Se trata de caudalímetros -es decir, instrumentos para determinar el caudal total en una tubería o conducto- y deben confundirse con los anemómetros de resistencia caliente o de hilo caliente, que son dispositivos para medir la velocidad en un punto.
Como se ve en la figura 6.14, utilizan el principio de dilución de trazador, en el que el calor actúa como trazador inyectado. Es obvio que, en igualdad de condiciones, el aumento de temperatura (T2-T1) será inversamente proporcional al caudal. El caudal másico viene dado por
donde H es la potencia suministrada en forma de calor y Cp es la capacidad calorífica específica a presión constante.
En la actualidad, este tipo de caudalímetros se utiliza principalmente con gases a una presión y un caudal relativamente bajos, por ejemplo, en pequeños conductos de ventilación y chimeneas. No pueden utilizarse eficazmente cuando el caudal másico es elevado, ya que allí consumirían una cantidad de energía antieconómica. Su precisión y coste inicial son moderados.
Al igual que algunos de los animales de Orwell eran más iguales que otros, ¡parece que algunos verdaderos caudalímetros másicos son más verdaderos que otros! No cabe duda de que los tipos descritos anteriormente, que se basan únicamente en principios fluidomecánicos, merecen el calificativo de caudalímetros másicos verdaderos: se les puede alimentar con prácticamente cualquier fluido, sin saber siquiera cuál es, e indicarán el caudal másico con una precisión razonable.
Los caudalímetros másicos térmicos suelen denominarse caudalímetros másicos reales, pero la idoneidad de esta descripción en su caso es algo cuestionable. Su rendimiento depende de las propiedades de transferencia de calor del fluido, de modo que si, por ejemplo, se calibran con gas natural de una composición determinada y posteriormente cambia la composición del gas, darán lecturas inexactas. Por otra parte, como las propiedades de transferencia de calor de un gas no cambian muy rápidamente con los cambios de densidad, pueden utilizarse con un gas determinado en un intervalo moderado de temperatura y presión sin demasiada pérdida de precisión; por eso los entusiastas los denominan caudales másicos reales. En general, su rendimiento sufre más con los cambios de temperatura que con los de presión, y manteniendo la temperatura del gas bastante controlada es posible obtener una precisión cercana al ±1% en una amplia gama de caudales.
Métodos inferenciales de medición del caudal másico
Se utilizan dos sistemas básicamente diferentes para medir el caudal másico de forma inferencial. Ambos utilizan un caudalímetro convencional para determinar el caudal volumétrico y/o el volumen total pasado, pero se trata de dos métodos diferentes de determinación de la densidad.
El sistema de la figura 8.3a depende del conocimiento previo de las propiedades PVT del fluido medido, es decir, de la forma en que el volumen específico del fluido varía con la presión y la temperatura. La presión y la temperatura se miden antes del caudalímetro y la densidad se calcula a partir de estas mediciones. A continuación, un segundo cálculo combina la densidad y la lectura del caudalímetro para obtener el caudal másico.
En el otro sistema de la figura 8.3b, parte del fluido pasa por un densímetro antes de entrar en el caudalímetro. De este modo, la densidad se determina directamente y, a continuación, su valor se combina con la salida del caudalímetro, como en el primer sistema. Cuando se utilice este método, hay que asegurarse de que (a) la temperatura y la presión del fluido en el densitómetro sean las mismas que en el caudalímetro (se puede tolerar una ligera diferencia de presión si se aplica una corrección para ello), y (b) que el fluido descargado del densitómetro no cree condiciones de entrada inaceptables en el caudalímetro. El descuido de estas precauciones es una causa frecuente de inexactitud en sistemas de este tipo.
¿Qué método para qué trabajo?
Aunque siempre hay excepciones a cualquier conjunto de generalizaciones, las siguientes directrices son válidas para la gran mayoría de las situaciones de medición de caudal másico.
(a) Los caudalímetros másicos verdaderos son mejores para caudales bajos, pero los sistemas inferenciales para caudales medios y altos.
(b) El medidor de puente de Wheatstone es para uso exclusivo con líquidos, y su principal campo de aplicación es la dosificación de productos químicos.
(c) Los medidores de momento angular se utilizan sobre todo con líquidos, y especialmente para la medición de combustible en aviones, pero también pueden utilizarse con gases.
(d) Los medidores térmicos se utilizan principalmente con gases, pero también pueden utilizarse con líquidos. Son bastante imprecisos en situaciones en las que la composición o la temperatura del fluido varían mucho. Una ventaja importante es el considerable aporte de energía en todos los tamaños, excepto en los más pequeños.
(e) De los dos sistemas inferenciales, el basado en las mediciones directas de la densidad está ganando popularidad a expensas de los sistemas basados en la medición de P y T; es sin duda el mejor sistema en situaciones en las que la composición del fluido que se mide puede variar.