Medida de gases: Breve panorámica de tecnologías existentes en el mercado

Existen muchas tecnologías para la medida de caudal de gases. A continuación, presentamos algunas de ellas que se dan con frecuencia en las instalaciones según la aplicación a la que se destinen.

Cómo se mide el caudal de gas? El caudal volumétrico (Q) se calcula multiplicando el área de la sección transversal por la velocidad media de la corriente de gas en esa sección transversal. Así es como funcionan la mayoría de los caudalímetros, pero no todos, pues dependiendo del principio de medida se puede determinar la velocidad de paso del gas (volumétrico), o se puede determinar la masa y densidad (másico) o por el desplazamiento de un cuerpo en un área variable (desplazamiento positivo) o por la diferencia de presión tras una restricción (órgano deprimógeno) así como las revoluciones a las que gira una turbina o el gas que puede contener un diafragma de volumen conocido. Dependiendo de la aplicación, volumen a medir y tipo de gas, estará más indicado el uso de una u otra tecnología. Hay que tener en cuenta muchos factores como :

• ¿Limpio y seco?
• ¿Húmedo o Ácido?
• ¿Congelación de condensados?
• ¿Sólidos pesados?
• ¿Versión estándar o componentes de acero inoxidable?
• ¿Calentador catalítico?

Los caudalímetros han evolucionado mucho en los últimos años. Llevados por la transformación digital de la industria, los principales cambios se encuentran en la parte electrónica del transmisor, que incorpora componentes de última generación reduciendo

el tamaño de las placas. Entre ellos, micros más potentes; un software de configuración, operación y supervisión mucho más completo, que además nos guía en la puesta en marcha; un interfaz HMI gráfico más grande e intuitivo para facilitar su manejo en campo; y una amplia conectividad con el resto de dispositivos.

Los caudalímetros másicos coriolis miden con bastante precisión el caudal másico y la densidad del gas, típicamente 0,5 %, por lo que a partir de ahí calculan el volumen normalizado. Además, también miden la temperatura, por lo tanto son multivariable y no requieren tramo recto de entrada y salida. Los caudalímetros por dispersión térmica también miden como variable primaria la masa. A pesar de ser menos precisos, son ideales para insertar en un conducto de tamaño medio-grande, y se basan en la dispersión del calor a través del gas, que es proporcional a su masa.

Los caudalímetros ultrasónicos, calculan la velocidad por tiempo de tránsito a partir del desfase entre la señal emitida y la recibida propagada a través del gas. Existen versiones intrusivas y no intrusivas. Estas últimas, representan una ventaja importante respecto al montaje sin necesidad de modificar el conducto ni de interrumpir el flujo. Los transductores colocados externamente introducen un haz ultrasónico que penetra la tubería y viaja a través del gas a una velocidad que depende de su composición y densidad.   

Este tipo de equipos, bien instalados y configurados, dan unas precisiones y repetibilidades bastante buenas, en torno al 1,5%, a pesar de no estar calibrados ni certificados para transacciones comerciales. Esto ocurre, por ejemplo, en los de tipo turbina o diafragma usados para medida fiscal en nuestras casas. Son bastante comunes en gasoductos, transporte y almacenamiento para el control efectivo de volúmenes de gas natural, así como medida de hidrógeno. Calculan el factor de compresibilidad aga8, gracias al software específico, integrando la medida de temperatura y presión.

Se emplean en tamaños de tuberías medianos y grandes y necesitan, a diferencia de los intrusivos, una mínima presión de gas para que el sonido se propague. Además, se emplean varios canales de medición, típicamente entre dos y cuatro, para una medida más fiable y precisa. Un cambio de densidad en el gas ocasiona una variación en la velocidad del sonido, por lo que su monitorización resulta muy útil para avisarnos de cambios en el proceso.

Los rotámetros también se usan bastante para controlar el volumen de los gases. Al estar basados en el desplazamiento de un elemento flotador en un tubo cónico, no pueden corregir cambios en la densidad del gas producidos por variaciones en la presión y temperatura. Por ello, sirven más como indicación que como medición precisa, en torno al 2%.

El flotador tendrá un peso determinado, calculado en base a las condiciones de proceso y al tipo de gas. El desplazamiento del flotador indicará el caudal y, adicionalmente, permitirá activar alarmas de caudal máximo/mínimo. Versiones avanzadas permiten protocolos de comunicación profibus o 4-20 ma hart.

Este tipo de medidores se usa en tamaños pequeños, para analizadores, y medianos, para la industria en general como medida de argón, aire, nitrógeno, etc.   

Los caudalímetros vortex se posicionan como otro de los equipos más usados para la medida de gases. Determinan la velocidad de paso por la frecuencia a la que se forman unos remolinos o vórtices, de ahí su nombre. Determinadas versiones compensan las variaciones de densidad midiendo la presión y temperatura, por lo que son multivariable. A través del software, seleccionamos el tipo de gas y elegimos las unidades a mostrar pudiendo medir masa, volumen normalizado, presión y temperatura en un solo equipo compacto. La precisión típica debe estar en torno al 1%.

Al igual que ocurre con el resto, debemos determinar previamente el tamaño adecuado del medidor en función de las características del gas y sus condiciones de proceso (presión, temperatura, densidad, caudales, etc). Esto es debido a que la rangeabilidad del instrumento marcará los límites superior e inferior que es capaz de medir. Su uso tradicional es la medida de vapor, pero al incorporar de forma integrada la medida de presión y temperatura, resulta una buena opción para la medida de gases industriales en tuberías de tamaño pequeño/mediano.

Hay que tener especial cuidado con las vibraciones y tramos rectos anteriores y posteriores, pues el elemento sensor pick-up es muy sensible y podrían interferir en la medida si coincide con la frecuencia de medida.

Muy conocidos y tradicionalmente usados son los órganos deprimógenos, como la placa de orificio, el tubo pitot o el tramo calibrado.

Basados en la diferencia de presión que se produce entre cámaras al paso del caudal, un transmisor de presión conectado a ambas cámaras calcula el volumen. Si bien se suelen complementar con un calculador de caudal externo, que utilizando la presión y temperatura sea capaz de compensar la variación en la densidad del gas, es necesario dimensionar correctamente el tamaño del elemento que produce la diferencia de presión. Esto es debido a que una vez instalado no es posible corregir nada si han cambiado las condiciones de proceso para las que fue diseñado.

Estos equipos fueron de los primeros en emplearse. A pesar de que la tecnología nos brinda otros tipos más modernos y con mejores prestaciones, en la actualidad se siguen utilizando bastante debido a su fiabilidad.

Héctor Martín Esteban

Jefe de Producto Caudal de Siemens Digital Industries

Págs. 58 a 60.