Junto con la medición de la temperatura y la presión, la medición del caudal es una de las tareas más importantes de la tecnología de medición industrial. En principio, el caudal físico medido puede determinarse probablemente con la mayoría de los métodos de medición. En la práctica, la selección del método de medición depende de la aplicación correspondiente. Conozca los distintos métodos de medición del caudal y facilite la selección de los sensores de caudal adecuados.
La medición del caudal determina la cantidad por unidad de tiempo que fluye a través de un sistema de tuberías. El medio puede ser un líquido, un gas o vapor. En la medición del caudal, se distingue entre medición del caudal volumétrico y medición del caudal másico.
El caudal volumétrico es el volumen que fluye a través de una tubería por unidad de tiempo (en l/h, cfm, etc.). La mayoría de los sistemas presentados aquí miden el caudal volumétrico.
El caudal másico se define como la masa que fluye a través de un sistema por unidad de tiempo (en kg/h, t/h, etc.). Si la densidad de un medio es constante, el caudal másico puede determinarse multiplicando el caudal volumétrico por la densidad. Si la densidad no es constante -como suele ocurrir con el vapor y los gases-, también debe medirse con tecnología de medición.
En muchas aplicaciones, el único requisito es detectar si se está produciendo un caudal mínimo de un medio. El uso de monitores de caudal es entonces necesario para proporcionar cosas como la protección contra el funcionamiento en seco de las bombas.
Sin embargo, la tecnología de sensores que presentamos aquí se utiliza para la medición continua del caudal y se emplea en aplicaciones como:
Los requisitos del caudalímetro varían mucho en función de la tarea de medición. Para el llenado se requiere una buena repetibilidad. En los sistemas legales para el comercio es necesario un certificado homologado (al menos en la UE). Del mismo modo, para controlar y mostrar el caudal totalizado en el proceso, existen numerosos requisitos relacionados con una aplicación o industria específica. Éstos se derivan, entre otras cosas, del tipo de medio que debe medirse y de los requisitos de precisión, pero también de obligaciones legales como la Directiva sobre equipos a presión en la UE o la protección contra explosiones según la directiva ATEX.
Los medios se dividen en 4 categorías diferentes, para las que sólo se puede utilizar la tecnología de sensores seleccionada:
Los caudalímetros funcionan según diferentes principios de medición, pero cada uno de ellos no puede medir todos los medios de las categorías indicadas anteriormente. En la tabla siguiente se enumeran los métodos de medición habituales y se indican las categorías de líquidos que pueden medirse con ellos.
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| Líquido conductor | |||||||
| Líquido | |||||||
| Gas | |||||||
| Vapor |
Verde = estándar; Naranja = precaución; Rojo = no es posible ni recomendable
La tabla sólo permite excluir un principio de medición para la categoría de líquido correspondiente. En el vídeo y en las siguientes descripciones encontrará información más detallada sobre cada uno de los métodos de medición.
Los caudalímetros basados en el principio de Coriolis, bastante complejos y muy caros, tienen un atractivo único en comparación con todos los demás principios presentados aquí. Se puede determinar el caudal másico (kg/h, t/h, etc.) aunque la densidad no sea constante.
Por ejemplo, los caudalímetros Coriolis contienen un tubo que oscila constantemente gracias a un excitador. Si no se produce ningún caudal, el tubo de medición oscila hacia delante y hacia atrás de manera uniforme en toda su longitud. Si se produce un flujo, la inercia del medio de medición provoca un movimiento de vaivén a lo largo del tubo en forma de onda. Las secciones situadas al principio y al final de la tubería oscilan entonces en direcciones diferentes al mismo tiempo (es decir, con un desplazamiento de fase). El desplazamiento de fase ϕ se mide - es una medida directa del caudal
v ~ φ.
Si la tubería está llena de un medio más pesado, vibra a una frecuencia más baja. Por lo tanto, la frecuencia es una medida de la densidad del medio de medición. A través del caudal y la densidad, los caudalímetros determinan el caudal másico.
Los caudalímetros Coriolis se consideran los caudalímetros en línea más precisos del mercado, con especificaciones a partir del 0,05 % del valor medido.
| Caudalímetro por efecto Coriolis | |
|---|---|
| Ventajas | Alto grado de precisión, determinación del caudal másico, sin secciones de entrada y salida |
| Desventajas | Coste muy elevado, pérdida de presión, reacción sensible a las burbujas de gas en medios líquidos |
Un caudalímetro electromagnético (CEM) mide según la ley de Faraday de inducción electromagnética. Consiste en un tubo de medición metálico a través del cual fluye el medio de medición conductor. Unas bobinas generan un campo magnético que se guía a través del medio ortogonalmente a la dirección del caudal.
Se induce una tensión en cuanto el líquido conductor se desplaza a través del campo magnético ortogonal. La tensión inducida se mide a través de electrodos dispuestos en un ángulo de 90° con respecto al líquido y al campo magnético (regla de la mano derecha).
Caudalímetro electromagnético
La tensión inducida es proporcional a la velocidad del flujo.
v ~ Uind
| Caudalímetros electromagnéticos | |
|---|---|
| Ventajas | Alto nivel de precisión, sin pérdida de presión, sin/con secciones de entrada y salida, posibilidades de aplicación flexibles |
| Desventajas | Costes elevados, sólo para medios conductores |
Para la medición ultrasónica del caudal se utilizan principalmente 2 principios físicos diferentes: el principio del tiempo de tránsito y el principio Doppler. El mercado está dominado por el principio del tiempo de tránsito descrito aquí.
Los ultrasonidos son ondas mecánicas o acústicas que se desaceleran a contracorriente y se aceleran con la corriente. Para medir el caudal con ultrasonidos, se miden los diferentes tiempos de tránsito (con y contra la corriente) para una misma sección. La diferencia entre los 2 tiempos es la medida de la velocidad del flujo.
V ~ △ t
Para medir la diferencia de tiempo, se necesitan dos transductores que sirvan de "altavoz" y "micrófono".
| Caudalímetros ultrasónicos | |
|---|---|
| Ventajas | Precisión, baja caída de presión (depende de la implementación mecánica de la tubería/transductor), secciones de entrada y salida cortas |
| Desventajas | Medición sólo posible hasta un contenido máximo de burbujas de gas y sólidos, no se pueden medir medios con viscosidad muy alta |
El principio de medición de vórtices se basa en la calle de vórtices de Kármán, en la que un cuerpo con un caudal a su alrededor provoca la aparición de vórtices contrarrotatorios. En la práctica, los vórtices se crean en el medio que fluye introduciendo una obstrucción en la tubería. Los vórtices son contrarrotatorios y se desprenden alternativamente de la obstrucción por el lado izquierdo y el derecho. Los vórtices forman diferencias de presión locales detrás de la obstrucción, que son adquiridas por un sensor diseñado adecuadamente. El sensor mide el número de vórtices por unidad de tiempo (es decir, la frecuencia de los vórtices que se producen). La frecuencia es proporcional a la velocidad del flujo.
v ~ ƒ
| Caudalímetros de vórtice (vortex) | |
|---|---|
| Ventajas | Posible para líquidos, gases + vapor, altas presiones + temperaturas, variantes rentables disponibles |
| Desventajas | Sólo son posibles viscosidades similares a la del agua, no hay aplicaciones de "bajo caudal |
El método utiliza 2 sensores de resistencia, 1 de los cuales se utiliza como elemento calefactor y el otro como elemento sensor de la temperatura del medio. La diferencia de temperatura entre la Pt100 calefactora y el medio se mantiene constante y se mide la potencia calorífica necesaria para ello. Cuanto mayor sea el caudal del medio, mayor será la potencia calorífica necesaria para mantener constante la diferencia de temperatura. De este modo, se pueden extraer conclusiones sobre el caudal totalizado respectivo a través de la potencia calorífica.
La potencia suministrada es una medida de la velocidad del flujo:
v ~ P
Caudalímetro calorimétrico
| Caudalímetro calorimétrico | |
|---|---|
| Ventajas | Tecnología de sensores económica para gas + líquido, posibilidad de medición de fugas |
| Desventajas | Los contaminantes/humedad adheridos (con el gas) influyen en la medición, la precisión con soluciones de "bajo coste" es más bien baja, el resultado de la medición depende del medio |
Entre los elementos primarios se incluyen las placas de orificio, los tubos de Pitot o los tubos de Venturi. Instalados en la tubería, generan una presión diferencial que se mide, por ejemplo, en la placa de orificio a través de la presión estática aguas arriba y aguas abajo de la placa de orificio. La velocidad del caudal puede determinarse a partir de la presión diferencial según la ecuación de Bernoulli; es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial:
v ~ √△p
Se necesitan sensores de presión diferencial adecuados para medir la presión diferencial. De este modo, la precisión se compone de la incertidumbre del elemento primario y del transmisor de presión diferencial.
Elemento primario
| Elemento primario | |
|---|---|
| Ventajas | altas temperaturas + presiones posibles debido a la flexibilidad mecánica del elemento primario, para gas, líquido + vapor |
| Inconvenientes | dinámica de medición limitada debido a la relación entre caudal mínimo y máximo (1:5 a 1:7), relación precisión/coste desfavorable para diámetros pequeños |
La rueda de paletas se hace girar debido al caudal del medio y un generador de impulsos inductivo acoplado a la carcasa emite un impulso por cada paleta que pasa. La frecuencia de los impulsos es una medida directa de la velocidad del flujo:
v ~ ƒ
Muchos sensores de rueda de paletas emiten directamente la señal de impulsos y una unidad de evaluación determina el caudal a partir de ella. Como alternativa, los sensores también pueden estar equipados con componentes electrónicos que convierten la señal de impulsos en una señal analógica y la envían a la unidad de evaluación.
Sensor de caudal de la rueda de paletas
| Caudalímetros de rueda de paletas | |
|---|---|
| Ventajas | Tipos de diseño rentables disponibles, el uso flexible de materiales permite la medición de medios corrosivos |
| Desventajas | La aplicación de bajo caudal sólo es posible hasta cierto punto debido a la fricción de arranque, el sistema no está exento de desgaste debido a las piezas móviles |
El principio de medición debe ser adecuado para el medio, como se ha descrito anteriormente. Otros requisitos que debe cumplir un dispositivo de caudal son:
La elección se complica aún más por limitaciones prácticas más amplias:
Debido a estos diferentes retos, el asesoramiento de expertos sobre la elección del caudalímetro es esencial.
