Medición de caudal en fluidos: tipos de instrumentos y principios de funcionamiento

ELEMENTOS DEPRIMÓGENOS

Se basan en la ecuación de Bernoulli que establece la conservación de la Energía Mecánica en fluidos en movimiento.
Cuando aumentamos la velocidad de un fluido se producirá una disminución de la presión. Se puede establecer una relación entre la velocidad circulante y la diferencia de presión que se produce. Esta diferencia de presión se puede medir y de ahí determinar la velocidad que multiplicada por el área nos dará el caudal. Si llamamos Beta a la relación entre diámetros 2/1, estos instrumentos trabajan con adecuada exactitud para Betas mayores a 0,3 y menores a 0,7.

PLACA ORIFICIO

Es la restricción de construcción más simple, consiste en una chapa con un agujero central que se coloca entre bridas portaplacas. Para medir, se necesita un transmisor de presión diferencial. Produce mucha pérdida de carga.
La instalación de una placa orificio en una cañería provoca una caída de presión temporaria que se utiliza para hacer la medición y otra caída de presión permanente que se pierde por hacer la medición (pérdida de carga).
Para medir el caudal con una placa orificio se necesita un transmisor de presión diferencial, se conecta la toma de alta presión antes de la placa orificio, a una distancia equivalente a un diámetro, y la de baja presión a medio diámetro después.

TOBERA

Es un instrumento más complejo y caro que la placa orificio, presenta ventajas en ciertos usos y además provoca menor pérdida de carga. Su uso más común es para medición de velocidad de vapor saturado.
Tiene un borde de entrada contorneado que conduce el fluido ingresante. Posee dimensiones muy robustas en su construcción, que lo hace muy resistente a la erosión. Las tomas de presión se efectúan de igual manera que en la placa orificio.

TUBO VENTURI

Es un dispositivo mecánicamente muy grande y costoso, generalmente no se utiliza en cañería de diámetro menor a 4´´.
Se lo utiliza fundamentalmente cuando se necesita tener la menor pérdida de carga posible. Es el dispositivo que más se aproxima a las condiciones ideales.
Consiste en una restricción en el flujo provocado por la inserción de un tubo cónico (cono convergente), seguido por otro cilíndrico de menor diámetro (garganta) y unido a otro tubo cónico llamado cono de recuperación o divergente.
El ángulo de entrada tiene generalmente 21° y el ángulo de salida o del cono de recuperación 15°.
Al ingresar el fluido al primer cono, como la sección disminuye paulatinamente, la velocidad aumenta y la presión disminuye. Cuando el fluido atraviesa el cono de recuperación vuelve a aumentar su presión

COMPARACIÓN ENTRE TUBO VENTURI, TOBERA Y PLACA ORIFICIO

Similitudes:

• Usan el mismo tipo de instrumento de ΔP
• Necesitan longitudes rectas antes y después del instrumento para asegurar que el perfil de flujo no esté deformado.
• Se deben instalar tomas para medir la presión
• Producen caída de presión permanente (pérdida de carga)

Diferencias:

• La pérdida de carga es mayor en la placa orificio y menor en el Tubo Venturi. La tobera está en una posición intermedia.
• El costo del Tubo Venturi es el más costoso, lo siguen la Tobera y la Placa Orificio.
• Sólidos en suspensión: Tienen mejor rendimiento en la Tobera y el Tubo Venturi.

TUBO PITOT

• Este instrumento usa como principio de funcionamiento la diferencia de presión entre la Presión estática y la presión dinámica.
• Cuando el fluido lleva una velocidad determinada, tiene energía cinética y de presión.
• Si se detiene, por principio de conservación de la energía mecánica, la energía cinética se transforma en energía de presión. Midiendo el incremento de presión se puede determinar la velocidad y de ahí el caudal.

Como en las tuberías hay un perfil de velocidades diferentes a distintas distancias del centro, se desarrolla el Pitot promediante, que consiste en un tubo con varios orificios estratégicamente ubicados de manera que contemplan las distintas velocidades que hay en el perfil que se desarrolla y que enfrentan el fluido. Las distintas velocidades se “promedian” dentro del tubo.

CAUDALÍMETRO ELECTROMAGNÉTICO

• Para líquidos con conductividad
• Ventajas:
  • Puede medir en ambos sentidos de circulación
  • No produce pérdidas de carga
  • No tiene partes móviles
  • Se usa en la industria alimenticia (construcción sanitaria)

Basan su funcionamiento en la ley de Faraday, donde se deduce que un conductor en movimiento dentro de un campo magnético inducirá una f.e.m. Esta f.e.m. será proporcional a la velocidad del movimiento del conductor.
Este tipo de caudalímetro consta de unas bobinas que generan el campo magnético, un conductor que lo atraviesa (el fluido en movimiento) sobre el cual se induce una f.e.m. y los electrodos que miden esto.

El caudalímetro debe estar aislado del fluido, para lograr una adecuada medición en los electrodos del campo eléctrico generado por el fluido. Por esto generalmente cuentan con un revestimiento interno aislante, de materiales como siliconas, teflón, grilon, poliamida, etc.

CAUDALÍMETROS DE TURBINA

Inconvenientes:

• No puede medir fluidos viscosos.
• El tramo de medición es de menor diámetro que la cañería. Genera pérdida de carga
• Tiene partes en movimiento. No tolera partículas
• Requiere mantenimiento
• No puede medir vapores que arrastren gotas de condensado que dañarían la turbina