Caudalímetro de área variable

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Contactos

Contactos (reed, interruptor de proximidad, Hall, neumático) La mayoría de los caudalímetros pueden equiparse con contactos para controlar el caudal. Los tipos de contacto más comunes son los contactos reed y los interruptores de proximidad inductivos, que se describen con más detalle a continuación.

Contacto Reed

El contacto Reed es un contacto libre de potencial, es decir, no requiere energía auxiliar adicional para el proceso de conmutación propiamente dicho. Consisten en un tubo de vidrio lleno de gas inerte en el que se funden las lengüetas de contacto. La conmutación se efectúa mediante los imanes incorporados en el flotador del caudalímetro.
Utilizando imanes o paquetes de imanes de diferentes fuerzas y contactos reed con diferentes sensibilidades de respuesta (número AW) o también limitando la carrera del flotador, se puede realizar una conmutación precisa.
Los contactos reed se instalan en una caja de contactos con una conexión de enchufe o de cable y, normalmente montados de forma ajustable en el caudalímetro.

Función de conmutación - contacto Reed

Dispone de las siguientes funciones de conmutación

• Contacto NA (NO= normally open) -2 polos
  Las dos lengüetas de contacto están abiertas y el circuito sólo se cierra cuando se alcanza el valor de caudal deseado y los imanes incrustados en el flotador cierran las lengüetas de contacto del contacto reed.
• Contacto inversor / conmutado (SPDT= Single Pole Double Throw) - tripolar
  El contacto inversor tiene 3 hojas de contacto, es decir, cuando se alcanza el valor de caudal deseado, el contacto cambia de un polo al otro.

Tipo de contacto - Contacto Reed

Además de la función de conmutación, hay que distinguir entre contactos monoestables y biestables.

• monoestable
  El contacto reed monoestable sólo tiene una función «limpiadora», es decir, las lengüetas de contacto del contacto reed sólo se cierran cuando se alcanza el valor de caudal deseado. Si el caudal sigue aumentando, el contacto se abre de nuevo..
  Para conseguir un estado de conmutación claro, el fabricante limita el recorrido del flotador y el campo magnético del flotador se adapta de forma óptima a la sensibilidad de respuesta del contacto.
  El usuario también puede utilizar un relé de conmutación con función de enclavamiento. Esto requiere 2 impulsos de conmutación para cambiar el estado de conmutación (1er impulso: el flotador alcanza el valor límite, 2º impulso: el flotador vuelve a caer por debajo del valor límite después de superar el valor límite).
• biestable
  Los contactos reed biestables tienen una función de conmutación clara, es decir, el contacto se cierra cuando se alcanza o supera el valor de caudal deseado y se abre cuando el caudal es inferior al valor límite establecido. Esto se consigue magnetizando previamente las lengüetas de contacto del contacto Reed, por ejemplo, utilizando un pequeño imán adicional en el contacto Reed. Esta pequeña fuerza es suficiente para mantener el contacto recto en la posición correspondiente, pero no para provocar un cambio en el estado de conmutación. Sólo la fuerza magnética adicional del flotador activa el estado de conmutación.
  Al subir el flotador, aumenta la magnetización de las láminas de contacto y éstas se cierran.
  Cuando el flotador desciende, el otro polo magnético del flotador debilita la magnetización y las lengüetas de contacto se abren.

Detectores de proximidad inductivos

Los detectores de proximidad inductivos son sensores que conmutan sin contacto cuando se aproxima un flotador metálico.
Para ello, se genera en el sensor un campo electromagnético alterno mediante un oscilador, que se conduce a la superficie activa del sensor y sale de allí. Si un objeto metálico se acerca a esta superficie activa, se generan corrientes de Foucault que extraen energía del oscilador. A partir de ahí, la electrónica integrada en el sensor genera una señal de conmutación. Existen varias funciones de conmutación (NPN/PNP, contacto NA, contacto NC, etc.).
El interruptor de proximidad inductivo debe alimentarse mediante una fuente de alimentación externa. Para ello se suelen utilizar relés de conmutación, con los que también se puede conseguir una mayor capacidad de conmutación.

Para los caudalímetros de área variable se utilizan diferentes diseños:

• Forma de barra
  Suelen montarse fuera de un tubo de medición no metálico para poder desplazarlos. El campo eléctrico activo se encuentra en la parte delantera del sensor.
  Dado que los sensores sólo funcionan hasta una distancia de conmutación máxima, el sensor debe seleccionarse con precisión.
  Esto se aplica en particular a los caudalímetros de área variable para grandes caudales en los que hay una gran distancia entre el flotador y el sensor en el rango de medición superior. Al mismo tiempo, la distancia entre el flotador y el sensor es pequeña en el rango de medición inferior y otros componentes metálicos pueden interferir cuando se utilizan sensores con una gran distancia de conmutación; por ejemplo, tubo protector metálico para un tubo de medición de vidrio.
  
• Sensor de anillo
  Suelen utilizarse con caudalímetros de área variable para caudales más pequeños y, por tanto, para medir tuberías de diámetro reducido. Se colocan alrededor del tubo de medición y se montan de forma deslizante fuera de un tubo de medición no metálico.
  El campo eléctrico activo se encuentra dentro del anillo del sensor y, por lo tanto, no es susceptible a las partes metálicas que se encuentran fuera del diámetro interno del sensor.
  
• Sensor de ranura
  Se utilizan sobre todo para caudalímetros de área variable con tubos de medición metálicos.
  En el mecanismo del puntero se monta una paleta metálica que se sumerge en el plano de conmutación del sensor. El campo eléctrico activo se encuentra entre las dos patas del sensor.
  

Válvulas

Los aparatos suelen ir equipados con una válvula de ajuste para regular el caudal. Puede tratarse de una válvula instalada externamente en la tubería o de una válvula integrada en el racor del caudalímetro.

En función del fluido utilizado, deben preverse diferentes posiciones de instalación.

• Líquidos

  Los líquidos no son compresibles y la válvula puede colocarse como se desee.
  La válvula suele montarse delante del aparato.

• Gases

  Los gases son compresibles y las relaciones de presión en el tubo de medición (p_cal) influyen decisivamente en la precisión de medición del caudalímetro.
  La presión de funcionamiento (p_cal) utilizada como base para calibrar los dispositivos debe mantenerse y ser constante. Por ello, la posición de la válvula suele estar detrás del dispositivo de medición.
  Para mediciones contra una presión de mantenimiento constante (p_nach), por ejemplo, la presión atmosférica, la válvula también puede montarse delante del aparato.

Salida analógica / totalizador

En los caudalímetros de área variable estándar, el valor medido se lee in situ, bien en la escala fijada al tubo de medición o, en el caso de los aparatos con tubo de medición metálico, en un indicador de aguja montado en el aparato.
Esto suele ser suficiente, sobre todo para los sistemas más pequeños, y garantiza la medición incluso sin alimentación auxiliar o si ésta falla.
Sin embargo, el aumento de la automatización o los sistemas de mayor tamaño hacen necesario transferir el valor del caudal medido in situ a un centro de control o a un sistema de control.
Tradicionalmente, esto se hacía en dispositivos con un indicador de aguja guiado por imán conectando mecánicamente el eje de la aguja a un instrumento de bobina móvil. De este modo, el movimiento giratorio del eje de la aguja, y por tanto el valor medido, se convertía en un valor de resistencia (principio del potenciómetro).
Como resistencia se utiliza un hilo (instrumento de bobina móvil) o, en aparatos más modernos, un disco de plástico conductor.

Hoy en día, los dispositivos modernos suelen utilizar sensores de ángulo magnetoeléctricos en los que un imán permanente montado en el eje de la aguja transmite el movimiento giratorio de la aguja a un sensor de campo magnético sin contacto.
Las líneas de campo magnético tienen una posición diferente en función de la posición rotacional del imán. Éstas son detectadas por dos sensores Hall perpendiculares en el elemento sensor. Dependiendo de la posición de las líneas de campo, esto da lugar a una tensión de señal diferente que se puede asignar a una posición angular del puntero.
Este principio también funciona en cierta medida para los dispositivos con un tubo de medición transparente e imanes permanentes incrustados en el flotador.


El codificador rotatorio o el sensor de campo magnético van seguidos de una electrónica que convierte la señal en una salida analógica normalizada (0)4-20 mA, 0-(5)-10 V o señales binarias. La electrónica avanzada dispone de interfaces de comunicación como Profibus®, Fielbus®, Hart®, etc.
La escala de medición no lineal suele ser convertida en una señal de salida lineal por la electrónica posterior. Los caudalímetros ajustados a unidades de volumen (por ejemplo, m³, Nm³, etc.) se integran para totalizar la cantidad total de fluido que ha circulado.

Las últimas generaciones de dispositivos disponen de una pantalla LED guiada por menús con la que se puede programar la pantalla o la salida del dispositivo.
Entre otras cosas, se pueden visualizar las variables medidas, por ejemplo, en volumen de funcionamiento, volumen estándar o caudal másico, las unidades en (Nm³/h, NL/min, Kg/s, etc.), la función de contador, los mensajes de error/servicio (mantenimiento, avería). El ajuste de la salida, el ajuste de los contactos, etc. son libremente configurables.

Filtro magnético

Los caudalímetros de área variable son adecuados para medir el caudal de fluidos limpios y sin partículas. Las partículas de suciedad más grandes pueden hacer que el flotador se atasque.
Por ello, los filtros de suciedad se colocan delante del aparato. Sin embargo, incluso las partículas ferromagnéticas más pequeñas que no son retenidas por el filtro de suciedad pueden depositarse en los imanes del flotador y formar una capa molesta.
Los separadores magnéticos, disponibles en varios diseños, ofrecen una solución, por ejemplo, separadores magnéticos con imanes encapsulados dispuestos en espiral para montar entre bridas, o filtros de suciedad con un paquete magnético integrado como separador magnético.

Regulador de presión pre/post

Los cambios en las condiciones de presión (presión aguas arriba o aguas abajo) en las tuberías también modifican el caudal ajustado. Utilizando un regulador de presión aguas arriba o aguas abajo, esta fluctuación de presión puede igualarse dentro de ciertos límites y, por tanto, el caudal puede mantenerse constante.
Un sistema de medición completo consta de un caudalímetro de área variable, una válvula y un regulador de presión diferencial que se montan juntos de forma permanente. El regulador de presión diferencial consta de una carcasa y un diafragma.
Una vez ajustado el caudal en la válvula del caudalímetro al valor deseado, la membrana del regulador de presión diferencial se encuentra en estado de equilibrio y la presión a ambos lados de la membrana es la misma. Si la presión cambia en el lado de entrada o de salida, según el tipo de regulador, la presión se iguala a través de la válvula de membrana hasta que la membrana vuelve a estar en equilibrio y el caudal corresponde al valor ajustado. Para funcionar correctamente, los reguladores necesitan una presión mínima y están limitados por una presión máxima admisible. Existen 2 tipos de reguladores de presión diferencial.

• Presión aguas arriba constante, presión aguas abajo fluctuante

• La presión aguas arriba fluctúa, la presión aguas abajo es constante

Revestimiento del tubo de medición

Al seleccionar el caudalímetro de área variable, asegúrese de que los materiales utilizados en el dispositivo son resistentes al fluido que se va a medir.
Por ello, a menudo se utiliza vidrio o plásticos resistentes como material para el dispositivo de medición.
La desventaja de estos materiales es que no soportan presiones de funcionamiento más elevadas. Por lo tanto, hay que utilizar caudalímetros con tubo metálico, que tienen una mayor resistencia a la presión y están fabricados con metal de alta calidad (por ejemplo, Monel, titanio, Hastelloy, etc.) para la resistencia química. Como estos metales y la fabricación de un caudalímetro con estos materiales son caros, a menudo se puede utilizar como alternativa un dispositivo con revestimiento de teflón.
El resultado es un dispositivo resistente a los productos químicos y a la presión.

Aislamiento térmico / calefacción

Para medir algunos fluidos, es necesario que el fluido en el caudalímetro de área variable no se enfríe ni se caliente. A menudo basta con utilizar un dispositivo de medición con pantalla guiada por imán y un aislamiento externo adecuado del tubo de medición proporcionado por el cliente.
Para requisitos más exigentes, se utilizan calentadores de traza eléctricos adicionales, que se envuelven alrededor del exterior del tubo de medición.
Más información sobre la trazabilidad eléctrica, por ejemplo, en la página web de Bartec.

Para medios o condiciones ambientales extremadamente difíciles, es aconsejable utilizar dispositivos de medición con un diseño de doble pared. Estos constan de un tubo de medición interior y un tubo alrededor por el que circula un fluido de calentamiento/refrigeración (aceite térmico, vapor o agua) para mantener el fluido a la temperatura deseada.

Amortiguación de gas

Para evitar la pulsación del flotador debida a la pulsación de compresión, los caudalímetros de área variable pueden equiparse con un amortiguador del flotador. Dependiendo del fabricante o del diseño del dispositivo, se pueden encontrar diferentes versiones en el mercado.
Sin embargo, el principio básico suele basarse en el «principio del amortiguador», que también se utiliza para los amortiguadores de los coches.
Para ello, se monta un pistón en la cabeza del flotador. Enfrente, en el tubo de medición, se monta un cilindro cerrado por un lado. El pistón se desplaza hacia el interior del cilindro cerrado por un lado y el medio que se encuentra en su interior se comprime. El medio contenido en el cilindro se expulsa a través del espacio anular entre el pistón y el cilindro con un retardo de tiempo, generando así la amortiguación.
En algunas aplicaciones, se monta un muelle amortiguador adicional fuera del cilindro amortiguador.
La amortiguación del flotador también puede instalarse posteriormente en algunos fabricantes o tipos de aparatos. Debido al pistón adicional y al mayor peso asociado del flotador, las básculas deben recalcularse.