LIMITES FISICOS DE LOS CAUDALIMETROS MASICOS POR EFECTO CORIOLIS

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1 LIMITES FISICOS DE LOS CAUDALIMETROS MASICOS POR EFECTO CORIOLIS Se cuenta ya con una experiencia importante en el uso de caudalímetros másicos por efecto Coriolis. Aunque tienen ventajas sobre los medidores de caudal volumétricos, también se detectan inconvenientes en ciertas aplicaciones. En el presente artículo se muestra el estado de la tecnología de estos caudalímetros e innovaciones que mejoran su comportamiento. 1.- INTRODUCCION Dada su importancia en la ingeniería de procesos, los instrumentos de medida del caudal másico deben ser objeto de una consideración exhaustiva por parte del usuario. No es ninguna novedad que puede haber considerables diferencias de medida entre las realizadas en los bancos de comprobación de los fabricantes, en las que habitualmente se dan condiciones ideales y las realizadas en el ambiente industrial real. Asimismo puede haber diferencias entre el fluido de calibración y los productos industriales finalmente medidos. Por lo tanto, es importante que el usuario conozca bien su aplicación. Entonces estará preparado para discutir la instalación y la aplicación, en detalle, con el fabricante o el técnico de ventas, con lo que dispondrá de más información sobre las instalaciones y los límites del caudalímetro correspondiente. En este artículo se intenta realizar un acercamiento al estado actual de la tecnología de los medidores másicos por efecto Coriolis, haciendo hincapié en algunos aspectos raramente considerados en los procesos de selección de estos instrumentos por parte del ingeniero especialista o del usuario final y que son de gran importancia según el tipo de aplicación. También proponemos una lista de características que deberíamos exigir a un instrumento basado en esta tecnología, con el fin de evitar fracasos, describiendo algunos diseños innovadores.

2 2.- LA SELECCIÓN DEL MEDIDOR Los caudalímetros másicos con sus ventajas sobre los medidores de caudal volumétrico tradicionales, han penetrado con gran rapidez en muchos campos de aplicación. Su diseño, sin ningún tipo de pieza móvil dentro del flujo del producto, y la posibilidad de medir directamente el caudal másico, ha sido celebrado como el principio de medida del futuro para la mayoría de las aplicaciones por problemáticas que sean. Han aparecido diferentes instrumentos, con tubos curvados de distintas formas, tratando de hacerse con una participación en el creciente mercado de los caudalímetros. No obstante, cada nuevo instrumento,cada nueva forma de tubo, había de diseñarse teniendo también en cuenta el aspecto de las reivindicaciones de patente y, por tanto, no todas las creaciones suponen mejoras de los modelos existentes en lo que a calidad de medida se refiere. Ahora que ha transcurrido algún tiempo, muchos usuarios han experimentado ya con diferentes instrumentos y aplicaciones. Parece que no todos los caudalímetros másicos del mercado se comportan igual, y que el comportamiento de un instrumento puede variar si se le cambia de aplicación. Otro punto a tener en cuenta es que, en ambientes industriales rigurosos, la incertidumbre de un instrumento de medida de caudal es algo mayor que en las condiciones ideales del laboratorio. Esto no significa que los fabricantes estén dando cifras erróneas en lo que respecta a la precisión de los instrumentos en sus catálogos. Sin embargo, la forma más segura de elegir un caudalímetro másico entre los existentes en el mercado es siempre conocer una buena referencia de la misma aplicación del instrumento o de una similar antes de realizar el pedido. Todos sabemos que este procedimiento es muy lento y no siempre viable. Por ello, a veces es más conveniente pensar en las posibilidades físicas de los diferentes diseños de caudalímetros másicos. En la mayoría de los casos, estas consideraciones permiten prever de manera efectiva las influencias de los diferentes efectos y aplicaciones en los distintos tipos de caudalímetros. 3.- PRINCIPIO BASICO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MEDIDORES TIPO CORIOLIS En el diseño de estos instrumentos encontramos, como aspecto común a todos ellos, un sistema constituido por unos tubos llenos del fluido a medir. Estos tubos pueden ser deflectados elásticamente hasta una determinada amplitud. Si circula por el tubo un producto con una masa determinada y, además, el tubo se ve sometido a torsión por la acción de fuerzas externas, aparece una fuerza muy pequeña denominada fuerza de coriolis. Este movimiento del tubo es casi siempre de oscilación y la fuerza de coriolis es directamente proporcional al caudal másico que circula por el tubo (m), a la velocidad de oscilación (W) y a la longitud de la porción de tubo directamente involucrado en la medición (1). La resolución óptima en la medición de dicha fuerza de

3 coriolis se obtiene midiendo el desfasaje generado entre las señales de dos bobinas detectoras. Fc = * m* w* l Fc: Fuerza de Coriolis m: Caudal másico que circula por el tubo w: Velocidad de oscilación (la velocidad cambia periódicamente) l: Longitud del tubo realmente involucrado en la medición. 4.- LIMITES ASOCIADOS AL DISEÑO DE LOS MEDIDORES TIPO CORIOLIS Tal como se expuso anteriormente, hay que someter al tubo a la máxima torsión posible mediante la aplicación de fuerzas externas, a fin de conseguir un buen efecto de medida y cumplir con los requisitos básicos de un buen medidor tipo Coriolis que indicaremos más adelante. A este objetivo se opone el hecho de que la rigidez del tubo es inversamente proporcional a su longitud libre y, en principio, no es posible aumentar la longitud del tubo sin perder la estabilidad. Según esto es evidente que, por ejemplo, el diseño de un tubo recto es el peor de todos para un caudalímetro másico. El tubo recto es muy rígido y sólo permite, en todo caso, una mínima amplitud de oscilación, por lo tanto, el efecto de la medición es asimismo muy pequeño. Incluso el fabricante más popular de caudalímetros de tubo recto ha comprendido la gran desventaja de este tipo de tubo con respecto a la calidad de la medición y, actualmente, produce un diseño diferente. En cualquier caso, uno de los argumentos más importantes para el diseño de un caudalímetro es que, en todos los casos, el tubo no debe ser fatigado excesivamente en ningún punto del sistema. Hoy en día el peligro por rotura no es tan elevado como anteriormente; la razón es que, al cabo de varios años, varios fabricantes se han dado cuenta del mal funcionamiento de su diseño y ahora suministran una segunda carcasa, capaz de soportar la presión del sistema, que garantiza una aplicación más segura de los instrumentos. No obstante, si se rompe un tubo, el instrumento queda inutilizado y el cliente tiene que sustituirlo por otro nuevo. 5. DIFERENTES EFECTOS FISICOS EN LOS CAUDALIMETROS El efecto de la influencia de la presión en un tubo curvado es conocido con el nombre de efecto Bourdon y significa que, al aumentar la presión interna, el tubo curvo se endereza si no existe ninguna fijación adicional en ambos extremos. Podemos ver dos posibles consecuencias asociadas al fenómeno de cambio de presión.: 1. La forma del tubo no es resistente a los cambios de presión. En este caso, incluso sin ningún movimiento, existe ya un efecto negativo para la estabilidad del tubo al considerar la presión ejercida por el fluido y los posibles cambios de dicha presión.

4 2. La oscilación del tubo se ve afectada por los cambios de presión. En este caso, resultan afectados todos los movimientos que producen la deflación del tubo por efecto de la oscilación primaria, siendo ésta el movimiento del sistema conseguido por la acción de la unidad electrónica asociada. Todo incremento de la presión absoluta amortiguará el movimiento de oscilación o, dicho de otro modo, la fuerza de la presión será de sentido opuesto a la aplicada para provocar el movimiento del tubo. Al aumentar la presión del fluido ésta es experimentada automáticamente por el tubo que lo contiene, el tubo se rigidiza y, al no existir ningún mecanismo que cancele el efecto, la fuerza exterior aplicada para provocar el movimiento no puede garantizarlo apareciendo distorsiones en la medida (Fig. 1) Fig 1. Respuesta de los diferentes diseños ante cambios de presión 5.2 FLUIDOS COMPRESIBLES Si la distancia entre las moléculas del fluido es grande como, por ejemplo, en el caso de gases u otros fluidos compresibles, sólo las moléculas que se encuentren próximas a la pared del tubo se desplazarán por efecto de la oscilación. Para una amplitud de oscilación pequeña solo una pequeña fracción de la cantidad total de gas que circula por el tubo es afectada por la oscilación del mismo. La fuerza de coriolis (defasaje) generados en un medidor de caudal tipo Coriolis depende, por lo tanto, de la relación entre la amplitud de oscilación y el diámetro interior del tubo. En un caso ideal la amplitud debería ser, como mínimo, tan grande como dicho diámetro. Entonces todo el gas se desplazaría y contribuiría a la fuerza de Coriolis. En este caso únicamente, la medición no dependería de la compresibilidad del gas. Por lo tanto, los cambios de presión, temperatura y densidad no afectarían sensiblemente a la calibración. En otras palabras, si la amplitud relativa de la oscilación es muy pequeña, deberá calibrarse el caudalimetro para cada aplicación de gas y después de cualquier cambio de presión, temperatura o densidad. 5.3 FLUJO BIFASICO La dependencia de la amplitud de la oscilación es la misma que la explicada en la sección 5.2. Sin embargo, existe un efecto adicional, causado por la mezcla de líquido y

5 gas, que amortigua la vibración del tubo. Si un tubo está lleno de forma no homogénea, las bobinas que impulsan a los tubos para mantenerles en resonancia necesitan más energía para mantener una oscilación estable. Ahora bien, la energía está limitada por el sistema de bobinas de impulsión, por lo que algunos fabricantes tratan de incrementar la energía de impulsión mediante amplificadores adicionales, ya que, si se amortigua la amplitud, se producirá un error de medida. Los recursos del software de la unidad electrónica sólo pueden compensar u ocultar este problema, pero no garantizar una medición buena y fiable. Sería interesante disponer de una reserva de energía que pudiera utilizarse en estas situaciones de amortiguación. 5.4 VIBRACION EXTERNA Uno de los problemas de los sistemas de oscilación es que pueden resultar afectados por vibraciones externas. Todos los caudalímetros másicos resultan afectados con un cierto nivel de vibración. Sin embargo, la influencia de las aceleraciones externas es tanto mayor cuanto menor es la relación de señal a ruido de la oscilación y el defasaje generado. Esto significa en principio, que cuanto mayor es el movimiento relativo de la oscilación de un medidor tipo Coriolis dentro de ciertos límites, menor es la influencia de la vibración externa. También es importante que el sistema esté bien equilibrado y diseñado, de manera que, ni pierda, ni pueda recibir prácticamente nada de energía. La mejor manera de conseguir un sistema equilibrado y bien desacoplado es manteniendo el extremo del tubo por donde entra el fluido y el extremo del tubo por donde sale lo más próximos posible entre sí, o desacoplar totalmente de la tubería la parte de los tubos involucrada en la medida. No obstante, aquellas vibraciones que tengan la frecuencia exacta de la oscilación del medidor Coriolis, o la frecuencia natural del efecto de Coriolis o un múltiplo de estas frecuencias, pueden provocar un error de medida en cualquier caso. 5.5 EFECTO DE LA VISCOSIDAD Este efecto aparece en fluidos de alta viscosidad. Si se eleva la viscosidad del fluido, el perfil del flujo cambia, ya que aumenta la región sin velocidad de flujo próxima a las paredes del tubo. Por lo tanto, el líquido se comporta como si el tubo tuviera en su interior una manguera flexible adicional. Esto significa que la fuerza de Coriolis (defasaje) generados se reducirá y el instrumento indicará un cierto error negativo. Aquí beberíamos comentar la práctica, con el fin de conseguir menores pérdidas de carga, en el caso de aplicaciones con fluidos de viscosidad elevada, de elegir instrumentos grandes para el caudal de trabajo de la aplicación, dejando de lado los límites mínimos del campo de medida del instrumento. Por supuesto que al disponer de un tubo de gran diámetro interior, para un cierto caudal, la velocidad que se establecerá en el interior de los tubos de medida será inferior y con ella la pérdida de carga

6 producida por el medidor. Pero no olvidemos que el fin de un medidor de caudal, aunque sea obvio, es ciertamente medir el caudal, así, al situarnos en zonas muy lejanas al fondo de escala del instrumento, al tiempo que aumenta el efecto de lectura negativa por viscosidad elevada, toman mayor importancia los efectos del entorno, siendo imprescindible que el equipo presente una gran estabilidad frente a estos efectos. Ya hemos comentado, para situaciones normales, lo difícil que resulta para algunos diseños trasladar los resultados del laboratorio de ensayos a la realidad de las plantas. Para caudales de trabajo fuera del campo de medida del instrumento, todo ello se ve amplificado y los datos teóricos de precisión resultan en la práctica muy difíciles de obtener y más con diseños poco estables. Una buena práctica sería asumir, al diseñar la aplicación, que tendremos que aceptar una cierta pérdida de carga, en aras de una mayor inmunidad y precisión del equipo. 6. REQUISITOS BASICOS DE UN BUEN MEDIDOR TIPO CORIOLIS Vistos los puntos del apartado anterior que pueden afectar al correcto funcionamiento de un medidor tipo Coriolis, definimos los requisitos que éste debe cumplir: 1. La amplitud de oscilación relativa (con respecto al diámetro interior del tubo) deberá ser lo mayor posible. 2. Las paredes del tubo han de ser lo más gruesas posible (por razones de seguridad) 3. El bucle (Loop) del tubo deberá ser estable a las variaciones de presión (por ejemplo: forma circular y sujeto por ambos extremos). 4. La porción del tubo directamente involucrado en la medida no debe verse afectada por fuerzas externas ejercidas sobre el instrumento o las tuberías. 5. Ninguna parte del instrumento deberá verse sometida a una fatiga inadmisible, en especial las piezas por las que circula el fluido y que ya están sometidas a la presión de la tubería y a los medios abrasivos o corrosivos. 6. La parte del instrumento involucrado en la medición no deberá verse afectada por vibraciones o ruidos externos. 7. Deberá garantizarse la recuperación del equipo frente a amortiguaciones producidas por cambios en las características del fluido, sin exceder la potencia eléctrica suministrada. 7. UN DISEÑO INNOVADOR De los varios diseños existentes actualmente en el mercado pocos son los que incorporen características que les permitan cumplir los puntos de la lista de requisitos

7 mencionada. Existe un diseño concreto, que incorpora unas masas adicionales a los tubos resonantes en combinación con unas barras de torsión, que merece una atención especial. (Fig. 2) En este diseño en lugar de encontrar un sistema constituido simplemente por un bucle (Loop) de tubos, como es usual en la mayoría de caudalímetros másicos, podemos diferenciar tres, llamémosles, subsistemas con funciones completamente diferentes. Fig 2. Diseño con masas adicionales a los tubos resonantes y con barras de torsión La separación de los elementos funcionales ofrece la oportunidad de optimizar cada elemento por separado, de acuerdo con su función GRAN AMPLITUD DE OSCILACION RELATIVA Es útil conseguir la mayor amplitud de oscilación posible para la porción del tubo involucrado en la medida sin someter al tubo a una fatiga inadmisible. Se puede conseguir un buen efecto de Coriolis sin que el movimiento de oscilación primario doble la porción del tubo directamente involucrado en la medición obteniéndose las siguientes mejoras: - Mayores espesores de pared del tubo debido al hecho que al generarse fuerzas de Coriolis grandes, se genera un buen defasaje aún con esos grosores de pared. - Una presión máxima de trabajo más elevada gracias a la robustez de los tubos de gran espesor de pared, garantizándose una seguridad muy elevada frente a la corrosión y la abrasión.

8 - Un efecto positivo con respecto a la medida de gases (ver punto 5.2). - Un efecto positivo con respecto a la medida de flujos bifásicos (ver punto 5.3) - Una mejor estabilidad de medida gracias a la elevada relación amplitud/ruido (ver punto 5.4). 7.2 TUBO DE MEDIDA CURVADO EN FORMA CIRCULAR Un tubo curvado de forma circular (Fig. 3), sujeto por ambos extremos a una barra transversal robusta, no resultará afectado por los cambios de presión. Al estar sujeto el tubo a una barra sólida transversal y moverse solo la barra, no existe prácticamente ninguna flexión del tubo por efecto de la oscilación primaria del sistema, lo que significa que el movimiento de oscilación tampoco se verá afectado por los cambios de presión. 7.3 SISTEMA DE OSCILACION DE ALTA ENERGIA PERO BAJA FATIGA DEL TUBO El sistema de oscilación está separado de los tubos y se equipa con una masa adicional grande y barras de torsión (Fig.3). Este sistema está diseñado para conseguir un movimiento de oscilación estable. Con su gran masa y sus elementos elásticos, conserva almacenada mucha más energía que un sistema de tubos convencional. Esta energía mantendrá la oscilación constante si se produce, durante un cierto período de tiempo, un efecto de amortiguación externo o por cambios en el propio fluido trasegado. Además, los tubos de entrada y salida del fluido que van desde las bridas a los tubos propiamente de medida, no están sometidos a la fatiga de la oscilación. Son las barras de torsión elásticas, resistentes y convenientemente diseñadas para tal fin, las que soportan el esfuerzo en lugar de los tubos, ya que estas barras se utilizan principalmente como elementos elásticos del sistema. La parte media del instrumento constituida por los mencionados tubos de entrada y salida está diseñada para evitar que se produzca cualquier tipo de fatiga, lo cual sería ciertamente inadmisible. Los tubos de entrada/salida se llevan al centro circular de la oscilación con el fin de que la mayor parte del esfuerzo se produzca en forma de stress de torsión, distribuido a lo largo de toda la longitud de dicha porción de tubo no involucrada directamente en la medida (el fluido pasa de la brida de entrada al instrumento a un distribuidor situado justo en la parte media del mismo y de este punto medio coincidente con el centro circular de la oscilación es llevado al tubo de entrada, luego sigue hacia el de medida, al de salida coincidente también con el mencionado centro de la oscilación, al distribuidor y a la brida de salida). Como es bien sabido, el caso de stress más desfavorable para un tubo es doblarlo de manera que el máximo nivel de fatiga se produzca en un solo punto crítico, aquél por donde dicho tubo está sujeto.

9 Fig. 3. Conjunto de tubos de medida sujetos mediante masas inerciales 7.4 OTRAS DIFERENCIAS Si el caudal es bajo se puede reducir el diámetro de tubo de medida para obtener una mayor resolución en la medición de las pequeñas fuerzas de Coriolis generadas, pero sin reducir el tamaño del sistema de oscilación, a fin de mantener una alta estabilidad y una gran amplitud de oscilación. Igualmente se puede incrementar la frecuencia de esta oscilación a fin de obtener un diseño con un tiempo de respuesta muy rápido y muy elevada repetibilidad, cuestión muy útil en procesos donde se requieran dosificaciones muy pequeñas. Este diseño resuelve los problemas de una gran cantidad de aplicaciones, como las de alta presión, por ejemplo hasta 900 bar o las pulsaciones de alta presión, o las mediciones a muy bajo caudal (por ejemplo: 1g/min). Se obtiene una medición fiable de caudal de gas, especialmente en caudales bajos, dentro de una gama de presiones de 5 a 50º bar, sin compensaciones de presión ni siguiera para los gases de densidad más baja, como el helio o el hidrógeno. En sus tamaños pequeños, el instrumento permite, asimismo, medir los flujos bifásicos sin ningún tipo de problema de amortiguación del movimiento oscilante de los tubos ni efectos de la comprensibilidad del medio la amplitud de la oscilación es tan grande como el diámetro interior del tubo del caudalímetro.