La medición del caudal de líquidos es una necesidad fundamental en muchas aplicaciones industriales. En algunos funcionamientos, la capacidad de realizar mediciones precisas del caudal es tan importante que puede marcar la diferencia entre obtener beneficios o sufrir pérdidas. En otros casos, las mediciones inexactas del caudal, o el fallo en la realización de mediciones, pueden provocar resultados graves (o incluso desastrosos).
Con la mayoría de los instrumentos de medición de caudal de líquidos, el caudal se determina de forma inferencial midiendo la velocidad del líquido o el cambio en la energía cinética. La velocidad depende de la diferencia de presión que empuja el líquido a través de una tubería o conducto. Dado que el área de la sección transversal de la tubería es conocida y permanece constante, la velocidad media es una indicación del caudal. La relación básica para determinar el caudal del líquido en estos casos es:
Q = V x A
Donde
Q = Caudal de líquido a través de la tubería
V = Velocidad media del caudal
A = Área transversalde la tubería
Otros factores que afectan al caudal del líquido son la viscosidad y la densidad del líquido, así como la fricción del líquido en contacto con la tubería.
What is a Flow Meter?
Un caudalímetro (o un sensor de flujo) es un tipo de instrumento de flujo que se utiliza para indicar la cantidad de líquido, gas o vapor que se mueve a través de una tubería o conducto midiendo los caudales lineales, no lineales, masivos o volumétricos. Dado que el control del caudal suele ser esencial, la medición del caudal de líquidos y gases es una necesidad crítica para muchas aplicaciones industriales, y existen muchos tipos diferentes de caudalímetros que se pueden utilizar en función de la naturaleza de la aplicación.
Al elegir un caudalímetro, se deben tener en cuenta factores intangibles como la familiaridad del personal de la planta, su experiencia en Calibración in situ y Mantenimiento, la disponibilidad de piezas de repuesto y el tiempo medio entre fallos, etc., en la planta en cuestión. También se recomienda calcular el coste de la instalación solo después de seguir estos pasos. Uno de los errores más comunes en la medición de caudal es invertir esta secuencia: en lugar de seleccionar un sensor que funcione correctamente, se intenta justificar el uso de un dispositivo porque es más barato. Esas compras «baratas» pueden ser las instalaciones más costosas.
Cómo elegir un caudalímetro
La base para una buena selección de caudalímetros es una comprensión clara de los requisitos de la aplicación concreta. Por lo tanto, se debe invertir tiempo en evaluar completamente la naturaleza del fluido del proceso y de la instalación en general. El desarrollo de especificaciones que establezcan los requisitos de la aplicación debe ser un proceso sistemático y paso a paso.
Pasos iniciales
El primer paso en el proceso de selección del sensor de flujo es determinar si la información sobre el caudal debe ser continua o totalizada, y si esta información se necesita de forma local o remota. Si es de forma remota, ¿la transmisión debe ser analógica, digital o compartida? Y, si es compartida, ¿cuál es la frecuencia (mínima) requerida de actualización de datos? Una vez respondidas estas preguntas, se debe realizar una evaluación de las propiedades y características de flujo del fluido de proceso, así como de la tubería que alojará el caudalímetro (Tabla 1).
Tabla 1: Tabla de evaluación del caudalímetro Características del fluido y del flujo
Se deben indicar los valores mínimos y máximos esperados de presión y temperatura, además de los valores normales de funcionamiento.
Rangos de presión y temperatura
Se deben indicar los valores mínimos y máximos esperados de presión y temperatura, además de los valores normales de funcionamiento. También se debe indicar si el flujo puede invertirse, si no siempre llena la tubería, si puede producirse un flujo discontinuo (aire-sólidos-líquido), si es probable que se produzca aireación o pulsación, si pueden producirse cambios bruscos de temperatura o si se necesitan precauciones especiales durante la limpieza y el mantenimiento.
Tuberías y zona de instalación
En cuanto a las tuberías y la zona en la que se va a instalar el caudalímetro, se debe especificar la siguiente información: en cuanto a las tuberías, su dirección (evitar el flujo descendente en aplicaciones líquidas), tamaño, material, calendario, presión nominal de las bridas, accesibilidad, curvas aguas arriba o aguas abajo, válvulas, reguladores y longitudes disponibles de tubería recta.
En relación con el área, el ingeniero encargado de la especificación debe saber si hay o puede haber vibraciones o campos magnéticos, si la energía eléctrica o neumática es disponible, si el área está clasificada como zona con riesgo de explosión o si existen otros requisitos especiales, como el cumplimiento de las normas sanitarias o de limpieza in situ (CIP).
Caudales y precisión
El siguiente paso es determinar el rango de medición requerido identificando los caudales mínimos y máximos (masa o volumétricos) que se medirán. A continuación, se determina la precisión de medición de caudal requerida. Normalmente, la precisión se especifica en porcentaje de la lectura real (AR), en porcentaje del intervalo calibrado (CS) o en porcentaje de las unidades de escala completa (FS). Los requisitos de precisión deben indicarse por separado para los caudales mínimo, normal y máximo. A menos que conozca estos requisitos, es posible que el rendimiento de su medidor no sea aceptable en todo su rango.
Precisión frente a repetibilidad
En aplicaciones en las que los productos se venden o compran en función de la lectura de un medidor, la precisión absoluta es fundamental. En otras aplicaciones, la repetibilidad puede ser más importante que la precisión absoluta. Por lo tanto, es aconsejable establecer por separado los requisitos de precisión y repetibilidad de cada aplicación e indicarlos en las especificaciones.
Cuando la precisión de un medidor de caudal se indica en unidades % CS o % FS, su error absoluto aumentará a medida que disminuya el caudal medido. Si el error del medidor se indica en % AR, el error en términos absolutos permanece igual en caudales altos o bajos. Dado que la escala completa (FS) es siempre una cantidad mayor que el intervalo calibrado (CS), un sensor con un rendimiento % FS siempre tendrá un error mayor que uno con las mismas especificaciones % CS. Por lo tanto, para comparar todas las ofertas de forma justa, es aconsejable convertir todas las declaraciones de error cotizadas a las mismas unidades % AR.
También se recomienda que el usuario compare las instalaciones basándose en el error total del bucle. Por ejemplo, la imprecisión de una placa de orificio se indica en % AR, mientras que el error de la célula d/p asociada se indica en % CS o % FS. Del mismo modo, la imprecisión de un medidor Coriolis es la suma de dos errores, uno dado en % AR y el otro como un valor % FS. La inexactitud total se calcula tomando la raíz de la suma de los cuadrados de las inexactitudes de los componentes a los caudales deseados.
En las especificaciones bien elaboradas de los caudalímetros, todas las declaraciones de precisión se convierten en unidades % AR uniformes y estos requisitos % AR se especifican por separado para los caudales mínimos, normales y máximos. Todas las especificaciones y ofertas de caudalímetros deben indicar claramente tanto la precisión como la repetibilidad del caudalímetro en los caudales mínimo, normal y máximo.
La tabla 1 proporciona datos sobre el rango de números de Reynolds (Re o RD) dentro del cual pueden funcionar los distintos diseños de caudalímetros. Al seleccionar el caudalímetro adecuado, uno de los primeros pasos es determinar los números de Reynolds mínimo y máximo para la aplicación. El RD máximo se obtiene realizando el cálculo cuando el caudal y la densidad están en su máximo y la viscosidad en su mínimo. Por el contrario, el RD mínimo se obtiene utilizando el caudal y la densidad mínimos y la viscosidad máxima.
Si se puede obtener un rendimiento aceptable con dos categorías diferentes de caudalímetros y una de ellas no tiene piezas móviles, seleccione la que no tenga piezas móviles. Las piezas móviles son una fuente potencial de problemas, no solo por las razones obvias de desgaste, lubricación y sensibilidad al recubrimiento, sino también porque requieren espacios libres que a veces introducen «deslizamientos» en el caudal que se está midiendo. Incluso con medidores bien mantenidos y calibrados, este caudal no medido varía con los cambios en la viscosidad y la temperatura del fluido. Los cambios de temperatura también modifican las dimensiones internas del medidor y requieren una compensación.
Además, si se puede obtener el mismo rendimiento tanto con un medidor de flujo completo como con un sensor puntual, generalmente es aconsejable utilizar el medidor de flujo. Dado que los sensores puntuales no miden el flujo completo, solo ofrecen lecturas precisas si se insertan a una profundidad en la que la velocidad del flujo es la media del perfil de velocidad a lo largo de la tubería. Incluso si esta medición se determina cuidadosamente en el momento de la calibración, es poco probable que permanezca inalterada, ya que los perfiles de velocidad cambian con el caudal, la viscosidad, la temperatura y otros factores.
Si todas las demás consideraciones son iguales, pero un diseño ofrece menos pérdida de presión, es aconsejable seleccionar ese diseño. Parte de la razón es que la pérdida de presión tendrá que pagarse con mayores costes de funcionamiento de la bomba o el compresor a lo largo de la vida útil de la planta. Otra razón es que cualquier restricción en la trayectoria del flujo provoca una caída de presión, y cualquier punto de restricción en la tubería se convierte en un lugar potencial para la acumulación de material, la obstrucción o la cavitación.
Unidades de masa o volumétricas
Antes de especificar un caudalímetro, también es recomendable determinar si la información sobre el caudal será más útil si se presenta en unidades de masa o volumétricas. Cuando se mide el caudal de materiales compresibles, el caudal volumétrico no es muy significativo a menos que la densidad (y a veces también la viscosidad) sea constante. Cuando se mide la velocidad (caudal volumétrico) de líquidos incompresibles, la presencia de burbujas en suspensión provocará errores, por lo que es necesario eliminar el aire y el gas antes de que el fluido llegue al medidor. En otros sensores de velocidad, los revestimientos de las tuberías pueden causar problemas (ultrasónicos), o el medidor puede dejar de funcionar si el número de Reynolds es demasiado bajo (en los medidores de vórtice se requiere un RD > 20 000).
Teniendo en cuenta estas consideraciones, se deben tener en cuenta los caudalímetros, que son insensibles a las variaciones de densidad, presión y viscosidad y no se ven afectados por los cambios en el número de Reynolds. También se infrautilizan en la industria química los diversos canales que pueden medir el flujo en tubos parcialmente llenos y pueden pasar sólidos flotantes o sedimentables de gran tamaño.
Mantenimiento de un caudalímetro
Hay una serie de factores que influyen en los requisitos de mantenimiento y la vida útil de los caudalímetros. El factor más importante, por supuesto, es elegir el instrumento adecuado para cada aplicación concreta. Los dispositivos mal seleccionados causarán invariablemente problemas a corto plazo. Los caudalímetros sin piezas móviles suelen requerir menos atención que las unidades con piezas móviles. Pero todos los caudalímetros requieren algún tipo de mantenimiento.
Los elementos primarios de los caudalímetros de presión diferencial requieren una gran cantidad de tuberías, válvulas y accesorios cuando están conectados a sus elementos secundarios, por lo que el mantenimiento puede ser una tarea recurrente en este tipo de instalaciones. Las líneas de impulso pueden obstruirse o corroerse y deben limpiarse o sustituirse. Además, una ubicación inadecuada del elemento secundario puede dar lugar a errores de medición. Reubicar el elemento puede resultar costoso.
Los medidores de flujo con piezas móviles requieren una inspección interna periódica, especialmente si el líquido que se mide es contaminado o viscoso. La instalación de filtros delante de estas unidades ayudará a minimizar las incrustaciones y el desgaste. Los instrumentos sin obstrucciones, como los caudalímetros ultrasónicos o electromagnéticos, pueden desarrollar problemas con los componentes electrónicos de su elemento secundario. Los sensores de presión asociados a los elementos secundarios deben retirarse e inspeccionarse periódicamente.
Las aplicaciones en las que pueden producirse recubrimientos también son un problema potencial para los instrumentos sin obstrucciones, como las unidades magnéticas o ultrasónicas. Si el recubrimiento es aislante, el funcionamiento de los caudalímetros magnéticos se verá afectado si los electrodos están aislados del líquido. Esta situación se puede evitar mediante una limpieza periódica. Con los caudalímetros ultrasónicos, los ángulos de refracción pueden cambiar y la energía sónica absorbida por el recubrimiento hará que el medidor deje de funcionar.
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