Medidor de flujo másico

Un caudalímetro másico , también conocido como caudalímetro inercial , es un dispositivo que mide el caudal másico de un fluido que circula por un tubo. El caudal másico es la masa de fluido que pasa por un punto fijo por unidad de tiempo, expresada en kilogramos por segundo ( SI) .

El caudalímetro másico no debe confundirse con el caudalímetro volumétrico , que mide el caudal volumétrico (volumen por unidad de tiempo, en unidades como metros cúbicos por segundo). Ambos se relacionan mediante la densidad del fluido : si la densidad es constante, la relación es simplemente una constante de escala. Sin embargo, la densidad del fluido puede variar con la temperatura, la presión o la composición.

El caudalímetro Coriolis se basa en la fuerza de Coriolis , que deforma los objetos giratorios en función de su velocidad.

Existen dos configuraciones básicas de caudalímetro Coriolis: el caudalímetro de tubo curvo (que se describe a continuación) y el caudalímetro de tubo recto (que no se tratará con más detalle).

Rotación sin flujo másico

Con el flujo másico, los tubos se retuercen ligeramente.

Las animaciones de la derecha no representan un diseño real de caudalímetro Coriolis. Su propósito es ilustrar el principio de funcionamiento y mostrar la relación con la rotación.

Se bombea fluido a través del medidor de flujo másico. Cuando hay flujo másico, el tubo se retuerce ligeramente. El brazo por donde fluye el fluido alejándose del eje de rotación debe ejercer una fuerza sobre el fluido para aumentar su momento angular , por lo que se dobla hacia atrás. El brazo por donde el fluido es empujado de vuelta al eje de rotación debe ejercer una fuerza sobre el fluido para disminuir nuevamente su momento angular, por lo que ese brazo se doblará hacia adelante. En otras palabras, el brazo de entrada (que contiene un flujo dirigido hacia afuera) se retrasa con respecto a la rotación general, la parte que en reposo es paralela al eje ahora está sesgada, y el brazo de salida (que contiene un flujo dirigido hacia adentro) adelanta la rotación general.

El patrón de vibración durante la ausencia de flujo

El patrón de vibración con flujo másico en tubo curvo

La animación de la derecha muestra el diseño de los caudalímetros másicos de tubo curvo. El fluido circula a través de dos tubos paralelos. Un actuador (no mostrado) induce vibraciones opuestas e iguales en las secciones paralelas al eje, para que el dispositivo de medición sea menos sensible a las vibraciones externas. La frecuencia real de la vibración depende del tamaño del caudalímetro másico y oscila entre 80 y 1000  Hz. La amplitud de la vibración es demasiado pequeña para ser visible, pero se puede percibir al tacto.

Cuando no fluye fluido, el movimiento de los dos tubos es simétrico, como se muestra en la animación de la izquierda. La animación de la derecha ilustra lo que sucede durante el flujo de masa: cierta torsión de los tubos. El brazo que transporta el flujo alejándolo del eje de rotación debe ejercer una fuerza sobre el fluido para acelerar la masa en movimiento hasta la velocidad de vibración de los tubos en el exterior (aumento del momento angular absoluto), por lo que se retrasa con respecto a la vibración general. El brazo a través del cual el fluido es empujado de vuelta hacia el eje de movimiento debe ejercer una fuerza sobre el fluido para disminuir nuevamente su velocidad angular absoluta (momento angular), por lo que ese brazo precede a la vibración general.

El brazo de entrada y el brazo de salida vibran con la misma frecuencia que la vibración general, pero cuando hay flujo de masa, ambas vibraciones están desincronizadas: el brazo de entrada va atrasado y el de salida adelantado. Las dos vibraciones están desfasadas entre sí, y el grado de desfase es una medida de la cantidad de masa que fluye a través de los tubos y la tubería.

El caudal másico de un caudalímetro Coriolis en forma de U se expresa como:

${\displaystyle Q_{m}={\frac {K_{u}-I_{u}\omega ^{2}}{2Kd^{2}}}\tau }$

donde K _u es la rigidez del tubo, que depende de la temperatura; K es un factor que depende de la forma; d es el ancho; τ es el retardo de tiempo; ω es la frecuencia de vibración; e I _u es la inercia del tubo. Dado que la inercia del tubo depende de su contenido, es necesario conocer la densidad del fluido para calcular con precisión el caudal másico.

Si la densidad varía con demasiada frecuencia como para que la calibración manual sea suficiente, el caudalímetro Coriolis puede adaptarse para medir también la densidad. La frecuencia de vibración natural de los tubos de flujo depende de la masa combinada del tubo y el fluido que contiene. Al poner el tubo en movimiento y medir la frecuencia natural, se puede deducir la masa del fluido contenido en el tubo. Dividiendo la masa entre el volumen conocido del tubo, obtenemos la densidad del fluido.

Una medición instantánea de la densidad permite calcular el caudal en volumen por unidad de tiempo dividiendo el caudal másico entre la densidad.

Tanto las mediciones de caudal másico como las de densidad dependen de la vibración del tubo. La calibración se ve afectada por los cambios en la rigidez de los tubos de flujo.

Los cambios de temperatura y presión provocarán variaciones en la rigidez del tubo, pero estos pueden compensarse mediante factores de compensación de presión y temperatura, así como factores de compensación de rango.

Los efectos adicionales sobre la rigidez de los tubos provocarán variaciones en el factor de calibración con el tiempo debido a la degradación de los tubos de flujo. Estos efectos incluyen picaduras, grietas, recubrimientos, erosión o corrosión. No es posible compensar estos cambios de forma dinámica, pero se pueden realizar esfuerzos para monitorear sus efectos mediante calibraciones o verificaciones periódicas del medidor. Si se considera que se ha producido un cambio, pero se considera aceptable, la desviación se puede agregar al factor de calibración existente para garantizar una medición precisa y continua.

El fluido también puede estar en un flujo multifásico , una combinación de fases como un líquido con burbujas arrastradas. La densidad real se puede determinar debido a la dependencia de la velocidad del sonido con la concentración controlada del líquido. ^{[ 1 ]}

• Tubo en U oscilante

• Diapositivas de la clase sobre medición de flujo, Universidad de Minnesota
• Principio de funcionamiento del caudalímetro de presión diferencial y másica