En áreas como el control de procesos industriales y la medición de energía, la medición precisa del caudal de fluidos es clave para garantizar la seguridad de la producción, mejorar la eficiencia y lograr un comercio justo. Los medidores de caudal másico y los medidores de caudal ultrasónicos, como dos tecnologías principales de medición de caudal, desempeñan un papel insustituible en diferentes escenarios de aplicación debido a sus principios de funcionamiento y características de rendimiento únicos. Este artículo analiza en profundidad el núcleo tecnológico de estos dos tipos de medidores de caudal y compara sus ventajas y aplicaciones típicas.

El Medidor de Caudal Másico: El "Trabajador Práctico" de la Medición Directa de Masa

El medidor de caudal másico, como su nombre indica, es un instrumento capaz de medir directamente el flujo másico de un fluido, sin verse afectado por cambios en parámetros como la temperatura, presión o densidad del fluido. Esto es crucial en muchas situaciones donde se requiere contabilización y control basados en masa.

1. Principio de funcionamiento: el ingenioso uso de la fuerza de Coriolis

Los medidores de caudal másico directos más comunes actualmente se basan en el efecto Coriolis. Este efecto, descubierto por el científico francés Gaspard-Gustave de Coriolis, describe que un objeto que se mueve radialmente dentro de un sistema en rotación experimentará una fuerza que desvía su dirección de movimiento.

El proceso de implementación técnica es el siguiente:

• Accionamiento y Vibración: El núcleo del sensor del medidor de caudal es uno o varios tubos de medición con forma de U, Ω o rectos. Un dispositivo de accionamiento electromagnético hace que el/los tubo(s) de medición vibren continuamente a una alta frecuencia microscópica, en su frecuencia de resonancia natural.

• Desviación y Diferencia de Fase: Cuando el fluido fluye a través del/los tubo(s) de medición en vibración, el propio fluido se ve obligado a participar en esta vibración. Durante el semiciclo en que el tubo vibra hacia arriba, el fluido que fluye desde la entrada hacia la salida genera una fuerza de Coriolis hacia abajo en el segmento de entrada, y una fuerza de Coriolis hacia arriba en el segmento de salida. Estas dos fuerzas, de igual magnitud pero dirección opuesta, provocan una torsión en el tubo de medición (similar a "retorcer una toalla").

• Detección de Señal y Cálculo: En ambos extremos del tubo de medición se instalan detectores de desplazamiento electromagnéticos u ópticos, que detectan con precisión la diferencia de tiempo (o diferencia de fase) entre las señales de vibración en el lado de entrada y el de salida. Esta diferencia de fase es directamente proporcional al flujo másico del fluido que atraviesa el tubo de medición.

• Medición Simultánea de Densidad: La frecuencia de vibración del tubo de medición está relacionada con la masa total en su interior (masa del tubo + masa del fluido). Al monitorizar los cambios en la frecuencia de vibración, se puede calcular simultáneamente la densidad del fluido.

Parámetros de Salida Clave:

• Caudal Másico: Valor medido principal, calculado a partir de la diferencia de fase.

•  Densidad: Calculada a partir de la frecuencia de vibración.

• Caudal Volumétrico: Calculado utilizando el caudal másico y la densidad medidos (Caudal volumétrico = Caudal másico / Densidad).

• Temperatura: Normalmente incluye un sensor de temperatura integrado para compensación y salida de datos.

2. Ventajas Principales

• Medición directa del caudal másico: Su mayor ventaja. Elimina los pasos y los errores asociados a la compensación por temperatura y presión, ofreciendo resultados de medición precisos y fiables.

• Alta precisión: En condiciones operativas adecuadas, puede alcanzar precisiones de ±0.1% o incluso mejores, siendo la opción preferida para aplicaciones críticas como transferencias comerciales (custody transfer).

• Medición multiparamétrica: Un solo instrumento proporciona simultáneamente caudal másico, densidad, temperatura y caudal volumétrico, ofreciendo una gran riqueza de información.

• Insensibilidad al estado del fluido: Los resultados de la medición no se ven afectados significativamente por cambios en la presión, temperatura, viscosidad, conductividad o régimen de flujo (laminar o turbulento) del fluido.

• Apto para fluidos no newtonianos y suspensiones: Capaz de medir fluidos complejos que suponen un desafío para medidores de caudal tradicionales.

 3. Escenarios de Aplicación

1. Transferencia Comercial (Custody Transfer): Como la medición precisa de crudo, productos refinados, gas natural licuado (GNL) o solventes químicos.

2. Control de Procesos y Dosificación: En industrias química, farmacéutica y alimentaria, donde es necesario añadir múltiples ingredientes con precisión másica.

3. Fluidos de Alta Viscosidad: Como asfalto, fueloil pesado, pinturas, chocolate, etc.

4. Suspensiones y Líquidos con Burbujas: Como lodos minerales, lodos de perforación, pasta de papel, etc.

Medidor de Caudal Ultrasónico: el "ojo con visión de rayos X" de la Medición sin contacto

El medidor de caudal ultrasónico es un instrumento que utiliza las características de propagación de las ondas ultrasónicas en un fluido en movimiento para medir la velocidad del flujo. Su característica principal es que no tiene ningún componente que obstruya el flujo en el canal de medición, lo que resulta en una pérdida de presión mínima.

1. Principio de Funcionamiento: La Carrera entre las Ondas Sonoras y la Velocidad del Flujo

Los medidores de caudal ultrasónicos se dividen principalmente en dos tipos: método del tiempo de tránsito (diferencia de tiempo) y método del efecto Doppler.

A) Medidor Ultrasónico por Método del Tiempo de Tránsito

Este método es adecuado para líquidos o gases limpios, monofásicos y con bajo contenido de gas.

1. Medición por Configuración Opuesta (Contrapuesta): Se instalan un par de transductores ultrasónicos (A y B) de forma oblicua en lados opuestos de la tubería, que actúan alternativamente como transmisor y receptor.

2. Medición de la Diferencia de Tiempo: 

El tiempo que tarda la onda ultrasónica en viajar desde A con la corriente hasta B es T_abajo.

El tiempo que tarda en viajar desde B contra la corriente hasta A es T_arriba.

• Cálculo de la Velocidad: Debido al flujo del fluido, el tiempo de propagación con la corriente T_abajo será menor que el tiempo contra la corriente T_arriba. La diferencia de tiempo ΔT = T_arriba - T_abajo es proporcional a la velocidad promedio del fluido. Midiendo esta minúscula diferencia de tiempo y combinándola con el área de la sección transversal de la tubería, se calcula el caudal volumétrico del fluido.

• Clave Técnica: Se requiere una electrónica extremadamente precisa para medir diferencias de tiempo del orden de nanosegundos.

 B) Medidor Ultrasónico por Efecto Doppler

Este método es adecuado para líquidos que contienen una cantidad adecuada de partículas en suspensión o burbujas.

• Medición por Reflexión: Un solo transductor emite ondas ultrasónicas de frecuencia fija hacia el fluido en un cierto ángulo.

• Desplazamiento de Frecuencia: Cuando las ondas ultrasónicas encuentran partículas en suspensión o burbujas que se mueven con el fluido, son reflejadas. Según el efecto Doppler, la frecuencia de la onda reflejada se desplaza (cambio de frecuencia) en relación con la frecuencia de la onda emitida.

• Cálculo de la Velocidad: Este desplazamiento de frecuencia es proporcional a la velocidad de las partículas (es decir, del fluido). Detectando la magnitud del desplazamiento de frecuencia, se calcula la velocidad del flujo.

2. Ventajas Principales

1. Pérdida de presión nula: El canal de flujo está completamente despejado, ofreciendo un efecto de ahorro de energía significativo, especialmente ventajoso en conducciones de gran diámetro.

2. Sin partes móviles, bajo mantenimiento: Los sensores se instalan en el exterior de la pared de la tubería (montaje externo/clamp-on) o se insertan en ella (inserción), sin contacto con el fluido, lo que garantiza una larga vida útil.

3. Amplio rango de aplicación: Puede medir desde el exterior de la tubería, siendo apto para fluidos corrosivos o peligrosos.

4. Excelente relación costo-beneficio en grandes diámetros: En tuberías de gran calibre, sus ventajas en coste e instalación son muy superiores a las de otros medidores de caudal.

5. Gran rango dinámico (Turndown Ratio): Normalmente puede alcanzar 1:100 o incluso más, permitiendo medir con precisión tanto caudales mínimos como máximos.

6. Medición Bidireccional: Fácil de implementar para medir flujo en direcciones positiva y negativa.

3. Escenarios de Aplicación

Método del Tiempo de Tránsito:

• Transporte y Transferencia comercial de Gas Natural Limpio: Es el principal sistema de medición para gas natural a alta presión y gran diámetro, con precisiones que pueden alcanzar ±0.5% o incluso mejores.

• Medición de agua potable y agua sucia: Utilizado en plantas de tratamiento y redes de distribución urbanas.

• Medición de Energía Térmica en Redes de Calefacción: Se utiliza en combinación con sensores de temperatura.

• Productos Químicos Limpios en la Industria Petroquímica.

Método Doppler:

• Medición de Aguas Residuales y Lodos: Utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales y minas.

• Líquidos con Burbujas: Como agua de refrigeración en circuitos cerrados, pasta de papel, etc

Guardias del Caudal para escenarios específicos

Los medidores de caudal másico y los medidores de caudal ultrasónicos son dos herramientas de medición de precisión que, aunque siguen rutas tecnológicas muy diferentes, sobresalen cada una en su propio ámbito.

Cuando su necesidad principal es obtener directa y con alta precisión la masa del fluido, y está manejando líquidos o medios de alta viscosidad, el medidor de caudal másico es el rey indiscutible.

Cuando necesita realizar mediciones sin pérdida de presión en tuberías de gran diámetro, o el medio a medir es corrosivo, o en aplicaciones de medición de energía como gas natural o agua, el medidor de caudal ultrasónico despliega sus ventajas económicas y técnicas únicas.

En el proceso de selección, es fundamental considerar de manera integral factores como el medio de medición (estado de fase, limpieza, propiedades físicas), los requisitos de precisión, la pérdida de presión, las condiciones de instalación, el coste de mantenimiento y el presupuesto. Solo así se podrá elegir el "centinela del caudal" más adecuado para un escenario de aplicación específico.