La medición del flujo es la cuantificación del movimiento del fluido a granel . El flujo se puede medir utilizando dispositivos llamados caudalímetros de varias maneras. Los tipos comunes de caudalímetros con aplicaciones industriales se enumeran a continuación:
Los métodos de medición de flujo distintos de los medidores de flujo 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 flujo. El flujo se puede medir midiendo la velocidad del fluido sobre un área conocida. Para flujos muy grandes, se pueden utilizar métodos trazadores para deducir el caudal a partir del cambio en la concentración de un tinte o radioisótopo.
Tanto el flujo de gas como el de líquido se pueden medir en cantidades físicas del tipo caudal volumétrico o caudal másico , con las respectivas unidades SI , como metros cúbicos por segundo o kilogramos por segundo, respectivamente. Estas medidas están relacionadas por la densidad del material . La densidad de un líquido es casi independiente de las condiciones. Este no es el caso de los gases, cuyas densidades dependen en gran medida de la presión, la temperatura y, en menor medida, de 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 de energía por unidad de volumen o el caudal másico multiplicado por el contenido de energía por unidad de masa. El caudal de energía generalmente se deriva del caudal másico o volumétrico mediante el uso de una computadora de flujo .
En contextos de ingeniería, al caudal volumétrico generalmente se le asigna el símbolo y al caudal másico , el símbolo .
Para un fluido que tiene densidad , los caudales másicos y volumétricos pueden estar relacionados por .
Los gases son comprimibles y cambian de volumen cuando se los somete a presión, se calientan o se enfrían. Un volumen de gas bajo un conjunto de condiciones de presión y temperatura no es equivalente al mismo gas en diferentes condiciones. Se harán referencias 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), sm 3 /seg (metros cúbicos estándar por hora), 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 presión y temperatura, con caudalímetros ultrasónicos , caudalímetros másicos térmicos , caudalímetros másicos Coriolis o controladores de flujo másico .
Para líquidos, se utilizan varias unidades dependiendo de la aplicación y la industria, pero pueden incluir galones (EE.UU. o imperiales) por minuto, litros por segundo, litros por m 2 por hora, bushels por minuto o, cuando se describen los caudales de los ríos, cumecs (cubicos ). metros por segundo) o acre-pie por día. En oceanografía una unidad común para medir el volumen de transporte (volumen de agua transportado por una corriente, por ejemplo) es el sverdrup (Sv), equivalente a 10 6 m 3 /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 función del cuadrado del caudal volumétrico a través del orificio. El 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 conveniente de medir que el flujo mismo. Las propiedades del elemento de flujo primario y la fidelidad de la instalación práctica a las suposiciones hechas 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 cubo alcanza su límite. El volumen dividido por el tiempo da el caudal. Para mediciones continuas, necesitamos un sistema de llenado y vaciado continuo de cubetas para dividir el flujo sin dejarlo salir 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 al girar engranajes ovalados 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 rotativo o de desplazamiento semipositivo, son los dispositivos de medición de flujo más comunes en el Reino Unido y se usan para casi todos los tamaños de medidores hasta 40 mm inclusive ( 1+1 ⁄ 2 pulg.). El medidor de pistón funciona según el principio de un pistón que gira dentro de una cámara de volumen conocido. Por cada rotación, pasa una cantidad de agua a través de la cámara del pistón. A través de un mecanismo de engranajes y, en ocasiones, de un accionamiento magnético , se avanza un dial de agujas 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 ángulo recto entre sí, formando una T. Un medidor de este tipo tiene dos lados, que pueden denominarse A y B. Ningún líquido pasa por el centro del medidor, donde siempre engranan los dientes de los dos engranajes. 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 sostiene un Volumen fijo de fluido en una cámara de medición. A medida que el fluido empuja los engranajes, los gira, lo que permite que el fluido de 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 conducido a la cámara de medición del lado A, que ahora está abierta. Los dientes del lado B ahora impedirán que el fluido entre en el lado B. Este ciclo continúa mientras los engranajes giran y el fluido se dosifica 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 un transductor de corriente para medir el flujo. Aunque se hacen afirmaciones sobre un alto rendimiento, generalmente no son tan precisas 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 juntar. El fluido sale del medidor a medida que los dientes del engranaje engranan y reducen las bolsas disponibles a un volumen casi nulo.
Los caudalímetros de engranajes helicoidales reciben su nombre por la forma de sus engranajes o rotores. Estos rotores tienen 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 los rotores giren. La longitud del rotor es suficiente para que la entrada y la salida estén siempre separadas entre sí, bloqueando así el libre flujo 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 aguas abajo para liberar el fluido. Esto sucede de forma continua y el caudal se calcula a partir de la velocidad de rotación.
Este es el sistema de medición más utilizado para medir el suministro de agua en las casas. El fluido, normalmente agua, entra por un lado del medidor y golpea el disco giratorio , que está montado excéntricamente. Entonces el disco debe "bambolearse" o rotar alrededor del eje vertical, ya que la parte inferior y 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 gira, proporciona una indicación directa del volumen del líquido que ha pasado a través del medidor, ya que el flujo volumétrico se indica mediante una disposición de engranaje y registro, que está conectada al disco. Es confiable para mediciones de flujo dentro 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 hacer que todo el flujo viaje a su alrededor.
La rueda de la turbina se coloca en el camino de una corriente de fluido. El fluido que fluye incide sobre las palas de la turbina, impartiendo una fuerza a la superficie de la pala y poniendo el rotor en movimiento. Cuando se alcanza una velocidad de rotación constante, la velocidad es proporcional a la velocidad del fluido.
Los caudalímetros de turbina se utilizan para medir el 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 recorrido del flujo. La dirección del flujo generalmente es recta a través del medidor, lo que permite mayores caudales y menos pérdida de presión que los medidores de tipo desplazamiento. Son el medidor elegido por grandes usuarios comerciales, protección contra incendios y como medidores maestros para el sistema de distribución de agua . Por lo general, es necesario 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 de 4 a 30 cm ( 1+1 ⁄ 2 –12 pulgadas) o tamaños de tubería más altos. Los cuerpos de los medidores de turbina suelen estar 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 de trabajo normales, pero se ven muy afectados por el perfil de flujo y las condiciones del fluido.
Los medidores contra 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. Se pueden instalar temporalmente medidores de turbina portátiles para medir el agua utilizada en una boca de incendio . 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 medir el agua utilizada en la construcción, el llenado de piscinas o cuando aún no se ha instalado un medidor permanente.
El medidor Woltman (inventado por Reinhard Woltman en el siglo XIX) consta de un rotor con palas helicoidales insertadas axialmente en el flujo, muy parecido a un ventilador con conductos; Se puede considerar un tipo de caudalímetro de turbina. [5] Se les conoce comúnmente como medidores de hélice y son populares en tamaños más grandes.
Un medidor de chorro único consta de un impulsor simple con paletas radiales, sobre el que incide un solo chorro. Están ganando popularidad 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 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 girarán cuando se inserten en el medio que fluye. A medida que los imanes de las palas pasan por el sensor, el medidor 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 la salida de voltaje.
El medidor de rueda de paletas está diseñado para insertarse en un accesorio de tubería, ya sea en línea o 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, los medidores de rueda de paletas requieren un recorrido mínimo de tubería recta antes y después del sensor. [6]
Las pantallas y controladores de flujo se utilizan para recibir la señal del medidor de rueda de paletas y convertirla en caudal real o valores de flujo total. La señal procesada se puede utilizar para controlar el proceso, generar una alarma, enviar señales a externos, etc.
Los caudalímetros de rueda de paletas (también conocidos como sensores de rueda Pelton ) ofrecen una opción de alta precisión y costo relativamente bajo 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 está en una carcasa en la que múltiples puertos de entrada dirigen el flujo de fluido hacia 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 al impulsor por igual desde varios puntos alrededor de la circunferencia del elemento, no solo un punto; esto minimiza el desgaste desigual del impulsor y su eje. Por lo tanto, se recomienda instalar este tipo de medidores horizontalmente con el rodillo índice 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 viajando a su alrededor con el flujo de entrada enfocado en las palas mediante un chorro. Las ruedas Pelton originales se utilizaron para la generación de energía y consistían en una turbina de flujo radial con "copas de reacción" que no sólo 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 hacia aumentar aún más la eficiencia de la turbina .
El flujo a través de una tubería forzada grande , como la que se usa en una central hidroeléctrica, se puede medir promediando la velocidad del flujo en toda el área. Los molinetes de tipo hélice (similares al molinete puramente mecánico Ekman , pero ahora con adquisición electrónica de datos) se pueden recorrer sobre el área de la tubería forzada y se pueden promediar las velocidades para calcular el flujo total. Esto puede ser del orden de cientos de metros cúbicos por segundo. El flujo debe mantenerse constante durante el recorrido de los correntímetros. Los métodos para probar turbinas hidroeléctricas se dan en la norma IEC 41. Estas mediciones de flujo suelen ser comercialmente importantes cuando se prueba la eficiencia de turbinas grandes.
Existen varios tipos de caudalímetros que se basan en el principio de Bernoulli . La presión se mide utilizando 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 presiones estáticas y de estancamiento para derivar la presión dinámica .
Un medidor Venturi restringe el flujo de alguna manera y los sensores de presión miden la presión diferencial antes y dentro de la constricción. Este método es ampliamente utilizado para medir el caudal en la transmisión de gas a través de ductos , y se ha utilizado desde la época del Imperio Romano . El coeficiente de descarga del medidor Venturi oscila entre 0,93 y 0,97. Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel , quien los utilizó para medir flujos grandes y pequeños 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, colocada perpendicular al flujo; restringe el flujo y la medición del diferencial de presión a través de la constricción da el caudal. Es básicamente una forma tosca 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 acortada de un medidor Venturi, con una caída de presión menor que una placa de orificio. Al igual que con estos caudalímetros, el caudal en un tubo Dall se determina midiendo la caída de presión provocada por la restricción en el conducto. El diferencial de presión normalmente se mide 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 grandes tuberías. La presión diferencial producida por un tubo Dall es mayor que la del tubo Venturi y la boquilla, y todos tienen el mismo diámetro de garganta.
Se utiliza un tubo de Pitot para medir la velocidad del flujo de fluido. El tubo apunta hacia el 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 produce la presión dinámica a partir de la cual se calcula la velocidad del fluido utilizando la ecuación de Bernoulli . Se puede determinar un caudal volumétrico midiendo la velocidad en diferentes puntos del flujo y generando el perfil de velocidad. [11]
Los tubos de Pitot promediados (también llamados sondas de impacto) extienden la teoría del tubo de Pitot a más de una dimensión. Un tubo Pitot promedio 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 línea permiten a las sondas de presión medir el vector de velocidad en dos dimensiones. La introducción de más agujeros, por ejemplo cinco agujeros dispuestos en formación "más", permite la medición del vector de velocidad tridimensional.
Los medidores de cono son un dispositivo de medición de presión diferencial más nuevo lanzado por primera vez en 1985 por McCrometer en Hemet, CA. El medidor de cono es un medidor de presión diferencial (DP) genérico pero robusto que ha demostrado ser resistente a los efectos del flujo asimétrico y giratorio. Si bien funcionan con los mismos principios básicos que los medidores DP tipo Venturi y de orificio, los medidores cónicos no requieren las mismas tuberías aguas arriba y aguas abajo. [12] El cono actúa como dispositivo acondicionador y como productor de presión diferencial. Los requisitos aguas arriba 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 que siempre se calibren 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 los 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 necesaria ]
Los medidores de resistencia lineal, también llamados medidores de flujo laminar, miden flujos muy bajos en los que la presión diferencial medida es linealmente proporcional al flujo y a la viscosidad del fluido. Dicho flujo se denomina flujo de arrastre viscoso o flujo laminar, a diferencia del flujo turbulento medido con placas de orificio, Venturis y otros medidores mencionados en esta sección, y se caracteriza por números de Reynolds inferiores a 2000. El elemento de flujo primario puede consistir en un único flujo largo. tubo capilar, un haz de dichos tubos o un tapón largo y poroso; flujos tan bajos crean pequeños diferenciales de presión, pero los elementos de flujo más largos crean diferenciales más altos y más fáciles de medir. Estos caudalímetros son particularmente sensibles a los cambios de temperatura que afectan la viscosidad del fluido y el diámetro del elemento de flujo, como se puede ver en la ecuación gobernante de Hagen-Poiseuille . [13] [14]
Un "medidor de área variable" mide el flujo de fluido permitiendo que el área de la sección transversal del dispositivo varíe en respuesta al flujo, provocando algún efecto mensurable que indica la tasa. Un rotámetro es un ejemplo de medidor de área variable, donde un "flotador" ponderado se eleva en un tubo cónico a medida que aumenta el caudal; El flotador deja de subir cuando el área entre el flotador y el tubo es lo suficientemente grande como para que el peso del flotador se equilibre con la resistencia del flujo de fluido. Un tipo de rotámetro utilizado para gases medicinales es el caudalímetro de tubo Thorpe . Los flotadores se fabrican en muchas formas diferentes, siendo las esferas y 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 usan más comúnmente con agua o aire. Se pueden fabricar para medir de manera confiable el flujo con una precisión de hasta el 1%.
Otro tipo es un orificio de área variable, donde un émbolo cónico accionado por un resorte es desviado por el flujo a través de un orificio. El desplazamiento puede estar relacionado con el caudal. [15]
Los caudalímetros ópticos utilizan luz para determinar el caudal. Las pequeñas partículas que acompañan a los gases naturales e industriales pasan a través de dos rayos láser enfocados a una distancia corta entre sí en la trayectoria del flujo en una tubería mediante ópticas de iluminación. 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 haz, 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, la velocidad del gas se calcula como donde está 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, las variaciones en el flujo de gas o la composición de los gases. El principio de funcionamiento permite que la tecnología láser óptica proporcione datos de flujo de alta precisión, incluso en entornos desafiantes que pueden incluir altas temperaturas, bajos caudales, alta presión, alta humedad, vibración de tuberías y ruido acústico.
Los caudalímetros ópticos son muy estables, no tienen piezas 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 normalmente requieren otros tipos de medidores. Un único punto de instalación es más sencillo, requiere menos mantenimiento y es menos propenso a errores.
Los caudalímetros ópticos disponibles comercialmente son capaces de medir flujos 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 petroleros y refinerías, un factor que contribuye a la contaminación atmosférica. [dieciséis]
El flujo de canal abierto describe casos en los que el líquido que fluye tiene una superficie superior abierta al aire; la sección transversal del flujo está determinada únicamente por la forma del canal en el lado inferior y es variable dependiendo de la profundidad del líquido en el canal. Las técnicas apropiadas para una sección transversal fija de flujo en una tubería no son útiles en canales abiertos. La medición del flujo en vías fluviales es una importante aplicación de flujo en canales abiertos; estas instalaciones se conocen como medidores de corriente .
El nivel del agua se mide en un punto designado detrás del vertedero o en el canal utilizando varios dispositivos secundarios (los burbujeadores, el ultrasonido, el flotador y la 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 según el dispositivo utilizado; o se convierte según puntos de datos de nivel/flujo derivados empíricamente (una "curva de flujo"). Luego, el caudal se puede integrar con el tiempo en el flujo volumétrico. Los dispositivos de nivel a flujo se usan comúnmente para medir el flujo de aguas superficiales (manantiales, arroyos y ríos), descargas industriales y aguas residuales. De estos, los vertederos se utilizan en corrientes de flujo con bajo contenido de sólidos (típicamente 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 promedio 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 puede integrarse en el flujo volumétrico. Hay dos tipos de caudalímetros de velocidad de área: (1) húmedos; y (2) sin contacto. Los sensores de velocidad del área mojada generalmente deben montarse en el fondo de un canal o río y usar Doppler para medir la velocidad de las partículas arrastradas. Con una profundidad y una sección transversal programada, esto puede proporcionar una medición del flujo de descarga. Dispositivos sin contacto que usan láser o radar se montan sobre el canal y miden la velocidad desde arriba y luego usan ultrasonido para medir la profundidad del agua desde arriba. Los dispositivos de radar solo pueden medir velocidades en la superficie, mientras que los dispositivos láser pueden medir velocidades bajo la superficie. [18]
Se añade una cantidad conocida de tinte (o sal ) por unidad de tiempo a una corriente de flujo. Después de completar la mezcla, se mide la concentración. La tasa de dilución es igual al caudal.
La velocimetría acústica Doppler (ADV) está diseñada para registrar componentes de velocidad instantánea en un solo 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 calentados y sensores de temperatura para medir la diferencia entre la transferencia de calor estática y fluida a un fluido e inferir su flujo conociendo el calor específico y la densidad del fluido. También se mide y compensa la temperatura del fluido. Si la densidad y las características de calor específico del fluido son constantes, el medidor puede proporcionar una lectura directa del flujo másico y no necesita ninguna compensación adicional de presión y temperatura sobre su rango especificado.
El avance tecnológico ha permitido la fabricación de caudalímetros másicos térmicos a escala microscópica como sensores MEMS ; Estos dispositivos de flujo se pueden utilizar 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 sean bastante limpios y no corrosivos. Para gases más agresivos, el medidor puede estar hecho de aleaciones especiales (por ejemplo, Hastelloy ) y el secado previo del gas también ayuda a minimizar la corrosión.
Hoy en día, los caudalímetros másicos térmicos se utilizan para medir el flujo de gases en una gama cada vez mayor de aplicaciones, como reacciones químicas o aplicaciones de transferencia térmica que son difíciles para otras tecnologías de medición de caudal. Algunas otras aplicaciones típicas de los sensores de flujo se pueden encontrar en el campo médico como, por ejemplo, dispositivos CPAP, equipos de anestesia o dispositivos respiratorios. [7] Esto se debe a que los medidores de flujo másico térmico monitorean 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 último modelo, se utiliza un sensor de flujo masivo de aire (MAF) para determinar con precisión el caudal másico de aire de admisión utilizado en el motor de combustión interna . Muchos de estos sensores de flujo másico utilizan un elemento calentado y un sensor de temperatura aguas abajo para indicar el caudal de aire. Otros sensores utilizan una paleta con resorte. En cualquier caso, la unidad de control electrónico del vehículo interpreta las señales del sensor como una indicación en tiempo real de las necesidades de combustible del motor.
Otro método de medición del flujo implica colocar un cuerpo farol (llamado barra de separación) en el camino del fluido. A medida que el fluido pasa por esta barra, se crean perturbaciones en el flujo llamadas vórtices . Los vórtices se arrastran detrás del cilindro, alternativamente desde cada lado del cuerpo rocoso. Este rastro de vórtice se llama calle de vórtice de Von Kármán por la descripción matemática del fenómeno que hizo von Kármán 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 de la desprendimiento del vórtice. Este sensor suele ser un cristal piezoeléctrico , que produce un pulso de voltaje pequeño, pero mensurable, 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 electrónica del medidor de flujo mide la frecuencia y calcula el caudal utilizando la ecuación donde es la frecuencia de los vórtices, la longitud característica del cuerpo del acantilado, es la velocidad del flujo sobre el cuerpo del acantilado y es el número de Strouhal . que es esencialmente una constante para una forma de cuerpo determinada dentro de sus límites operativos.
Los medidores de flujo sonar son dispositivos de sujeción no intrusivos que miden el flujo en tuberías que transportan lodos, fluidos corrosivos, fluidos multifásicos y flujos donde no se desean medidores de flujo de tipo inserción. Los caudalímetros sonar se han adoptado ampliamente en la minería, el procesamiento de metales y las industrias de petróleo y gas, donde las tecnologías tradicionales tienen ciertas limitaciones debido a su tolerancia a diversos regímenes de flujo y relaciones de reducción.
Los medidores de flujo de sonar tienen la capacidad de medir la velocidad de líquidos o gases de manera no intrusiva dentro de la tubería y luego aprovechar 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 flujo es el uso de acústica submarina.
En acústica submarina , para localizar un objeto bajo el agua, el sonar utiliza dos conocidos:
y luego calcula la incógnita:
Asimismo, la medición de flujo por sonar utiliza las mismas técnicas y algoritmos empleados en acústica submarina, pero los aplica a la medición de flujo de pozos y líneas de flujo de petróleo y gas.
Para medir la velocidad del flujo, los caudalímetros sonares utilizan dos valores conocidos:
y luego calcula la incógnita:
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Las innovaciones modernas en la medición del caudal incorporan dispositivos electrónicos que pueden corregir condiciones variables de presión y temperatura (es decir, densidad), no linealidades y las características del fluido.
Los caudalímetros magnéticos , a menudo llamados "medidores magnéticos" o "electromagnéticos", utilizan un campo magnético aplicado al tubo dosificador, 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 del 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 llama caudalímetro de fuerza de Lorentz (LFF). Un LFF mide la fuerza de Lorentz integrada o en masa 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 de que se utilicen campos magnéticos localizados, es posible realizar mediciones de velocidad locales y, por lo tanto, se utiliza el término velocímetro de fuerza de Lorentz.
Hay dos tipos principales de caudalímetros ultrasónicos : Doppler y tiempo de tránsito. Si bien ambos utilizan ultrasonido para realizar mediciones y pueden ser no invasivos (miden el flujo desde fuera del tubo, tubería o recipiente, también llamado dispositivo de sujeción), miden el flujo mediante métodos muy diferentes.
Los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito 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 promedio del fluido a lo largo de la trayectoria del haz ultrasónico. Utilizando los tiempos de tránsito absolutos se pueden calcular tanto la velocidad promedio del fluido como la velocidad del sonido. Usando los dos tiempos de tránsito y la distancia entre los transductores receptores y transmisores y el ángulo de inclinación se pueden escribir las ecuaciones:
Con iluminación de haz amplio, el ultrasonido del 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 resultante de reflejar un haz ultrasónico en las partículas del fluido que fluye. La frecuencia del haz transmitido se ve afectada por el movimiento de las partículas; Este cambio de frecuencia se puede utilizar para calcular la velocidad del fluido. Para que el principio Doppler funcione, debe haber una densidad suficientemente alta de materiales reflectantes sónicamente, como partículas sólidas o burbujas de aire suspendidas en el fluido. Esto contrasta directamente con un caudalímetro ultrasónico de tiempo de tránsito, 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 medir 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 reparación.
Utilizando el efecto Coriolis que hace que un tubo que vibra lateralmente se distorsione, se puede obtener una medición directa del flujo másico en un medidor de flujo Coriolis . [24] Además, se obtiene una medida directa de la densidad del fluido. La medición de 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 necesidad de volver a calibrarlo . [ cita necesaria ]
Los caudalímetros Coriolis se pueden utilizar para medir el flujo de gas natural. [25]
Un rayo 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 rayo láser en un pequeño volumen en un fluido que fluye que contiene pequeñas partículas (naturales o inducidas). Las partículas dispersan la luz con un desplazamiento 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.
Se encuentran disponibles varias técnicas y configuraciones de dispositivos diferentes para determinar el desplazamiento Doppler. Todos 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 LDV general, los dos haces se cruzan en sus puntos focales donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. Luego, el sensor se alinea con el flujo de manera que las franjas queden perpendiculares a la dirección del flujo. A medida que las partículas atraviesan las franjas, la luz desplazada por Doppler se recoge en el fotodetector. En otra clase general de LDV, un haz se utiliza como referencia y el otro está disperso por Doppler. Luego, ambos haces se recogen en el fotodetector donde se utiliza la detección óptica heterodina para extraer la señal Doppler. [26]
Aunque idealmente el caudalímetro no debería verse afectado por su entorno, en la práctica es poco probable que así sea. 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 la calibración de un medidor de flujo generará dos estadísticas relacionadas: una métrica indicadora de rendimiento y una métrica de caudal. [29]
Para los flujos de tuberías se aplica el llamado método de tiempo de tránsito, en el que se inyecta un radiotrazador como un pulso en el flujo medido. El tiempo de tránsito se define con la ayuda de detectores de radiación colocados en el exterior de la tubería. El flujo volumétrico se obtiene multiplicando la velocidad promedio del flujo de fluido medida por la sección transversal interna de la tubería. Este valor de flujo de referencia se compara con el valor de flujo simultáneo dado por la medición de flujo 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 del radiotrazador se utiliza para calibrar mediciones de flujo en canales abiertos. Se inyecta una solución con una concentración de trazador conocida a una velocidad constante conocida en el flujo del canal. Aguas abajo, la solución de trazador se mezcla completamente a lo largo de la sección transversal del flujo, 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 flujo se determina utilizando la condición de equilibrio del trazador entre el flujo del trazador inyectado y el flujo de dilución. El procedimiento está estandarizado (ISO 9555-1 e ISO 9555-2 para flujo de líquidos en canales abiertos). La incertidumbre de medición mejor acreditada es del 1%. [30]
