¿Qué es el medidor de caudal másico Coriolis y cómo funciona?

La medición del caudal másico es la base de muchos elementos clave en la industria, incluyendo la mayoría de las formulaciones de recetas, las determinaciones de balance de materiales y las operaciones de facturación y transferencia de custodia. Siendo estas las mediciones de caudal más críticas en una planta de procesamiento, la fiabilidad y precisión de la detección del caudal másico son fundamentales.

Una (breve) historia de la medición del caudal másico

Anteriormente, el caudal másico se calculaba a menudo a partir de los datos de salida de un caudalímetro volumétrico y un densitómetro. Los cambios de densidad se medían directamente o se calculaban utilizando los datos de salida de los transmisores de temperatura y presión del proceso. En última instancia, dado que la relación entre la presión o temperatura del proceso y la densidad no siempre se conoce con precisión, estas mediciones no eran muy precisas.

Uno de los primeros diseños de medidores de flujo másico autónomos que funcionaban utilizando el momento angular.– Contaba con un impulsor accionado por motor que generaba momento angular (movimiento rotatorio) acelerando el fluido hasta una velocidad angular constante. A mayor densidad, mayor momento angular se requería para obtener esta velocidad. Aguas abajo del impulsor accionado, una turbina estacionaria sostenida por resorte se exponía a este momento angular. El par resultante (torsión del resorte) indicaba el flujo másico. Sin embargo, debido a la complejidad de sus diseños mecánicos y a los altos costos de mantenimiento, este tipo de medidores ha sido reemplazado en gran medida por diseños más robustos y de menor mantenimiento.

Uno de estos diseños es el medidor de caudal másico Coriolis, considerado ampliamente el tipo más preciso y ampliamente utilizado en aplicaciones industriales para mediciones precisas. Los medidores de caudal Coriolis cuentan con instrumentación que funciona según el principio de funcionamiento del efecto del medidor de caudal másico.– Un fenómeno notable (y extraño) por el cual una masa que se mueve en un sistema giratorio experimenta una fuerza que actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento y al eje de rotación. Las primeras patentes industriales de Coriolis datan de la década de 1950 y los primeros medidores de caudal másico Coriolis se construyeron en la década de 1970.

El principio de funcionamiento del medidor de caudal Coriolis

Fue GG Coriolis, ingeniero francés, quien primero observó que todos los cuerpos que se mueven sobre la superficie terrestre tienden a desviarse lateralmente debido a la rotación del planeta hacia el este. En el hemisferio norte, la desviación es hacia la derecha del movimiento; en el hemisferio sur, hacia la izquierda. Esta desviación desempeña un papel fundamental tanto en la actividad de las mareas oceánicas como en el clima del planeta. Dado que un punto en el ecuador describe un círculo mayor por día que un punto más cercano a los polos, un cuerpo que se desplaza hacia cualquiera de los polos se desviará hacia el este, ya que conserva su mayor velocidad de rotación (hacia el este) al pasar sobre la superficie terrestre, que gira más lentamente. Esta desviación se define como la fuerza de Coriolis.

Cuando un fluido fluye por una tubería y se somete a la aceleración de Coriolis mediante la introducción mecánica de rotación aparente en la tubería, la fuerza de desviación generada por el efecto inercial de Coriolis será función del caudal másico del fluido. Si una tubería gira alrededor de un punto mientras fluye líquido (hacia o desde el centro de rotación), dicho fluido generará una fuerza inercial (que actúa sobre la tubería) perpendicular a la dirección del flujo.

Con referencia a la Figura 1, una partícula (dm) viaja a una velocidad (V) dentro de un tubo (T). El tubo gira alrededor de un punto fijo (P), y la partícula se encuentra a una distancia de un radio (R) de dicho punto. La partícula se mueve con velocidad angular (w) bajo dos componentes de aceleración: una aceleración centrípeta dirigida hacia P y una aceleración de Coriolis que actúa perpendicularmente a ar:

ar (centrípeta) = w2r

en (Coriolis) = 2wv

Para impartir la aceleración del medidor de Coriolis (at) a la partícula de fluido, el tubo debe generar una fuerza de at (dm). La partícula de fluido reacciona a esta fuerza con una fuerza de Coriolis igual y opuesta:

Fc = en(dm) = 2wv(dm)

Entonces, si el fluido del proceso tiene densidad (D) y fluye a velocidad constante dentro de un tubo giratorio con área de sección transversal A, un segmento del tubo de longitud X experimentará una fuerza de Coriolis de magnitud:

Fc = 2wvDAx

Como el caudal másico es dm = DvA, la fuerza de Coriolis Fc = 2w(dm)x y, finalmente:

Flujo másico = Fc / (2wx)

Así es como la medición de la fuerza de Coriolis ejercida por el fluido que fluye sobre el tubo giratorio puede proporcionar una indicación del caudal másico. Si bien la rotación de un tubo no es necesariamente un procedimiento operativo estándar práctico al construir un medidor de flujo comercial, la oscilación o vibración del tubo...– lo cual es práctico– Puede lograr el mismo efecto.