MEDIDORES MASICOSMendoza Contreras Estefany

Lluncor Mendoza Juan Carlos

Quiroz Frank

Ucharima Martínez Sully

MEDIDORES DE FLUJO MASICO

Si bien en la industria se utilizan normalmente medidores volumétricos de caudal, con el caudal determinado en las condiciones de servicio, en ocasiones interesa medir el caudal masa, sea inferencial mente por compensación de la presión, la temperatura o la densidad, o bien aprovechando caracterizas medibles de la masa con sistemas básicos de medida directa, los instrumentos térmicos,

los de momento angular y los de Coriolis.

PRINCIPIOS GENERALESExisten dos clases principales de medidores de masa:

1. Instrumentos volumétricos compensados por Presión y Temperatura.

2. Medidores másicos directos.

Medidor de masa “verdadero”, que registra directamente el flujo en unidad de masa.

Algunos medidores de flujo masico son:

a) El medidor de efecto Magnus.

b) El medidor de momento transversal para flujo axial

c) El medidor de gasto de masa de momento transversal para flujo radial.

d) El medidor de gasto de masa de momento transversal.

e) El medidor térmico de gasto de masa giroscópico.

Medidores volumétricos compensados Los medidores de caudal masa operando con medidores volumétricos con

compensación de densidad se basan en transmitir la densidad (o su equivalente a par r de las medidas de la presión y temperatura del fluido), al medidor volumétrico y aplicar una simple operación de multiplicar para tener el caudal masa.

En los líquidos, como son incompresibles, la densidad varía por los cambios en la temperatura del fluido. Si se instala un transmisor de densidad que mida ésta en condiciones de servicio, bastará aplicar su salida directamente a la salida del transmisor de caudal para tener así el caudal corregido.

Siendo la fórmula simplificada del caudal de un fluido incompresible:

K = constante

pa - pc = presión diferencial creada por el elemento

p0 = densidad del líquido en condiciones de servicio

MEDIDOR DE GASTO DE MASA DE MOMENTO TRASNVERSAL PARA FLUJO AXIAL

También conocido como medidor de gasto de masa de momento angular.

Una de las aplicaciones de este principio comprende el uso del flujo axial que pasa por un propulsor activado y una turbina puestos en serie. El propulsor le imparte una cantidad de movimiento o momento angular al fluido que, a su vez, genera un par de fuerza que se comunica a la turbina a la que le impide girar por medio de un resorte. El par, que se puede medir es proporcional a la velocidad de rotación del propulsor y al gasto.

MEDIDORES DE GASTO DE MASA INFERENCIAL

1. Medidores de carga con compensación de densidad.

Los medidores de carga, como orificios, tubos venturi o boquillas se utilizan con uno de los diversos densitómetros disponibles (por ejemplo basándose en una fuerza ascensional en un flotador, acoplamiento hidráulico, salida de voltaje de un cristal piezoeléctrico o absorción por radiación). La señal proveniente del medidor de carga, es proporcional a ρV² (donde: ρ = densidad del fluido y V=velocidad del fluido), se multiplica por ρ según la lectura del densitometro. La raíz cuadrada del producto es proporcional al gasto de masa.

2. Medidores de carga con compensación de velocidad. La señal proveniente del medidor de carga, que es proporcional a ρV², se divide entre la señal de un velocímetro para obtener una señal proporcional al gasto de masa.

3. Medidores de velocidad con compensación de densidad.

La señal generada por el velocímetro (por ejemplo, medidor de turbina electromagnético o de velocidad sonica) se multiplica por la señal obtenida en el densitómetro para dar una señal proporcional al gasto de masa.

En los gases la fórmula simpli cada toma la misma forma que la fórmula anterior para líquidos, ya que el factor de expansión puede incluirse en la constante K, luego:

con p0 el peso específico del gas en las condiciones de servicio.

En los instrumentos electrónicos pueden utilizarse varios sistemas:

a) Una unidad compensadora (multiplicador-divisor) ( gura 4.51) que trabaja con un transmisor de presión diferencial, un transmisor de presión absoluta PP/I de 4-20 miliamperios c.c. y un transmisor de temperatura TC/I de 4-20 mA c.c. y que compensa el caudal de gas para las variaciones de temperatura y presión. Puede realizar correcciones manuales de peso específico y compresibilidad. Su exactitud es del ± 0,2% de la escala.

b) Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de densidad del gas ( gura 4.52) con correcciones manuales del peso específico. Sus características son semejantes a la unidad anterior. Su exactitud es del ± 0,15% de la escala.

Unidad compensadora

Compensación densidad

c) Compensación digital con transmisor multivariable

Los transmisores multivariables tienen incorporadas las compensaciones de presión y temperatura y, de este modo, reemplazan los tres transmisores clásicos de caudal volumétrico, presión y temperatura por un solo aparato.

Tienen la ventaja de proporcionar un cálculo dinámico del coeficiente de descarga, del factor de expansión del gas, de los efectos de las dilataciones térmicas que intervienen en la medida del caudal, de la presión y de la temperatura y, todo ello, dentro del mismo instrumento con sólo las conexiones adicionales de la sonda de temperatura (sonda de resistencia para mayor exactitud o termopar) y de la toma de presión en la tubería.

Permiten cambiar fácilmente las unidades de ingeniería, los campos de medida de la presión, temperatura y del propio caudal y facilitan un diagnóstico del estado del instrumento, así como de las comunicaciones (HART, FOUNDATION Fieldbus, Pro bus PA, Modbus, etc.) con la planta y con el panel de control.

Tienen una exactitud en el caudal masa del ± 1% y una rangeabilidad de 8:1 en lugar de la clásica 3:1.

Medidores térmicos de caudal Miden el caudal masa directamente y se basan en la elevación de temperatura

del fluido en su paso por un cuerpo caliente. El primer instrumento de esta clase fue proyectado por Thomas en 1911 para medir el caudal masa de gas en una tobera. Por este motivo, estos aparatos reciben también el nombre de medidores de caudal Thomas.

Consisten en una fuente eléctrica de alimentación de precisión que proporciona un calor constante al punto medio del tubo por el que circula el fluido. En puntos equidistantes de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura.

Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas. Cuando el fluido circula, transporta una can dad de calor hacia la segunda sonda y se presenta una diferencia de temperaturas que va aumentado progresivamente entre las dos sondas a medida que aumenta el caudal. Esta diferencia es proporcional a la masa que circula a través del tubo, de acuerdo con la ecuación:

en la que:

Q = calor transferido

m = masa del fluido

ce = calor específico

t1 = temperatura anterior

t2 = temperatura posterior

Anemómetro de hilo caliente

Consiste en un conductor de hilo delgado (0,004 mm de diámetro y 1,27 mm de largo) o bien una película delgada, soportado en sus extremos y calentado por una corriente eléctrica. El hilo suele ser de tungsteno, material rígido de alto coeficiente de temperatura de resistencia. El sensor está dispuesto en una tubería por la que circula el gas, con lo que se enfría y la tasa de enfriamiento es proporcional al caudal masa. Se utilizan para velocidades de 15 a 3.600 m/minuto y en fluidos con turbulencias.

Medidor de Coriolis

Puede entenderse el teorema de Coriolis, situando por ejemplo, una bola de acero en el centro de un disco giratorio lleno de grasa, que actúa como freno, y al hacerlo girar, la bola describe una línea curva hasta salir del disco. Durante su recorrido ene una velocidad tangencial igual a la velocidad angular del disco multiplicada por la distancia al centro de giro. Esta velocidad tangencial va aumentando a medida que la bola se aleja del centro del disco, lo que, tal como se ha dicho, evidencia la existencia de una aceleración y, por lo tanto, de una fuerza.

La generación de la fuerza de Coriolis puede producirse básicamente de dos formas:

a) Por inversión de las velocidades lineales :del fluido mediante la desviación de un bucle en forma de omega (Ω) en estado de vibración controlada

La vibración del tubo es perpendicular al sentido de desplazamiento del fluido, tiene una amplitud de unos 2 mm y una frecuencia de 80 ciclos/minuto próxima a la frecuencia natural del 190 tubo. Cuando en la mitad de un ciclo el tubo se mueve hacia arriba, el líquido que entra es forzado a subir y, debido a su inercia, empuja el tubo hacia abajo con una fuerza (Coriolis) en cada unidad de masa que depende del radio de giro. Al pasar al tubo de salida, la velocidad del movimiento ver cal se reduce, ya que al progresar dentro de la tubería va disminuyendo el radio de giro, con lo que, debido a su inercia, crea una fuerza hacia arriba. De este modo, se genera un par cuyo sentido va variando de acuerdo con la vibración y con el ángulo de torsión del tubo, y que es directamente proporcional a la masa instantánea de fluido circulante.

b) Por inversión de las velocidades angulares del fluido mediante un tubo recto

El tubo está fijado en ambos extremos y se hace vibrar en el centro, de tal modo que el eje de rotación del lado de la entrada es opuesto al eje de rotación a la salida, creándose así dos fuerzas de Coriolis opuestas. Por ejemplo, si el tubo asciende en la entrada, el líquido que entra es forzado a subir y, debido a su inercia, empuja el tubo hacia abajo. Al pasar del centro es forzado a reducir su movimiento ver cal con lo que, debido a su inercia, crea una fuerza hacia arriba.

APARATOS PARA MEDICIONES DE CAUDAL MÁSICO

Medidores térmicos

Un método de determinación del flujo de masa es por el efecto de transferencia de calor. Se pone en contacto con el fluido una resistencia de platino con una corriente controlada. Esta resistencia sube su temperatura en condiciones sin flujo. Cuando el flujo se inicia, existe una disminución de temperatura en el sensor por el intercambio de calor con el fluido. La corriente eléctrica varía por la propia variación de la resistencia con la temperatura y esta variación es proporcional a la nueva temperatura del sensor.

Caudalímetros de Coriolis

Con la configuración del equipo indicado, poniendo a los tubos en oscilación a una frecuencia fija uno contra otro; el movimiento entre los tubos en U será estable. Con el ingreso del fluido al sistema, este circulará en el primer brazo de la U alejándose del eje de rotación, mientras que en el segundo brazo de la U estará acercándose al eje de rotación. Esto generará una fuerza de Coriolis que distorsionará la oscilación fija en vacío. Esta distorsión será entonces una función de la masa y de la velocidad de flujo. La velocidad angular está fijada por la frecuencia de excitación.

• VENTAJAS DEL CAUDALÍMETRO

• Bajo nivel de incertidumbre en la medición de masa• La medición es altamente independiente de la

temperatura, densidad o presión del fluido, sólo depende de la masa

• Principalmente aplicable para líquidos, en un amplio rango, independientemente de la viscosidad

• Baja caída de presión en el flujo.• Capaz de medir caudal másico en ambas direcciones.• Costo bastante alto• Es importante la limpieza de los tubos oscilantes en

forma periódica.• Es mayor en tamaño que otros caudalímetros

Medidores de masa digitales

Anemómetro de cucharas PCE-A420

Anemómetro PCE-AM81

Caudalímetro másico Coriolis Promass 83

Anemometros de rueda alada serie LCA (la rueda alada está integrada en el medidor)

Anemómetros de tubo de Pitot-PVM-100 (tubo de Pitot, para altas velocidades de circulación)

CONCLUSIONES

Tener en cuenta que los Medidores de Flujos son dispositivos, que pueden ser utilizado en muchas aplicaciones tecnológicas, requieren de un buen uso y mantenimiento

Los medidores de flujo nos ayudan a controlar y mantener especificaciones de operación en un proceso