Principio de medición de caudal por efecto Coriolis

En muchos sectores industriales, es necesario medir el caudal másico en lugar del volumétrico. En algunos procesos de la industria alimentaria, por ejemplo, productos como las pastas, las pulpas o el yogur se suelen envasar por peso, y no por volumen. Por este motivo, en las etiquetas de los envases de estos productos se informa al consumidor del peso del producto en lugar de su volumen. El motivo de ello es que el volumen de la mayoría de fluidos puede variar notablemente por influencia de las condiciones físicas de presión, temperatura y densidad. Por el contrario, la masa de un fluido no se ve afectada por estas influencias, de modo que la medición del caudal másico presenta ciertas ventajas que el caudal volumétrico simplemente no puede ofrecer. Este es un aspecto de particular importancia en aplicaciones como la medición fiscal, donde se calculan cantidades exactas de fluidos para transacciones comerciales o procesos de dosificación.

El modo habitual de determinar la masa de un cuerpo es pesarlo. Pero desde el punto de vista de la ingeniería surgen grandes dificultades cuando se intenta pesar directamente una masa que fluye de manera continua por un sistema de tuberías. Sin embargo, en las últimas décadas ha aparecido un principio de medición que posibilita medir de forma directa y continua caudales másicos en tuberías, a saber: la medición de caudales másicos por efecto Coriolis. En algunas aplicaciones es más razonable aplicar este principio que determinar la masa por métodos indirectos a partir de la medición del caudal volumétrico y la densidad (volumen × densidad = masa).

La primera descripción de este principio se atribuye comúnmente al físico y matemático francés por cuyo nombre se conoce: Gaspar Gustave de Coriolis (1792 – 1843).

Este efecto ocurre solamente en sistemas en rotación, por ejemplo en tiovivos o en la superficie en rotación de nuestro propio planeta; pero no debe confundirse con la fuerza centrífuga. Aunque el uso del término fuerza de Coriolis está muy difundido, la descripción de dicha fuerza suele ser complicada, y mucho más explicarla. Esta fuerza aparece cuando en un sistema se superponen movimientos en línea recta y movimientos rotativos.

Un ejemplo práctico se ilustra en la figura 1: una persona quieta sobre una plataforma circular giratoria a medio camino entre el centro y el borde solo tiene que tumbar su peso ligeramente hacia adentro para contrarrestar la fuerza centrífuga (izquierda). Sin embargo, si la persona se desplaza desde el centro hacia el borde de la plataforma giratoria, a medida que avanza percibe un aumento de la velocidad de giro y aparece la fuerza de Coriolis como reacción a las fuerzas de inercia. La fuerza de Coriolis tiende a desviar la persona de la trayectoria más corta sobre la plataforma giratoria (es decir, la línea recta sobre el radio de la plataforma circular). Cuanto mayor sea la velocidad de giro de la plataforma, mayor el peso de la persona y mayor su velocidad de desplazamiento hacia el borde de la plataforma circular (su caudal másico), mayor será el efecto de la inercia y mayor se percibirá el efecto de la fuerza de Coriolis.

En términos matemáticos, la fuerza de Coriolis (F_C) es por tanto proporcional a la masa en movimiento (_m^· ), la velocidad de rotación (ω) y la velocidad radial (v_r) en el sistema giratorio:

F_c = 2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v_r

Las fuerzas de Coriolis se presentan siempre que en un sistema se superponen movimientos lineales con movimientos rotacionales (Fig. 1, derecha). En ausencia del movimiento lineal (Fig. 1, izquierda, persona en reposo), solo se perciben las fuerzas centrífugas.

En un caudalímetro másico Coriolis (véase la Fig. 2), cada partícula individual de masa se halla sometida a la misma influencia que el cuerpo de la persona en la plataforma giratoria que vemos en la ilustración anterior. El movimiento de giro que origina la fuerza de Coriolis en la descripción anterior se sustituye en el caudalímetro por un movimiento de oscilación del tubo de medición en su frecuencia de resonancia.

a  =  Caudal cero: estado de oscilación de los tubos de medición a un caudal cero
b  =  Caudal → estado de oscilación de los tubos de medición en el intervalo de tiempo 1
c  =  Caudal → estado de oscilación de los tubos de medición en el intervalo de tiempo 2

A caudal cero, cuando el fluido está en reposo, no hay movimiento lineal (a). Por lo tanto, no se observan fuerzas de Coriolis. Por el contrario, cuando la masa de fluido circula, el movimiento inducido por la oscilación (equivalente a una rotación) del tubo de medición se superpone al movimiento lineal del fluido en circulación. Los efectos de la fuerza de Coriolis "retuercen" los tubos de medición (b, c). Los sensores (A, B) a la entrada y a la salida registran una diferencia de tiempos en este movimiento, es decir, una diferencia de fase. Cuanto mayor sea el caudal másico, mayor será la diferencia de fase (véase la Fig. 3).

Cuando el fluido circula, las partículas de masa se mueven a lo largo del tubo de medición y están sometidas a una aceleración lateral sobrepuesta debida a las fuerzas de Coriolis (F_C ). A medida que entran en el tubo, las partículas de masa (m) experimentan un desplazamiento que las aleja del centro de rotación (Z₁) y regresan de nuevo al centro (Z₂ ) a medida que se aproximan al extremo de salida. Las fuerzas de Coriolis actúan en sentidos opuestos a la entrada y a la salida y el tubo de medición empieza a torcerse. Este cambio en la geometría inducida por la oscilación del tubo de medición se registra como una diferencia de fase mediante sensores (A, B) en cada extremo del tubo de medición. Esta diferencia de fase (∆ϕ) es directamente proporcional a la masa del fluido y a la velocidad de flujo (v), y por lo tanto también al caudal másico.

El rango de diámetros nominales actualmente disponibles varía desde los DN 1 hasta los de 300. Sin embargo, en la práctica podemos hallar desde dosificadores de cantidades muy pequeñas en aplicaciones farmacéuticas hasta aplicaciones de carga y descarga de navíos mercantes. La variedad de modelos disponibles es igualmente extensa.

Los tubos de medición están en oscilación constante a su frecuencia de resonancia. Si la densidad del fluido cambia, y por tanto, la masa del sistema oscilante (tubería de medición más fluido), la frecuencia de oscilación se ajusta correspondientemente. La frecuencia de resonancia es, pues, una función de la densidad del fluido y puede utilizarse como una señal de salida adicional.

La temperatura de los tubos de medición se determina para calcular el factor de compensación, que tiene en cuenta los efectos de la temperatura. Esta señal corresponde a la temperatura de proceso, que el equipo proporciona también en forma de una señal de salida.

Existen diferentes diseños de tubos de medición, simples, dobles y cuádruples en una amplia gama de formas y radios de curvatura para dar respuesta de forma óptima las distintas aplicaciones de la industria.

En la mayoría de caudalímetros de tubo doble, los tubos de medición oscilan a contrafase; esta disposición mantiene efectivamente desacoplado el caudalímetro de las influencias debidas a vibraciones externas. Hay varios tipos de caudalímetros de tubo doble. En lo que concierne a las características geométricas de los tubos de medición, cada fabricante ofrece geometrías distintas y se pueden encontrar modelos de tubos rectos, curvados o ligeramente arqueados. Los tubos rectos o ligeramente arqueados que emplea Endress+Hauser permiten construir sensores compactos que ahorran espacio.

Los sistemas de medición de un solo tubo presentan diversas ventajas respecto a los de tubo doble:

• Son fáciles de limpiar
• Las pérdidas de carga son significativamente inferiores
• Los esfuerzos inducidos en el fluido son menores porque no necesitan un tabique separador que reparta el caudal en dos tubos de medición

El inconveniente de este diseño de un único tubo de medición oscilante es que el desacoplo, característica inherente en los caudalímetros de tubo doble, no se obtiene de modo inmediato. Por lo tanto, durante la etapa de desarrollo, es importante garantizar que el caudalímetro cuente con características capaces de aislar eficazmente el sistema de influencias externas.

El “sistema de equilibrio por torsión ”
de Endress+Hauser lo hace posible combinando la alta frecuencia de resonancia característica con su sistema patentado de equilibrio por torsión (Torsion mode Balancing, TMB). En el caso del sensor de tubo simple Proline Promass I, el equilibrio necesario para que el sistema efectúe una medición correcta se consigue por medio de una masa pendular dispuesta excéntricamente en el tubo de medición, que oscila en sentido contrario para conseguir un efecto de torsión (Fig. 5). Gracias a este equilibrio del sistema integrado, Promass I resulta tan fácil de instalar como cualquier sistema de tubo doble. No se requieren montajes especiales inhibidores de vibraciones aguas arriba ni aguas abajo del caudalímetro.

El sistema de medición Promass I permite determinar incluso la viscosidad "en proceso", como un parámetro.

ω = Velocidad angular
m₁ = Masa del tubo de medición y del fluido
m₂ = Masa del péndulo
v₁ = Velocidad de m₁
v₂ = Velocidad de m₂
= Impulso

Los sistemas de medición de cuatro tubos se asemejan a los sistemas bitubo en el hecho que ambos incorporan una oscilación en contrafase que permite aislar eficazmente el caudalímetro de las influencias del entorno de instalación. Además, ofrecen la ventaja de permitir una mayor rangeabilidad de caudal y un rendimiento superior con una menor caída de carga en comparación con los caudalímetros bitubo de tamaño similar. Una característica especialmente importante en las aplicaciones de tuberías y carga.

Las ventajas de la medición de caudales másicos por efecto Coriolis saltan a la vista, porque este principio de medición no está afectado por factores físicos como la conductividad, la presión, la temperatura, la densidad y la viscosidad. Por otra parte, no necesita tramos rectos de entrada y salida, lo cual puede resultar extremadamente ventajoso en situaciones de poco espacio. No es sorprendente, por lo tanto, que los caudalímetros másicos de efecto Coriolis se hallen en las más diversas aplicaciones y ámbitos de la industria, en particular en las industrias química y farmacéutica.

Permiten medir casi todo tipo de fluidos: detergentes y disolventes, aceites de quemar y combustibles, aceites vegetales, grasas animales, látex, aceites de silicona, tolueno, benceno, alcohol, metano, zumos de frutas, pasta de dientes, aceites de cocina, vinagre, kétchup, mayonesa, gases, gases licuados (butano, propano, gas natural), etc.

Los caudalímetros Coriolis registran simultáneamente la densidad del fluido y el caudal másico, y con la ayuda de sensores de temperatura, también pueden monitorizar la temperatura del fluido. Ciertamente, pues, podemos designar este tipo de medición como medición multivariable. Las variables de medición primarias, esto es: el caudal másico, la densidad y la temperatura del fluido, permiten calcular y visualizar otras variables derivadas de estas, como el caudal volumétrico, el contenido de sólidos en suspensión, o valores de concentraciones o de densidades derivadas (por ejemplo, densidad estándar, °Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato). Los sistemas de medición modernos ya van equipados con transmisores que calculan y ofrecen directamente estas variables de medición secundarias.

Las características excepcionales de estos equipos de efecto Coriolis los convierten en una excelente opción para una amplia gama de aplicaciones:

• La mezcla y el envasado de diversas materias primas
• El control de procesos
• La medición de fluidos con densidades rápidamente cambiantes
• El control y la monitorización de la calidad de los productos
• Aplicaciones de custody transfer de líquidos y gases

Estos son algunos de los motivos por los cuales el principio de Coriolis se ha consolidado como una técnica de medición en los últimos 25 años. Los caudalímetros Coriolis se emplean con frecuencia en procesos químicos, principalmente por las razones siguientes:

• Son un método directo de medición de caudales másicos con una exactitud de medición alta (típicamente del ±0,1 %)
• La gran variedad de materiales posibles para los tubos de medición les confiere una gran versatilidad

Muchas aplicaciones de la industria alimentaria disponen de caudalímetros de este tipo, por ejemplo para la dosificación o el llenado de cantidades pequeñas de ingredientes (Fig. 6). Los caudalímetros Coriolis también están adquiriendo una amplia difusión en aplicaciones de gases a bajas y a altas presiones (Fig. 7), por ejemplo con gas natural comprimido (CNG). En el mercado también se encuentran caudalímetros adecuados para numerosas aplicaciones de custody transfer.

Las ventajas descritas para este tipo de caudalímetros basados en el principio de Coriolis han ido abriendo desde ya hace algún tiempo nuevos campos de aplicación para estos dispositivos. Todo indica, además, que el mercado de estos equipos va a continuar su crecimiento al ritmo actual o incluso se va a expandir en los próximos años.

Las características de la medición Coriolis son particularmente atractivas y prometedoras para aplicaciones que en el pasado eran cubiertas con las técnicas de medición tradicionales. El coste de adquisición en propiedad es uno de los muchos factores que entran en juego a este respecto. Incluye no sólo el coste inicial de adquisición, sino también los gastos e inversiones comprendidos durante el ciclo de vida completo del equipo. Sorprendentemente, los caudalímetros Coriolis presentan unos costes de ciclo de vida muy bajos, ya que su mantenimiento es relativamente bajo y muestran un alto nivel de flexibilidad en condiciones de proceso muy diversas.

En la aplicación representada en la Figura 7, se mide etileno con una presión entre 75 y 95 bar y un caudal de 10 a 40 t/h. A pesar de la vibración de la tubería, el caudalímetro Promass no requiere ningún medio adicional de soporte o fijación.

• Principio de aplicación universal para medir caudales de líquidos y gases
• Medición directa del caudal másico (no requiere compensación de presión y temperatura)
• El principio de medición no depende de la densidad ni de la viscosidad del fluido
• Precisión de la medición muy alta (típicamente ±0,1 % v.l.)
• Concepto de sensor multivariable: mide a la vez el caudal másico, la densidad y la temperatura
• Es insensible a los cambios en el perfil de velocidades
• No requiere tramos rectos de entrada y salida
• No hay partes móviles en el interior del tubo de medición
• No necesitan filtros
• No es necesario medir la densidad por separado

• La inversión económica inicial es relativamente alta
• La mayoría de los diseños presentan alguna caída de presión
• Su uso se restringe a fluidos con bajo contenido en gases y a fluidos en una sola fase