Guia Completa de Mesuradors de Cabal: Tipus i Funcionament

Què són els Mesuradors de Cabal i per a què serveixen?

Un element mesurador de cabal és un dispositiu que serveix per determinar la quantitat de fluid que circula per una conducció en la unitat de temps, expressada en m³/s o kg/s.

Finalitats dels Mesuradors de Cabal

• Mesurar la quantitat de matèria per temps que entra o surt d'un procés o que circula per una canonada.
• Controlar automàticament l'entrada i sortida de material per temps en un procés.

Tipus de Mesuradors Volumètrics

Els mesuradors volumètrics poden ser:

• Directes: Per desplaçament.
• Indirectes: Per deducció, basats en principis com la pressió diferencial, l'àrea variable, la velocitat, la força, la tensió induïda o el remolí.

Instruments de Pressió Diferencial

La majoria de mesures industrials de fluids en conduccions tancades es realitzen mitjançant instruments de pressió diferencial. Aquesta diferència de pressió es pot provocar de manera natural o artificialment.

Un corrent forçat augmenta la seva velocitat en passar a través d'una estrangulació a costa de perdre pressió. Si es fa passar un fluid per un orifici de diàmetre més petit que el conducte, la vena fluida experimenta una contracció considerable. El punt en què la secció transversal és mínima no es troba en l'orifici mateix, sinó aigües avall d'ell, a una distància aproximada al doble del seu diàmetre. Aquesta zona es diu vena contracta i és on tenen lloc les diferències de pressió màximes en comparar-les amb la que porta el fluid abans d'entrar a l'orifici. Un cop passada la restricció, la pressió torna a augmentar com a conseqüència de la disminució de la velocitat, però la pressió mai arribarà al valor que tenia abans d'entrar en la restricció (pèrdua de càrrega).

Fonaments de la Mesura per Pressió Diferencial

Efecte Venturi i Equació de Continuïtat

Per a líquids incompressibles (densitat constant) i amb flux laminar i estacionari, el cabal volumètric del líquid que passarà per cada tram d'una conducció amb diferents seccions serà constant.

Teorema de Bernoulli

És l'aplicació de la conservació de l'energia a un flux. Si augmenta la velocitat del fluid, la pressió disminuirà per poder mantenir l'equilibri energètic.

• A la secció menor, la velocitat del fluid és més alta i la pressió serà més baixa.
• Fórmula: A1 * v1 = A2 * v2 = constant

Tipus d'Instruments de Pressió Diferencial

Tub Venturi

És un element primari de mesura que s'insereix a la canonada com un tram més d'aquesta. Consisteix en un estrenyiment que és intercalat en un conducte i crea una diferència de pressió entre la part ampla i estreta que és proporcional al quadrat del cabal que la travessa.

Tub de Pitot

Consisteix en un tub manomètric, amb les dues branques en forma de colze introduïdes al corrent del fluid:

• La branca 1 detecta la velocitat i la pressió del líquid (càrrega dinàmica i estàtica).
• La branca 2 detecta la pressió del líquid (càrrega estàtica), però no l'impacte del corrent.

La diferència entre les dues branques serà la càrrega dinàmica que es mesura amb el manòmetre diferencial. El cabal està en funció de la diferència d'altures entre les dues branques del manòmetre.

Tub de Prandtl

Ens permet mesurar el cabal i la velocitat d'un fluid que circula per l'interior d'una canonada. El fonament és idèntic al tub de Pitot. Està format per:

• Una branca interior, en direcció a les línies del corrent.
• Una branca exterior amb dos orificis paral·lels a les línies del corrent.

Fórmula: G = k √h

Tub Annubar

És una altra variació del tub de Pitot. Es tracta d'obtenir una velocitat no puntual, sinó mitjana al llarg del diàmetre de la canonada. Consta de dos tubs:

• Tub de la pressió total: Situat al llarg d'un diàmetre transversal de la canonada. Té orificis al llarg del tub per mesurar la pressió total en diferents punts i així obtenir la mesura de tots aquests valors, evitant l'error que produïa el tub de Pitot.
• Tub de la pressió estàtica: Tub de mesura situat darrere del primer, el seu orifici està situat al centre de la canonada.

Placa d'Orifici o Diafragma

És una làmina plana amb un orifici que crea una diferència de pressió entre les dues cares. Dues preses, connectades a la part anterior i posterior de la placa, capten aquesta diferència de pressió, que és proporcional al quadrat del cabal.

Tipus de Plaques d'Orifici

• Placa d'orifici concèntric: Per mesurar líquids o gasos nets i no corrosius.
• Orifici excèntric: Per a líquids amb quantitats considerables de gas o gasos amb gran quantitat de líquids condensats.
• Orifici segmentat: Quan el fluid arrossega sediments.

Tovera

És una variació del tub de Venturi. L'obertura de la tovera és una restricció el·líptica. La tovera està situada en la canonada i es realitzen dues preses:

• Una anterior, a la paret de la canonada, on la pressió és alta.
• L'altra presa de pressió es fa al centre de la secció més petita, on la pressió és més baixa.

Instruments per Variació de Superfície

En aquests mesuradors, es manté constant la diferència de pressió mitjançant la regulació i es fa variable l'àrea d'aquesta. La quantitat de fluid que circula en la unitat de temps, en aquest cas, és proporcional a aquesta superfície.

Fórmula: Qt = A · v

Rotàmetre

És el dispositiu més utilitzat en la mesura de la variació de la superfície. Serveix per mesurar cabals moderats en canonades petites i per determinar si un fluid està en repòs o en moviment. Consisteix en un tub troncocònic transparent, col·locat en una canonada en posició vertical, amb la base cap avall. Al seu interior hi ha una peça metàl·lica anomenada flotador.

Funcionament del Rotàmetre

Es fa circular el fluid cap a dalt i, en passar entre el flotador i el tub, es crea una diferència constant de pressió que es pot modificar variant la massa del flotador. La forma cònica del tub fa que l'espai central per on passa el fluid augmenti de secció conforme augmenta el cabal, la qual cosa permet que el flotador pugui pujar. El diàmetre més gran del flotador indica el cabal instantani sobre la lectura de l'escala graduada.

Les forces que actuen sobre el flotador s'equilibren:

• Pes del flotador.
• Empenyiment del fluid cap al flotador (hidrostàtica).
• Força d'arrossegament del fluid sobre el flotador (fluidodinàmica).

La diferència de pressió es pot expressar per l'equilibri d'aquestes forces. Hi ha un equilibri de pressions del fluid a ambdós costats del flotador, multiplicada per l'àrea de la secció transversal del mateix.

Fórmula: F + E = PF

A partir de l'equilibri de forces s'arriba a la següent fórmula:

Aquesta fórmula ens permet determinar el cabal del fluid que passa a través d'un rotàmetre conegut.

El cabal depèn de:

• El pes específic del fluid (ρL * g).
• Els valors de la secció interior del tub Aw, que canvia segons el punt d'equilibri del flotador (en ser un tub troncocònic, la secció varia al llarg del tub), fent que el càlcul de Aw sigui complex.

El preu és econòmic en grandàries de fins a 2 polzades quan s'utilitza per a indicació local; per a altres usos, el preu pot augmentar considerablement.

Mesuradors de Cabal Màssic

Es poden determinar de dues maneres:

• A partir d'una mesura volumètrica i, gràcies a la densitat, arribar al cabal màssic. Fórmula: Qm = ρ · Qv
• Determinar directament el cabal de massa aprofitant característiques mesurables.

Mesuradors Tèrmics

Es basen en dos principis físics:

• Elevació de la temperatura del fluid al seu pas per un cos calent (industrialment, és el més utilitzat).
• La pèrdua de calor experimentada per un cos calent immers en un fluid.

Calorímetre

Per utilitzar un calorímetre per a la mesura de cabal:

1. S'aïlla convenientment la canonada.
2. Es col·loca una resistència elèctrica i dos termòmetres.
3. La resistència s'alimenta amb un corrent continu d'intensitat i tensió coneguda i s'escalfa durant un cert temps.

Quan s'arriba a l'equilibri tèrmic, es compleix que:

Calor cedida pel corrent elèctric (efecte Joule) = Calor absorbida pel fluid

Fórmula: 0,24 · R · I2 · t = m · ce (T2 - T1)

Si es coneixen:

• La quantitat de calor despresa per la resistència elèctrica en el temps que s'ha mantingut connectada.
• La Ce del fluid.
• Les temperatures indicades pels termòmetres.

Es pot determinar la massa de fluid per unitat de temps (kg/s).