Caudalímetros Másicos. ¿Cómo funcionan? ¿Qué tipos hay?

En la industria, el caudal es uno de los parámetros más importantes para el control de procesos, ya que con este se pueden controlar dosificaciones, consumo de materias primas, gasto energético, residuos, etc. El caudal puede ser medido en volumen por unidad de tiempo, siendo esto el caudal volumétrico, o, en masa por unidad de tiempo, siendo este el caudal másico. Para realizar estas tareas, generalmente con conocer el caudal volumétrico es suficiente, pero, hay circunstancias donde hay variaciones de presión y/o temperatura, que generan un cambio sustancial en la densidad del producto, por lo que la medición volumétrica puede inducir errores. En estos casos, el caudal másico es la mejor opción, ya que, al medir directamente la masa del producto, no le afectan los cambios en la densidad del producto.

En tiempos anteriores, el caudal másico era medido con el uso de un caudalímetro volumétrico más un densímetro, o, calculando la densidad con la ayuda de transmisores de temperatura y presión más rudimentarios. De más está decir que estos instrumentos no eran muy precisos por varios factores; primero que la relación entre la temperatura o presión del proceso y la densidad no era siempre conocida con precisión. Segundo, que cada instrumento de medición añade un error al sistema, por lo que añade mucha incertidumbre a la medida, y, tercero, que la velocidad de respuesta de estos métodos generalmente no eran lo suficientemente rápidas como para detectar un cambio rápido en el caudal.

Más adelante fueron introducidos los caudalímetros másicos de momento angular. En estos se contenía un motor conectado a un impelente, con el fin de dar al fluido una velocidad angular constante. A mayor densidad del medio, mayor momento angular debía aplicar este motor al impelente. Aguas debajo de este impelente, se encontraba una turbina estacionaria retenida por un resorte que era expuesta a este momento angular, que aplicaba un torque (torsión) al resorte, que se usaba como indicación del caudal másico. Estos sistemas eran muy complejos y con muchas piezas internas en movimiento que derivaban en un alto coste de mantenimiento, por lo que han sido gradualmente reemplazados.

Actualmente, también existen métodos alternativos para la medición de caudal másico en depósitos, como es el pesado de una dosificación de producto, la combinación de un medidor de nivel y un densímetro o el montaje de dos sensores de presión diferencial, uno en el fondo y otro en el la parte superior de un depósito presurizado. Estos métodos, aunque son efectivos, no se equiparan con la precisión que ofrece un caudalímetro másico moderno.

 

Tipos de caudalímetro másicos modernos.

En la actualidad, los avances en la ciencia y tecnología han permitido el desarrollo de varios tipos de caudalímetros másicos, cada uno con características específicas para diferentes aplicaciones. Los más comúnmente usados son los siguientes:

  • Caudalímetro másico de presión diferencial.
  • Caudalímetro másico térmico.
  • Caudalímetro másico de Coriolis.

Caudalímetro másico de presión diferencial:

  • Principio de funcionamiento: Estos caudalímetros miden indirectamente el caudal másico, significando que en realidad miden el caudal volumétrico y después obtienen el másico a través de una compensación de presión y temperatura. Este se basa en la ecuación de Poiseuille, que dicta que la caída de presión de un fluido laminar incompresible es proporcional a su caudal volumétrico al pasar por una obstrucción. Para su funcionamiento, tiene 2 sensores de presión diferencial y un elemento de obstrucción en el medio (generalmente un disco perforado), y, conociendo el diámetro de la tubería y la viscosidad del producto, se obtiene el caudal volumétrico, que después es compensado mediante unos sensores de presión y temperatura para calcular el caudal másico.

  • Aplicaciones: La aplicación principal de este tipo de caudalímetro es para medir fluidos incompresibles, por lo que generalmente son utilizados para líquidos. La mayor ventaja es que estos miden automáticamente una vez encendido el instrumento, por lo que funcionan bien en aplicaciones de dispensación.
  • Desventajas: Estos caudalímetros tienen 4 grandes desventajas. Primero, que, al medir el caudal másico de forma indirecta, en caso de haber errores en la medición de temperatura y presión darán una medición poco precisa. Segundo, que, es necesario que el fluido circule en régimen laminar, ya que turbulencias en el punto de obstrucción afectaría la medición de las presiones diferenciales. Tercero, que, dependiendo del fluido, el orificio tiene el riesgo de quedarse bloqueado o que sufra desgaste con el tiempo, provocando así una menor caída de presión. Cuarto, que, por el método de funcionamiento del caudalímetro, el sistema debe permitir una caída de presión.

 

Caudalímetro másico térmico:

  • Principio de funcionamiento: Existen varios modelos de este tipo de caudalímetro que miden el caudal másico de tres métodos diferentes, utilizando el principio de capacidad térmica (calórica) específica del fluido, que no es afectada por los cambios en la densidad. El primer método, es mediante el uso de dos sondas de temperatura y un elemento térmico en el medio de ellas; miden la temperatura del fluido aguas arriba y aguas abajo del elemento térmico, y, la variación de temperatura es proporcional al caudal másico. Los segundos calientan una resistencia a temperatura constante, y, obtienen el caudal másico a través de la corriente necesaria para mantener esa temperatura constante en la resistencia (si es la corriente calculada, no hay caudal, a mayor consumo de corriente, mayor caudal másico). Los terceros son muy similares a los segundos, solo que aplican una corriente constante a una resistencia, y, la temperatura que alcance la resistencia es inversamente proporcional al caudal másico (si alcanza la temperatura deseada no hay caudal, a mayor temperatura disipada, mayor caudal másico).

  • Aplicaciones: Debido a la variedad de modelos y principios de funcionamiento de este instrumento, estos tienen un amplio abanico de aplicaciones, generalmente para gases, aunque también pueden ser utilizados para líquidos. Su principal aplicación es para medir gases a baja velocidad, ya que en este campo tienen más precisión que cualquier otro instrumento. Estos también son utilizados para medir aire de combustión en grandes calderas, gas natural, aire comprimido, cromatografía de gases e incluso caudales de aire con una presencia moderada de polvo.
  • Desventajas: Estos caudalímetros tienen 4 grandes desventajas. La principal es que, con gases saturados, se puede producir humedad en el sensor de temperatura, conllevando esto a lecturas erróneas e incluso corrosión. Segundo, que, pueden acumularse residuos en los sensores cuando el fluido no es limpio, lo que afectaría la medición de la temperatura. Tercero, que, cuando los gases varían su composición, se puede asumir o calcular mal su capacidad calórica específica. La cuarta, que, estos caudalímetros necesitan alcanzar un estado de equilibrio en su temperatura de operación, por lo que no se pueden realizar mediciones tan pronto se encienda el instrumento.

 

Caudalímetro másico de Coriolis

  • Principio de funcionamiento: Existen varios diseños de este caudalímetro para diferentes aplicaciones, pero todos siguen el principio de la fuerza de inercia de Coriolis, del cual obtienen el nombre. Estos poseen un actuador que hacen vibrar los tubos de medición y recoger una señal del desfase entre dos sensores aguas arriba y aguas abajo del excitador. Cuando no hay caudal, estas señales se encuentran en fase, y, al existir un caudal en estos tubos, la frecuencia de vibración se desfasa de una forma proporcional a la masa del tubo más la del fluido dentro de este. Estos caudalímetros no necesitan ningún conocimiento del fluido que circula por ellos para medir precisamente.

 

Sin Caudal

 

Con caudal

  • Aplicaciones: Estos son los caudalímetros másicos más precisos de todos, y, también pueden medir líquidos y gases tanto limpios, con pequeñas partículas y/o corrosivos, y, son fácilmente limpiados con procesos CIP y SIP, por lo que son utilizados tanto en aplicaciones científicas, preparación de comidas, bebidas y en la industria farmacéutica, como en procesos más sucios, como para pulpas, petróleo, aceites y betún. Al medir también desde el momento en que son encendidos pueden ser utilizados en dosificación y asisten al sistema de control, ya que miden al mismo tiempo caudal másico, volumétrico, temperatura y densidad. Al no necesitar un fluido laminar circulando por su interior, no requiere tramos rectos ni a la entrada ni a la salida de su instalación, por lo que se pueden utilizar en lugares de difícil acceso. Tampoco son afectadas sus mediciones por los cambios de temperatura y densidad que pueda tener el fluido, como cuando, por ejemplo, se infiltra una burbuja de aire.
  • Desventajas: Estos caudalímetros tienen 3 grandes desventajas. La principal es su alto precio, la fabricación de estos equipos es muy delicada y complicada, por lo que su costo de producción es más alto que los demás. Lo segundo, es que aportan una caída de presión en el sistema debido a que el diámetro de las tuberías de medición del caudalímetro son más pequeñas que la de la línea. El tercero, que, al tener un actuador que hace vibrar los tubos de medición internos del caudalímetro, este es susceptible a altas vibraciones en la tubería de medición. Pequeñas vibraciones pueden ser amortiguadas con una correcta instalación de soportes antes y después del instrumento.

 

¿Cuál es el más adecuado para usted?

Como ha podido ver en este artículo, existe una gran variedad de tipos y modelos de caudalímetros másicos, cada uno con sus ventajas, desventajas y aplicaciones, por lo que no existe una respuesta para esta pregunta. El caudalímetro más adecuado dependerá principalmente del tipo de fluido, sus propiedades, requerimientos de la instalación, y, también del presupuesto que se tenga disponible. Siempre que tenga duda en que caudalímetro es el más adecuado para usted, por favor contáctenos y le atenderemos con gusto.



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