Caudalimetros másicos Coriolis: principio de medicion

En muchos ámbitos de la industria es más interesante medir caudales másicos que caudales volumétricos. 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 líquidos 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 algunas ventajas que el caudal volumétrico simplemente no puede ofrecer. Este es un aspecto de particular importancia en el recuento de caudales para el envasado y la facturación.

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 principio 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 x densidad = masa).

Principio de medición

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). El 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 su explicación. Esta fuerza aparece cuando en un sistema se superponen movimientos en línea recta y movimientos rotativos.

En la Figura siguiente se ilustra un ejemplo práctico:

Una persona quieta sobre una plataforma circular giratoria a medio camino entre el centro y el borde sólo 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 déla 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, el valor de la fuerza de Coriolis (Fc) es directamente proporcional a la masa en movimiento (m), a la velocidad angular de rotación (co) y a la velocidad radial (vr) en el sistema en rotación:

Fig.:  Causas y efectos de la fuerza de Coriolis en una plataforma circular giratoria.

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

En un caudalímetro de caudal másico de efecto Coriolis, 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 (véase la Fig. siguiente). 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, 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), y 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. A).

Fig. : El principio de medición de Coriolis (para una explicación detallada: véase la Fig. abajo).

a  = Caudal cero: estado de oscilación de los tubos de medición a caudal cero

b  – Circulación del caudal -> estado de oscilación de los tubos de medición en el intervalo de tiempo 1

c  = Circulación del caudal -> estado de oscitación de los tubos de medición en el intervalo de tiempo 2

Fig. A: Fuerzas de Coriolis y geometría de la oscilación en los tubos de medición.

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 (Fc). A la entrada del 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 ala salida y el tubo de medición empieza a. «torcerse». Este cambio de geometría en la oscilación inducida en el tubo de medición se registra en los sensores (A, B) a cada extremo del tubo como una diferencia de fase. Esta diferencia de fase (Δω) es directamente proporcional a la masa del fluido y a la velocidad de circulación (v) del mismo; por lo tanto también al caudal máslco.

Un aspecto importante al aplicar los caudalímetros de efecto Coriolis es la posible presencia de influencias externas, como por ejemplo vibraciones de la tubería. Las vibraciones en los sistemas de tuberías suelen tener frecuencias de vibración entre 50 y 150 Hz. Por otra parte, las frecuencias de resonancia típicas de los caudalímetros de efecto Coriolis de E+H están entre 600 y 1.000 Hz; estos caudalímetros son, por lo tanto, inmunes a las vibraciones inducidas en el sistema de esta naturaleza. Además, por el mismo motivo, estos dispositivos de medición no necesitan ningún tipo de montaje especial inhibidor de vibraciones.

El campo de valores de los diámetros nominales habituales disponibles va desde DN 1 hasta 300 (1/24 hasta 12″). Sin embargo, en la práctica podemos hallar desde dosificadores de cantidades muy pequeñas en aplicaciones farmacéuticas hasta aplicaciones de carga y descarga de navios mercantes. La elección de los modelos es correspondientemente amplia.

Medición de densidades:

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 (tubo 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 ser utilizada como una señal de salida adicional.

Medición de temperaturas:

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 y también está disponible como señal de salida.