Cómo y en qué se mide el consumo de gas: métodos de medición + revisión de todos los tipos de medidores de gas

El medidor de caudal es un dispositivo para medir el caudal volumétrico o másico de una sustancia, incluyendo gas natural, gases combustibles, gases agresivos, productos de separación de aire.  El cálculo de los volúmenes de flujo en empresas industriales o en el hogar se puede realizar sin recurrir a especialistas.

A continuación, explicaremos cómo y en qué se mide el gas, presentaremos una descripción de los dispositivos que se utilizan para este fin, y también revisaremos los principales métodos para determinar el consumo de gas.

Método directo de medición del consumo de gas

El volumen de gas se calcula en metros cúbicos; con menos frecuencia se utilizan otras unidades de masa, como toneladas o kilogramos, generalmente para gases tecnológicos.

El método directo es el único método que proporciona la medición directa del volumen de gas que pasa.

Entre los puntos débiles de los dispositivos que miden el caudal volumétrico o másico de una sustancia se encuentran:

1. Capacidad de trabajo limitada de los medidores de caudal en condiciones de gas contaminado.
2. Existe una alta probabilidad de avería debido al cierre parcial del flujo o al golpe de ariete.
3. Alto costo de los contadores rotativos en comparación con otros dispositivos.
4. Grandes dimensiones de los dispositivos.

Las numerosas ventajas de este método superan las desventajas mencionadas, por lo que también ha obtenido la mayor difusión en cuanto al número de contadores instalados.

Con un medidor de caudal se puede calcular el volumen o la masa de una sustancia por unidad de tiempo. La instalación en un tramo inclinado de la tubería permitirá reducir el error de medición.

Entre ellos se incluye la medición directa del volumen de gas, la ausencia de dependencia de las distorsiones del perfil de velocidades del flujo, tanto en la entrada como en la salida, lo que permite reducir el UUG. El ancho del rango es de hasta 1:100. Para este fin se utilizan dispositivos de tipo membrana y rotacional. Pueden utilizarse en locales con calderas de tipo impulsivo.

Métodos indirectos de medición

Estos métodos implican el cálculo, por ejemplo, de la velocidad del flujo de sustancia a través de un área de sección determinada. Para obtener resultados máximamente precisos es necesario igualar la velocidad del movimiento del gas.

Medición del consumo de gas por diferencia de presión

Uno de los métodos más comunes y estudiados de medición del flujo de gas, basado en el uso de un dispositivo de estrangulamiento, tiene varias ventajas, incluida la simplicidad del mecanismo del convertidor de flujo, cuya acción está dirigida a medir la caída de presión de la sustancia que fluye a través de una constricción local en la tubería de gas. Para realizar los cálculos no se necesitarán bancos de pruebas caudalimétricos.

A pesar de contar con una base científica y técnica completa, este método de medición tiene varias desventajas significativas – un pequeño rango de medición que, incluso considerando sensores de presión de múltiples rangos, no supera el valor de 1:10.

Los dispositivos de estrangulamiento estándar se fabrican con tecnología especial, con altos requisitos de rugosidad. Se permite su uso exclusivamente en tuberías lisas.

Las resistencias hidráulicas en tuberías de gas aumentan la sensibilidad al perfil de cambio de las velocidades promediadas a lo largo de la profundidad o el ancho del flujo en la entrada de la placa de orificio. La longitud de los tramos rectos antes de los dispositivos de estrangulamiento debe ser de al menos 10 diámetros nominales de la tubería.

Método de velocidad para determinar caudales

Para este método se utilizan transductores de tipo turbina. Estos instrumentos tienen varias ventajas, incluyendo pequeñas dimensiones y peso, y un precio accesible en su categoría.

Estos dispositivos no son sensibles a los golpes neumáticos. El intervalo de valores de medición del caudal es de hasta 1:30, lo que supera significativamente el indicador similar de los dispositivos de estrangulamiento.

El transductor de caudal de turbina TPR se puede utilizar en un medio a una temperatura de -200 a +200 °C, si el dispositivo está instalado para líquidos criogénicos no agresivos y monofásicos. Para líquidos agresivos, el valor será de -60 a +50 °C.

Entre los inconvenientes se puede mencionar la sensibilidad, aunque leve, a las distorsiones del flujo en la entrada y salida del dispositivo, y la desviación de los resultados de medición de flujos de gas pulsantes. En caudales bajos, en el rango de 8 a 10  m³/h, los caudalímetros no son operativos.

Método de medición ultrasónico

La popularidad de los caudalímetros acústicos, con los que se mide la cantidad de gas, especialmente en la medición comercial, ha aumentado con el desarrollo de la microelectrónica. Los caudalímetros acústicos carecen de piezas móviles, así como de componentes que sobresalgan en el flujo, lo que aumenta significativamente su fiabilidad.

La medición se realiza en un amplio rango de valores gracias a la capacidad del dispositivo para funcionar durante un período prolongado con una fuente de alimentación interna. Los dispositivos nacionales no cumplen con todos los requisitos necesarios, ya que para evitar la influencia de las distorsiones del flujo de gas en los resultados de los cálculos, es necesario utilizar exclusivamente caudalímetros ultrasónicos de múltiples haces.

Clasificación de medidores de caudal según el principio de funcionamiento

Los caudalímetros se diferencian en varios parámetros, incluyendo la presión, el tipo de gas utilizado y el régimen de temperatura. Se debe elegir el dispositivo según las condiciones de aplicación y los objetivos planteados.

Los instrumentos de medición constan de partes como un transductor responsable de la caída de presión, un elemento de conexión y un manómetro.

Tipo #1 – de chorro autogeneradores caudalímetros

El caudalímetro de este tipo, diseñado también para medir el caudal de gas natural, tiene varias características distintivas. El dispositivo está cubierto por realimentaciones negativas; la frecuencia de las conexiones del chorro depende del caudal de gas.

Los contadores basados en caudalímetros de chorro se utilizan para la medición comercial sin una verificación previa.

1 – elemento de chorro; 2 y 3 – transductores; 4 – dispositivo de extracción de señal; 5 – boquilla de alimentación; 6 – cámara de trabajo; 7 y 8 – paredes de la cámara de trabajo; 9 – separador; 10 y 11 – boquillas de control; 12 y 13 – canales receptores; 14 y 15 – canales de drenaje; 16 y 17 – canales de retroalimentación; 18 – expansión de la boquilla de alimentación; 19 – escalón en la boquilla de alimentación

El caudalímetro de chorro autogenerador es propenso a la obstrucción; entre sus desventajas también se encuentra la inestabilidad del factor de conversión.

Estos dispositivos tienen desventajas similares a los dispositivos de vórtice:

• dependencia de las distorsiones del perfil de velocidades, cuando se utilizan junto con dispositivos de estrechamiento;
• las pérdidas de presión másicas son irreversibles;
• la parte principal del caudalímetro tiene dimensiones enormes;
• inestabilidad significativa del factor de conversión.

Las ventajas del caudalímetro autogenerador no difieren de las del dispositivo de vórtice, excepto por la capacidad de trabajar con gases contaminados. Estos caudalímetros no han encontrado una amplia aplicación práctica en la medición comercial.

Tipo #2 – medidores de caudal de vórtice

Se destacan varios puntos fuertes de los dispositivos, incluyendo la precisión de las mediciones realizadas, falta de sensibilidad a contaminaciones y golpes neumáticos, facilidad de operación; además, el dispositivo carece de piezas móviles.

Los dispositivos soportan las condiciones externas más exigentes, la precisión de las lecturas está garantizada a temperaturas ambiente de hasta 500 grados Celsius, el nivel máximo de presión es de 30 MPa

También se conocen desventajas significativas del uso de este tipo de caudalímetros – mayor sensibilidad a las vibraciones mecánicas, caída de presión. El diámetro de las tuberías debe estar en el rango de 15-30 cm.

Tipo #3 – medidores de caudal ultrasónicos

El dispositivo, también conocido como acústico, tiene varias ventajas indiscutibles:

• ausencia de resistencia hidráulica;
• el dispositivo no tiene piezas móviles, lo que aumenta su fiabilidad;
• mayor robustez del mecanismo;
• acción rápida.

Este tipo de caudalímetro se basa en la determinación de la diferencia de tiempo de tránsito de la señal.

El funcionamiento de los caudalímetros ultrasónicos no depende de la temperatura, la presión ambiente, la viscosidad ni la conductividad eléctrica, lo que garantiza la precisión de los datos obtenidos.

Los sensores ultrasónicos, colocados en diagonal uno respecto al otro, funcionan como receptor y emisor. La utilización de múltiples canales compensa la deformación del perfil del flujo.

Tipo #4 – medidores de caudal de tambor

Esta categoría de dispositivos se utiliza generalmente para realizar investigaciones de laboratorio. La presión generada durante la rotación del tambor provoca el llenado de las secciones con gas y su posterior vaciado.

Para el funcionamiento completo de los mecanismos de conteo de tambor (sin generador de impulsos) no se necesita una fuente de alimentación constante, lo que es su ventaja indiscutible.

El número de revoluciones del tambor es proporcional a las unidades cúbicas de gas; la lectura se transmite al cuadrante del mecanismo contador. Los caudalímetros de tambor tienen una alta precisión de medición.

Tipo #5 – levitacionales dispositivos

La pieza móvil del dispositivo tacométrico gira en cojinetes, la velocidad equivale al caudal volumétrico del gas. La conversión de la velocidad del movimiento circular en una señal eléctrica se realiza mediante un convertidor secundario, los resultados se muestran en el indicador.

Los dispositivos de medición levitacionales funcionan en condiciones de -30 a +50 grados Celsius, y el margen de error de los valores se encuentra en el rango de ±1,5%

Los dispositivos levitacionales tienen demanda en la medición comercial del consumo de gas natural, tanto para fines domésticos como municipales.

Tipo #6 – contadores de membrana

La patente para la fabricación de uno de los dispositivos de medición para medir gas fue otorgada en la segunda mitad del siglo XIX en Inglaterra.

El principio de funcionamiento del medidor de flujo mecánico se basa en el cambio de posición de las membranas de cámara móviles en el momento de la entrada de gas.  El movimiento alterno se realiza durante la admisión y descarga del fluido.

El dispositivo para medir el flujo de gas de tipo membrana puede constar de 2 o 4 cámaras, dependiendo de los volúmenes del fluido medido y del diseño.

El sistema de engranajes y palancas acciona el dispositivo contador. Los mecanismos tienen un amplio rango de valores para mediciones – hasta 1:100.

Tipo #7 – dispositivos rotativos

En un dispositivo de tipo mecánico, en la cámara de medición se encuentran dos rotores que comienzan a moverse bajo la presión del fluido. Las piezas giratorias están ubicadas en ángulo recto entre sí, y su posición inicial se fija mediante ruedas sincronizadoras.

La cantidad de gas es proporcional al número de revoluciones de los rotores. Mediante un acoplamiento magnético y un reductor, la rotación del rotor se transmite al dispositivo contador, que se encarga de acumular el volumen del fluido que ha pasado.

El medidor de flujo rotativo tiene una gran capacidad de paso, se utiliza en servicios públicos, empresas de consumo de gas de mediano y pequeño volumen.

Entre las principales ventajas de los medidores de flujo rotativos se pueden mencionar la alta precisión de medición, la compacidad del instrumento y el amplio rango de medición de caudales. Entre las desventajas se destacan el ruido del mecanismo, su alto costo, la sensibilidad a factores externos, incluida la contaminación.

Tipo #8 – medidores de caudal de turbina

El instrumento de tipo mecánico tiene forma de un tramo de tubería; en el interior del medidor de flujo se encuentra una turbina con un eje y soportes móviles. El dispositivo de fuerza se mueve gracias al fluido que pasa a través de la cámara de medición.

La velocidad de movimiento del mecanismo es igual a la velocidad del flujo y al caudal de gas. El volumen acumulado se refleja en el mecanismo contador; la transmisión se realiza de forma mecánica mediante un reductor y un sistema de engranajes.

El dispositivo contador de turbina solo puede utilizarse con sustancias de movimiento limpias – gas, líquido o vapor en estado suspendido, siempre que no contengan partículas sólidas.

Además de los mencionados, existen otros dispositivos, pero generalmente se utilizan en investigaciones científicas. En el ámbito comercial prácticamente no se emplean.

Le recomendamos también leer nuestro otro artículo, donde explicamos detalladamente cómo elegir un contador de gas para el hogar. Más información – siga el enlace.

Dispositivos para medir la cantidad de gas

Los dispositivos para medir el flujo de gas según el método de cálculo se dividen en varias categorías. Los de velocidad se utilizan para determinar el caudal volumétrico del medio investigado. En estos instrumentos no hay cámaras de medición. El elemento sensible es turbina (tangencial o axial), que es puesta en rotación por el flujo de la sustancia.

Los contadores volumétricos se caracterizan por una menor dependencia del tipo de producto. Entre sus desventajas se pueden mencionar la complejidad de diseño, el alto precio y las dimensiones considerables. El dispositivo consta de varias cámaras de medición y tiene un diseño más complejo. Este tipo de instrumentos se divide en varias variedades: de pistón, de paletas y de engranajes.

También se conoce otra clasificación de los contadores de cantidad de gas, que incluye tres tipos de dispositivos: rotativos, de tambor y de válvula.

Los contadores rotativos tienen una gran capacidad de paso. Su funcionamiento se basa en el cálculo del número de revoluciones de las paletas dentro del dispositivo, cuyo indicador corresponde al volumen de gas. Entre sus principales ventajas se pueden mencionar la durabilidad, la independencia de la energía eléctrica y la mayor resistencia a sobrecargas de corta duración.

Los contadores de gas de tipo tambor funcionan según el principio de desplazamiento. Factores correctivos como la temperatura, la composición del gas y el nivel de humedad no se tienen en cuenta.

Los contadores de tambor constan de una carcasa, un mecanismo de conteo y un tambor con cámaras de medición. El principio de funcionamiento del dispositivo para medir el consumo de gas consiste en determinar el número de revoluciones del tambor, que gira debido a la diferencia de presión. A pesar de la precisión de los cálculos, este tipo de instrumentos no ha encontrado una amplia aplicación debido a sus grandes dimensiones.

El principio de funcionamiento del último tipo de contadores, conocido como de válvula, se basa en el desplazamiento de un tabique móvil sobre el que actúa la diferencia de presión de la sustancia. El dispositivo consta de varias partes: el mecanismo de conteo y distribución de gas, así como la carcasa. Tiene grandes dimensiones, por lo que se utiliza principalmente en el hogar.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Sobre cómo funcionan los medidores de gas por vórtice se hablará en el siguiente video:

La medición del flujo de gas es una de las tareas clave en la producción. En el mercado de medidores de flujo se presenta una gran cantidad de dispositivos con diferentes diseños y principios de funcionamiento, que también son adecuados para uso doméstico. Con ellos se puede determinar prácticamente cualquier cantidad de líquido o gas, y no se requiere una instalación de calibración especial de referencia.

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