Caudalimetros Vortex: principio de medicion

08 Octubre 2010

 

Este principio de medición se basa en el hecho de que corriente abajo de un obstáculo se forman vórtices (vórtices) en el fluido, tanto en una tubería cerrada como en un canal abierto. Es posible observar este fenómeno, por ejemplo, en los vórtices ("zona de turbulencia") que se forman corriente abajo del pilar de un puente.

La frecuencia de desprendimiento de los vórtices a cada lado del pilar (cuerpo sólido) es proporcional a la velocidad media de circulación del fluido y, por lo tanto, al caudal volumétrico. Ya en 1513, Leonardo da Vinci describió la formación y el desprendimiento de vórtices estacionarios detrás de un obstáculo en una corriente de fluido.

 

 

 

Fig.: Izquierda: Desprendimiento de vórtices detrás de un pilar de un puente. Derecha: Foto tomada desde un satélite en que se aprecian los vórtices formados en la capa de nubes por el efecto de un pico volcánico (flecha).

 

 

En 1878, Strouhal estudiaba una descripción científica de los vórtices que se formaban detrás de los obstáculos sólidos. Sus estudios revelaron que un cable tensado de través en un chorro de aire oscilará. Encontró que la frecuencia de esta oscilación es proporcional a la velocidad del chorro de aire. Podemos observar este fenómeno en nuestro propio coche o casa: el subido que produce el viento al pasar por alguna rendija se debe al desprendimiento de vórtices, y aumenta o disminuye según cambia la velocidad. Este fenómeno se denomina "tono eólico".

 

El número de Strouhal empleado en este contexto describe la relación entre la frecuencia de desprendimiento de vórtices, la velocidad del fluido y el diámetro del cuerpo sólido (véase la Fig. siguiente):

 

St = f * d / v

 

St: Número de Strouhal

v: Velocidad del fluido

f: Frecuencia de desprendimiento de vórtices

d: Diámetro del cuerpo sólido

 

Fig. : Principio de medición de los caudalímetros Vortex.

d = Diámetro del cuerpo sólido, f= Frecuencia de desprendimiento de vórtices, v = Velocidad del fluido,

L = Distancia entre dos vórtices

 

El físico Theodore von Kármán asentó las bases teóricas para la medición de caudales con caudalímetros Vortex en 1912, cuando describió lo que se ha venido en llamar "zona de turbulencia". Su análisis de la doble hilera de vórtices formados detrás de un cuerpo sólido en un flujo de fluido revelaba una relación fija entre la distancia transversal (d) de separación de las dos hileras y la distancia longitudinal (L) de separación entre vórtices en una misma hilera. Si, por ejemplo, el obstáculo es cilindrico, esta relación es de 0,281. Así, para un diámetro de tubería uniforme, el volumen de cada remolino es constante. Si admitimos que los vórtices son del mismo tamaño independientemente de las diferentes condiciones de ejecución, entonces el recuento del número de vórtices por unidad de tiempo nos da directamente una estimación del caudal.

 

 

Formación de vórtices y geometría del cuerpo sólido:

 

El fluido alcanza su velocidad máxima en la parte más ancha del cuerpo sólido; a partir de ese punto pierde parte de su velocidad. El flujo intenta desprenderse del contorno del cuerpo (a), en lugar de bordearlo. Más allá del punto (a) la presión disminuye y se producen reflujos, y en última instancia, vórtices (b). Estos vórtices se desprenden alternativamente por cada lado del cuerpo sólido y son transportados por el fluido (nomograma de frecuencias de desprendimiento de vórtices

 

Fig.:  Formación y desprendimiento de vórtices

 

 

Los obstáculos sólidos de los caudalímetros Vortex varían según el fabricante. Los hay de forma rectangular, triangular, esférica, en delta o en formas más especificas, correspondientes a los diversos modelos patentados. En cada modelo, el número de Strouhal se debe mantener constante para todo el campo de valores de medida; en otras palabras, para todo este campo de valores de medida, la frecuencia de desprendimiento de vórtices ha de ser independiente de la presión, la temperatura y la densidad. En este campo de valores de medida con número de Strouhal constante (Re > 20.000) trabajan los caudalímetros Vortex (véase la Fig. abajo).

 

Los obstáculos sólidos en forma de delta presentan un comportamiento lineal casi ideal y han demostrado ser particularmente fiables. Los ingenieros de la NASA han sometido este modelo de cuerpo sólido a estudios exhaustivos. La exactitud de la medición con esta geometría puede llegar a ser de ±1% v.L, y su reproducibilidad se sitúa en torno al 0,2%.

 

Las características de los caudalímetros Vortex se suelen definir en términos del "parámetro K". Este parámetro representa el número de vórtices que se detectan por unidad de tiempo (impulsos por unidad de volumen). El fabricante obtiene dicho parámetro K durante el proceso de calibración del aparato e incluye esta información en la placa de características del instrumento. Este parámetro depende de la geometría del cuerpo sólido y del tamaño de la tubería.

 

 

Ejemplo:

 

En un caudalímetro Vortex (DN 50/2") cuyo parámetro K es 10 impulsos por litro, cada impulso corresponde a un volumen de 0,1 litros, independientemente de que el fluido sea agua, vapor o cualquier otro fluido.

 

Fig. : Número de Strouhal (Str) para diversos obstáculos sólidos en Junción del número de Reynolds (Re), a = Cuerpo sólido en forma de delta, b = Cuerpo sólido en forma de esfera.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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