Guías sobre medidores de caudal másico: sus principios, tipos y aplicaciones

En el control de procesos industriales actual, la capacidad de los sistemas de transferencia de custodia y facturación para medir con precisión el caudal másico de fluidos es fundamental para el buen funcionamiento de los procesos, lo que permite una dosificación precisa en la fabricación y una facturación justa en la medición comercial. Los caudalímetros másicos son instrumentos de medición esenciales en muchos campos, ya que son más precisos y fiables que los dispositivos de medición de caudal volumétrico (como los caudalímetros de turbina, de desplazamiento positivo y magnéticos, entre otros). Esta guía detallada explica qué son los caudalímetros másicos, para qué sirven, los diferentes tipos y sus usos más importantes.

¿Qué es un medidor de caudal másico?

Un medidor de caudal másico es una herramienta muy precisa que mide el caudal másico de fluidos que circulan por una tubería. Por otro lado, los medidores de caudal másico proporcionan mediciones directas de la masa de fluidos en unidades de caudal como kg, toneladas o libras, que no varían con la temperatura, la presión, la densidad ni la viscosidad. Sin embargo, los medidores de caudal volumétricos miden el volumen de fluidos (unidades de caudal como m³/h, CFM o GPM). Debido a esta capacidad, son necesarios para situaciones que requieren alta precisión y consistencia.

Existen muchos principios físicos que rigen el funcionamiento de los medidores de caudal másico, pero el efecto Coriolis es el más común y también el de mayor precisión. Cuando un fluido se mueve a través de dos tubos sensores de medición vibratorios, se producen cambios de fase o de frecuencia proporcionales al caudal másico. El transmisor de caudal másico Coriolis puede calcular el caudal másico con gran precisión al detectar estos cambios.

¿Por qué es importante la medición del caudal másico?

En numerosas aplicaciones industriales reales, la medición del caudal másico es mucho mejor que la medición volumétrica por varias razones:

• Mayor precisión

Los medidores de caudal másico Coriolis suelen medir con una precisión de ±0,1 % a ±0,2 %, mucho mejor que los medidores de caudal volumétricos tradicionales (por ejemplo, los rotámetros solo tienen una precisión del 1,0 % al 1,5 %). Esta alta precisión es fundamental para la transferencia de custodia, la dosificación y el control de calidad, donde incluso pequeños errores o mediciones imprecisas pueden tener consecuencias negativas.

• Independencia de las condiciones del proceso

Los cambios en la temperatura y la presión del fluido no afectan el resultado de la medición del sensor Coriolis, por lo que no es necesario realizar cálculos de compensación ni corrección (por ejemplo, el caudalímetro de turbina de gas EVC). Esta función es especialmente útil en aplicaciones donde las condiciones de operación, como la presión o la temperatura, cambian con frecuencia en la medición del caudal de gas, ya que las mediciones volumétricas requerirían correcciones complejas que añadirían mayor incertidumbre.

• Datos de flujo másico directo

Muchos procesos industriales requieren datos de masa en lugar de datos de volumen. La masa es importante para las reacciones químicas, la mezcla de materiales y el cálculo de la energía necesaria. Los medidores de flujo másico proporcionan esta información directamente, lo que reduce los errores de conversión y facilita el control del proceso. Por ejemplo, si el caudal de nitrógeno calculado por el medidor de turbina de gas es de 20 CFM, es difícil obtener un valor de densidad preciso para convertirlo a kg/h.

• Medición de múltiples parámetros

Los medidores de flujo másico modernos pueden medir más de un parámetro (unidad de flujo másico) a la vez, como densidad, concentración, grados Brix y temperatura. Esta multifuncionalidad implica la necesidad de menos instrumentos de campo, lo que reduce los costos de instalación y facilita el uso del sistema, además de aumentar la fiabilidad de las mediciones.

• Usos amplios

Los medidores de flujo másico pueden trabajar con muchos fluidos diferentes, como líquidos, gases, lodos; también pueden manejar aplicaciones de fluidos difíciles, como medición de oxígeno a temperatura ultrabaja, medición de nitrógeno a presión ultrabaja, medición de asfalto ultraviscoso o petróleo crudo y medición de lodos de minería altamente abrasivos.

Diferentes tipos de medidores de caudal másico

Hay dos tipos principales de medidores de caudal másico según su funcionamiento:

Instrumentos de medición directa de caudal másico

Los medidores de flujo másico directo miden el caudal másico sin necesidad de realizar cálculos ni conversiones adicionales:

• Medidores de caudal másico Coriolis

Los medidores Coriolis son el tipo más común de medidor de caudal másico directo. Utilizan el principio del efecto Coriolis. Cuando un fluido se mueve a través de uno o más tubos vibratorios, las fuerzas de Coriolis provocan cambios en la fase o frecuencia que pueden medirse. Estos medidores son muy precisos (generalmente ±0,1 % o mejor), pueden medir tanto líquidos como gases, y también miden la densidad simultáneamente. Son perfectos para la transferencia de custodia, la dosificación precisa y la medición de fluidos de alto valor.

• Medidores de flujo másico térmico

Los medidores térmicos utilizan los principios de la transferencia de calor para determinar el caudal másico midiendo el calor que el fluido transporta. Sirven para medir gases y son especialmente populares en la fabricación de semiconductores, la monitorización de gas natural y los sistemas de aire comprimido. Estos medidores son económicos para gas y requieren poco mantenimiento.

Medición indirecta del caudal másico

Los medidores de caudal másico indirectos calculan el caudal másico midiendo tanto el caudal volumétrico como la densidad:

• Medidor de caudal volumétrico con compensación de densidad

Medición indirecta del caudal másico de vapor mediante caudalímetro de vórtice

Este método utiliza un densímetro y un medidor de flujo volumétrico independientes, como un medidor de turbina, de vórtice o electromagnético. Para calcular el flujo másico, se multiplica el flujo volumétrico por la densidad. Esta solución puede no ser tan precisa como los métodos directos, pero puede resultar más económica para algunos usos.

• Medidores de caudal de presión diferencial con compensación

Medidor de caudal de presión diferencial

Se pueden mejorar los medidores de caudal DP tradicionales (como los de placas de orificio, conos en V, tubos anulares y Venturi) añadiendo un sensor de temperatura RTD y un sensor de presión para compensar y obtener estimaciones del caudal másico. Estos sistemas son conocidos y tienen una larga trayectoria, pero no suelen ser tan precisos como los medidores de caudal másico directos. Sin embargo, aún tienen amplias aplicaciones, como la medición de gas natural a alta presión y la medición del caudal de vapor sobrecalentado.

Los medidores de caudal másico indirectos son mucho más económicos, pero suelen ser menos precisos y fiables que los métodos de medición directa. Además, requieren más mantenimiento porque utilizan más sensores para obtener el resultado.

Aplicaciones de los medidores de caudal másico

• Aplicaciones en Medición y Control de Procesos

Los medidores de caudal másico Coriolis se utilizan en campos que requieren una dosificación precisa y un estricto control de procesos. En la industria química, supervisan la materia prima que entra en los reactores para garantizar que las reacciones incluyan las cantidades correctas de diferentes sustancias químicas. En la industria del petróleo y el gas, se utilizan para medir el petróleo crudo, el gas natural y el GLP con fines comerciales. Las industrias alimentaria y farmacéutica también dependen de ellos para controlar cuidadosamente la adición de ingredientes importantes o costosos, como azúcares, aromatizantes e ingredientes activos.

• Usos en condiciones duras y fluidos complejos.

El caudalímetro másico Coriolis es ideal para procesar fluidos complejos y resistentes. Mide con precisión fluidos no newtonianos, líquidos con burbujas y fluidos con viscosidad extremadamente alta, como petróleo crudo, resina, melaza o pasta de chocolate. Estos son los tipos de fluidos que otros caudalímetros no suelen poder procesar. Además, funciona muy bien en situaciones de alta presión y alta temperatura, como la medición del flujo de cera, propano criogénico, lodo de perforación, azufre líquido, etc. El diseño del sensor de caudal másico, sin zonas muertas ni piezas móviles, facilita la limpieza y cumple con estrictas normas sanitarias para usos higiénicos como el transporte de productos lácteos o biofarmacéuticos por tuberías.

• Usos en la medición de parámetros derivados y ahorro de dinero.

Los medidores de caudal másico Coriolis miden más que solo el caudal másico. También miden la densidad y la temperatura del fluido. Esta característica adicional amplía considerablemente su gama de usos, permitiendo mediciones indirectas de factores importantes como la concentración del líquido, la pureza del alcohol, el contenido de azúcar (Brix) o la concentración de ácido sulfúrico, lo que significa que no se necesitan tantos sensores independientes.