Medicion de Caudal

MEDICIÓN DE CAUDAL
Capítulo del Trabajo final de los Ings. M. López García y
M. Ramón, quienes gentilmente autorizaron su
publicación en nuestra página web.
Agosto de 2007
Instrumentación y Comunicaciones Industriales
1
Capítulo 1
Medición de caudal y Transductores de caudal de
fluidos
Movimiento de fluidos
El estudio del movimiento de los fluidos se puede realizar a través de la
dinámica como también de la energía que estos tienen en su movimiento.
Una forma de estudiar el movimiento es fijar la atención en una zona del
espacio, en un punto en un instante t, en el se especifica la densidad, la
velocidad y la presión del fluido. En ese punto se examina lo que sucede con el
fluido que pasa por él.
Al movimiento de un fluido se le llama “flujo” y dependiendo de las
características de este se les puede clasificar en:
1.2.-
3.-
4.-
Flujo viscoso y no viscoso: los flujos viscosos son aquellos que
presentan resistencia al avance. Todos los fluidos reales son viscosos.
Flujo incompresible y compresible: Los flujos incompresibles son
aquellos en que la densidad (ρ = Masa/Volumen) prácticamente
permanece constante.
Flujo laminar y turbulento: en el flujo laminar, el fluido se desplaza en
láminas o capas paralelas. En el turbulento las partículas se mueven
siguiendo trayectorias muy irregulares.
Flujo permanente: si las propiedades como la densidad, la velocidad, la
presión no cambian en el tiempo en un punto del espacio, entonces se
dice que el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un punto a otro.
La ecuación de continuidad
Figura 1.1
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2
La figura 1.1 representa una tubería por la que circula líquido de densidad
constante ρ. Sean A1 y A2 las áreas de las secciones transversales en dos
puntos diferentes del tubo. Designemos por v1 la velocidad del fluido en A1 y
por v2 la del fluido en A2. En el intervalo de tiempo ∆t, un elemento de fluido
recorre una distancia v∆t. Entonces, la masa del fluido ∆m1 es
aproximadamente,
∆m1 = ρA1v1∆t
Es decir, el flujo de masa ó caudal másico, ∆m1t / ∆t es aproximadamente
ρA1v1. Debemos tomar ∆t suficientemente pequeño para que en este intervalo
de tiempo ni v ni A cambien apreciablemente en la distancia que recorre el
fluido. En el límite, cuando ∆t 0, obtenemos las definiciones precisas:
Flujo de masa en A1 = ρA1v1 [kg/s]
Flujo de masa en A2 = ρA2v2 [kg/s]
Ya que ningún fluido puede salir por las paredes del tubo y puesto que no
hay “fuentes” ni “sumideros” en los que se pueda crear o destruir fluido en el
tubo, la masa que cruza cada sección del tubo por unidad de tiempo debe ser
la misma.
ρA1v1 = ρA2v2
Es decir,
ρAv = cte.
Este resultado expresa la ley de la conservación de la masa en la dinámica
de los fluidos.
Si el fluido es incompresible, la última ecuación toma la forma más sencilla
A1v1 = A2v2 [l/s]
Es decir
Av = cte.
El producto Av da el flujo de volumen ó caudal volumétrico.
Clasificación de los transductores y características
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de fluido, la
precisión deseada, el control requerido y el tipo de caudal volumétrico o
másico. En el presente capítulo, se nombrarán y se explicarán algunos de ellos,
dándole más importancia a los medidores volumétricos que al los de caudal
masa, pues los primeros son los que se utilizan más frecuentemente.
Entre los transductores más importantes figuran los siguientes:
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3
Medidores volumétricos
Sistema
Elemento
Presión diferencial
De obstrucción: Placaorificio, Tobera y Tubo
Venturi.
Tubo Pitot.
Área variable
Velocidad
Tensión inducida
Desplazamiento positivo
Rotámetro.
Turbina.
Sondas ultrasónicas.
Medidor magnético.
Disco giratorio.
Pistón alternativo.
Medidores de caudal masa
Sistema
Térmico
Elemento
Diferencia temperaturas
en dos sondas de
resistencia.
Medidores volumétricos
Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido.
Hay que señalar que la medida de caudal en la industria se efectúa
principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso
del fluido. Entre estos elementos se encuentran los caudalímetros de
obstrucción; la placa-orificio o diafragma, la tobera, y el tubo Venturi.
Caudalímetros de obstrucción
Existen tres tipos de caudalímetros de obstrucción; el tubo Venturi, la
tobera, y la placa orificio o diafragma. En cada caso, el medidor actúa como un
obstáculo al paso del fluido provocando cambios en la velocidad.
Consecuentemente, estos cambios de velocidad causan cambios en la presión.
En los puntos donde la restricción es máxima, la velocidad del fluido es
máxima y la presión es mínima.
Caudalímetros de obstrucción para fluidos incompresibles
Un fluido incompresible fluye a través de una tubería con una obstrucción
como se muestra en la figura 1.2, la fórmula del caudal se basa en la aplicación
del teorema de Bernoulli en los puntos 1 y 2:
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Figura 1.2. – Fluido a través de una obstrucción en una tubería.
2
2
v1
p
v
p
+ 1 = 2 + 2
2g γ
2g
γ
donde:
v1 y v2 son las velocidades del fluido en los puntos 1 y 2 en m/s
p1 y p2 son las presiones del fluido en los puntos 1y 2 en kg/m2
g es la aceleración de la gravedad en m/s2
γ es la densidad del fluido en kg/m3
Además, se puede plantear la ecuación de continuidad:
A1v 1 = A2v 2
A1 y A2 son las secciones de la tubería en los puntos 1 y 2 en m2.
De esta última ecuación:
A 
v 1 =  1 v 2
 A2 
reemplazando v1 en la primera:
2
v  A
p1 − p 2 = 2 1 −  2
2g   A1




2



entonces, la ecuación del caudal resulta:
Qideal = A2v 2 =
A2
A 
1 −  2 
 A1 
2
 p − p2
2g  1
 γ



Las unidades de Qideal están dadas en m3/s. La palabra ideal se refiere a que
esta última ecuación no tiene en cuenta las pérdidas, como por ejemplo la
rugosidad de la cañería o la viscosidad del fluido.
Para un caudalímetro dado, A1 y A2 son valores definidos, de modo que
conviene escribir:
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5
M=
1
A
1 −  2
 A1



M es el coeficiente de velocidad de acercamiento.
Hay otros dos coeficientes que se usan en los caudalímetros de obstrucción,
son el coeficiente de descarga C y el coeficiente de caudal K. Estos están
definidos de la siguiente manera:
C=
Qreal
Qideal
K = CM
El coeficiente de descarga C tiene en cuenta las pérdidas a través del
caudalímetro, mientras que el coeficiente de caudal K se utiliza de manera
conveniente para combinar el factor de pérdidas con la constante del medidor.
Los valores de C y M se utilizan a menudo en el tubo Venturi, mientras que el
factor combinado K se utiliza para la tobera y la placa orificio.
El tubo Venturi
El tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar
por él un fluido. Está compuesto por una tubería corta recta o garganta entre
dos tramos cónicos, uno convergente y uno divergente o de descarga (figura
1.3).
Figura 1.3. – Tubo Venturi.
La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así al colocar un
manómetro o un instrumento registrador en la garganta de puede medir la
caída de presión y calcular el caudal. En el tubo Venturi, el flujo desde la
tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la garganta,
donde disminuye la presión del fluido. Después el flujo se expande a través del
cono divergente al mismo diámetro que la tubería principal.
En la pared de la tubería de la sección 1 y en la pared de la garganta,
sección 2, se ubican las tomas de presión. En dichas tomas se puede conectar
un manómetro de presión diferencial de tal forma que la deflexión h es una
indicación de la deferencia de presión p1 – p2.
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De acuerdo a la referencia bibliográfica [4], la ecuación del caudal para el
tubo venturi es:
Qreal = CMA2
2g
γ
p1 − p 2
m3
s
Los valores del coeficiente de descarga C se obtienen de curvas que son
función del número de Reynolds (ver el apéndice 1). Las curvas se pueden
encontrar en la referencia bibliográfica [4].
El tubo venturi posee una elevada precisión del orden de ± 0,75%, permite
el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos. Presenta
la desventaja de ser costoso.
La tobera
La tobera consta de un tubo corto cuyo diámetro disminuye en forma
gradual de un extremo al otro. También posee dos tomas de presión, una
ubicada del lado anterior y otra ubicada del lado posterior de la tobera, en las
que se puede conectar un manómetro de presión diferencial (figura 1.4).
Figura 1.4. –Tobera.
De acuerdo referencia bibliográfica [4], la ecuación del caudal para la
tobera es:
Qreal = KA2
2g
γ
p1 − p 2
m3
s
A2 es el área que corresponde al menor diámetro de la tobera (figura 1.4).
Recuérdese que K = CM (página 5), los valores del coeficiente de descarga se
obtienen de curvas que son función del número de Reynolds y que tienen como
parámetro a la relación de los diámetros β = d/D. A dichas curvas se las puede
encontrar en la referencia [4].
La tobera se la puede emplear para medir caudal de fluidos con dos fases,
de vapor o líquidos viscosos, para líquidos que tengan una pequeña cantidad
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de sólidos en suspensión. Sin embargo, no debe emplearse para líquidos con
concentraciones de sólidos mayores que puedan llegar a obturarla.
El costo de la tobera es de 8 a 16 veces el de la placa orificio y su precisión
es del orden de ±0.95% a ±1,5%.
Placa orificio o diafragma
La placa orificio consiste en una placa perforada ubicada en el interior de
una tubería. Posee además, dos tomas de presión, una en la parte anterior y
otra en la parte posterior de la placa, a las cuales se conecta un manómetro de
presión diferencial (figura 1.5).
Figura 1.5. – Placa orificio.
La placa orificio hace que la obstrucción al paso del fluido por la tubería sea
de forma abrupta, esto provoca que la vena fluida presente una sección inferior
a la del estrechamiento que se denomina “vena contracta” y que se encuentra
corriente abajo del mismo (figura 1.6). El efecto de la vena contracta no sucede
cuando el estrechamiento de la sección de la cañería es de forma gradual.
Figura 1.6. – Efecto de la vena contracta.
El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, como
se muestra en la figura 1.7. El concéntrico es el más comúnmente utilizado. El
orificio de la placa es circular y concéntrico con el tubo en el que va instalado.
Su exactitud es mucho mayor a la de los otros dos tipos de orificios. El
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excéntrico, el orificio en la placa es circular y tangente a la pared interna de la
cañería en un punto. Se utiliza para fluidos con dos fases: vapor húmedo,
líquidos que contienen sólidos, aceites que contienen agua, etc. El segmental,
es un orificio en forma de segmento circular tangente en un punto a la
circunferencia interna de la cañería. Se utiliza para fluidos barrosos con la
ventaja que no acumula sólidos en el lado anterior a la placa.
Figura 1.7. – Distintos tipos de orificios.
De acuerdo a la referencia bibliográfica [4], la ecuación del caudal para la
placa orificio es la misma que para la tobera:
Qreal = KA2
2g
γ
p1 − p 2
m3
s
En este caso, A2 es al área del orificio de la placa. Recuérdese que K = CM
(página 5). Los valores de C se obtienen de curvas que son función del número
de Reynolds y que tienen como parámetro a β = d/D. A dichas curvas se las
puede encontrar en la referencia bibliográfica [4].
Por último, la precisión de la placa orificio está en el orden de ±1% y ±2%.
El tubo Pitot
El tubo Pitot, el cuál se muestra en la figura 1.8, mide la diferencia de
presión entre los puntos a y b la cual es proporcional al cuadrado de la
velocidad. El fluido se desplaza por las aberturas en a, estas aberturas son
paralelas a la dirección del flujo y están situadas lo suficientemente lejos como
para que la velocidad y la presión fuera de ellas tengan los valores del flujo
libre. Por lo tanto, la presión en el brazo izquierdo del manómetro, que está
conectado a las aberturas, es la presión estática pa. La abertura del brazo
derecho del manómetro perpendicular a la corriente. La velocidad se reduce a
cero en el punto b y el líquido se detiene en ese sitio. La presión en b es la
presión total de empuje pb. De acuerdo con la ecuación de Bernoulli en los
puntos a y b
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Figura 1.8. – Tubo Pitot.
pa +
1 2
ρv = p b
2
donde:
ρ es la densidad del líquido
v es la velocidad del líquido
Como se puede ver en la figura, pb es mayor que pa. Como h es la diferencia de
altura del líquido en los brazos del manómetro y ρ’ es la densidad del líquido
manométrico resulta:
pa +
1
ρ ' gh = pb
2
g es la aceleración de la gravedad.
Comparando las dos ecuaciones,
1 2
ρv + ρ ' gh = pb
2
2ghρ '
v=
ρ
Si el área transversal de la tubería A es conocido, el caudal del líquido es Av,
es decir:
Q=A
2ghρ '
ρ
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Su precisión es baja, del orden de 1,5% - 4%, y de emplea normalmente
para la medición de grandes caudales de fluidos limpios con una baja pérdida
de carga.
Los rotámetros
Son dispositivos cuya indicación es esencialmente lineal con el caudal.
Estos son instrumentos de área variable comúnmente llamados rotámetros.
Están compuestos por dos partes principales, un tubo cónico y un flotador libre
de movimiento cuya posición dentro del tubo es proporcional al flujo del fluido.
La parte anterior del rotámetro es de vidrio y posee una escala graduada en la
que puede leerse directamente el valor del caudal, de acuerdo a la posición del
flotador (figura 1.9).
Figura 1.9. – Rotámetro
Para un dado valor de caudal, el flotador dentro del tubo se encuentra en
una posición determinada, donde las fuerzas que actúan sobre él, se
encuentran en equilibrio (figura 1.10). En esta condición de equilibrio se
cumplen las siguientes ecuaciones:
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G = Vf ρ f
F = Vf ρ l
v2
E = CD ρ l Af
2g
F +E =G
en las que
G = peso del flotador
Vf = volumen del flotador
ρf = peso específico del flotador
ρl = peso específico del fluido
E = fuerza de arrastre del fluido sobre el flotador
F = fuerza de empuje del fluido sobre el flotador
CD = coeficiente de arrastre del fluido sobre el flotador
v = velocidad del fluido
Af = área de la sección del flotador
Aw = área entre el flotador y la pared del tubo
Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior, resulta
Q = CAw
2gv f ( ρ f − ρ l )
ρ l Af
Figura 1.10. Fuerzas que actúan sobre el flotador en la condición de equilibrio.
La fórmula permite determinar el caudal del fluido Q que pasa a través del
rotámetro. Este caudal depende del peso específico de líquido y del área entre
el flotador y la pared del tubo Aw, que cambia según sea la posición del
flotador.
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A los rotámetros se les puede acoplar un transductor eléctrico de manera de
obtener una tensión eléctrica proporcional al caudal.
Por ejemplo, uno de ellos es del tipo potenciométrico (figura 1.12). Este
transductor consta de una varilla de extensión del flotador, la cual en el extremo
opuesto al mismo posee un imán. El transductor además, posee una hélice
magnética en el interior de un tubo de aluminio y un potenciómetro cuyo brazo
está sujeto al tubo de aluminio. Cuando el imán se desplaza hacia arriba y
hacia abajo, como consecuencia del movimiento del flotador debido al cambio
del caudal, la hélice magnética gira provocando que se mueva al brazo del
potenciómetro y hace que varíe la tensión en bornes. De esta manera, se logra
una tensión proporcional a la posición del flotador y en consecuencia, al caudal.
Figura 1.12. – Transductor potenciométrico.
Los rotámetros presentan algunas desventajas; deben ser montados en
posición vertical, el flotador puede quedar no visible si el líquido empleado es
opaco, no debe ser utilizado para líquidos que contengan grandes porcentajes
de sólidos en suspensión y son costosos para líquidos con altas presiones y/o
altas temperaturas. Las ventajas que presentan son; tienen una escala
uniforme en todo el rango del instrumento, la pérdida de presión es fija para
todo el rango de medida, la capacidad se puede cambiar con cierta facilidad si
se reemplaza el flotador o el tubo, pueden manejar líquidos corrosivos sin
inconvenientes y son de fácil lectura.
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El intervalo de medida de los rotámetros es usualmente de 1 a 10 (relación
entre al caudal mínimo y máximo) con una escala lineal. Su precisión es del 1%
cuando se encuentran calibrados.
Medidores de turbina
Los medidores de turbina consisten en un rotor de múltiples aspas montado
en una tubería, perpendicular al movimiento del líquido. El paso del líquido a
través de las aspas ejerce una fuerza de rotación que hace girar al rotor a una
velocidad que resulta directamente proporcional al caudal (figura 1.13). La
velocidad de rotación de la turbina es censada por un transductor magnético,
cuya señal de salida es un tren de pulsos, los cuales pueden ser contados y
totalizados. El número de pulsos contados en un período de tiempo dado, es
directamente proporcional al caudal volumétrico.
Figura 1.13. – Medidor de turbina.
El uso de la turbina está limitado por la viscosidad del fluido, cuando
aumenta la viscosidad, cambia la velocidad del perfil del líquido a través de la
tubería. En las paredes del tubo el fluido se mueve más lentamente que en el
centro, de modo que, las puntas de las aspas no pueden girar a mayor
velocidad. Para viscosidades superiores a 3 o 5 centistokes se reduce el
intervalo de medida del instrumento. (1 stokes = 1cm2/s, referencia [5]). Es
adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios y filtrados.
Su precisión es muy elevada, está en el orden de ±0,3%.
Caudalímetros ultrasónicos
La medición del caudal se realiza por medio de una onda sonora ultrasónica
que se propaga a través del líquido. Constan básicamente de dos
transductores piezoeléctricos, uno actúa como transmisor y otro como receptor
de la onda sonora. Ambos transductores se ubican en los lados opuestos de la
cañería. Para utilizar este tipo de caudalímetros, es necesario conocer la
velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el líquido al cuál se quiere
medir el caudal. Entre los caudalímetros ultrasónicos se encuentran el de
tiempo de vuelo y el efecto Doppler.
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Caudalímetro de tiempo de vuelo
El transmisor y el receptor se ubican uno de cada lado de la cañería como
se muestra en la figura 1.14(a). El transmisor envía una onda de sonido
pulsante de una frecuencia determinada, y se mide el tiempo en que la onda
tarda en llegar al receptor.
Figura 1.14. – (a) Caudalímetro de tiempo de vuelo. (b) Caudalímetro de efecto Doppler.
De la referencia bibliográfica [3], se transcribe la ecuación de la velocidad
del fluido para este caudalímetro en función de la velocidad de propagación de
la onda sonora en el fluido:
v=
C 2 tg (α )
∆t
2D
en la que
v = velocidad del fluido
C = velocidad del sonido en el fluido
α = ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería
D = diámetro interior de la tubería
∆t = tiempo de vuelo de la onda del transmisor al receptor.
Entonces el caudal medido es simplemente:
Q = Av
A es la sección transversal de la cañería.
Caudalímetro de efecto Doppler
La velocidad del fluido se determina midiendo el corrimiento de frecuencia
que experimenta la señal de retorno al reflejarse en partículas contenidas en el
fluido (figura 1.14b). El empleo de éste caudalímetro está limitado a fluidos que
contengan partículas sólidas en suspensión, pero permite medir algunos
caudales de fluidos tales como mezclas gas-líquido, fangos, etc.
La velocidad del fluido se la puede expresar como:
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v=
C (f r − ft )
2 cos α
donde:
v = velocidad del fluido
C = velocidad del sonido en el fluido
α = ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería
fr = frecuencia de la onda recibida
ft = frecuencia de la onda transmitida
Si la tubería tiene una sección transversal A, el caudal es:
Q = Av
Algunas de las ventajas que presentan los caudalímetros ultrasónicos son: no
ofrecen obstrucción al paso del fluido, son resistentes a la corrosión, el Doppler
se puede instalar fuera de la tubería, tienen un bajo consumo de energía, etc.
La precisión de éste tipo de caudalímetros está en al orden del ±2%.
Medidor magnético
La ley de Faraday establece que, la tensión inducida a través de un
conductor, al moverse éste perpendicularmente a través de un campo
magnético es proporcional a la velocidad del conductor.
La ecuación de la ley de Faraday es la siguiente:
Es = K B l v
Es = tensión generada en el conductor
K = constante
B = densidad del campo magnético
I = longitud del conductor
v = velocidad del conductor
En el medidor magnético de caudal (figura 1.15) el conductor es el líquido y
Es es la señal generada; esta señal es captada por dos electrodos rasantes
con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. La única zona del
líquido en movimiento que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a
los dos electrodos, B es la densidad del campo magnético creado por medio de
la bobina del campo, D es el diámetro de la tubería y v es la velocidad del
fluido.
Como
Q =v
πD 2
4
resulta
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16
Q=K
Es
D
B
Figura 1.15. – Medidor magnético.
Las fórmulas anteriores indican que la señal Es depende de la velocidad del
fluido y de la densidad del campo magnético B, la cual a su vez está influida por
la tensión de la línea y por la temperatura del fluido. Para obtener una señal que
dependa únicamente de la velocidad, debe eliminarse la influencia de estos tres
factores y, por otro lado es muy difícil mantenerlos en valores constantes (la
temperatura y la conductividad del fluido vienen dadas por las condiciones de
cada caso en particular). De aquí que la señal de tensión del medidor se
compara en el receptor con una tensión de referencia Er. Como las dos señales
derivan a la vez del campo magnético B, la tensión de la línea y las variaciones
de temperatura y de conductividad del líquido no influyen en la precisión de la
medida.
La señal de referencia Er se toma de un arrollamiento colocado en los
bobinados del campo que generan el flujo magnético. En la figura 1.16 puede
verse un esquema de conexiones del elemento de medida.
Figura 1.16. – Diagrama de conexiones.
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El valor de Er se escoge de tal forma que la relación Es / Er se hace
constante en todos los medidores de caudal.
La conductividad del fluido es la única característica propia del líquido que
puede limitar el empleo del medidor magnético de caudal. El sistema
electrónico utilizado en el elemento y en el receptor permite medir caudales de
líquidos que tengan una conductividad superior a 5 micro-mhos/cm. No
obstante, en casos especiales puede trabajarse con valores menores,
añadiendo al circuito de medida un preamplificador adicional (acondicionador
de señal), alcanzándose una conductividad mínima de 0,3 micro-mhos/cm.
Los medidores magnéticos del caudal son adecuados para la medida de
caudales de líquidos conductores en particular los líquidos fangosos y fluidos
corrosivos. Pueden medir caudales en ambos sentidos del fluido en la tubería,
además este medidor es no invasivo pues no tiene elementos que obstruyan el
paso del fluido en la tubería. Poseen una elevada precisión, del orden del 0.1%.
Medidores de desplazamiento positivo
Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal volumétrico
contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas
de éstos instrumentos se mueven aprovechando la energía del fluido en
movimiento. La precisión depende de los espacios entre las partes móviles y
las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del
instrumento.
Dentro de los medidores de desplazamiento positivo se encuentran: el
medidor de disco giratorio y el medidor de pistón alternativo.
Medidor de disco giratorio
El instrumento está compuesto por una cámara circular con un disco plano
móvil el cual posee una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta
placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso
del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior
de la cámara, mientras que su parte superior roza con la parte superior de la
cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida en
compartimientos separados de volumen conocido.
Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento de giro inclinado como
un trompo caído y su eje transmite el movimiento a un tren de engranajes de un
contador mecánico (figura 1.17). Este instrumento se utiliza en aplicaciones
domésticas para la medición de consumo de agua, se utiliza industrialmente en
la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos
alimenticios. La precisión es de ±1% a 2 %.
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Figura 1.17. – Medidor de disco giratorio.
Medidor de pistón alternativo
El medidor de pistón convencional (figura 1.18) es el más antiguo de los
medidores de desplazamiento positivo. Básicamente, está compuesto por un
cilindro en donde se aloja el pistón y las válvulas que permiten la entrada y
salida del líquido en su interior. El instrumento se fabrica en muchas formas: de
varios pistones, pistones de doble acción, que son los que el líquido se
encuentra en ambas caras del pistón, válvulas rotativas, válvulas deslizantes
horizontales, etc. Algunos caudalímetros, en lugar de tener válvulas, poseen
lumbreras por donde entra y sale el líquido del cilindro, en este caso, es el
pistón quien se encarga de abrirlas o cerrarlas con su cara lateral.
Figura 1.18. – Medidor de pistón alternativo.
Los pistones se unen mecánicamente a un cigüeñal por medio de una biela,
para transformar el movimiento alternativo de los pistones en movimiento
circular. En el cigüeñal van ubicados uno o varios pequeños imanes que giran
con él. Muy cerca de los imanes se coloca un transductor magnético, similar a
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los que poseen los medidores de turbina. Cuando un imán pasa frente al
transductor, éste envía un pulso eléctrico como señal de salida. El cálculo del
caudal se realiza mediante el conteo de los pulsos del transductor en un
intervalo de tiempo determinado.
La precisión de este instrumento es muy elevada, del orden de ±0,2%.
Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores.
Su costo inicial es alto y son difíciles de reparar.
MEDIDORES DE CAUDAL- MASA
Si bien en la industria normalmente se emplean medidores volumétricos
para medir el caudal, a menudo interesa aprovechar las características
medibles de la masa.
Medidores térmicos de caudal
El funcionamiento del medidor térmico de caudal se basa en el principio
físico de la elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo
caliente. Este aparato, que también recibe el nombre de medidor Thomas,
consta de una fuente de alimentación eléctrica que proporciona calor constante
al punto medio de un tubo por el cual circula un fluido. En los puntos
equidistantes de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para
medir la temperatura del fluido (figura 1.19).
Figura 1.19. – Medidor Thomas.
Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es la misma en las dos
sondas. Cuando el fluido circula por el tubo, transporta una cantidad de calor
hacia la segunda resistencia T2, y se produce una diferencia de temperaturas
entre los dos elementos que va aumentando a medida que aumenta el caudal.
La diferencia de temperaturas es proporcional a la masa del fluido que circula
por el tubo de acuerdo a la ecuación:
Q = mc e (t 2 − t1 )
donde:
Q = calor cedido por la fuente en calorías (cal)
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20
m = masa del fluido en g
ce = calor específico del luido en cal/g ºC
t1 = temperatura en sonda T1 en ºC
t2 = temperatura de la sonda T2
de esta última ecuación de puede despejar la masa :
m=
Q
c e (t 1 − t 2 )
Las sondas de resistencia forman parte de un puente de Weatstone y la tensión
de salida resulta proporcional a la diferencia de temperaturas de las sondas.
La tensión de salida del puente se puede amplificar y lograr por ejemplo, un
rango de tensiones de 0 a 5V c.c. en el rango de temperaturas.
La precisión que se logra con este tipo de instrumento es del orden de ±1%
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