Los pros y contras de los rotámetros

 También conocidos como medidores de caudal de área variable, estos instrumentos representan quizás la tecnología más sencilla para la medición de caudal. A pesar de su simplicidad, diversos factores pueden influir, por lo que no siempre son la mejor opción.

Fig. 01 Rotámetro o medidor de caudal de área variable

CONTENIDO:

• ¿Cómo funciona?
• Algunas ventajas de los rotámetros
• Algunas desventajas de los rotámetros
• Corrección de presión y temperatura en rotámetros
• Ejemplo de corrección de presión y temperatura en el caudal
• Instalación recomendada de un rotámetro
• Correcciones debidas a fluidos distintos del agua o el aire
• Ejemplo de corrección del caudal debido al uso de un fluido diferente

¿Cómo funciona?

Su principio de funcionamiento se basa en el equilibrio de fuerzas que actúa sobre un flotador dentro de un conducto vertical de geometría cónica. Este equilibrio de fuerzas, que actúa sobre el flotador, es el siguiente:

$F_G = F_D + F_B$        Eq. (01)

Donde $F_G$ representa la fuerza gravitacional correspondiente al efecto del peso del flotador que actúa hacia abajo. $F_D$ representa la fuerza de arrastre que actúa hacia arriba debido al fluido que circula por el conducto y pasa por el flotador. Finalmente, $F_B$ representa la fuerza de flotación que también actúa hacia arriba debido a las diferencias de densidad.

Fig. 02 Fuerzas que actúan sobre el flotador dentro de la tubería de forma cónica.

En resumen, la velocidad del fluido, digamos $v_f$, aparece en diferentes términos de la ecuación (01), por lo que se puede aislar fácilmente. La velocidad del fluido $v_f$ es entonces una función de la viscosidad, la densidad del fluido y del flotador, y del área de la sección transversal del flotador y del conducto, que se puede determinar fácilmente.

Sin embargo, queda una pregunta: si se tiene la velocidad del fluido en una tubería cónica, ¿cómo se puede leer el caudal en una escala en la pared de la tubería?

Fácil. Se necesita usar la ecuación repetidamente.

$Q=v_FA$        Eq. (02)

En cualquier altura de la tubería donde se desee conocer el caudal. Como se puede observar, el área de la sección transversal cambia con la altura, al igual que el caudal.

Algunas ventajas de los rotámetros

• No se requiere capacitación (de hecho, poca) para la lectura de mediciones. Necesitará conocer la parte del flotador donde debe tomarse la lectura. Existen flotadores de diversas formas según el fabricante y el modelo. 

Fig. 03 Algunos ejemplos de flotadores en rotámetros. Observe que el punto en el que debe leerse el caudal en la escala es diferente para cada flotador (indicado por la línea horizontal).

• Es económico. Aunque su costo dependerá de las condiciones de operación (caudal máximo, presión, temperatura y compatibilidad del fluido con el instrumento). La fiabilidad también es un parámetro importante: los precios pueden variar según el fabricante.
• Hay diferentes modelos/diseños disponibles en el mercado.

Fig. 04 Ejemplos de rotámetros. Algunos son para caudales pequeños, otros para gases y otros incluyen interruptores.

• Algunos modelos/diseños pueden ofrecer uno o dos interruptores de flujo (lo que incrementaría su costo). Estos pueden ser contactos NA/NC para activar alarmas, por ejemplo:

Fig. 05 Rotámetro con dos interruptores destinados a disparar dos alarmas (baja y alta).

• Respuesta rápida (en ms)
• Fácil limpieza
• Su instalación no requiere calibración. Además, el desgaste de la escala en la pared del instrumento no es un problema común.
• Se pueden utilizar para líquidos y gases.

Algunas desventajas de los rotámetros

• No es un instrumento portátil. No existen versiones ni modelos portátiles.
• En principio, es un instrumento visual debido a su flotabilidad, por lo que suele fabricarse con materiales transparentes (algunos plásticos), lo que lo hace frágil y con baja resistencia a las tensiones o la fatiga.

Fig. 06. Ejemplo de rotámetro fabricado en metal en lugar de plástico. Es un modelo poco común. Observe que funciona con caudales bajos.

Sin embargo, existen modelos con conducto metálico en lugar de plástico, lo que obliga al instrumento a ser digital. La conveniencia de estos modelos puede ser limitada.

• Este tipo de instrumentos se limita a bucles de control abiertos. En otras palabras, la automatización no es posible. Como máximo, se utilizan interruptores de flujo.
• Los datos de caudal no se pueden transferir automáticamente a otro dispositivo. La lectura de los datos de la báscula depende de una persona.
• Debido a la forma en que se realiza el equilibrio de fuerzas, su instalación debe realizarse únicamente en vertical. Se prohíben las posiciones de instalación horizontales e inclinadas.
• Dado que generalmente está hecho de plástico, debe instalarse en interiores. De lo contrario, la luz solar dañará el material polimérico, lo que reducirá la transparencia de la pared, la resistencia a la presión u otros daños.
• No es un instrumento preciso, ya que puede haber error humano al leer la escala.
• La escala en la pared del tubo puede no tener la precisión deseada, por lo que generalmente se requiere una lectura estimada del caudal.
• Debe instalarse en lugares con baja vibración. La fatiga prolongada puede agrietar el instrumento y provocar fugas

Fig. 07 Grietas en un rotámetro debido a fragilidad plástica.

• Su instalación requiere que no se ejerza ninguna carga sobre el instrumento (de lo contrario se agrietará).
• Debe instalarse en lugares con buena iluminación y accesibles al operador para que se puedan leer las mediciones.
• La suciedad puede adherirse a las paredes del instrumento, lo que dificulta un poco las lecturas.
• Para aplicaciones específicas, es necesario contactar a un proveedor. La compatibilidad de los materiales y las condiciones de funcionamiento pueden ser cruciales antes de comprar.
• Está restringido a líquidos y gases limpios como agua o aire (depende del modelo y el fabricante). En otras palabras, si se utilizan fluidos distintos del agua y el aire, se debe realizar un ajuste o corrección específica para cada medición de caudal (según una fórmula proporcionada por el fabricante).
• Si las condiciones reales de presión y temperatura difieren de las especificadas por el fabricante, también se debe realizar una corrección para cada medición de caudal.

Corrección de presión y temperatura en rotámetros

Si durante la operación del proceso se requiere el uso de un rotámetro en condiciones diferentes a las estándar, se debe realizar una corrección en cada medición de caudal.

Fig. 08 Condiciones estándar para un rotámetro en una etiqueta en el instrumento.

Estas condiciones las proporciona el fabricante en el manual del instrumento o en una etiqueta dentro del propio instrumento. Estas condiciones corresponden a la presión y la temperatura. Si la presión y la temperatura difieren de las condiciones estándar, el caudal corregido puede calcularse mediante la fórmula.

$Q_{S}=Q_{NS}\sqrt{\dfrac{P_{NS} T_{S}}{P_{S}T_{NS}}}$        Eq. (01)

donde los subíndices $NS$ y $S$ representan no estándar y estándar, respectivamente. Además:

• $Q_{NS}$ sería el caudal nominal real en condiciones no estándar de presión y temperatura.
• $Q_S$ sería el caudal corregido.
• $P_{NS}$ sería la presión absoluta real a la que se utiliza el rotámetro. Esta es 14,7 psi + presión manométrica (de uso común).
• $P_S$ sería la presión estándar (tal como aparece impresa en el manual o la etiqueta del instrumento). Esta es 14,7 psi (correspondiente a 0 psig) (de uso común).
• $T_{NS}$ es la temperatura real
• $T_S$ es la temperatura estándar (tal como está impresa en el manual o la etiqueta del instrumento)

Ejemplo de corrección de presión y temperatura en el caudal

Considere un rotámetro para medir el caudal de aire entre 10 y 100 SCFH. El flotador indica 60 SCFH en la escala del caudalímetro. Las condiciones estándar para este modelo son 14,7 psia y 530 R. Las condiciones reales, no estándar, son 19,7 psia y 545 R. ¿Cuál es el caudal corregido?

Tras sustituir los datos en la ecuación (01), el caudal corregido es de 68,5 SCFH de aire.

Como puede observarse, una diferencia importante en la medición puede deberse a condiciones de funcionamiento no estándar del instrumento.

Instalación recomendada de un rotámetro

Dado que un rotámetro es un instrumento invasivo, cualquier fallo catastrófico puede provocar la parada de la línea de proceso. Un rotámetro diseñado para monitorear el caudal de una corriente importante puede requerir una técnica de instalación fiable.

Fig. 09 Instalación recomendada para un rotámetro.

En primer lugar, se requieren al menos dos válvulas en la tubería donde se instalará el instrumento. La primera es una válvula de compuerta, cuya función es permanecer siempre completamente abierta y cerrada solo en caso de fallo del instrumento. La segunda puede ser una válvula de estrangulamiento si el bucle de control es abierto, de modo que el caudal se pueda modular fácilmente; si el bucle de control es cerrado, se prefiere otra válvula de compuerta.

Como se muestra en la Fig. 07, se recomienda instalar una válvula de estrangulación adicional en paralelo al rotámetro. Si el rotámetro falla, se puede aislar directamente mediante las dos válvulas mencionadas y repararlo. Mientras tanto, la válvula de estrangulación paralela se puede utilizar para modular el caudal y evitar la parada del proceso.

Las válvulas antes y después del rotámetro deben instalarse a una distancia conveniente del mismo. Se pueden considerar con seguridad 5D y 10D respectivamente. Algunos fabricantes también proporcionan esta información para sus modelos específicos.

Correcciones debidas a fluidos distintos del agua o el aire

Como se mencionó anteriormente, los rotámetros suelen fabricarse para agua o aire. Entonces, ¿se puede usar un fluido diferente en un rotámetro? En resumen, la respuesta es sí. Las lecturas del caudal deben corregirse según corresponda.

En este punto, cabe mencionar que existen varias fórmulas para la corrección de la medida del caudal por lo que previamente se debe consultar el manual del instrumento.

Como precaución, se recomienda no utilizar un rotámetro diseñado para gases en aplicaciones líquidas. Las lecturas pueden variar considerablemente.

Dado que los distintos fluidos tienen distinta gravedad específica, esto afecta directamente el comportamiento del flotador. Es fundamental considerar un factor basado en las propiedades de estos fluidos.

$Q_A=Q_I\dfrac{sg_C}{sg_A}$        Eq. (02)

donde $Q_A$ es el caudal real o corregido correspondiente al nuevo fluido, $Q_I$ es el caudal leído en la escala del rotámetro, $sg_C$ es la gravedad específica del fluido utilizado por el fabricante para fijar la escala y $sg_A$ es la gravedad específica del nuevo fluido de proceso.

Ejemplo de corrección del caudal debido al uso de un fluido diferente

Suponga que desea utilizar un rotámetro, cuyo fabricante utilizó agua como fluido de calibración para ajustar la escala de caudal del instrumento, para medir el caudal de hexano. ¿Cuál sería el caudal de hexano si el rotámetro indica 12,5 GPM (de agua)?

Primero, para el hexano, la gravedad específica (GE) es de 0,67, mientras que para el agua es de aproximadamente 0,99. Por lo tanto, utilizando la ecuación (02), obtenemos:

$Q_H=12.5\times \dfrac{0.99}{0.67}$

$Q_H=18.47 $ GPM

Espero que esta publicación te sea útil.

¿Tienes alguna pregunta? Escríbela en los comentarios y trataré de ayudarte.

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Ildebrando.