Transductores (III) de medida de caudal de Fluidos

El caudal es la cantidad de un fluido que pasa por unidad de tiempo. Esta cantidad es el volumen que pasa por un área dada por una unidad de tiempo. También se puede decir como la masa de fluido que pasa por un área determinada.

La medida de este parámetro es fundamental para multitud de utilidades y debemos de ser capaces de medir caudal de líquidos y gases.
3.1) Transductores de caudal: Tipos existentes de acuerdo a su principio de funcionamiento.

• Medidores de caudal mecánicos
• Rotámetro

Los rotámetros son medidores de caudal basados en un indicador libre, en la ilustración 16, es el llamado flotador el cual está en un tubo con forma parcialmente cónico. El fluido va de abajo arriba aplicando de esta forma una presión al flotador que lo eleva y en este actúa la gravedad en sentido inverso creando un equilibrio que depende solamente de la cantidad de fluido que pasa por el tubo.

El tubo lleva una escala dibujada en el mismo que sirve para, viendo donde está el flotador, saber cual es el flujo en ese momento del fluido. Esta escala depende del fluido, por su densidad, viscosidad e incluso la temperatura en ese momento del fluido. Esto hace que este tipo de medición no sea la más precisa pero gracias a su sencillez es ampliamente utilizado en aplicaciones que requieren poca precisión pero si alta fiabilidad como los medidores de flujo de los respiradores de O2 de los hospitales.

Son capaces de medir caudales en gases y líquidos con caudales mensurables desde 1 ml/h hasta 1000000 l/min. Se pueden conseguir con ellos precisión de incluso un 1%.

El flotador se hace de distintos materiales y formas aunque la forma de elípse esférica es la más común. También se suelen diseñar de forma que giren con el paso del fluido para ver con total precisión si se ha quedado atascado el medidor.

• Rellenado de un volumen

Este es quizás el método mas sencillo y antiguo al igual que uno de los más precisos solo que es bastante incómodo de uso y no sirve para medir un flujo continuo. Consiste simplemente en el uso de un recipiente de volumen conocido y un cronómetro que empiece a contar el tiempo en el momento en el que el fluido entre en el recipiente y pare en cuanto el fluido complete el recipiente.

El volumen del recipiente dividido entre el tiempo de rellenado da como resultado el caudal

• Medidor de pistón o rotatorios

Este tipo de medidores son los más utilizados para la medida del consumo de agua a nivel doméstico. En sí es un cilindro que gira con el paso del agua siendo cada giro el equivalente al paso de cierta cantidad de fluido. Esto hace que contando los giros atraves de un engranaje o de un imán que hace en un determinado periodo puedas saber el flujo que ha pasado por el medidor.

Este tipo de medidores solo sirven para líquidos incompresibles.

Se laman a este tipo de medidores de desplazamiento positivo y también existen de otro tipo como de tornillo o de engranajes, pero todos ellos tienen en común que separan físicamente el fluido para contarlo. Los de engranajes son dos engranajes haciendo un sello perfecto como se puede ver en la ilustración 18. En la ilustración 19 se ve un medidor basado en dos tornillos helicoidales para medir caudales separando el flujo físicamente.

• Medidores de Turbina

Pueden ser de turbina axial los cuales consisten en una turbina que gira con el líquido y las revoluciones a las que gira son proporcionales frente al caudal del líquido permitiendo de esta forma un medida del flujo cuantificable. En la ilustración 20 se puede ver uno de doble turbina axial que tiene como ventaja frente a los uniaxiales una mucha mayor precisión debido a que los cambios de temperatura y por tanto de viscosidad del fluido no afectan tanto a la medición, pudiendo alcanzar una precisión absoluta de +/- 0,10% sobre la medida tomada.

A parte de los medidores axiales existen otros tipos de medidores de turbina como con turbina Pelton como el que se puede apreciar en la ilustración 21. Otro tipo pueden ser los Woltman. Se elige un tipo u otro de turbina dependiendo del flujo a medir así como de las características del fluido.

Por ejemplo la turbina Pelton es una de las más utilizadas para medir flujo en fluidos de muy baja viscosidad y/o flujos muy pequeños del orden de 0,01 l/min llegando incluso a mediciones tan reducidas como 3 ml/min. Hay que tener en cuenta que la medición se hace gracias a disparar el fluido directamente a las palas.

En todos los casos de turbina la medida directa son la velocidad axial de la turbina la cual, mediante el calibrado, se convierte en la medida de flujo deseada.

• Medidor de paletas

Este tipo de medidor se parece a los de turbina pero al contrario que estos el elemento de medición, las paletas, no está introducido por completo dentro del fluido si no que está solo parte de él, una paleta, en contacto con el flujo. El sistema de medición es similar pues lo que se mide son las rev/min de giro de las paletas para, después de un calibrado, saber cual es el flujo en cualquier momento de fluido.

En otros casos donde solo se quiere saber si existe o no flujo y no el caudal del mismo se suele usar este tipo de medidor pero transparente para ver si el fluido pasa o no.

• Basados en presión

• Venturi

Los medidores de caudal basados en el efecto Venturi consisten en un tubo que cambia de diámetro en el cual se miden las presiones ya que al reducir el diámetro del tubo la presión se reduce ya que la velocidad del fluido aumenta según la ecuación de Bernuilli y según la diferencia de presión se puede saber cual es el flujo. Este tipo de medidores son muy empleados en tuberías de gas. En la ilustración 23 se puede apreciar un esquema de funcionamiento.

La toma de las presiones comparativas se pueden tomar en los 3 puntos indicados en la ilustración 23, necesitándose solo dos de ellos para poder comparar la medida.

• Plato de orificio

Es de los más comunes y es muy parecido al venturi anterior solo que para simplificarlo lo que se usa es un plato con un orificio por el cual se obliga al fluido a circular disminuyendo la presión a la salida. La diferencia de presiones entre la entrada y la salida está relacionada con el caudal de fluido circulante por el orificio. La forma más sencilla de visualizar esta diferencia de presión es la que se ve en la ilustración 24, un manómetro diferencial de U.

Una aplicación de este tipo de medidores es en los motores de combustión interna para medir la cantidad de aire que entra en la mezcla.

El problema de esta simplificación del Venturi es que tiene mayores pérdidas energéticas. El orificio puede tener distintas formas dependiendo del uso teniendo normalmente un diámetro del 50-76% de la tubería. En la ilustración 24 se puede apreciar un esquema de este tipo de medidores.

• Tubo de Pitot

Este es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido que pasa por un conducto. Se basa en la presión dinámica y se usa la ecuación de Bernuilli. Consiste en un tubo dirigido hacia arriba que sube según la presión dinámica del fluido que varía con la presión.

Este tipo de medidor es muy usado como medidor de velocidad para vehículos aéreos en los que sería muy difícil el uso de un anemómetro. En estos funciona como un tubo que está paralelo a la dirección del aire con el extremo abierto por donde entra el aire a la velocidad a la que va el avión. Este está conectado a un tubo en forma de U con agua u otro tipo de medidor de presión por comparación para saber el flujo de aire entrante y por tanto la velocidad relativa del avión.

Este método también se usa para sistemas de refrigeración, para saber la cantidad de flujo que entra por un conducto.

También existen versiones que tienen varios tubos de Pitot unidos para saber la velocidad del fluido en distintas direcciones. Por ejemplo a veces se usan 3 unidos para saber la velocidad en un punto en dos dimensiones. 5 juntos serían capaces de la medida tridimensional de la velocidad del fluido

• Medidores ópticos

Este tipo de medidores consisten en medir la velocidad de las pequeñas partículas que acompañan al fluido. Una luz láser, al incidir sobre una partícula refleja la luz en todas las direcciones siendo detectada por detector de luz que crea un pulso eléctrico. Esta misma partícula al pasar de nuevo por un segundo láser vuelve a reflejar la luz siendo detectada por otro fotómetro el cual emite un segundo pulso. La diferencia de tiempo entre estos pulsos y la distancia entre ambos determinan la velocidad de esa partícula en el fluido, y por tanto, la del fluido.

La ventaja es que esta medida es totalmente independiente de las condiciones de temperatura, fluidez, presión o composición del fluido y solo dependen de la velocidad del mismo lo que ofrece una altísima precisión incluso en circunstancias de difícil medición donde las condiciones del fluido varíen con el tiempo haciendo otros métodos de medición imposibles.

Este tipo de medidores son muy estables y resistentes ya que no dependen de ningún elemento móvil así como que no es requerido ningún tipo de calibración periódica ni cuando cambie el fluido circulante. Así mismo la instalación de los mismos es más sencilla que otros tipos ya que con solo un punto puede medir sin problemas la velocidad en un conducto.

Pueden medir en un intervalo desde 0,1 m/s a más de 100 m/s

En la ilustración 26 se puede apreciar un esquema de uno de los emisores-detectores de luz que constituyen un medidor óptico

• Basados en la distribución de temperatura

Este tipo de caudalímetros se basan en las propiedades de la distribución de temperatura de un fluido en movimiento. Que, según la velocidad del mismo, la distribución de temperatura varía.

Como se puede ver en la ilustración 27 es un sensor activo con una fuente de calor conocida y constante en contacto con el fluido y dos termómetros a una distancia prefijada de la fuente de calor. El calor desprendido por la fuente de calor crea una distribución de temperaturas que se puede apreciar en la ilustración 27 con los colores cálidos. En caso de que el fluido esté estático la distribución que se vería en el esquema sería una semicircunferencia perfecta y a medida que la velocidad aumenta esta semicircunferencia se modifica bajando la temperatura en la zona del fluido entrante ya que el fluido calentado no llega a esa zona y el termómetro establecido en la zona de salida del fluido registra una temperatura mayor.

Después de una calibración se puede saber según la temperatura registrada por ambos termómetros cual es la velocidad del fluido así como su sentido de flujo. Con este sistema se puede ver de forma mejor la masa de fluido que ha pasado por lo que es más independiente de la presión que otros sistemas.

Para mejorar la lectura normalmente se dispone de un tercer termómetro que sirva para determinar la temperatura del fluido para realizar las correcciones pertinentes sobre la distribución de temperatura. Este tipo de medidores consiguen tomar mediciones de caudales muy reducidos del orden de nanolitros por minuto. Este sistema se suele usar para gases comprimidos que no sean corrosivos ni demasiado sucios. En el caso de que se quieran medir gases más corrosivos habría que emplear aleaciones resistentes en las sondas para poder aguantar esta corrosión.

• Medidores de vortex

Este otro método de medición de caudal se basa en el efecto vortex que consiste en que colocar un obstáculo en dirección de flujo de un fluido crea unas turbulencias en forma de vórtices. La frecuencia a la que estos vórtices se crean a un lado y al otro del obstáculo es directamente dependiente del caudal del fluido y como estas provocan una diferencia de presión, al medir esta, normalmente mediante un sistema piezoeléctrico, se puede saber cual es la velocidad del fluido. En la ilustración 28 se puede apreciar un esquema de este sistema con los componentes aquí comentados.

Este sistema al no tener piezas móviles es de bajo mantenimiento y tiene muy buena precisión.

• Electromagnéticos

Este tipo de medidores son los más usados justo por detrás de los mecánicos. Estos consisten en un campo magnético aplicado por una bobina al tubo de medición. El fluido a medir ha de ser conductor, como por ejemplo el agua, y la tubería de medición ha de ser aislante como PVC o de metal aislado con una capa de goma.

La medición se hace basándose en la ley de Faraday de la inducción electromagnética. El fluido conductor realiza sobre el campo magnético una diferencia de potencial en las lineas de flujo perpendiculares al fluido.

• Ultrasonidos

Este tipo de sensor es un sensor activo ya que ha de tener alimentación. Dentro de estos existen dos tipos. Aquellos basados en el efecto Doppler y los que están basados en Tiempo de Tránsito.

Los de Efecto Doppler consisten en el cambio de frecuencia de una señal sonora reflejada en alguna partícula que esté con el fluido lo que la hace muy eficaz para fluidos que no estén del todo limpios pero en el caso de que el fluido que queramos ver su caudal esté totalmente limpio no conseguiríamos tomar medida alguna siendo los de Tiempo de Tránsito especialmente útiles en estas circunstancias.

En la ilustración 30 se puede ver un esquema de funcionamiento de un medidor de caudal de Tiempo de Tránsito que consiste en medir la diferencia de tiempo que le lleva a una señal atravesar una distancia igual. En el caso de que no exista flujo el tiempo será el mismo pero a medida que el flujo valla en aumento la diferencia temporal irá en aumento lo que nos sirve como medidor del caudal que está atravesando el fluido. Este tipo de medición es más precisa que la basada en el efecto Doppler pero depende mucho del estado del fluido ya que la velocidad del sonido dentro del mismo hará variar la medición.

Aun así estos dos sistemas tienen un gran problema en cuanto a que dependen en gran medida del tipo de flujo que estemos midiendo, pues en cuanto nos alejamos del caso laminar las medidas no son del todo fiables. Este tipo de medidores se usa para flujos de gas natural y otros fluidos.

• Coriolis

Basados en el efecto Coriolis que causa a que el tubo vibre lateralmente se consigue una medición directa de la mas circulante según la frecuencia de vibración. Este tipo de medida es muy precisa independientemente del tipo de gas o líquido que esté circulando.

El efecto Corioles consiste en las fuerzas inerciales que se generan cuando una partícula dentro de un cuerpo rotatorio se mueve respecto a ese cuerpo alejándose o acerándose del centro de rotación del cuerpo.

• Medidores de flujo en canal

Existen también técnicas específicas para calcular el caudal que pasa por un canal, es decir, un conducto abierto y a presión atmosférica.

Una de las opciones más sencillas es simplemente a partir del nivel que tiene el fluido en el canal viendo en una curva de caudal la relación entre la altura y el flujo circulante. No es el sistema más preciso y se necesita de un estudio previo pero su comodidad de medición lo hace muy cómodo.

Otra opción es la medida de la velocidad del fluido directamente, ya sea mediante un sistema de ultrasonidos por Doppler o por un sistema de paletas. La toma de varias mediciones en distintos puntos del canal todos en una misma sección nos puede indicar una aproximación del flujo circulante. También se puede hacer como el anterior, realizando un estudio previo y relacionar la velocidad en un punto con el resto de velocidades.

Test de tinción

Se agrega una cantidad conocida de tiente, sal u otra sustancia al fluido en un punto y se mide la concentración de la sustancia una distancia predeterminada posterior a su punto de aplicación. La concentración que se detecte estará relacionada al caudal de fluido que pase por el canal en ese momento en concreto.