Medidores de flujo

Hay tres formas de medición del caudal:

• De tipo mecánico (de desplazamiento).
• De carácter diferencial (por diferencia de presión).
• Por área (empuje).

El caudal representa el volumen de fluido (liquido o gaseoso), que pasa por la sección de la tubería en la unidad de tiempo; se puede medir en m³/h, m³/s, dm³s (litros/s), etc., en el sistema anglosajón, se utiliza habitualmente el galón, por ello suele ser expresado en “gpm”, es decir, galones por minuto, también se utiliza el termino de barriles por hora (bph), o por día (bpd), etc.

Si dividimos el caudal por la sección de la tubería, el resultado nos da la velocidad con que se mueve cualquier partícula de líquido por la tubería.

Medición mecánica del flujo 

La forma más elemental de medición volumétrica, consiste en llenar y vaciar una cámara de volumen conocido; este tipo de medición se usa en las plantas de proceso para hacer inventario de fluidos en tanques o recipientes de almacenamiento, ya que ciertos procesos requieren, a intervalos regulares, la medición su contenido, como verificación del flujo.

El contador mide el caudal de los fluidos, llenando y vaciando alternativamente las cámaras de desplazamiento que contiene en su interior; las caídas de velocidad y presión a través del dispositivo, se deben al movimiento de las cámaras, y las válvulas que conectan las cámaras; cada ciclo es contabilizado por engranajes numerados los cuales están visibles.

Son medidores relativamente baratos y dan un buen servicio cuando se usan como contadores domésticos de agua y de gas; el problema que presentan las pulsaciones, en el tipo más sencillo de medidor por desplazamiento, queda eliminado en aquellos diseños que utilizan un movimiento oscilante y rotatorio. Teniendo en cuenta que es, básicamente, un dispositivo totalizador, el medidor de desplazamiento se usa con más frecuencia para la medición de una producción total que para registrar cantidades instantáneas de flujo; la mayoría de los medidores de desplazamiento no pueden operar a elevadas presiones y/o temperaturas.

Los medidores de desplazamiento se emplean extensamente en las operaciones de llenado y mezclado, cuando se requieren mediciones volumétricas precisas; como en el mezclado de productos costosos, tales como aceites lubricantes, en los que se usan medidores de desplazamiento mecánicamente conectados; en el llenado de barriles o en operaciones de llenado de recipientes se utilizan medidores con interrupción automática.

Los medidores de flujo por presión diferencial

Convierten una parte de la energía de presión de un fluido, en energía cinética; esto se logra colocando en un tubo una restricción u orificio, un Venturi, o una tobera de flujo; si se desprecia la fricción, la caída de presión a través de dicha restricción, se relaciona con el cambio de energía cinética, mediante la siguiente formula:

En la que son:
P₁ = Presión a la entrada de la restricción, en lb/pie² .

P₂ = Presión en la restricción o en algún punto tras ella, en lb/pie² .

V₁ = velocidad, en pies/seg, antes de la restricción.

V₂ = velocidad, en pies/seg, en la restricción o después de ella
g_c = 32,17 (adimensional).
ρ = Densidad del fluido que circula, en lb/pie³.

La ecuación se basa en un flujo ideal sin fricción; en la práctica, los efectos fricciónales consumen una parte de la energía de presión; la manera más conveniente de compensar la pérdida de energía por fricción, ha sido la de introducir una constante empírica, llamada coeficiente de descarga, y que es la relación del flujo real al flujo teórico.

Hay manuales, como la publicación “Medidores de fluidos” de “ASME”, que presenta las correlaciones del coeficiente de descarga para los diversos tipos de bridas de orificio, medidores Venturi y toberas de flujo y el n° de Reynolds; por medio de dichas tablas se simplifica la solución para el cálculo de flujos y del diámetro del orificio requerido para un flujo y presión diferencial dados. Estos datos hacen posible diseñar y operar medidores diferenciales sin necesidad alguna de calibración, siempre y cuando se hayan seguido los estándares descritos por “ASME”, de construcción e instalación.

La placa de orificio es la restricción más sencilla, barata y usada para medición de flujo; los medidores de orificio comprenden más del 90 % de la mayoría de las instalaciones medidoras de las plantas de proceso; el valor del coeficiente de descarga varía de 0.59 a 0.62.

Las bridas para placas orificio, con tomas en la brida, se pueden obtener de numerosos fabricantes; la placa de orificio se inserta entre estas bridas y las tomas de presión son roscadas en el cuerpo de la brida por el fabricante.

Las tomas de presión se localizan de manera que cuando las bridas y la placa estén montadas, exista una distancia de 1” entre cada toma y la placa; este es el tipo más habitual de toma de presión; se instalan con facilidad y requieren menos espacio que las tomas de tubería.

Cuando las tomas se localizan en la tubería, se sitúan de modo de que la toma de entrada diste 2,5 Φ de tubería de la placa, y la toma de salida 8,0 Φ, debido a la gran distancia a que se encuentra la toma de salida, gran parte de la caída de presión a través del orificio ha sido recuperada; esto puede ser una ventaja para caudales elevados; la diferencia de presión medida por las tomas, representa, además de una parte de la presión diferencial originada a través del orificio, las pérdidas de carga por fricción producida a lo largo de la tubería entre tomas; por ello las tomas de tubería no deben usarse para fluidos viscosos, o con sólidos en suspensión, puesto que este tipo de fluidos produce grandes pérdidas de fricción.

Con frecuencia los fluidos que sufren evaporación instantánea se miden muy bien con tomas de tubería, ya que los vapores tienen oportunidad de redisolverse antes de llegar a la salida.

La placa de orificio más habitual, es la que tiene el orificio con borde cuadrado a la entrada y achaflanado en la salida, como se ve en la sección de la figura precedente; las características dimensionales de este diseño se han estandarizado ya que los datos experimentales y de operación de numerosas instalaciones proporcionan cifras fiables de predicción.

Cualquier cambio radical en el orificio de la placa durante su uso, tal como el redondeado de sus bordes por corrosión, o erosión, introducirá un error importante en la medición; por esta razón, las placas de orificio deben ser construidas con los mejores materiales disponibles.

La instalación de bridas de orificio deben diseñarse con cuidado; una turbulencia excesiva en puntos cercanos al orificio causará lecturas erróneas; por lo que es necesario que haya una longitud definida de tubería recta, sin obstrucciones; se han desarrollado nomógramas que dan a cada lado del orificio la mínima distancia permisible a una perturbación, tal como una curva del tubo, una reducción, etc.

El medidor Venturi tiene un ángulo de llegada de 21° o menor, lo cual elimina las cavidades; el ángulo de salida es efe 7° a 9°, de tal modo, que la expansión al regresar a su tamaño inicial sea uniforme a lo largo de la tobera de salida, y con una elevada recuperación de la presión.

La baja pérdida de energía debida a la fricción (C = 0,92 a 0,99), es la característica exclusiva de un medidor Venturi; por ello se usa en sistemas de distribución de gas, o de agua a baja presión.

Las pérdidas de presión en sistemas con grandes caudales, sube los costos de bombeo y en esos casos el medidor Venturi, por costos de operación resultará más económico.

La tobera de flujo, tiene características intermedias entre las placas de orificio y los tubos de Venturi; tiene una llegada suavemente redondeada, pero una descarga brusca; es más eficiente que la placa de orificio, pero menos que un medidor Venturi; su costo, es más elevado que una placa de orificio, pero menor que un Venturi.

La tobera se coloca por medio de bridas, es muy indicada para la medición de gases que contienen humedad, como el vapor húmedo; estas condiciones causarían erosión en las placas de orificio, pero no afectan a las toberas.

Cuando las tomas se localizan en la tubería, se sitúan de modo de que la toma de entrada diste 2,5 Φ de tubería de la placa, y la toma de salida 8,0 Φ <, debido a la gran distancia a que se encuentra la toma de salida, una gran parte de la caída de presión a través del orificio ha sido recuperada; esto puede ser una ventaja para caudales elevados.

Para medir la presión diferencial producida por bridas de orificio, tubos de Venturi y toberas de flujo se usan manómetros especiales como los de mercurio, o los de balanza de fuerzas.

Los medidores de área

En lugar de mantener una restricción constante de área y dejar que la presión diferencial varíe con el flujo, en los medidores de área la presión diferencial se mantiene constante y se deja variar el área.

El tipo más importante de medidor de área es el rotámetro consiste de un tubo de sección cónica alargada y de un flotador; conforme el flujo aumenta, el flotador asciende creando mayor área para el flujo del fluido y manteniendo así una presión diferencial constante a través del flotador; como el área anular varía con el flujo y es directamente proporcional a la altura del flotador, los fabricantes calculan las curvas para rotámetros, de altura del flotador, respecto al flujo, para materiales de distintas viscosidades.

Los rotámetros pueden tener tubos medidores de vidrio que permiten la observación visual del flotador, o con tubos medidores de metal con extensiones indicadoras, para transmitir la posición del vástago de extensión a un registrador, o a un controlador; se pueden colocar diversos dispositivos transmisores de tipo electrónico, o neumático.

En el caso de flujos viscosos, su caudal se puede medir con mayor exactitud con rotámetros que con placas de orificio; estos medidores son satisfactorios y baratos para instalaciones pequeñas, pero muy costosos para flujos extremadamente grandes.