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En las instalaciones industriales hay muchos lugares donde es necesario medir el caudal de gases. Los casos típicos de aplicación incluyen aire, gas natural, cloro, oxígeno, gas de antorcha y los gases de escape de los automóviles, entre otros. En los casos en que es necesario controlar la combustión, la medición del flujo de gas es fundamental para un control óptimo de la relación aire/quemador. La distribución adecuada del aire en la combustión afecta directamente su estabilidad y eficiencia. En los procesos de hidrocracking en la industria petroquímica, la medición y control del flujo de hidrógeno son de gran importancia para optimizar las condiciones y mejorar la eficiencia. Con el rápido desarrollo industrial de nuestro país y la creciente exigencia por la protección del medio ambiente, que impulsa el uso de fuentes de energía renovables, la medición de gases ha ido ganando cada vez más importancia. Pero actualmente, el problema de la medición del caudal de gas es bastante destacado. Por ejemplo, los medidores de flujo de gas de gran diámetro y alto caudal presentan muchos problemas ； La dosificación de gases mezclados, cuyos parámetros como temperatura, presión y composición varían significativamente, también representa un gran desafío que debe resolverse con urgencia. 1.1 Características de los gases mezclados. Los gases mezclados son medios muy utilizados en entornos industriales. El gas natural, el gas de ciudad, el gas utilizado en antorchas y los gases emitidos por calderas son ejemplos comunes de gases mezclados. Los gases mezclados suelen tener las siguientes características: a. Están muy sucios. En los gases mezclados, generalmente se encuentran algunos componentes impuros, como por ejemplo: en el gas de carbón hay alquitrán de carbón, polvo y agua, entre otros componentes impuros ； El humo contiene cenizas volantes. b. Componentes variables. Los componentes del gas mezclado experimentan ciertos cambios, presentando características variables en el tiempo. Por ejemplo: el gas natural contiene diversos componentes como CO2, O2, H2, CO y CH4. A medida que cambian los procesos de producción o las características de las materias primas, la composición del gas natural también varía. Por ejemplo, el gas de antorcha contiene compuestos de hidrocarburos, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, entre otros componentes. Cambios en los procesos de las refinerías o fugas en las válvulas también pueden hacer que varíe el porcentaje relativo de estos gases en el gas de antorcha. c. Cambios en la temperatura y la presión. Por ejemplo: el rango de temperatura del gas de antorcha es muy amplio, desde temperaturas bajo cero de decenas de grados hasta temperaturas altas de trescientos o cuatrocientos grados. Las variaciones en la temperatura y la presión del gas mezclado que se mide pueden causar errores significativos en las mediciones. Por lo tanto, es mucho más razonable medir el caudal de masa del gas mezclado que el caudal volumétrico. d. El rango de variación del caudal es grande. Los gases mezclados como el gas natural, el gas de ciudad y el gas de antorcha presentan un amplio rango de caudales. Por ejemplo, en una refinería que funciona normalmente, la velocidad del flujo de gas en la antorcha suele ser baja; el rango típico de velocidad en condiciones de bajo flujo es de 0,01 a 15 m/s. Sin embargo, en caso de emergencia, la velocidad del flujo de gas en la antorcha puede llegar a los 60 m/s en poco tiempo. Lo mismo ocurre con el gas natural y el gas de ciudad: la diferencia entre el caudal de gas durante los períodos de mayor consumo y durante los períodos de menor consumo puede ser de más de 20 veces. 1.2 Discusión sobre los métodos de medición del caudal de gas. La mayoría de los métodos existentes para medir el caudal de gas presentan, en mayor o menor medida, algunas deficiencias, lo que dificulta resolver adecuadamente el problema de la medición del caudal de gas. Los métodos de medición del caudal de gas deben realizarse a través de un medidor de caudal específico. A continuación, se analizan los medidores de flujo de gas más utilizados, así como los problemas que surgen en la medición del flujo de gas. 1.2.1 Medidor de caudal por vórtices de Coriolis. El medidor de caudal por vórtices de Coriolis es un tipo de medidor de caudal desarrollado en la década de 1970. Actualmente, se considera uno de los medidores de caudal más utilizados. Se utiliza ampliamente para medir el caudal de gases, líquidos y vapores. Los medidores de caudal por efecto vórtice han experimentado un rápido desarrollo, especialmente en lo que respecta a los métodos de detección de señales y al procesamiento de estas. Utilizar estos medidores presenta varias ventajas: por ejemplo, su instalación es sencilla y se produce una pequeña pérdida de presión ； Existen muchos tipos de fluidos a los que se puede aplicar esta medición, como líquidos, gases y vapor ； Precisión alta ； Amplio rango de medición, que puede llegar a 10:1~20:1 ； Dentro de un rango determinado de números de Reynolds, la señal de salida no se ve afectada por las propiedades del fluido (densidad, viscosidad) ni por sus componentes; es decir, el coeficiente del instrumento solo depende de la forma y dimensiones del generador de vórtices y del tubo ； Basta calibrarlo en un medio típico para que sea aplicable a diversos medios. Pero los medidores de caudal por vórtices también presentan algunas deficiencias en su uso práctico: no son adecuados para la medición de fluidos con números de Reynolds bajos ； La estabilidad de la separación por vórtices en el flujo está relacionada con las distorsiones en la distribución de la velocidad del flujo y con el movimiento rotativo del mismo. Por lo tanto, es necesario colocar tramos rectos lo suficientemente largos, o instalar dispositivos de regularización, en la zona aguas arriba, debido a las diferentes formas de resistencia presentes en esa área ； Los medidores de caudal de tipo vórtice que utilizan el método de detección basado en la fuerza son sensibles a las vibraciones mecánicas en las tuberías, por lo que no son adecuados para entornos con fuertes vibraciones ； En comparación con los medidores de caudal por turbina, su coeficiente de instrumentación es más bajo y su resolución es menor. Cuando los medidores de caudal por efecto vórtice se utilizan para medir gases, las vibraciones en las tuberías causadas por los equipos de presurización, la fuerza de impacto del gas dentro de las tuberías y las presiones fluctuantes aleatorias del gas pueden afectar la medición del caudal. Además, en la práctica, suele ser difícil mantener una velocidad del flujo superior a 5 m/s; esto hace que los medidores de caudal por método de vórtices presenten un error significativo cuando la velocidad del flujo es baja. 1.2.2 Medidores de caudal por diferencia de presión: Los medidores de caudal por diferencia de presión calculan el caudal en función de la diferencia de presión que se genera en los componentes de restricción instalados en las tuberías, así como de parámetros como las condiciones del fluido, los componentes de restricción y las dimensiones geométricas de las tuberías. Su uso ocupa el primer lugar entre los medidores de caudal. En los últimos años, con la difusión del uso de diversos tipos de medidores de caudal de nueva generación, la cuota de mercado de los medidores de caudal por diferencia de presión ha ido disminuyendo. No obstante, siguen siendo el tipo de medidores más importante actualmente. Los medidores de caudal por diferencia de presión se utilizan ampliamente en la medición del caudal de gases, y son el tipo de medidor más común actualmente para la medición del gas y el gas natural. Según estimaciones de investigaciones recientes, en los instrumentos de medición del flujo de gas natural, las placas de orificio estándar representan aproximadamente el 55% a nivel internacional y el 80% a nivel nacional. El medidor de caudal por diferencia de presión está compuesto por un dispositivo primario y un dispositivo secundario. Por lo general, los medidores de caudal por diferencia de presión se clasifican según el tipo de elemento de restricción que utilizan, como los medidores de caudal con placa perforada, los medidores de caudal con tubo de Venturi, los medidores de caudal con tubo de velocidad uniforme, entre otros. Los elementos de restricción de los caudalímetros de diferencia de presión (especialmente los de tipo estándar) son bastante versátiles y han sido reconocidos por las organizaciones internacionales de normalización. La investigación experimental sobre los elementos de restricción estándar en los medidores de caudal por diferencia de presión es de carácter internacional; otros tipos de medidores de caudal difícilmente pueden alcanzar tal profundidad y amplitud. El medidor de caudal por diferencia de presión de tipo estándar es el único tipo de medidor que puede utilizarse sin necesidad de calibración con flujo real. Los medidores de caudal por diferencia de presión también presentan algunas limitaciones en su uso: la repetibilidad y la precisión de las mediciones son de nivel medio-bajo, y resulta difícil mejorarlas aún más ； El rango de medición es bastante estrecho; generalmente, está entre 3:1 y 4:1 ； No se puede utilizar en situaciones donde hay grandes variaciones en el caudal. Algunas publicaciones también proponen métodos para ampliar el rango de medición del medidor de caudal por diferencia de presión; además, se requieren condiciones específicas para su instalación en el sitio ； Las tuberías de presión son propensas a sufrir fallos como fugas, obstrucciones, congelamiento y distorsión de las señales ； La pérdida de presión es alta. Los medidores de caudal por diferencia de presión no son adecuados para gases mezclados sucios como el gas de ciudad, el gas natural o los gases de combustión. Las razones principales son las siguientes: a. En el caso del gas de ciudad y el gas natural existen picos y valles en su consumo; la variación en el caudal es grande. Además, el rango de medición de los medidores de caudal por diferencia de presión no es alto, lo que genera errores significativos durante su uso. En las aplicaciones prácticas, generalmente se utiliza la conexión en paralelo de tuberías auxiliares a la tubería principal para ampliar el rango de medición del medidor de caudal por diferencia de presión. Sin embargo, esto hace que el sistema de medición sea más complejo, aumenta los costos de inversión y también incrementa las necesidades de mantenimiento. b. En los gases mezclados como el gas de carbón, el gas natural y los gases de combustión existen impurezas que pueden causar obstrucciones en las tuberías de presión y cambios en las características de los elementos de restricción del flujo. Por este motivo, algunas empresas han desarrollado placas de orificio lavables que facilitan su limpieza, para realizarla de forma periódica o irregular y así garantizar el correcto funcionamiento de los instrumentos y la precisión en las mediciones. Sin embargo, en la práctica sigue siendo difícil resolver los diversos problemas causados por la suciedad. c. La pérdida de presión es alta, lo que dificulta el transporte de gases por tuberías. Además, los medidores de caudal por diferencia de presión no pueden utilizarse con fluidos de oxígeno ni en condiciones de baja presión. 1.2.3. Medidor de caudal por rotor. El medidor de caudal por rotor, también conocido como medidor de caudal por flotador, es un tipo de medidor de caudal de área variable. El caudalímetro de rotor tiene una estructura sencilla; su uso es segundo solo al de los caudalímetros de diferencia de presión. Desempeña un papel fundamental en la medición de caudales muy pequeños. Los medidores de caudal de un solo rotor presentan desventajas como un diámetro de tubería pequeño y muchas limitaciones en su instalación. Los medidores de caudal por rotor tienen una baja precisión; es necesario utilizar gases reales para su calibración. Solo pueden utilizarse en aplicaciones donde no se exige alta precisión (con un nivel de precisión inferior a 2,5). Por su parte, gases como el gas de ciudad y el gas natural suelen enfrentarse a problemas relacionados con la liquidación comercial; por ello, es necesario garantizar una cierta precisión en las mediciones. Además, los cambios en la composición de los gases mezclados afectan la señal de salida del medidor de caudal. Por estas razones, los medidores de caudal de tipo rotor no son adecuados para ser utilizados con gases mezclados, ni en aplicaciones que requieran diámetros grandes de tuberías y alta precisión. 1.2.4 Medidores de caudal por turbina: Los medidores de caudal por turbina están compuestos por un sensor y un dispositivo de conversión y visualización. El sensor utiliza un rotor con varias palas para detectar la velocidad promedio del fluido, lo que permite calcular el caudal. La velocidad del flujo en el rotor puede ser detectada mediante métodos como el de inducción magnética o el fotoeléctrico, y los dispositivos ubicados en la parte posterior se encargan de mostrarla, transmitirla y registrarla. Los medidores de caudal por turbina se utilizan ampliamente en aplicaciones que involucran petróleo, líquidos orgánicos, líquidos inorgánicos, gas licuado, gas natural, gas urbano y fluidos a bajas temperaturas. En el extranjero, en las estaciones de transferencia y distribución de gas licuado de petróleo, productos petrolíferos refinados y crudo ligero, así como en las estaciones de inicio y fin de las grandes tuberías de transporte de crudo, se utilizan ampliamente medidores de caudal por turbina para los cálculos comerciales. En Europa y Estados Unidos, los medidores de caudal por turbina son los instrumentos de medición de gas natural con el segundo mayor uso, después de los medidores de caudal por placa perforada. Los medidores de caudal por turbina presentan las siguientes características: alta precisión, que generalmente puede alcanzar el 0,5%–0,2% ； El rango de medición es general; la relación entre el caudal máximo y el mínimo suele ser de 6:1 a 10:1 ； Buena repetibilidad ； Baja pérdida de presión ； Salida de señal digital ； Fácil de instalar y mantener. Las limitaciones del medidor de caudal por turbina radican en que no puede mantener sus características de calibración a largo plazo, y es necesario realizar su calibración periódicamente ； En general, no es adecuado para la medición del caudal de medios con alta viscosidad ； Las propiedades del fluido (densidad, viscosidad) tienen una gran influencia en las características del caudal ； La distribución de la velocidad del flujo y las distorsiones tienen un gran impacto en el caudal ； Se exigen altos estándares de limpieza para el medio a ser probado. Como se puede ver, aunque los medidores de caudal por turbina tienen una alta precisión, su rango de medición es relativamente limitado. Además, son susceptibles a la contaminación y al desgaste. Por último, el costo de fabricación de los medidores de caudal por turbina de gran diámetro es bastante elevado. Por lo tanto, ocupa un lugar importante en la medición del caudal de gases limpios con diámetros pequeños y medianos (menores que DN300), pero resulta insuficiente para gases sucios como el gas de ciudad o el gas natural. 1.2.5. Medidores de caudal por ultrasonidos: Los medidores de caudal por ultrasonidos son instrumentos que miden el caudal volumétrico del fluido, mediante la detección de la influencia que el flujo del fluido ejerce sobre los haces ultrasónicos. No presenta pérdidas de presión; es uno de los medidores de caudal que más han crecido en los últimos años. Tiene ventajas destacadas en la medición de caudales en tuberías de gran diámetro. Los medidores de caudal ultrasónicos que se utilizan en tuberías cerradas pueden clasificarse, según su principio de funcionamiento, en: método del tiempo de propagación, método del efecto Doppler, método de desplazamiento del haz, método de correlación y método basado en el ruido. La aplicación de los medidores de flujo ultrasónicos comenzó en la década de 1990. Gracias a sus ventajas destacadas, como una alta precisión en las mediciones, un amplio rango de medición, ausencia de pérdidas de presión y no contar con partes móviles, ganaron popularidad entre los usuarios. Se han utilizado para medir el flujo de gases. Hasta la fecha, 12 países, como Estados Unidos, Países Bajos y Reino Unido, han aprobado los medidores de flujo ultrasónicos como instrumentos de medición legales para fines comerciales. Pero solo es adecuado para diámetros medianos y grandes, y su precio es elevado. Actualmente, hay pocos usuarios en el país que utilizan medidores de flujo ultrasónicos importados para medir el caudal. 1.2.6. Medidor de caudal por rodillos de gas. El medidor de caudal por rodillos de gas es un tipo de medidor de caudal volumétrico que ofrece una alta precisión y fiabilidad. No requiere tramos rectos de tubería antes y después de su instalación. Su rango de medición es bastante amplio, pudiendo llegar hasta 10:1. Pero, por razones estructurales, el cuerpo del medidor de caudal de rodillos de gas no puede soportar las diversas tensiones que se generan en la tubería durante su instalación; además, se requiere que el medio sea muy limpio (de lo contrario, las partes móviles pueden atascarse). Por lo tanto, su aplicación en la medición del caudal de gases mezclados está sujeta a ciertas limitaciones. Además, dado que los medidores de caudal con rodillos de gran diámetro son especialmente voluminosos, rara vez se utilizan en tuberías de gran diámetro. En la práctica, se emplean principalmente para medir el caudal de gases en tuberías de pequeño diámetro. Otros medidores de caudal de tipo volumétrico, como los medidores de caudal húmedos y los medidores de tipo Roots, también tienen dificultades para ser utilizados con gases mezclados debido a limitaciones en su instalación. 1.2.7. Medidor de caudal masivo de gas por método térmico. El medidor de caudal masivo de gas por método térmico es un instrumento que utiliza el principio de intercambio de calor para medir el caudal del gas; es decir, mide el caudal a través de la relación de intercambio de calor entre el gas en movimiento y una fuente de calor. En la década de 1960, Estados Unidos fue el primer país en desarrollar medidores de flujo de gas de tipo térmico para la industria aeroespacial; posteriormente, estos dispositivos experimentaron un gran desarrollo en la industria de semiconductores. El medidor de caudal de masa de tipo térmico tiene las siguientes características: puede medir caudales muy bajos, incluso aquellos que son extremadamente pequeños ； Sin partes móviles, alta fiabilidad ； La pérdida de presión es muy pequeña, casi insignificante ； Medición directa del caudal de masa, sin necesidad de correcciones de presión o temperatura ； Salida de señal eléctrica, valor de salida alto ； Relación de rango muy alta (1000:1) ； El precio no está muy relacionado con el diámetro del tubo; es fácil de instalar ； Buena reproducibilidad. Actualmente, los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico se utilizan ampliamente en diversos sectores industriales para la medición del caudal de gases, como en la medición del caudal de gas natural, gas de ciudad, aire, gas utilizado en antorchas, hidrógeno, oxígeno. También se emplean en la industria automotriz (para medir los gases de escape de los automóviles), en sistemas CEMS, en el sector sanitario (para medir el caudal de oxígeno y otros gases), en la industria energética (para regular la mezcla de gases en procesos de combustión), en sistemas de calefacción y ventilación, y en servicios públicos (para medir el caudal de gases como cloro y ozono). 1.3. Medición del caudal masivo de gas. Como se puede observar en el análisis previo de los instrumentos de medición de caudal, la mayoría de ellos miden el caudal volumétrico. En la medición industrial, la temperatura, la presión y los componentes del medio cambian constantemente, lo que provoca errores significativos en las mediciones del caudal volumétrico, haciendo que dichas mediciones pierdan su sentido. En estas aplicaciones, medir el caudal masivo del medio es mucho más útil que medir su caudal volumétrico. Estas situaciones incluyen la dosificación y el control de calidad en la producción industrial, el equilibrio entre materiales y energía, así como los acuerdos comerciales. Tras más de 20 años de investigación y desarrollo, se han creado medidores de caudal de masa con valor práctico en aplicaciones reales. Los métodos más comunes para medir el caudal de masa son el método indirecto y el método directo. 1.3.1. Medición indirecta del caudal de masa. El método de medición indirecta del caudal de masa es uno de los métodos más antiguos utilizados en la industria para este propósito. En aplicaciones donde no se requiere una alta precisión en las mediciones, donde el rango de cambios de temperatura y presión es pequeño, o donde existe una relación lineal entre la temperatura y la densidad del medio, se utiliza con frecuencia el método de medición indirecta del caudal de masa. Sin embargo, en los medios cuya relación entre temperatura, presión y densidad es bastante compleja, resulta difícil lograr una compensación automática y precisa. Al mismo tiempo, este método de medición implica la medición de varios parámetros intermedios, lo que genera numerosas etapas de medición y dificulta garantizar y mejorar la precisión de la medición del caudal de masa. 1.3.2. Medición directa del caudal de masa. Con el desarrollo de los métodos de medición directa del caudal de masa a lo largo del tiempo, se han creado diversos tipos de medidores de caudal de masa. Entre ellos, algunos medidores de caudal de masa son versiones mejoradas de los medidores de caudal volumétrico. Por ejemplo, el medidor de caudal masivo por diferencia de presión, que se compone de una placa de orificios en combinación con una bomba de caudal constante; o el medidor de caudal masivo de doble turbina, formado por dos turbinas. Estos medidores de caudal, debido a razones estructurales, son difíciles de utilizar ampliamente. Actualmente, en las aplicaciones prácticas, para medir directamente el caudal de masa de fluidos en fase líquida o de flujos mixtos con predominio de fase líquida, se utiliza principalmente el medidor de caudal de masa por efecto Coriolis. En cambio, para medir directamente el caudal de masa de los gases, se emplea con frecuencia el medidor de caudal de masa térmico. Actualmente, los medidores de caudal por efecto Coriolis presentan algunos problemas y limitaciones en su uso; se emplean principalmente para medir fluidos monofásicos, especialmente líquidos monofásicos. También hay algunos estudios que indican que puede aplicarse a la medición del flujo en atmósferas densas, pero estos resultados aún no han alcanzado un nivel de utilidad práctica. El medidor de caudal masivo de gas por método térmico tiene su origen en el “anemómetro de hilo caliente”. A medida que se reconocieron las ventajas de la tecnología de medición térmica, los medidores de caudal de gas de tipo térmico experimentaron un rápido desarrollo. Los medidores de flujo de gas térmicos se dividen en dos tipos: de equilibrio energético y de convección. Los medidores de caudal térmicos de tipo balance energético también se conocen como medidores de caudal térmico distribuido o medidores calorimétricos. Los medidores de caudal de tipo convectivo, por su parte, se basan en la ley de Kirchhoff relacionada con el efecto de disipación térmica (enfriamiento); a estos se les denomina también medidores de tipo intrusivo o de inserción. Los medidores de caudal térmicos de tipo balance de energía se utilizan con frecuencia para la medición de caudales bajos, mientras que para la medición de caudales altos se suelen emplear medidores de caudal de gas térmicos de tipo convección. Los medidores de caudal térmicos de tipo convectivo se dividen en dos tipos: aquellos con energía constante (caudal constante) y aquellos con temperatura constante (temperatura fija). La velocidad de los medidores de caudal de gas térmicos con estabilidad de temperatura es mayor que la de los modelos con energía constante; este es el principal rumbo de desarrollo actual en los medidores de caudal de gas térmicos. Los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico tradicionales requieren que el gas a medir sea de un solo componente o de composición fija, y también imponen requisitos bastante estrictos en cuanto a las condiciones del proceso. Sin embargo, algunas empresas internacionales especializadas en la fabricación de medidores de flujo de gas térmicos, como SIERRA en Estados Unidos, han desarrollado tecnologías avanzadas en este campo. Estos medidores permiten obtener resultados precisos en situaciones donde las condiciones de proceso son complejas y los gases están compuestos por múltiples componentes. Además, la vida útil del producto puede llegar a los 10 años, manteniendo un excelente rendimiento. 1.4. Análisis de la viabilidad de los métodos de medición del caudal de gases mezclados. Según el análisis anterior, los medidores de caudal ultrasónicos y los medidores de caudal por calor son adecuados para medir el caudal de gases mezclados. Sin embargo, los medidores ultrasónicos son costosos, lo que dificulta su uso a gran escala. Los medidores de flujo de gas térmicos tienen un precio razonable y son fáciles de utilizar. Presentan ventajas al medir gases mezclados, por lo que la investigación en este tipo de medidores tiene buenas perspectivas. La superficie de contacto entre la sonda del medidor de caudal de gas por efecto térmico y el gas está compuesta por diversos metales o aleaciones, que son resistentes a la corrosión y a altas temperaturas, y cuya superficie se puede limpiar fácilmente. Por lo general, está diseñado para una instalación con válvula de bola, lo que permite realizar tareas como la inserción, recuperación y limpieza de la sonda sin interrumpir el flujo de gas. De esta manera, se puede eliminar el impacto de la suciedad en los gases mezclados. El caudalímetro de tipo térmico mide directamente el caudal masivo de gas, lo que permite eliminar en gran medida la influencia de las variaciones de temperatura y presión del gas. El medidor de caudal de gas térmico presenta una resistencia al flujo extremadamente baja, con prácticamente ninguna pérdida de presión. El rango de medición de los caudalímetros térmicos es muy amplio, lo que los hace ideales para situaciones en las que hay grandes variaciones en el caudal de gases mezclados.