2.2.3. Caudalímetro

Conceptos generales sobre medida de caudal

La medición de caudal es una de las operaciones más críticas en industrias de fluidos, como la petroquímica, el tratamiento de aguas, el sector alimentario y la climatización de procesos. El caudal define la velocidad de paso de un material fluido por una tubería o canalización. Dependiendo de los requerimientos analíticos, este puede medirse como caudal volumétrico (el volumen de fluido por unidad de tiempo, medido en $m^3/h$ o $l/min$) o como caudal másico (la masa de fluido por unidad de tiempo, medida en $kg/h$), el cual es independiente de los cambios en la densidad, temperatura y presión del fluido.

El conexionado en el armario de control de los convertidores de señal de los caudalímetros analógicos o de trenes de pulsos de alta frecuencia (como los de turbina) exige técnicas específicas. Para prevenir el acoplamiento capacitivo e inductivo provocado por cables de motores cercanos, se debe instalar cable de instrumentación apantallado por par trenzado en cumplimiento de las directivas de Compatibilidad Electromagnética (EMC) y la norma UNE-EN 61000, conectando a masa la pantalla solo en el extremo del cuadro.

Caudalímetro electromagnético

El caudalímetro electromagnético es uno de los sensores industriales más robustos al carecer de partes móviles y no presentar pérdidas de carga hidráulica en la línea de paso del fluido. Su funcionamiento se basa en la Ley de Inducción de Faraday: cuando un fluido conductor atraviesa un campo magnético perpendicular generado por las bobinas del sensor, se induce una fuerza electromotriz ($E$) entre dos electrodos instalados en el cuerpo interior. Esta tensión es proporcional a la velocidad media del fluido ($v$), la inducción magnética ($B$) y la distancia entre los electrodos ($d$):

$$E = B \cdot v \cdot d$$

El único requisito crítico es que el fluido tenga una conductividad eléctrica mínima (típicamente superior a 5 $\mu S/cm$), lo que imposibilita su uso con hidrocarburos o agua desmineralizada pura. Además, la tubería debe estar completamente llena para evitar errores significativos y requiere la instalación de anillos de puesta a tierra metálicos en los extremos del sensor si la tubería es de plástico.

Caudalímetro de Coriolis (Medición Másica Directa)

El sensor de Coriolis es el instrumento de caudal más preciso y costoso del mercado. Su funcionamiento aprovecha el efecto Coriolis que experimenta un cuerpo en movimiento en un sistema en rotación. El caudalímetro cuenta con uno o dos tubos interiores paralelos sometidos a una oscilación electromagnética de alta frecuencia. Cuando el fluido pasa a través del tubo en vibración, la inercia del flujo provoca una fuerza de torsión en el tubo (las secciones de entrada y salida vibran desfasadas entre sí).

Unos sensores ópticos o electromagnéticos miden con precisión este desfase angular temporal ($\Delta t$), el cual es lineal y directamente proporcional a la masa del caudal que fluye por su interior, sin verse afectado por fluctuaciones térmicas, perfiles de flujo turbulentos ni variaciones en la viscosidad. Además, la frecuencia de vibración del tubo varía con la densidad del fluido, permitiendo a este transductor medir caudal másico, densidad y temperatura de forma simultánea.

Caudalímetros de Vórtex y Ultrasonidos

Otras tecnologías extendidas para el control volumétrico de fluidos incluyen:

Caudalímetro de Vórtex: Se fundamenta en la calle de torbellinos de Von Kármán. Al interponer un cuerpo no aerodinámico (cuerpo difusor o "bluff body") en el interior del flujo, se generan torbellinos alternativos a ambos lados del cuerpo. Un sensor piezoeléctrico detecta la frecuencia de desprendimiento de estos vórtex ($f$), la cual guarda una relación lineal con la velocidad del fluido. Son óptimos para medir vapor de agua saturado y gases a altas temperaturas.

Caudalímetro de Ultrasonidos (Tiempo de Tránsito): Emplea parejas de transductores electroacústicos inclinados respecto al eje del tubo. Se mide la diferencia de tiempo entre un haz ultrasónico que viaja a favor de la corriente y otro a contracorriente. Esta diferencia es proporcional a la velocidad media del fluido. Es una tecnología no invasiva ideal para monitorizar conducciones de gran diámetro sin parar el proceso.

Cálculo del caudal másico a partir de la densidad

En el control de procesos, si disponemos de un caudalímetro volumétrico y deseamos estimar de forma indirecta el caudal másico ($Q_m$), se debe monitorizar de forma paralela la densidad del fluido ($\rho$) mediante un sensor auxiliar e implementar en el PLC la fórmula física:

$$Q_m = Q_v \cdot \rho$$

Donde $Q_v$ es el caudal volumétrico en metros cúbicos por segundo ($m^3/s$) y $\rho$ es la densidad en kilogramos por metro cúbico ($kg/m^3$). La precisión final dependerá del correcto alineamiento temporal de ambas mediciones analógicas en el programa del controlador.

# Script para convertir la frecuencia de impulsos generada por una

# turbina de caudal en litros por minuto (L/min).

def calcular_caudal_volumetrico(frecuencia_hz, factor_k):

    """

    Calcula el caudal a partir de la frecuencia de impulsos recibida en la

    tarjeta de contador rápido del PLC y el factor K (impulsos por Litro).

    """

    if frecuencia_hz < 0.0:

        return 0.0, "ERROR: Frecuencia errónea"

        

    # Caudal en litros por minuto

    caudal_l_min = (frecuencia_hz / factor_k) * 60.0

    return caudal_l_min



# Simulación: Turbina con factor K = 450 imp/L leyendo una frecuencia de 75 Hz

caudal_calc = calcular_caudal_volumetrico(frecuencia_hz=75.0, factor_k=450.0)

print(f"💡 Caudal instantáneo calculado: {caudal_calc:.2f} L/min")