Monografias.com > Ingeniería
Descargar Imprimir Comentar Ver trabajos relacionados

Medidores de flujo – Fluxómetros




Enviado por Pablo Turmero



  1. Introducción
  2. Tipos de medidores
    de caudal

Esta investigación tiene como objetivo principal
estudiar el efecto, funcionamiento y las aplicaciones
tecnológicas de algunos aparatos medidores de flujo el
cual su invención data de los años 1.800,como el
Tubo Vénturi, donde su creador luego de muchos
cálculos y pruebas logró diseñar un tubo
para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo
por unidad de tiempo.

Principalmente su función se basó en esto,
y luego con posteriores investigaciones para aprovechar las
condiciones que presentaba el mismo, se llegaron a encontrar
nuevas aplicaciones como la de crear vacío a través
de la caída de presión.

Luego a través de los años se crearon
aparatos como los rotámetros y los fluxómetros que
en la actualidad cuenta con la mayor tecnología para ser
más precisos en la medición del flujo.

También tener siempre presente la
selección del tipo de medidor, como los factores
comerciales, económicos, para el tipo de necesidad que se
tiene etc.

El estudiante o ingeniero que conozca los fundamentos
básicos y aplicaciones que se presentan en este trabajo
debe estar en capacidad para escoger el tipo de medidor que se
adapte a las necesidades que el usuario requiere.

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR
DE FLUIDO

Rango: los medidores disponibles en el
mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo
(ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios
miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas
de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de
drenaje. Para una instalación de medición en
particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la
velocidad de flujo así como el rango de las variaciones
esperadas.

Exactitud requerida: cualquier
dispositivo de medición de flujo instalado y operado
adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del
flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado
tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud
de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los
factores importantes cuando se requiere de una gran
exactitud.

Pérdida de presión: debido
a que los detalles de construcción de los distintos
medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas
cantidades de pérdida de energía o pérdida
de presión conforme el fluido corre a través de
ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a
cabo la medición estableciendo una restricción o un
dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando
así la pérdida de energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento de
algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las
propiedades y condiciones del fluido. Una consideración
básica es si el fluido es un líquido o un gas.
Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la
temperatura, la corrosión, la conductividad
eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de
lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de
calibración en algunos tipos de medidores. Algunos
fabricantes proporcionan una calibración en forma de una
gráfica o esquema del flujo real versus indicación
de la lectura. Algunos están equipados para hacer la
lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades
de flujo que se deseen. En el caso del tipo más
básico de los medidores, tales como los de cabeza
variable, se han determinado formas geométricas y
dimensiones estándar para las que se encuentran datos
empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con
una variable fácil de medición, tal como una
diferencia de presión o un nivel de fluido.

  • 1. MEDIDORES DE CABEZA VARIABLE

El principio básico de estos medidores es que
cuando una corriente de fluido se restringe, su presión
disminuye por una cantidad que depende de la velocidad de flujo a
través de la restricción, por lo tanto la
diferencia de presión entre los puntos antes y
después de la restricción puede utilizarse para
indicar la velocidad del flujo. Los tipos más comunes de
medidores de cabeza variable son el tubo venturi, la placa
orificio y el tubo de flujo.

  • TUBO DE
    VÉNTURI

Monografias.com

El Tubo de Venturi fue creado por el físico e
inventor italiano Giovanni Battista Venturi (1.746 – 1.822). Fue
profesor en Módena y Pavía. En Paris y Berna,
ciudades donde vivió mucho tiempo, estudió
cuestiones teóricas relacionadas con el calor,
óptica e hidráulica.

En este último campo fue que descubrió el
tubo que lleva su nombre. Según él este era un
dispositivo para medir el gasto de un fluido, es decir, la
cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una
diferencia de presión entre el lugar por donde entra la
corriente y el punto, calibrable, de mínima sección
del tubo, en donde su parte ancha final actúa como
difusor.

DEFINICIÓN

El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una
pérdida de presión al pasar por él un
fluido. En esencia, éste es una tubería corta
recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La
presión varía en la proximidad de la sección
estrecha; así, al colocar un manómetro o
instrumento registrador en la garganta se puede medir la
caída de presión y calcular el caudal
instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito
carburante, se puede introducir este combustible en la corriente
principal.

Las dimensiones del Tubo de Venturi para medición
de caudales, tal como las estableció Clemens Herschel, son
por lo general las que indica la figura 1. La entrada es una
tubería corta recta del mismo diámetro que la
tubería a la cual va unida.

El cono de entrada, que forma el ángulo a1,
conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d1.
Un largo cono divergente, que tiene un ángulo a2, restaura
la presión y hace expansionar el fluido al pleno
diámetro de la tubería. El diámetro de la
garganta varía desde un tercio a tres cuartos del
diámetro de la tubería.

Monografias.com

La presión que precede al cono de entrada se
transmite a través de múltiples aberturas a una
abertura anular llamada anillo piezométrico. De modo
análogo, la presión en la garganta se transmite a
otro anillo piezométrico. Una sola línea de
presión sale de cada anillo y se conecta con un
manómetro o registrador. En algunos diseños los
anillos piezométricos se sustituyen por sencillas uniones
de presión que conducen a la tubería de entrada y a
la garganta.

La principal ventaja del Vénturi estriba en que
sólo pierde un 10 – 20% de la diferencia de presión
entre la entrada y la garganta. Esto se consigue por el cono
divergente que desacelera la corriente.

Es importante conocer la relación que existe
entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que
dependiendo de los mismos es que se va a obtener la
presión deseada a la entrada y a la salida del mismo para
que pueda cumplir la función para la cual está
construido.

Esta relación de diámetros y distancias es
la base para realizar los cálculos para la
construcción de un Tubo de Venturi y con los conocimientos
del caudal que se desee pasar por él.

Deduciendo se puede decir que un Tubo de Venturi
típico consta, como ya se dijo anteriormente, de una
admisión cilíndrica, un cono convergente, una
garganta y un cono divergente. La entrada convergente tiene un
ángulo incluido de alrededor de 21º, y el cono
divergente de 7º a 8º.

La finalidad del cono divergente es reducir la
pérdida global de presión en el medidor; su
eliminación no tendrá efecto sobre el coeficiente
de descarga. La presión se detecta a través de una
serie de agujeros en la admisión y la garganta; estos
agujeros conducen a una cámara angular, y las dos
cámaras están conectadas a un sensor de diferencial
de presión.

FUNCIONAMIENTO DE UN TUBO DE VENTURI

En el Tubo de Venturi el flujo desde la tubería
principal en la sección 1 se hace acelerar a través
de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la
presión del fluido. Después se expande el flujo a
través de la porción divergente al mismo
diámetro que la tubería principal. En la pared de
la tubería en la sección 1 y en la pared de la
garganta, a la cual llamaremos sección 2, se encuentran
ubicados ramificadores de presión. Estos se encuentran
unidos a los dos lados de un manómetro diferencial de tal
forma que la deflexión h es una indicación de la
diferencia de presión p1 – p2. Por supuesto, pueden
utilizarse otros tipos de medidores de presión
diferencial.

La ecuación de la energía y la
ecuación de continuidad pueden utilizarse para derivar la
relación a través de la cual podemos calcular la
velocidad del flujo. Utilizando las secciones 1 y 2 en la formula
2 como puntos de referencia, podemos escribir las siguientes
ecuaciones:

Monografias.com

(1)

Q = A1v1 = A2v2
(2)

Estas ecuaciones son válidas solamente para
fluidos incomprensibles, en el caso de los líquidos. Para
el flujo de gases, debemos dar especial atención a la
variación del peso específico ? con la
presión. La reducción algebraica de las ecuaciones
1 y 2 es como sigue:

Monografias.com

Se pueden llevar a cabo dos simplificaciones en este
momento. Primero, la diferencia de elevación (z1-z2) es
muy pequeña, aun cuando el medidor se encuentre instalado
en forma vertical. Por lo tanto, se desprecia este termino.
Segundo, el termino hl es la perdida de la energía del
fluido conforme este corre de la sección 1 a la
sección 2.

El valor hl debe determinarse en forma experimental.
Pero es más conveniente modificar la ecuación (3)
eliminando h1 e introduciendo un coeficiente de descarga
C:

Monografias.com

La ecuación (4) puede utilizarse para calcular la
velocidad de flujo en la garganta del medidor. Sin embargo,
usualmente se desea calcular la velocidad de flujo del
volumen.

Puesto que , tenemos:

Monografias.com

El valor del coeficiente C depende del número de
Reynolds del flujo y de la geometría real del medidor. La
siguiente figura muestra una curva típica de C Vs
número de Reynolds en la tubería
principal.

Monografias.com

La referencia 3 recomienda que C = 0.984 para un Tubo
Vénturi fabricado o fundido con las siguientes
condiciones:

Monografias.com

Monografias.com

La referencia 3, 5 y 9 proporcionan información
extensa sobre la selección adecuada y la aplicación
de los Tubos de Venturi.

La ecuación (14-5) se utiliza para la boquilla de
flujo y para el orificio, así como también para el
Tubo de Venturi.

APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE UN TUBO DE
VENTURI

El Tubo Vénturi puede tener muchas aplicaciones
entre las cuales se pueden mencionar:

En la Industria Automotriz: en el carburador del carro,
el uso de éste se pude observar en lo que es la
Alimentación de Combustible.

Los motores requieren aire y combustible para funcionar.
Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de
aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo
dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la
proporción correcta. A ese dosificador se le denomina
carburador, y se basa en el principio de Vénturi: al
variar el diámetro interior de una tubería, se
aumenta la velocidad del paso de aire.

Monografias.com

  • PLACA ORIFICIO

Cuando dicha placa se coloca en forma concéntrica
dentro de una tubería, esta provoca que el flujo se
contraiga de repente conforme se aproxima al orificio y
después se expande de repente al diámetro total de
la tubería. La corriente que fluye a través del
orificio forma una vena contracta y la rápida velocidad
del flujo resulta en una disminución de presión
hacia abajo desde el orificio.

El valor real del coeficiente de descarga C depende de
la ubicación de las ramificaciones de presión,
igualmente es afectado por las variaciones en la geometría
de la orilla del orificio. El valor de C es mucho más bajo
que el del tubo venturi o la boquilla de flujo puesto que el
fluido se fuerza a realizar una contracción repentina
seguida de una expansión repentina.

Algunos tipos de placas orificios son los
siguientes:

Monografias.com

La concéntrica sirve para líquidos, la
excéntrica para los gases donde los cambios de
presión implican condensación, cuando los fluidos
contienen un alto porcentaje de gases disueltos.

La gran ventaja de la placa de orificio en
comparación con los otros elementos primarios de
medición, es que debido a la pequeña cantidad de
material y al tiempo relativamente corto de maquinado que se
requiere en su manufactura, su costo llega a ser comparativamente
bajo, aparte de que es fácilmente reproducible,
fácil de instalar y desmontar y de que se consigue con
ella un alto grado de exactitud. Además que no retiene
muchas partículas suspendidas en el fluido dentro del
orificio.

El uso de la placa de orificio es inadecuado en la
medición de fluidos con sólidos en
suspensión pues estas partículas se pueden acumular
en la entrada de la placa., el comportamiento en su uso con
fluidos viscosos es errático pues la placa se calcula para
una temperatura y una viscosidad dada y produce las mayores
pérdidas de presión en comparación con los
otros elementos primarios.

Las mayores desventajas de este medidor son su capacidad
limitada y la perdida de carga ocasionada tanto por los residuos
del fluido como por las perdidas de energía que se
producen cuando se forman vórtices a la salida del
orificio.

  • BOQUILLA O TOBERA DE
    FLUJO

Es una contracción gradual de la corriente de
flujo seguida de una sección cilíndrica recta y
corta. Debido a la contracción pareja y gradual, existe
una pérdida muy pequeña. A grandes valores de
Reynolds (106) C es superior a 0.99.

La tobera de flujo, es un instrumento de medición
que permite medir diferencial de presiones cuando la
relación de ß, es demasiado alta para la placa
orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y
las pérdidas empiezan a hacerse notorias.

Luego, al instalar un medidor de este tipo se logran
mediciones mucho más exactas. Además este tipo de
medidor es útil para fluidos con muchas partículas
en suspensión o sedimentos, su forma hidrodinámica
evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos
a la tobera.

Monografias.com

Boquilla o tobera de
flujo.

La instalación de este medidor requiere que la
tubería donde se vaya a medir caudal, este en línea
recta sin importar la orientación que esta
tenga.

Recuperación de la presión: La
caída de presión es proporcional a la
pérdida de energía. La cuidadosa alineación
del tubo Venturi y a expansión gradual larga
después de la garganta provoca un muy pequeño
exceso de turbulencia en la corriente de flujo. Por lo tanto, la
pérdida de energía es baja y la recuperación
de presión es alta. La falta de una expansión
gradual provoca que la boquilla tenga una recuperación de
presión más baja, mientras que la correspondiente
al orificio es aún más baja. La mejor
recuperación de presión se obtiene en el tubo de
flujo.

  • 2. MEDIDORES DE AREA VARIABLE

2.1. ROTÁMETRO

El rotámetro es un medidor de área
variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un
medidor de "flotador" (más pesado que el líquido)
el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente de un
fluido en la tubería. El tubo se encuentra graduado para
leer directamente el caudal. La ranuras en el flotador hace que
rote y, por consiguiente, que mantenga su posición central
en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que
asume el flotador.

2.2. FLUXOMETRO DE TURBINA

El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una
velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una
de las aspas de rotor pasa a través de una bobina
magnética, se genera un pulso de voltaje que puede
alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador
electrónico u otro dispositivo similar cuyas lecturas
puedan convertirse en velocidad de flujo. Velocidades de flujo
desde 0.02 L/min hasta algunos miles de L/min se pueden medir con
fluxómetros de turbina de varios
tamaños.

2.3. FLUXOMETRO DE VORTICE

Una obstrucción chata colocada en la corriente
del flujo provoca la creación de vortices y se derrama del
cuerpo a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del
flujo. Un sensor en el fluxometro detecta los vortices y genera
una indicación en la lectura del dispositivo
medidor.

Monografias.com

Esta figura muestra un bosquejo del fenómeno de
derramamiento de vortice. La forma del cuerpo chato,
también llamada elemento de derramamiento de vortice,
puede variar de fabricante a fabricante. Conforme el flujo se
aproxima a la cara frontal del elemento de derramamiento, este se
divide en dos corrientes. El fluido cerca del cuerpo tiene una
velocidad baja en relación con la correspondiente en las
líneas de corrientes principales.

La diferencia en velocidad provoca que se generen capas
de corte las cuales eventualmente se rompen en vortices en forma
alternada sobre los dos lados del elemento de derramamiento. La
frecuencia de los vortices creados es directamente proporcional a
la velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo
del volumen.

Unos sensores colocados dentro del medidor detectan las
variaciones de presión alrededor de los vortices y generan
una señal de voltaje que varia a la misma frecuencia que
la de derramamiento del vortice. La señal de salida es
tanto un cadena de pulsos de voltaje como una señal
analógica de cd (corriente directa). Los sistemas de
instrumentación estándar con frecuencia utilizan
una señal analógica que varia desde 4 hasta 20 mA
cd (miliamperes de cd). Para la salida de pulso el fabricante
proporciona un fluxometro de factor-K que indica los pulsos por
unidad de volumen a través del medidor.

Los medidores de vortice pueden utilizarse en una amplia
variedad de fluidos incluyendo líquidos sucios y limpios,
así como gases y vapor.

2.4. FLUXOMETROS DE
VELOCIDAD

Algunos dispositivos disponibles comercialmente miden la
velocidad de un fluido en un lugar específico más
que una velocidad promedio.

  • 2.4.1 TUBO PITOT

Cuando un fluido en movimiento es obligado a pararse
debido a que se encuentra un objeto estacionario, se genera una
presión mayor que la presión de la corriente del
fluido. La magnitud de esta presión incrementada se
relaciona con la velocidad del fluido en movimiento. El tubo
pitot es un tubo hueco puesto de tal forma que los extremos
abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La
presión en la punta provoca que se soporte una columna del
fluido. El fluido en o dentro de la punta es estacionario o
estancado llamado punto de estancamiento.

Utilizando la ecuación de la energía para
relacionar la presión en el punto de estancamiento con la
velocidad de fluido: si el punto 1 está en la corriente
quieta delante del tubo y el punto s está en el punto de
estancamiento, entonces,

p1 = presión estática en la corriente de
fluido principal

p1/? = cabeza de presión
estática

p1 = presión de estancamiento o presión
total

ps/ ? = cabeza de presión total

v1²/ 2g = cabeza de presión de
velocidad

Solo se requiere la diferencia entre la presión
estática y la presión de estancamiento para
calcular la velocidad, que en forma simultánea se mide con
el tubo pitot estático.

  • 2.5. FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO

Monografias.com

Su principio de medida esta basado en la Ley de Faraday,
la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a través
de un campo magnético, se produce una fuerza
electromagnética (F.E.M.), directamente proporcional a la
velocidad del mismo, de donde se puede deducir también el
caudal.

Está formado por un tubo, revestido interiormente
con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos
de la superficie interna se colocan dos electrodos
metálicos, entre los cuales se genera la señal
eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los
dispositivos para generar el campo magnético, y todo se
recubre de una protección externa, con diversos grados de
seguridad.

El flujo completamente sin obstrucciones es una de las
ventajas de este medidor. El fluido debe ser ligeramente
conductor debido a que el medidor opera bajo el principio de que
cuando un conductor en movimiento corta un campo
magnético, se induce un voltaje.

Los componentes principales incluyen un tubo con un
material no conductor, dos bobinas electromagnéticas y dos
electrodos, alejados uno del otro, montados a 180° en la
pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el
fluido. Puesto que le voltaje generado es directamente
proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de
flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente
independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad
específica o turbulencia. Los tamaños existentes en
el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de
diámetro.

2.6. FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO

Monografias.com

Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como
emisor y receptor. La placa piezo-cerámica de una de las
sondas es excitada por un impulso de tensión,
generándose un impulso ultrasónico que se propaga a
través del medio líquido a medir, esta señal
es recibida en el lado opuesto de la conducción por la
segunda sonda que lo transforma en una señal
eléctrica.

El convertidor de medida determina los tiempos de
propagación del sonido en sentido y contrasentido del
flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de
circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la
velocidad se determina el caudal que además necesita
alimentación eléctrica.

Hay dos tipos de medidores de flujo por
ultrasonidos:

  • DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados
    por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada
    uno a un lado del flujo a medir y se envía una
    señal de frecuencia conocida a través del
    líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades
    en el líquido harán que el pulso enviado se
    refleje, pero como el líquido que causa la
    reflexión se está moviendo la frecuencia del
    pulso que retorna también cambia y ese cambio de
    frecuencia será proporcional a la velocidad del
    líquido.

  • TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a
    ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las
    ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una
    inclinación de 45 grados respecto a la
    dirección de flujo del líquido.

La velocidad de la señal que viaja entre los
transductores aumenta o disminuye con la dirección de
transmisión y con la velocidad del líquido que
está siendo medido Tendremos dos señales que viajan
por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en
contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo
a los dos receptores.

Se puede hallar una relación diferencial del
flujo con el tiempo transmitiendo la señal
alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se
realiza determinando el tiempo que tardan las señales en
viajar por el flujo.

Características

  • Temperatura ambiente 0º 55º

  • Temperatura de almacenamiento -20º
    150º

  • Humedad <80%

  • Temperatura del líquido 20º
    150º

  • Máx. presión de conexión 25
    bar

  • Las medidas no se ven afectadas por la presencia de
    sustancias químicas, partículas
    contaminantes..

  • Tienen un alto rango dinámico

  • Diseño compacto y pequeño
    tamaño

  • Costes de instalación y mantenimiento
    pequeños

  • Las medidas son independientes de la presión
    y del líquido a medir

  • No se producen pérdidas de presión
    debido al medidor

  • No hay riesgos de corrosión en un medio
    agresivo

  • Aunque el precio no es bajo, sale rentable para
    aplicaciones en las que se necesite gran sensibilidad (flujos
    corporales) o en sistemas de alta presión.

  • Operan en un gran rango de temperaturas (-10º a
    70º) (-30º 180º)[3]dependiendo del sensor y se
    ofrece la posibilidad de comprar sensores con
    características especiales para aplicaciones
    concretas.

  • Las medidas son no invasivas (especialmente
    importantes cuando hablamos del cuerpo humano)

  • Ofrecen una alta fiabilidad y eficiencia

 

Enviado por:

Pablo Turmero

Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

Todos los documentos disponibles en este sitio expresan los puntos de vista de sus respectivos autores y no de Monografias.com. El objetivo de Monografias.com es poner el conocimiento a disposición de toda su comunidad. Queda bajo la responsabilidad de cada lector el eventual uso que se le de a esta información. Asimismo, es obligatoria la cita del autor del contenido y de Monografias.com como fuentes de información.

Categorias
Newsletter