La medición de caudal consiste en la cuantificación del movimiento de un fluido a granel . El caudal se puede medir de diversas maneras utilizando dispositivos llamados caudalímetros . A continuación se enumeran los tipos más comunes de caudalímetros con aplicaciones industriales:
- Tipo de obstrucción (presión diferencial o área variable)
- Inferencial (tipo turbina)
- Electromagnético
- Los caudalímetros de desplazamiento positivo acumulan un volumen fijo de fluido y luego cuentan la cantidad de veces que se llena dicho volumen para medir el caudal.
- Dinámica de fluidos (desprendimiento de vórtices)
- Anemómetro
- Caudalímetro ultrasónico
- Medidor de flujo másico ( fuerza de Coriolis ).
Los métodos de medición de caudal distintos de los caudalímetros de desplazamiento positivo se basan en las fuerzas que produce el flujo al superar una constricción conocida para calcularlo indirectamente. El caudal puede medirse determinando la velocidad del fluido sobre un área conocida. Para caudales muy grandes, se pueden utilizar métodos de trazadores para deducir el caudal a partir del cambio en la concentración de un colorante o radioisótopo.
Tipos y unidades de medida
El flujo de gases y líquidos se puede medir en magnitudes físicas como el caudal volumétrico o el caudal másico , con sus respectivas unidades del SI , como metros cúbicos por segundo o kilogramos por segundo, respectivamente. Estas mediciones están relacionadas por la densidad del material . La densidad de un líquido es prácticamente independiente de las condiciones. Esto no ocurre con los gases, cuyas densidades dependen en gran medida de la presión, la temperatura y, en menor medida, de la composición.
Cuando se transfieren gases o líquidos por su contenido energético, como en la venta de gas natural , el caudal también puede expresarse en términos de flujo de energía, como gigajulios por hora o BTU por día. El caudal de energía es el caudal volumétrico multiplicado por el contenido energético por unidad de volumen o el caudal másico multiplicado por el contenido energético por unidad de masa. El caudal de energía se suele obtener a partir del caudal másico o volumétrico mediante el uso de un computador de flujo .
En contextos de ingeniería, el caudal volumétrico se suele representar con el símboloy el caudal másico , el símbolo.
Para un fluido que tiene densidadLos caudales másicos y volumétricos pueden estar relacionados por.
Gas
Los gases son compresibles y cambian de volumen al ser sometidos a presión, calentamiento o enfriamiento. Un volumen de gas bajo ciertas condiciones de presión y temperatura no equivale al mismo volumen bajo condiciones diferentes. Se hará referencia al caudal "real" a través de un medidor y al caudal "estándar" o "base" a través de un medidor, con unidades como acm/h (metros cúbicos reales por hora), sm³ / seg (metros cúbicos estándar por segundo), kscm/h (mil metros cúbicos estándar por hora), LFM (pies lineales por minuto) o MMSCFD (millones de pies cúbicos estándar por día).
El caudal másico de gas se puede medir directamente, independientemente de los efectos de la presión y la temperatura, con caudalímetros ultrasónicos , caudalímetros másicos térmicos , caudalímetros másicos Coriolis o controladores de caudal másico .
Líquido
Para líquidos, se utilizan diversas unidades según la aplicación y la industria, pero pueden incluir galones (estadounidenses o imperiales) por minuto, litros por segundo, litros por m² por hora, bushels por minuto o, al describir caudales fluviales, metros cúbicos por segundo (cm³ por segundo) o acres-pie por día. En oceanografía, una unidad común para medir el transporte de volumen (volumen de agua transportada por una corriente , por ejemplo) es el sverdrup (Sv), equivalente a 10⁶ m³ / s.
Elemento de flujo primario
Un elemento primario de flujo es un dispositivo insertado en el fluido en movimiento que produce una propiedad física que puede relacionarse con precisión con el flujo. Por ejemplo, una placa de orificio produce una caída de presión que es función del cuadrado del caudal volumétrico que pasa a través del orificio. Un elemento primario de flujo de un medidor de vórtice produce una serie de oscilaciones de presión. Generalmente, la propiedad física generada por el elemento primario de flujo es más fácil de medir que el flujo en sí. Las propiedades del elemento primario de flujo y la fidelidad de la instalación práctica a las suposiciones realizadas en la calibración son factores críticos para la precisión de la medición del flujo. [ 1 ]
caudalímetros mecánicos
Un medidor de desplazamiento positivo puede compararse con un cubo y un cronómetro. El cronómetro se inicia cuando comienza el flujo y se detiene cuando el cubo alcanza su límite. El volumen dividido por el tiempo da como resultado el caudal. Para mediciones continuas, se necesita un sistema de cubos que se llenen y vacíen continuamente para dividir el flujo sin que este salga de la tubería. Estos desplazamientos volumétricos que se forman y se contraen continuamente pueden adoptar la forma de pistones que se mueven alternativamente en cilindros, dientes de engranaje que se acoplan contra la pared interna de un medidor o a través de una cavidad progresiva creada por engranajes ovalados giratorios o un tornillo helicoidal.
Medidor de pistón/pistón rotativo
Debido a que se utilizan para la medición del agua doméstica, los contadores de pistón , también conocidos como contadores de pistón rotativo o de desplazamiento semipositivo, son los dispositivos de medición de caudal más comunes en el Reino Unido y se utilizan para casi todos los tamaños de contador hasta 40 mm (1 ½ pulg.) inclusive . El contador de pistón funciona según el principio de un pistón que gira dentro de una cámara de volumen conocido. Por cada rotación, una cantidad de agua pasa a través de la cámara del pistón. Mediante un mecanismo de engranajes y, en ocasiones, un accionamiento magnético , se avanza una aguja indicadora y una pantalla tipo odómetro .
Medidor de engranajes ovalados

Un medidor de engranajes ovalados es un medidor de desplazamiento positivo que utiliza dos o más engranajes oblongos configurados para girar perpendicularmente entre sí, formando una T. Este medidor tiene dos lados, denominados A y B. No pasa fluido por el centro del medidor, donde los dientes de los dos engranajes siempre engranan. En un lado del medidor (A), los dientes de los engranajes cierran el flujo de fluido porque el engranaje alargado de este lado sobresale hacia la cámara de medición, mientras que en el otro lado (B), una cavidad contiene un volumen fijo de fluido en una cámara de medición. A medida que el fluido empuja los engranajes, los hace girar, permitiendo que el fluido de la cámara de medición del lado B se libere hacia el puerto de salida. Mientras tanto, el fluido que entra por el puerto de entrada es impulsado hacia la cámara de medición del lado A, que ahora está abierta. Los dientes del lado B cierran el paso del fluido hacia este lado. Este ciclo continúa a medida que los engranajes giran y el fluido se mide a través de las cámaras de medición alternas. Los imanes permanentes en los engranajes giratorios pueden transmitir una señal a un interruptor de láminas eléctrico o a un transductor de corriente para la medición del flujo. Si bien se afirma que ofrecen un alto rendimiento, generalmente no son tan precisos como el diseño de paletas deslizantes. [ 2 ]
Medidor de engranajes
Los medidores de engranajes se diferencian de los medidores de engranajes ovalados en que las cámaras de medición están formadas por los espacios entre los dientes de los engranajes. Estas aberturas dividen el flujo de fluido y, a medida que los engranajes giran alejándose del puerto de entrada, la pared interna del medidor cierra la cámara para retener la cantidad fija de fluido. El puerto de salida se encuentra en la zona donde los engranajes vuelven a unirse. El fluido es expulsado del medidor a medida que los dientes de los engranajes engranan y reducen el volumen disponible a prácticamente cero.
Engranaje helicoidal
Los caudalímetros de engranajes helicoidales reciben su nombre de la forma de sus engranajes o rotores. Estos rotores tienen forma de hélice, una estructura en espiral. A medida que el fluido fluye a través del medidor, entra en los compartimentos de los rotores, provocando su rotación. La longitud del rotor es suficiente para que la entrada y la salida permanezcan separadas, impidiendo así el libre flujo del líquido. Los rotores helicoidales, al acoplarse, crean una cavidad progresiva que se abre para admitir el fluido, se sella y luego se abre hacia el lado aguas abajo para liberarlo. Este proceso se repite continuamente y el caudal se calcula a partir de la velocidad de rotación.
Medidor de disco nutante
Este es el sistema de medición más común para medir el suministro de agua en las viviendas. El fluido, generalmente agua, entra por un lado del medidor e impacta contra el disco oscilante , que está montado excéntricamente. El disco debe entonces oscilar o nutar alrededor del eje vertical, ya que la parte inferior y superior del disco permanecen en contacto con la cámara de montaje. Una partición separa las cámaras de entrada y salida. A medida que el disco nuta, proporciona una indicación directa del volumen de líquido que ha pasado por el medidor, ya que el caudal volumétrico se indica mediante un mecanismo de engranajes y registro conectado al disco. Es fiable para mediciones de caudal con una precisión del 1 %. [ 3 ]
Caudalímetro de turbina
El caudalímetro de turbina (o turbina axial) transforma la acción mecánica de la turbina, que gira alrededor de un eje en el flujo de líquido, en un caudal legible para el usuario (gpm, lpm, etc.). El flujo suele circular a su alrededor.
La rueda de la turbina se encuentra en la trayectoria de un flujo de fluido. El fluido incide sobre las palas de la turbina, ejerciendo una fuerza sobre su superficie y poniendo en movimiento el rotor. Una vez alcanzada una velocidad de rotación constante, esta es proporcional a la velocidad del fluido.
Los caudalímetros de turbina se utilizan para medir el flujo de gas natural y líquidos. [ 4 ] Los caudalímetros de turbina son menos precisos que los de desplazamiento y de chorro a bajas velocidades de flujo, pero el elemento de medición no ocupa ni restringe severamente todo el recorrido del flujo. La dirección del flujo es generalmente recta a través del medidor, lo que permite mayores velocidades de flujo y menor pérdida de presión que los medidores de tipo desplazamiento. Son el medidor preferido para grandes usuarios comerciales, protección contra incendios y como medidores maestros para el sistema de distribución de agua . Generalmente se requiere la instalación de filtros delante del medidor para proteger el elemento de medición de grava u otros residuos que podrían ingresar al sistema de distribución de agua. Los caudalímetros de turbina generalmente están disponibles para tamaños de tubería de 4 a 30 cm ( 1 + 1/2 – 12 in ) o mayores. Los cuerpos de los caudalímetros de turbina suelen estar hechos de acero inoxidable, bronce, hierro fundido o hierro dúctil. Los elementos internos de la turbina pueden ser de plástico o aleaciones metálicas no corrosivas. Son precisos en condiciones normales de funcionamiento, pero se ven muy afectados por el perfil de flujo y las condiciones del fluido.
Los caudalímetros de turbina suelen ser más adecuados para fluidos de baja viscosidad, ya que las partículas grandes pueden dañar el rotor. Al elegir un caudalímetro para una aplicación que requiere el paso de partículas por la tubería, lo mejor es utilizar un caudalímetro sin partes móviles, como un caudalímetro magnético .
Los medidores contra incendios son un tipo especializado de medidor de turbina homologado para los altos caudales requeridos en los sistemas de protección contra incendios. Suelen estar homologados por Underwriters Laboratories (UL), Factory Mutual (FM) u organismos similares para su uso en protección contra incendios. Los medidores de turbina portátiles pueden instalarse temporalmente para medir el agua utilizada en una boca de incendios . Estos medidores suelen estar fabricados en aluminio para ser ligeros y tienen una capacidad habitual de 7,5 cm³ (3 pulgadas). Las empresas de suministro de agua suelen exigirlos para medir el agua utilizada en la construcción, el llenado de piscinas o en lugares donde aún no se ha instalado un medidor permanente.
medidor Woltman
El medidor Woltman (inventado por Reinhard Woltman en el siglo XIX) consta de un rotor con aspas helicoidales insertadas axialmente en el flujo, de forma similar a un ventilador con conducto; puede considerarse un tipo de caudalímetro de turbina. [ 5 ] Se les conoce comúnmente como medidores de hélice y son populares en tamaños grandes.
Medidor de chorro único
Un medidor de chorro único consta de un impulsor simple con álabes radiales, sobre el cual incide un único chorro. Su popularidad está en aumento en el Reino Unido en tamaños más grandes y son comunes en la UE .
Medidor de rueda de paletas

Los caudalímetros de paletas (también conocidos como sensores Pelton ) constan de tres componentes principales: el sensor de paletas, el accesorio de tubería y la pantalla/controlador. El sensor de paletas consiste en una rueda/impulsor que gira libremente con imanes integrados perpendiculares al flujo, los cuales giran al insertarse en el medio circulante. A medida que los imanes de las paletas pasan por el sensor, el caudalímetro genera una señal de frecuencia y voltaje proporcional al caudal. Cuanto mayor sea el caudal, mayor será la frecuencia y el voltaje de salida.
El medidor de paletas está diseñado para insertarse en una conexión de tubería, ya sea en línea o mediante inserción. Al igual que los medidores de turbina, el medidor de paletas requiere un tramo mínimo de tubería recta antes y después del sensor.
Los indicadores y controladores de flujo se utilizan para recibir la señal del medidor de paletas y convertirla en valores de caudal real o caudal total.
Medidor de chorro múltiple
Un medidor de chorro múltiple es un medidor de velocidad que cuenta con un impulsor que gira horizontalmente sobre un eje vertical. El elemento impulsor se encuentra dentro de una carcasa con múltiples orificios de entrada que dirigen el flujo de fluido hacia el impulsor, provocando su rotación en una dirección específica proporcional a la velocidad del flujo. Este medidor funciona mecánicamente de forma muy similar a un medidor de chorro único, con la diferencia de que los orificios dirigen el flujo hacia el impulsor de manera uniforme desde varios puntos alrededor de la circunferencia del elemento, no solo desde uno; esto minimiza el desgaste desigual del impulsor y su eje. Por lo tanto, se recomienda instalar este tipo de medidores horizontalmente con el rodillo indicador apuntando hacia arriba.
rueda Pelton
La turbina Pelton (o turbina radial ) transforma la acción mecánica de la rueda Pelton, que gira en el flujo de líquido alrededor de un eje, en un caudal legible para el usuario (gpm, lpm, etc.). La rueda Pelton tiende a tener todo el flujo circulando a su alrededor, con el flujo de entrada concentrado en las palas mediante un chorro. Las primeras ruedas Pelton se utilizaban para la generación de energía y consistían en una turbina de flujo radial con "copas de reacción" que no solo se mueven con la fuerza del agua sobre la superficie, sino que también devuelven el flujo en dirección opuesta, utilizando este cambio de dirección del fluido para aumentar aún más la eficiencia de la turbina .
Medidor de corriente
El caudal a través de una tubería forzada de gran diámetro , como las que se utilizan en una central hidroeléctrica, se puede medir promediando la velocidad del flujo en toda su superficie. Se pueden utilizar medidores de corriente de tipo hélice (similares al medidor de corriente Ekman , puramente mecánico , pero con adquisición electrónica de datos) que se desplazan a lo largo de la tubería forzada, promediando las velocidades para calcular el caudal total. Este caudal puede ser del orden de cientos de metros cúbicos por segundo. Es fundamental mantener el caudal constante durante el desplazamiento de los medidores de corriente. Los métodos para probar turbinas hidroeléctricas se describen en la norma IEC 41. Estas mediciones de caudal suelen ser de gran importancia comercial para evaluar la eficiencia de grandes turbinas.
Medidores basados en la presión
Existen varios tipos de caudalímetros que se basan en el principio de Bernoulli . La presión se mide utilizando placas laminares, un orificio, una boquilla o un tubo Venturi para crear una constricción artificial y luego medir la pérdida de presión de los fluidos al pasar por dicha constricción, o bien midiendo las presiones estática y de estancamiento para obtener la presión dinámica .
medidor Venturi
Un medidor Venturi restringe el flujo de alguna manera, y los sensores de presión miden la presión diferencial antes y dentro de la restricción. Este método se utiliza ampliamente para medir el caudal en la transmisión de gas a través de tuberías y se ha utilizado desde la época del Imperio Romano . El coeficiente de descarga del medidor Venturi oscila entre 0,93 y 0,97. Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos de líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel , quien los utilizó para medir flujos pequeños y grandes de agua y aguas residuales a partir de finales del siglo XIX. [ 6 ]
Placa de orificio
Una placa de orificio es una placa con un agujero que la atraviesa, colocada perpendicularmente al flujo; restringe el flujo y la medición del diferencial de presión a través de la constricción permite obtener el caudal. Es básicamente una forma rudimentaria de medidor Venturi , pero con mayores pérdidas de energía. Existen tres tipos de orificio: concéntrico, excéntrico y segmentado. [ 7 ] [ 8 ]
Tubo Dall
El tubo de Dall es una versión acortada del medidor Venturi, con una caída de presión menor que la de una placa de orificio. Al igual que con estos caudalímetros, el caudal en un tubo de Dall se determina midiendo la caída de presión causada por la restricción en el conducto. La diferencia de presión se mide típicamente con transductores de presión de diafragma con lectura digital. Dado que estos medidores tienen pérdidas de presión permanentes significativamente menores que los medidores de orificio, los tubos de Dall se utilizan ampliamente para medir el caudal en grandes redes de tuberías. La presión diferencial producida por un tubo de Dall es mayor que la de un tubo Venturi y una boquilla, todos con el mismo diámetro de garganta. Fue inventado por Horace Dall .
Tubo Pitot
Un tubo de Pitot se utiliza para medir la velocidad del flujo de un fluido. El tubo se apunta hacia el flujo y se mide la diferencia entre la presión de estancamiento en la punta de la sonda y la presión estática en su lateral, obteniendo así la presión dinámica a partir de la cual se calcula la velocidad del fluido mediante la ecuación de Bernoulli . El caudal volumétrico se puede determinar midiendo la velocidad en diferentes puntos del flujo y generando el perfil de velocidad.
Tubo de Pitot de promedio
Los tubos Pitot de promedio (también llamados sondas de impacto) extienden la teoría del tubo Pitot a más de una dimensión. Un tubo Pitot de promedio típico consta de tres o más orificios (según el tipo de sonda) en la punta de medición, dispuestos en un patrón específico. Un mayor número de orificios permite al instrumento medir la dirección de la velocidad del flujo, además de su magnitud (tras la calibración adecuada). Tres orificios alineados permiten a las sondas de presión medir el vector de velocidad en dos dimensiones. La introducción de más orificios, por ejemplo, cinco orificios dispuestos en forma de cruz, permite medir el vector de velocidad tridimensional.
Medidores de cono

Los medidores de cono son un dispositivo de medición de presión diferencial más reciente, lanzado por primera vez en 1985 por McCrometer en Hemet, California. El medidor de cono es un medidor de presión diferencial (DP) genérico pero robusto que ha demostrado ser resistente a los efectos del flujo asimétrico y turbulento. Si bien funcionan con los mismos principios básicos que los medidores DP tipo Venturi y de orificio, los medidores de cono no requieren la misma tubería aguas arriba y aguas abajo. [ 9 ] El cono actúa como dispositivo de acondicionamiento, además de como generador de presión diferencial. Los requisitos aguas arriba son de entre 0 y 5 diámetros, en comparación con hasta 44 diámetros para una placa de orificio o 22 diámetros para un Venturi. Debido a que los medidores de cono generalmente son de construcción soldada, se recomienda calibrarlos siempre antes de su uso. Inevitablemente, los efectos térmicos de la soldadura causan distorsiones y otros efectos que impiden la recopilación y publicación de datos tabulares sobre coeficientes de descarga con respecto al tamaño de la tubería, la relación beta y los números de Reynolds de operación. Los medidores de cono calibrados tienen una incertidumbre de hasta ±0,5 %. Los medidores de cono no calibrados tienen una incertidumbre de ±5,0%.
Medidores de resistencia lineal
Los medidores de resistencia lineal, también llamados caudalímetros laminares, miden caudales muy bajos en los que la presión diferencial medida es directamente proporcional al caudal y a la viscosidad del fluido. Este tipo de caudal se denomina caudal de arrastre viscoso o caudal laminar, en contraposición al caudal turbulento medido por placas de orificio, venturis y otros medidores mencionados en esta sección, y se caracteriza por números de Reynolds inferiores a 2000. El elemento de medición primario puede consistir en un único tubo capilar largo, un haz de dichos tubos o un tapón poroso largo; estos caudales bajos generan pequeñas diferencias de presión, pero los elementos de medición más largos generan diferencias mayores y más fáciles de medir. Estos caudalímetros son particularmente sensibles a los cambios de temperatura que afectan a la viscosidad del fluido y al diámetro del elemento de medición, como se puede observar en la ecuación de Hagen-Poiseuille que los rige . [ 10 ] [ 11 ]
Caudalímetros de área variable

Un medidor de área variable mide el flujo de fluidos al permitir que el área de la sección transversal del dispositivo varíe en respuesta al flujo, lo que produce un efecto medible que indica la velocidad. Un rotámetro es un ejemplo de medidor de área variable, donde un flotador con peso asciende en un tubo cónico a medida que aumenta el caudal; el flotador deja de ascender cuando el área entre el flotador y el tubo es lo suficientemente grande como para que el peso del flotador se equilibre con la resistencia del flujo de fluido. Un tipo de rotámetro utilizado para gases medicinales es el caudalímetro de tubo de Thorpe . Los flotadores se fabrican en diversas formas, siendo las esferas y las elipses esféricas las más comunes. Algunos están diseñados para girar visiblemente en la corriente de fluido, lo que ayuda al usuario a determinar si el flotador está atascado o no. Los rotámetros están disponibles para una amplia gama de líquidos, pero se utilizan con mayor frecuencia con agua o aire. Pueden fabricarse para medir el flujo con una precisión de hasta el 1 %.
Otro tipo es un orificio de área variable, donde un émbolo cónico accionado por resorte se desvía por el flujo a través del orificio. El desplazamiento puede relacionarse con el caudal. [ 12 ]
caudalímetros ópticos
Los caudalímetros ópticos utilizan luz para determinar el caudal. Las pequeñas partículas que acompañan a los gases naturales e industriales pasan a través de dos haces láser enfocados a corta distancia en el recorrido del flujo en una tubería mediante óptica de iluminación. La luz láser se dispersa cuando una partícula cruza el primer haz. La óptica de detección recoge la luz dispersa en un fotodetector, que luego genera una señal de pulso. Cuando la misma partícula cruza el segundo haz, la óptica de detección recoge la luz dispersa en un segundo fotodetector, que convierte la luz incidente en un segundo pulso eléctrico. Midiendo el intervalo de tiempo entre estos pulsos, se calcula la velocidad del gas comodóndees la distancia entre los haces láser yes el intervalo de tiempo.
Los caudalímetros ópticos láser miden la velocidad real de las partículas, una propiedad que no depende de la conductividad térmica de los gases, las variaciones en el flujo ni la composición de los gases. Su principio de funcionamiento permite que la tecnología láser óptica proporcione datos de flujo de alta precisión, incluso en entornos difíciles que pueden incluir altas temperaturas, caudales bajos, alta presión, alta humedad, vibraciones en las tuberías y ruido acústico.
Los caudalímetros ópticos son muy estables, no tienen partes móviles y ofrecen mediciones altamente repetibles durante toda su vida útil. Dado que la distancia entre las dos láminas láser es fija, no requieren calibración periódica tras su puesta en marcha inicial. Además, solo necesitan un punto de instalación, a diferencia de los dos que suelen requerir otros tipos de medidores. Un único punto de instalación es más sencillo, requiere menos mantenimiento y es menos propenso a errores.
Los caudalímetros ópticos disponibles comercialmente son capaces de medir caudales desde 0,1 m/s hasta más de 100 m/s (relación de reducción de 1000:1) y han demostrado ser eficaces para la medición de gases de antorcha procedentes de pozos petrolíferos y refinerías, un factor que contribuye a la contaminación atmosférica. [ 13 ]
Medición de flujo en canal abierto
El flujo en canales abiertos describe casos en los que el líquido que fluye tiene una superficie superior expuesta al aire; la sección transversal del flujo está determinada únicamente por la forma del canal en su parte inferior y varía según la profundidad del líquido. Las técnicas adecuadas para una sección transversal fija en una tubería no son útiles en canales abiertos. La medición del caudal en vías fluviales es una aplicación importante del flujo en canales abiertos; estas instalaciones se conocen como medidores de caudal .
Nivel para fluir
El nivel del agua se mide en un punto designado detrás del vertedero o en el canal utilizando varios dispositivos secundarios (los burbujeadores, los ultrasonidos, los flotadores y la presión diferencial son métodos comunes). Esta profundidad se convierte en un caudal según una fórmula teórica de la formadóndees el caudal,es una constante,es el nivel del agua, yes un exponente que varía según el dispositivo utilizado; o se convierte según puntos de datos de nivel/caudal derivados empíricamente (una "curva de caudal"). El caudal se puede integrar a lo largo del tiempo para obtener el caudal volumétrico. Los dispositivos de nivel a caudal se utilizan comúnmente para medir el caudal de aguas superficiales (manantiales, arroyos y ríos), descargas industriales y aguas residuales. De estos, los vertederos se utilizan en corrientes con bajo contenido de sólidos (típicamente aguas superficiales), mientras que los canales se utilizan en corrientes con bajo o alto contenido de sólidos. [ 14 ]
Área/velocidad
El área de la sección transversal del flujo se calcula a partir de una medición de profundidad y la velocidad promedio del flujo se mide directamente (los métodos Doppler y de hélice son comunes). La velocidad multiplicada por el área de la sección transversal produce un caudal que se puede integrar en el caudal volumétrico. Existen dos tipos de caudalímetros de área-velocidad: (1) de contacto con el agua; y (2) sin contacto. Los sensores de velocidad de área con el agua generalmente deben montarse en el fondo de un canal o río y utilizan el efecto Doppler para medir la velocidad de las partículas arrastradas. Con la profundidad y una sección transversal programada, esto puede proporcionar una medición del caudal de descarga. Los dispositivos sin contacto que utilizan láser o radar se montan sobre el canal y miden la velocidad desde arriba, y luego utilizan ultrasonido para medir la profundidad del agua desde arriba. Los dispositivos de radar solo pueden medir velocidades superficiales, mientras que los dispositivos basados en láser pueden medir velocidades subsuperficiales. [ 15 ]
Pruebas de tinte
A known amount of dye (or salt) per unit time is added to a flow stream. After complete mixing, the concentration is measured. The dilution rate equals the flow rate.
Acoustic Doppler velocimetry
Acoustic Doppler velocimetry (ADV) is designed to record instantaneous velocity components at a single point with a relatively high frequency. Measurements are performed by measuring the velocity of particles in a remote sampling volume based upon the Doppler shift effect.[16]
Thermal mass flowmeters

Thermal mass flowmeters generally use combinations of heated elements and temperature sensors to measure the difference between static and flowing heat transfer to a fluid and infer its flow with a knowledge of the fluid's specific heat and density. The fluid temperature is also measured and compensated for. If the density and specific heat characteristics of the fluid are constant, the meter can provide a direct mass flow readout, and does not need any additional pressure temperature compensation over their specified range.
Technological progress has allowed the manufacture of thermal mass flowmeters on a microscopic scale as MEMSsensors; these flow devices can be used to measure flow rates in the range of nanoliters or microliters per minute.
Thermal mass flowmeter (also called thermal dispersion or thermal displacement flowmeter) technology is used for compressed air, nitrogen, helium, argon, oxygen, and natural gas. In fact, most gases can be measured as long as they are fairly clean and non-corrosive. For more aggressive gases, the meter may be made out of special alloys (e.g. Hastelloy), and pre-drying the gas also helps to minimize corrosion.
Today, thermal mass flowmeters are used to measure the flow of gases in a growing range of applications, such as chemical reactions or thermal transfer applications that are difficult for other flowmetering technologies. Some other typical applications of flow sensors can be found in the medical field like, for example, CPAP devices, anesthesia equipment or respiratory devices. This is because thermal mass flowmeters monitor variations in one or more of the thermal characteristics (temperature, thermal conductivity, and/or specific heat) of gaseous media to define the mass flow rate.
The MAF sensor
En muchos automóviles modernos, se utiliza un sensor de flujo de aire másico (MAF) para determinar con precisión el caudal de aire de admisión del motor de combustión interna . Muchos de estos sensores emplean un elemento calefactor y un sensor de temperatura aguas abajo para indicar el caudal de aire. Otros sensores utilizan una paleta accionada por resorte. En ambos casos, la unidad de control electrónico del vehículo interpreta las señales del sensor como una indicación en tiempo real de la cantidad de combustible que requiere el motor.
Caudalímetros de vórtice
Otro método de medición de flujo consiste en colocar un cuerpo romo (llamado barra desprendible) en la trayectoria del fluido. A medida que el fluido pasa por esta barra, se crean perturbaciones en el flujo llamadas vórtices . Los vórtices se forman detrás del cilindro, alternativamente desde cada lado del cuerpo romo. Esta estela de vórtices se denomina calle de vórtices de Von Kármán, en honor a la descripción matemática del fenómeno realizada por Von Kármán en 1912. La frecuencia con la que estos vórtices alternan de lado es esencialmente proporcional al caudal del fluido. Dentro, encima o aguas abajo de la barra desprendible hay un sensor para medir la frecuencia del desprendimiento de vórtices. Este sensor suele ser un cristal piezoeléctrico , que produce un pequeño, pero medible, pulso de voltaje cada vez que se crea un vórtice. Dado que la frecuencia de dicho pulso de voltaje también es proporcional a la velocidad del fluido, se calcula un caudal volumétrico utilizando el área de la sección transversal del caudalímetro. La frecuencia se mide y el caudal se calcula mediante la electrónica del caudalímetro utilizando la ecuación dóndees la frecuencia de los vórtices,la longitud característica del cuerpo romo,es la velocidad del flujo sobre el cuerpo romo, yes el número de Strouhal , que es esencialmente una constante para una forma de cuerpo dada dentro de sus límites operativos.
Medición de flujo por sonar

Los caudalímetros de sonar son dispositivos no intrusivos de tipo abrazadera que miden el caudal en tuberías que transportan lodos, fluidos corrosivos, fluidos multifásicos y flujos donde no se desean caudalímetros de inserción. Los caudalímetros de sonar se han adoptado ampliamente en la minería, el procesamiento de metales y la industria petrolera y gasífera, donde las tecnologías tradicionales presentan ciertas limitaciones debido a su tolerancia a diversos regímenes de flujo y relaciones de reducción.
Los caudalímetros de sonar permiten medir la velocidad de líquidos o gases de forma no intrusiva dentro de la tubería y, a partir de esta medición, calcular el caudal utilizando el área de la sección transversal de la tubería, la presión y la temperatura. El principio en el que se basa esta medición de caudal es el uso de la acústica subacuática.
En acústica subacuática , para localizar un objeto bajo el agua, el sonar utiliza dos datos conocidos:
- La velocidad de propagación del sonido a través del conjunto (es decir, la velocidad del sonido a través del agua de mar)
- El espaciado entre los sensores en el conjunto de sensores
y luego calcula la incógnita:
- La ubicación (o ángulo) del objeto.
Del mismo modo, la medición de flujo mediante sonar utiliza las mismas técnicas y algoritmos empleados en la acústica submarina, pero los aplica a la medición de flujo en pozos de petróleo y gas y en tuberías de flujo.
Para medir la velocidad del flujo, los caudalímetros de sonar utilizan dos datos conocidos:
- La ubicación (o ángulo) del objeto, que es de 0 grados ya que el flujo se mueve a lo largo de la tubería, está alineada con el conjunto de sensores.
- El espaciado entre los sensores en el conjunto de sensores [ 17 ]
y luego calcula la incógnita:
- La velocidad de propagación a través del conjunto (es decir, la velocidad de flujo del medio en la tubería). [ 18 ]
Caudalímetros electromagnéticos, ultrasónicos y Coriolis

Las innovaciones modernas en la medición del caudal incorporan dispositivos electrónicos que pueden corregir las variaciones de presión y temperatura (es decir, la densidad), las no linealidades y las características del fluido.
caudalímetros magnéticos
Los caudalímetros magnéticos , también conocidos como "magmeters" o "electromagnéticos", utilizan un campo magnético aplicado al tubo de medición, lo que genera una diferencia de potencial proporcional a la velocidad del flujo perpendicular a las líneas de flujo . Esta diferencia de potencial se detecta mediante electrodos alineados perpendicularmente al flujo y al campo magnético aplicado. El principio físico subyacente es la ley de inducción electromagnética de Faraday . El caudalímetro magnético requiere un fluido conductor y un revestimiento de tubería no conductor. Los electrodos no deben corroerse al entrar en contacto con el fluido del proceso; algunos caudalímetros magnéticos incorporan transductores auxiliares para limpiar los electrodos in situ. El campo magnético aplicado es pulsado, lo que permite al caudalímetro compensar el efecto de las tensiones parásitas en el sistema de tuberías.
Caudalímetros electromagnéticos sin contacto
Un sistema de velocimetría de fuerza de Lorentz se denomina caudalímetro de fuerza de Lorentz (LFF). Un LFF mide la fuerza de Lorentz integrada o global resultante de la interacción entre un metal líquido en movimiento y un campo magnético aplicado. En este caso, la longitud característica del campo magnético es del mismo orden de magnitud que las dimensiones del canal. Cabe destacar que, cuando se utilizan campos magnéticos localizados, es posible realizar mediciones de velocidad localizadas, de ahí el término velocímetro de fuerza de Lorentz.
Caudalímetros ultrasónicos (Doppler, tiempo de tránsito)
Existen dos tipos principales de caudalímetros ultrasónicos : Doppler y de tiempo de tránsito. Si bien ambos utilizan ultrasonidos para realizar mediciones y pueden ser no invasivos (miden el flujo desde fuera del tubo, conducto o recipiente, también llamado dispositivo de pinza), lo miden mediante métodos muy diferentes.

Los caudalímetros de tiempo de tránsito ultrasónico miden la diferencia del tiempo de tránsito de los pulsos ultrasónicos que se propagan en la dirección del flujo y en la dirección opuesta. Esta diferencia de tiempo es una medida de la velocidad promedio del fluido a lo largo de la trayectoria del haz ultrasónico. Utilizando los tiempos de tránsito absolutos, se puede calcular tanto la velocidad promedio del fluido como la velocidad del sonido.yy la distancia entre los transductores receptores y transmisoresy el ángulo de inclinaciónSe pueden escribir las ecuaciones: y dóndees la velocidad promedio del fluido a lo largo de la trayectoria del sonido yes la velocidad del sonido.
Con iluminación de haz ancho, el ultrasonido de tiempo de tránsito también se puede utilizar para medir el flujo volumétrico independientemente del área de la sección transversal del vaso o tubo. [ 19 ]
Los caudalímetros Doppler ultrasónicos miden el desplazamiento Doppler resultante de la reflexión de un haz ultrasónico en las partículas de un fluido en movimiento. La frecuencia del haz transmitido se ve afectada por el movimiento de las partículas; este desplazamiento de frecuencia se puede utilizar para calcular la velocidad del fluido. Para que el principio Doppler funcione, debe existir una densidad suficientemente alta de materiales reflectantes sónicos, como partículas sólidas o burbujas de aire, suspendidos en el fluido. Esto contrasta directamente con un caudalímetro de tiempo de tránsito ultrasónico, donde las burbujas y las partículas sólidas reducen la precisión de la medición. Debido a la dependencia de estas partículas, las aplicaciones de los caudalímetros Doppler son limitadas. Esta tecnología también se conoce como velocimetría Doppler acústica .
Una ventaja de los caudalímetros ultrasónicos es que pueden medir eficazmente los caudales de una amplia variedad de fluidos, siempre que se conozca la velocidad del sonido a través de ellos. Por ejemplo, se utilizan para medir fluidos tan diversos como el gas natural licuado (GNL) y la sangre. [ 20 ] También se puede calcular la velocidad del sonido esperada para un fluido determinado; esta se puede comparar con la velocidad del sonido medida empíricamente por un caudalímetro ultrasónico para controlar la calidad de las mediciones. Una disminución en la calidad (cambio en la velocidad del sonido medida) indica que el medidor necesita mantenimiento.
caudalímetros Coriolis
Utilizando el efecto Coriolis , que provoca la deformación de un tubo que vibra lateralmente, se puede obtener una medición directa del caudal másico en un caudalímetro Coriolis . [ 21 ] Además, se obtiene una medición directa de la densidad del fluido. La medición Coriolis puede ser muy precisa independientemente del tipo de gas o líquido que se mida; el mismo tubo de medición se puede utilizar para hidrógeno gaseoso y betún sin necesidad de recalibración .
Los caudalímetros Coriolis se pueden utilizar para la medición del flujo de gas natural. [ 22 ]
Medición de flujo mediante láser Doppler
Un haz de luz láser que incide sobre una partícula en movimiento se dispersa parcialmente, con un cambio en la longitud de onda proporcional a la velocidad de la partícula ( efecto Doppler ). Un velocímetro láser Doppler (LDV), también llamado anemómetro láser Doppler (LDA), enfoca un haz láser en un pequeño volumen de un fluido en movimiento que contiene partículas pequeñas (naturales o inducidas). Las partículas dispersan la luz con un desplazamiento Doppler. El análisis de esta longitud de onda desplazada permite determinar directamente, y con gran precisión, la velocidad de la partícula y, por lo tanto, obtener una aproximación cercana de la velocidad del fluido.
Existen diversas técnicas y configuraciones de dispositivos para determinar el desplazamiento Doppler. Todas utilizan un fotodetector (normalmente un fotodiodo de avalancha ) para convertir la luz en una forma de onda eléctrica para su análisis. En la mayoría de los dispositivos, la luz láser original se divide en dos haces. En una clase general de LDV, los dos haces se intersecan en sus puntos focales, donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. El sensor se alinea con el flujo de manera que las franjas sean perpendiculares a la dirección del flujo. A medida que las partículas atraviesan las franjas, la luz con desplazamiento Doppler se recoge en el fotodetector. En otra clase general de LDV, un haz se utiliza como referencia y el otro se dispersa por efecto Doppler. Ambos haces se recogen en el fotodetector, donde se utiliza la detección heterodina óptica para extraer la señal Doppler. [ 23 ]
Calibración
Aunque idealmente el caudalímetro no debería verse afectado por su entorno, en la práctica esto no suele ser así. A menudo, los errores de medición se originan por una instalación incorrecta u otros factores dependientes del entorno. [ 24 ] [ 25 ] Se utilizan métodos in situ cuando el caudalímetro se calibra en las condiciones de flujo correctas. El resultado de la calibración de un caudalímetro dará lugar a dos estadísticas relacionadas: una métrica de indicador de rendimiento y una métrica de caudal. [ 26 ]
método de tiempo de tránsito
Para flujos en tuberías, se aplica el método del tiempo de tránsito, en el que se inyecta un radiotrazador en forma de pulso en el flujo medido. El tiempo de tránsito se determina mediante detectores de radiación colocados en el exterior de la tubería. El caudal volumétrico se obtiene multiplicando la velocidad media del fluido medida por la sección transversal interna de la tubería. Este valor de caudal de referencia se compara con el valor de caudal simultáneo obtenido mediante la medición que se va a calibrar.
El procedimiento está estandarizado (ISO 2975/VII para líquidos y BS 5857-2.4 para gases). La mejor incertidumbre de medición acreditada para líquidos y gases es del 0,5 %. [ 27 ]
Método de dilución de trazadores
El método de dilución de radiotrazadores se utiliza para calibrar las mediciones de flujo en canales abiertos. Se inyecta una solución con una concentración conocida de trazador a una velocidad constante y conocida en el flujo del canal. Aguas abajo, la solución trazadora se mezcla completamente en la sección transversal del flujo, se toma una muestra continua y se determina su concentración de trazador en relación con la de la solución inyectada. El valor de referencia del flujo se determina utilizando la condición de equilibrio del trazador entre el flujo de trazador inyectado y el flujo de dilución. El procedimiento está estandarizado (ISO 9555-1 e ISO 9555-2 para flujo de líquidos en canales abiertos). La mejor incertidumbre de medición acreditada es del 1 %. [ 27 ]
Método óptico
Mediante el método de medición óptica de velocimetría láser Doppler (LDV), se miden las velocidades de flujo locales en una (o posiblemente varias) trayectorias de medición a lo largo del diámetro de la tubería (perfiles de velocidad). El acceso óptico al fluido necesario para ello se realiza en condiciones de funcionamiento mediante el método de percusión. Los valores medidos del sensor de flujo que se va a calibrar se registran con alta resolución temporal durante las mediciones LDV. La desviación de medición de los sensores de flujo (objeto de calibración) se determina comparando el caudal volumétrico determinado mediante el método LDV con el valor promedio temporal de los sensores de flujo durante el tiempo de medición. La mejor incertidumbre de medición acreditada para el agua (de 5 °C a 150 °C) es del 0,7 %. [ 28 ]
Véase también
Referencias
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- dinámica de fluidos
- Medición
- Ecografía médica
