujo.
Para medir la velocidad del flujo, los medidores de flujo sonar utilizan dos parámetros conocidos:
y luego calcula la incógnita:
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Las innovaciones modernas en la medición del caudal incorporan dispositivos electrónicos que pueden corregir las variaciones de presión y temperatura (es decir, densidad), las no linealidades y las características del fluido.
Los caudalímetros magnéticos , a menudo denominados "mag meter" o "electromag" utilizan un campo magnético aplicado al tubo de medición, lo que da como resultado una diferencia de potencial proporcional a la velocidad del flujo perpendicular a las líneas de flujo . La diferencia de potencial se detecta mediante electrodos alineados perpendicularmente al flujo y al campo magnético aplicado. El principio físico en funcionamiento es la ley de inducción electromagnética de Faraday . El caudalímetro magnético requiere un fluido conductor y un revestimiento de tubería no conductor. Los electrodos no deben corroerse en contacto con el fluido de proceso; algunos caudalímetros magnéticos tienen transductores auxiliares instalados para limpiar los electrodos en su lugar. El campo magnético aplicado es pulsado, lo que permite que el caudalímetro cancele el efecto del voltaje parásito en el sistema de tuberías.
Un sistema de velocimetría de fuerza de Lorentz se denomina caudalímetro de fuerza de Lorentz (LFF). Un LFF mide la fuerza de Lorentz integrada o global resultante de la interacción entre un metal líquido en movimiento y un campo magnético aplicado. En este caso, la longitud característica del campo magnético es del mismo orden de magnitud que las dimensiones del canal. Debe tenerse en cuenta que en el caso en que se utilicen campos magnéticos localizados, es posible realizar mediciones de velocidad local y, por lo tanto, se utiliza el término velocímetro de fuerza de Lorentz.
Existen dos tipos principales de caudalímetros ultrasónicos : Doppler y de tiempo de tránsito. Si bien ambos utilizan ultrasonidos para realizar mediciones y pueden ser no invasivos (miden el caudal desde el exterior del tubo, la tubería o el recipiente, también llamado dispositivo de sujeción), miden el caudal mediante métodos muy diferentes.
Los caudalímetros de tiempo de tránsito ultrasónico miden la diferencia del tiempo de tránsito de los pulsos ultrasónicos que se propagan en y contra la dirección del flujo. Esta diferencia de tiempo es una medida de la velocidad media del fluido a lo largo de la trayectoria del haz ultrasónico. Al utilizar los tiempos de tránsito absolutos, se pueden calcular tanto la velocidad media del fluido como la velocidad del sonido. Utilizando los dos tiempos de tránsito y y la distancia entre los transductores de recepción y transmisión y el ángulo de inclinación, se pueden escribir las ecuaciones: y donde es la velocidad media del fluido a lo largo de la trayectoria del sonido y es la velocidad del sonido.
Con iluminación de haz ancho, el ultrasonido de tiempo de tránsito también se puede utilizar para medir el flujo volumétrico independientemente del área de la sección transversal del vaso o tubo. [22]
Los caudalímetros Doppler ultrasónicos miden el desplazamiento Doppler que resulta de la reflexión de un haz ultrasónico sobre las partículas de un fluido que fluye. La frecuencia del haz transmitido se ve afectada por el movimiento de las partículas; este desplazamiento de frecuencia se puede utilizar para calcular la velocidad del fluido. Para que funcione el principio Doppler, debe haber una densidad suficientemente alta de materiales que reflejan el sonido, como partículas sólidas o burbujas de aire suspendidas en el fluido. Esto contrasta directamente con un caudalímetro de tiempo de tránsito ultrasónico, donde las burbujas y las partículas sólidas reducen la precisión de la medición. Debido a la dependencia de estas partículas, existen aplicaciones limitadas para los caudalímetros Doppler. Esta tecnología también se conoce como velocimetría Doppler acústica .
Una ventaja de los caudalímetros ultrasónicos es que pueden medir eficazmente los caudales de una amplia variedad de fluidos, siempre que se conozca la velocidad del sonido a través de ese fluido. Por ejemplo, los caudalímetros ultrasónicos se utilizan para la medición de fluidos tan diversos como el gas natural licuado (GNL) y la sangre. [23] También se puede calcular la velocidad esperada del sonido para un fluido determinado; esto se puede comparar con la velocidad del sonido medida empíricamente por un caudalímetro ultrasónico con el fin de controlar la calidad de las mediciones del caudalímetro. Una caída en la calidad (cambio en la velocidad medida del sonido) es una indicación de que el medidor necesita mantenimiento.
Utilizando el efecto Coriolis , que hace que un tubo que vibra lateralmente se deforme, se puede obtener una medición directa del flujo másico en un caudalímetro Coriolis . [24] Además, se obtiene una medición directa de la densidad del fluido. La medición Coriolis puede ser muy precisa independientemente del tipo de gas o líquido que se mida; el mismo tubo de medición se puede utilizar para gas hidrógeno y betún sin tener que volver a calibrarlo . [ cita requerida ]
Los medidores de caudal Coriolis se pueden utilizar para medir el caudal de gas natural. [25]
Un haz de luz láser que incide sobre una partícula en movimiento se dispersará parcialmente con un cambio en la longitud de onda proporcional a la velocidad de la partícula (el efecto Doppler ). Un velocímetro láser Doppler (LDV), también llamado anemómetro láser Doppler (LDA), enfoca un haz láser en un pequeño volumen en un fluido que fluye y que contiene partículas pequeñas (naturales o inducidas). Las partículas dispersan la luz con un efecto Doppler. El análisis de esta longitud de onda desplazada se puede utilizar para determinar directamente y con gran precisión la velocidad de la partícula y, por lo tanto, una aproximación cercana de la velocidad del fluido.
Existen varias técnicas y configuraciones de dispositivos diferentes para determinar el efecto Doppler. Todas utilizan un fotodetector (normalmente un fotodiodo de avalancha ) para convertir la luz en una forma de onda eléctrica para su análisis. En la mayoría de los dispositivos, la luz láser original se divide en dos haces. En una clase general de LDV, los dos haces se cruzan en sus puntos focales, donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. A continuación, el sensor se alinea con el flujo de forma que las franjas sean perpendiculares a la dirección del flujo. A medida que las partículas pasan a través de las franjas, la luz desplazada por el efecto Doppler se recoge en el fotodetector. En otra clase general de LDV, un haz se utiliza como referencia y el otro se dispersa por efecto Doppler. A continuación, ambos haces se recogen en el fotodetector, donde se utiliza la detección heterodina óptica para extraer la señal Doppler. [26]
Aunque idealmente el caudalímetro no debería verse afectado por su entorno, en la práctica es poco probable que esto suceda. A menudo, los errores de medición se originan por una instalación incorrecta u otros factores dependientes del entorno. [27] [28] Los métodos in situ se utilizan cuando el caudalímetro se calibra en las condiciones de flujo correctas. El resultado de una calibración del caudalímetro dará como resultado dos estadísticas relacionadas: una métrica de indicador de rendimiento y una métrica de caudal. [29]
En el caso de los caudales en tuberías, se aplica el denominado método del tiempo de tránsito, en el que se inyecta un radiotrazador en forma de pulso en el caudal medido. El tiempo de tránsito se define con la ayuda de detectores de radiación colocados en el exterior de la tubería. El caudal volumétrico se obtiene multiplicando la velocidad media del caudal del fluido medida por la sección transversal interna de la tubería. Este valor de caudal de referencia se compara con el valor de caudal simultáneo proporcionado por la medición del caudal que se va a calibrar.
El procedimiento está estandarizado (ISO 2975/VII para líquidos y BS 5857-2.4 para gases). La incertidumbre de medición mejor acreditada para líquidos y gases es del 0,5 %. [30]
El método de dilución de radiotrazadores se utiliza para calibrar las mediciones de caudal en canales abiertos. Se inyecta una solución con una concentración de trazador conocida a una velocidad constante conocida en el caudal del canal. Aguas abajo, la solución trazadora se mezcla completamente sobre la sección transversal del caudal, se toma una muestra continua y se determina su concentración de trazador en relación con la de la solución inyectada. El valor de referencia del caudal se determina utilizando la condición de equilibrio del trazador entre el caudal del trazador inyectado y el caudal de dilución. El procedimiento está estandarizado (ISO 9555-1 e ISO 9555-2 para caudal de líquido en canales abiertos). La mejor incertidumbre de medición acreditada es del 1 %. [30]
