Con la amplia oferta de caudalímetros másicos que existe en el mercado, encontrar el equipo apropiado para su aplicación puede parecer difícil. Sin embargo, conocer y entender qué buscar y por qué le simplificará notablemente el proceso.

Los caudalímetros másicos difieren en la forma en que miden el flujo, es decir, su principio de funcionamiento. Un caudalímetro mide el flujo directa o indirectamente, y esta medición puede depender o no de las propiedades del fluido. Por ejemplo, un caudalímetro puede calcular el flujo másico indirectamente usando una medición de presión diferencial y las propiedades conocidas del gas, mientras que otro caudalímetro calcula el flujo másico directa e independientemente de las propiedades del gas.

También hay una variación considerable entre los caudalímetros cuando se trata de compatibilidad con los fluidos, rangeabilidad, especificaciones de medición y precio. En este artículo presentamos, de una forma básica, los principios de funcionamiento de cuatro tecnologías para la medida de caudal másico comunes y 10 parámetros que debe considerar al elegir el instrumento óptimo para su aplicación.

Principios operativos de las tecnologías más comunes para la medida de caudal másico

Caudalímetros Coriolis

Los caudalímetros másicos Coriolis utilizan el principio de Coriolis para medir el flujo másico de forma directa e independiente de las propiedades del fluido. Estos caudalímetros contienen uno o dos tubos que oscilan electromagnéticamente a la frecuencia de resonancia del material del tubo, y esta oscilación se mide mediante sensores en diferentes puntos a lo largo del tubo. Cuando no hay flujo, el tubo oscila simétricamente y no hay diferencia de fase entre los puntos. A medida que pasa el flujo, el tubo se retuerce, lo que induce un cambio de fase entre los puntos, que es directamente proporcional al caudal másico del fluido. Esta medición no depende de la presión y el único efecto que le influye es la temperatura, afectando a las propiedades mecánicas o electrónicas del equipo, lo que da como resultado cambios en el cero, pero en un orden de magnitud mucho más pequeña que en otras tecnologías.

Caudalímetros de presión diferencial laminar

Los caudalímetros másicos basados en presión diferencial laminar miden el flujo másico indirectamente, a partir de la presión diferencial. Estos medidores contienen enderezadores de flujo que convierten el flujo turbulento en flujo laminar. Un sensor interno mide la caída de presión a través de estos enderezadores de flujo y el caudalímetro utiliza estos datos, conjuntamente con la ecuación de Poiseuille, para calcular el caudal volumétrico. Tras esto, el equipo convierte esta medición volumétrica en caudal másico estandarizado con la ayuda de tablas precargadas con las propiedades de los gases, que tienen en cuenta las variaciones de éstas en función de la temperatura y la presión. Aunque hay varias variables involucradas, los sensores de alta precisión aseguran lecturas precisas. Dado que el cálculo del flujo másico es diferente para cada gas, es importante que se seleccione el gas correcto.

Caudalímetros térmicos

Hay dos tecnologías principales de caudalímetros térmicos y cada una mide el caudal directamente, utilizando sensores de temperatura. Además, su mediciones dependen de las propiedades del gas, que cambian con la temperatura, por lo que se cargan tablas con las propiedades de los gases, para compensar el efecto de la temperatura.

La primera tecnología es el caudalímetro de derivación térmica, que opera dirigiendo una pequeña porción del fluido para que pase a través de un tubo capilar envuelto en un elemento calentado, con sensores de temperatura a cada lado. Cuando no hay flujo, no hay diferencia de temperatura entre los sensores. Cuando un flujo frio entrante pasa por el primer sensor, la temperatura desciende en el primer sensor y, al pasar por el elemento calefactor, aumenta la temperatura en el segundo sensor. La diferencia de temperatura entre los dos sensores es directamente proporcional al flujo.

La segunda tecnología es el medidor de flujo térmico MEMS o CMOS, que opera manteniendo un diferencial de temperatura a través de un sensor calentado y un sensor de temperatura de flujo. Cuando no hay flujo, la temperatura diferencial entre los sensores es constante. Un flujo hace que el sensor de temperatura se enfríe, por lo que se agrega una corriente de calentamiento para compensar el cambio. Esta corriente es directamente proporcional al caudal másico. Los mayores beneficios de los medidores MEMS sobre los medidores de derivación térmica son la velocidad de respuesta y el tamaño pequeño del equipo. 

10 parámetros para elegir un caudalímetro másico

• Rango de caudal
• Fluido
• Temperatura
• Presión de operación
• Pérdida de carga
• Precisión
• Tiempo de respuesta
• Tiempo de calentamiento
• Rangeabilidad

Rango de caudal, gas a medir y temperatura

Figura 1. Rangos de temperatura y caudal disponibles para cada tecnología. Tenga en cuenta la escala logarítmica en el eje x.

En primer lugar, es importante asegurar que el caudalímetro sea compatible con los caudales, el tipo de gas y las temperaturas de la aplicación. Los rangos para las diversas tecnologías se muestran en la Figura 1.

El medidor Coriolis funciona en el rango más amplio de velocidades de flujo y temperaturas, y es una opción viable para ciertas aplicaciones de alta temperatura y caudal extremadamente alto. Para aplicaciones de caudal extremadamente bajo, los medidores de bypass, laminar y térmico son mejores opciones. En términos de compatibilidad de gas, todos los medidores funcionan con gases comunes. Pero el Coriolis es el único medidor compatible con algunos de los gases más difíciles, como el NO2, que existe en equilibrio de proporción desconocida con el N2O4.

Presión de funcionamiento y caída de presión 

Figura 2. Clasificaciones de presión máxima disponibles para presión estática y diferencial para cada tecnología. Tenga en cuenta la escala logarítmica en el eje x.

Los siguientes parámetros a considerar son la presión de funcionamiento y la caída de presión. Dado que los reguladores de presión y las bombas son generalmente económicos, el control de presión se puede ajustar fácilmente en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, hay algunas aplicaciones que requieren una regulación estricta de la presión de funcionamiento, como reacciones químicas, o caídas de presión mínimas, como la calibración de medidores volumétricos.

La Figura 2 muestra que los medidores de derivación térmica y Coriolis tienen la ventaja en aplicaciones de alta presión, mientras que el medidor Coriolis se vuelve incompatible en aplicaciones de baja caída de presión.

Precisión 

Figura 3. Una mayor precisión (menor porcentaje) conlleva un mayor coste en tecnología.

Los caudalímetros de mayor precisión cuestan más y, según el tipo de caudalímetro y el rango de caudal, aumentar ligeramente la precisión puede ser muy costoso, como se muestra en la Figura 3. Por ejemplo, en el extremo inferior de los rangos de caudal, un caudalímetro de flujo laminar cuesta alrededor de 1.000 €, mientras que el caudalímetro Coriolis de mayor precisión cuesta alrededor de 5.000 €. Sin embargo, en el extremo superior de los caudales, los caudalímetros tienen un precio comparable.

Para algunas aplicaciones, la alta precisión no es negociable. Tomemos, por ejemplo, una aplicación en la que alguien está trabajando en un laboratorio biofarmacéutico a pequeña escala, que planea ampliarse para la producción en masa y quiere minimizar la ampliación de imprecisiones. En otras aplicaciones, un medidor de menor precisión, será suficiente y esto puede ahorrar mucho dinero.

Tiempo de respuesta 

Figura 4. Un tiempo de respuesta más corto a los cambios en el caudal y las condiciones de operación, generalmente tiene un coste más alto. Tenga en cuenta la escala logarítmica en el eje y.

Los tiempos de respuesta pueden variar significativamente entre los caudalímetros, y mejorar esto también puede ser costoso, como se muestra en la Figura 4. El medidor Coriolis tiene tiempos de respuesta que varían desde 1 ms a 500 ms, según el tamaño, el procesador y el firmware. Los tubos de flujo más grandes suelen oscilar a frecuencias más bajas y tienen tiempos de respuesta más largos.

Los caudalímetros laminares tienen los mejores tiempos de respuesta en el rango medio de caudales. Para flujos extremadamente bajos, el medidor laminar tarda más en detectar pequeños cambios en la presión diferencial debido al gran tamaño del cuerpo de flujo. Para flujos más grandes, el software del medidor laminar realiza promedios para eliminar el ruido de medición, y esto también ralentiza el tiempo de respuesta.

Ahora, imagine trabajar en una planta de fabricación de cables de fibra óptica, donde normalmente se purifican múltiples preformas y se extraen múltiples fibras al mismo tiempo, todo desde la misma fuente de presión. Durante un largo proceso, puede haber varias caídas de presión y picos causados ​​por otros procesos que se detienen y arrancan, y estos cambios en la presión pueden causar retrasos y lotes desperdiciados. Los tiempos de respuesta rápidos aquí permiten que los cambios de presión se corrijan rápidamente, minimizando el tiempo y los recursos desperdiciados.

Tiempo de calentamiento

Figura 5. Una gran diferencia en el tiempo de calentamiento para diferentes tecnologías se combina con una opción de bajo coste y alto coste para tiempos de calentamiento rápidos y lentos. Tenga en cuenta la escala logarítmica en el eje y.

El tiempo de calentamiento de un dispositivo puede variar desde unos segundos hasta varios minutos (hasta dos horas en algunos casos). Para algunas aplicaciones, un tiempo de calentamiento más prolongado puede no ser más que un pequeño inconveniente. Pero imagine que se usa un dispositivo para calibrar muestreadores de aire exterior en lugares que experimentan condiciones climáticas adversas. En este caso, un tiempo de calentamiento rápido puede ser crucial, ya que significa menos tiempo en cada sitio. Aquí, los MEMS térmicos y los medidores de flujo laminar son opciones sólidas, ya que tienen tiempos de calentamiento de segundos en lugar de minutos. Además, como se muestra en la Figura 5, el MEMS es menos costoso y es una opción ideal si satisface todas las demás necesidades de la aplicación.

Rangeabilidad

Figura 6. Rango de las mejores rangeabilidades del mercado frente al precio de varias tecnologías.

El significado exacto de rangeabilidad puede variar levemente entre los fabricantes, pero es esencialmente el rango operativo de un caudalímetro. Como se muestra en la Figura 6, la relación variará según el dispositivo y la elección del gas. Por ejemplo, algunos fabricantes pueden tener un caudalímetro con una rangeabilidad de 10.000:1 para gases estándar, pero la versión anticorrosiva puede tener solo una rangeabilidad de 100:1. Si una aplicación opera en una amplia gama de flujos o usa gases poco comunes, es posible que se requiera un caudalímetro, o incluso dos medidores separados, lo que sea menos costoso.

Conclusiones:

Seleccionar el caudalímetro másico que sea óptimo para una aplicación puede parecer complicado, pero conocer qué parámetros son importantes considerar y en qué orden, hace que la decisión sea mucho más sencilla. Las opciones se pueden reducir significativamente si se garantiza primero que se cumplan los requisitos de caudal, temperatura y compatibilidad de los gases.

Tras esto, tenga en cuenta los parámetros razonablemente ajustables, como la presión de funcionamiento y la caída de presión.

Finalmente, considere el presupuesto y los parámetros específicos de la aplicación, como la precisión, el tiempo de respuesta, el tiempo de calentamiento y la rangeabilidad.

Con estas pautas, la elección del caudalínetro másico adecuado en función de los requisitos únicos de una aplicación determinada debería resultar mucho más sencilla.

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