La tecnología Coriolis permite crear medidores con características superiores 

Chuck Stack  
Micro Motion, Inc.   
InTech México Automatización,  
Edición Enero – Marzo 2004. 


Los medidores con dos tubos curvados y con tubo sencillo recto ofrecen ventajas diferentes.


Introducción 

El descubrimiento realizado por el ingeniero francés Gaspard C. Coriolis (1792-1843) ha permitido el desarrollo de dos tipos de medidores: el medidor de alta exactitud con sistema de dos tubos curvados, y el medidor más compacto con sistema de un tubo recto.  

Napoleón solicitó a Gaspard C. Coriolis que explicara por qué los proyectiles de sus cañones nunca viajaban en línea recta. La historia no precisa si finalmente el ingeniero Coriolis proporcionó a Napoleón una explicación satisfactoria -ese fenómeno lo produce un efecto completamente distinto- pero la investigación de Gaspard C. Coriolis le condujo al descubrimiento del efecto que lleva su nombre. Utilizando la tecnología Coriolis, ha florecido una abundante y totalmente nueva industria de medidores exactos.  


 ¿Qué relación existe con el clima? 

 La mayoría de las personas están familiarizadas con el efecto Coriolis en nuestros patrones climáticos. A causa de las corrientes de chorro, las nubes tienden a moverse hacia el este y oeste en toda la extensión del planeta. Sin embargo, la rotación del planeta produce el efectCoriolis, el cual desvía las nubes al tiempo que se desplazan por el  firmamento, haciendo que giren. Esa rotación origina las tormentas en la Tierra. 

  El paso de las tormentas a la medición práctica de flujo másico.

 El efecto Coriolis, aplicado al diseño de instrumentos, permite crear medidores directos de flujo másico, que miden también volumen y densidad. En las plantas de proceso, la medición de masa es un aspecto de vital importancia: ello constituye la base de todas las reacciones químicas, balances de masa y energía, y casi todas las operaciones en flujo de proceso, incluyendo la transferencia de custodia. 

En las plantas de manufactura por proceso, antes del advenimiento de los medidores Coriolis, la medición de masa se llevaba a cabo pesando líquidos en básculas, lo cual resulta adecuado para operaciones intermitentes. Sin embargo, en el caso de procesos continuos, los medidores generalmente se encontraban restringidos a la medición volumétrica.  

En una situación de flujo continuo, los métodos anteriores utilizados por la instrumentación de flujo, tales como placas de orificio y tubos magnéticos de flujo, permitían solamente la medición de flujo volumétrico. Las mediciones de flujo másico requerían correcciones debidas a cambios en la temperatura y la presión.  

La Figura 1 ilustra el  concepto anterior. En ella se muestran dos barriles con gasolina, cuyo peso es el mismo. Cuando las temperaturas cambian (ascenso), el volumen se incrementa, mas no así la masa; en consecuencia, los barriles permanecen en equilibrio.  

En la tecnología volumétrica, algo – tal como cálculos manuales o automáticos, con transmisores adicionales y otros instrumentos debe compensar por el cambio en la temperatura, con el  fin de convertir las lecturas del proceso a masa. Un medidor de flujo volumétrico resulta afectado por cambios en la temperatura, así como también por la presión, densidad, viscosidad y perfil de flujo del  fluido de proceso. No obstante, un medidor de flujo Coriolis proporciona una medición másica directa inmune a las cambiantes características del fluido de proceso.

Funcionamiento del medidor 

En el caso de un medidor con sistema de dos tubos, existe un múltiple que conecta los dos tubos y divide en dos el flujo, dirigiéndolo a través de cada uno de los tubos. De ésta manera, siempre circula el 100% del flujo a través del sensor.  

Los dos tubos vibrantes giran en torno a los dos puntos terminales fijos, lo cual origina un efecto Coriolis cuando fluye masa a través de ellos. 

Cuando no existe flujo, el fluido en ambos lados del tubo con forma de “U” se encuentra sujeto a la misma fuerza, operando en la misma dirección (opuesta a la dirección en que el tubo de flujo se mueve), de manera que no existe torsión (Figura 2). 

Cuando el  fluido fluye, se encuentra acelerando (cambiando de dirección) en el lado de admisión y desacelerando en el lado de salida. El resultado es una fuerza de reacción en el lado de admisión opuesta al movimiento del tubo, y una fuerza de reacción en el lado de salida que opera en la misma dirección de movimiento del tubo.

El tubo sufre una ligera torsión por las fuerzas opuestas descritas (Figura 3). La magnitud de la torsión es proporcional a la tasa de flujo másico. 

Con el objetivo de aprovechar el fenómeno Coriolis, se adhiere un imán a un tubo y se adhiere una bobina perceptora al otro tubo, tanto en la admisión como en la salida de ambos tubos (Figura 4).  

Debido a la vibración, la bobina se mueve dentro del campo magnético y genera una onda senoidal proporcional a dicho movimiento. Puesto que las bobinas e imanes están referidos entre sí (un elemento se mueve con cada tubo), la onda senoidal representa la velocidad relativa y la posición de los tubos. Cuando las ondas cruzan el nivel cero, los tubos se encuentran momentáneamente en reposo, antes del  cambio de dirección. 

En condiciones de ausencia de flujo, las dos ondas seno ida les en la admisión y en la salida se encuentran coincidiendo en fase, o en la parte superior de cada una. Sin embargo, en condiciones de flujo, los tubos sufren torsión, y en consecuencia, estas dos ondas se desfasan entre sí (Figura 4). El instrumento mide la torsión, la cual es directamente proporcional al flujo másico. 

En el caso del tubo recto

Una analogía semejante aplica para el caso de un medidor de tubo sencillo recto (Figura 5). El tubo vibra a lo largo del centro de su eje. Puesto que el  tubo se encuentra fijo en los extremos, la vibración origina dos marcos rotatorios de referencia. 

La rotación del lado de admisión se encuentra en la dirección opuesta al lado de salida, creando así las fuerzas Coriolis opuestas. 

En el lado de admisión, el tubo se encuentra girando en una dirección, digamos hacia arriba, y como e! fluido se encuentra restringido por la pared del tubo y está vibrando, se desarrolla una fuerza hacia abajo (Figura 6). Cuando el fluido pasa la línea central a lo largo y gira en la dirección opuesta, la pared del tubo restringe la rotación, con lo cual se desarrolla una fuerza en la dirección opuesta.  

La Figura 6 muestra, de manera exagerada, la forma distorsionada. Recuerde que existen dos fuerzas proporcionales a la tasa de flujo másico. El efecto Coriolis se genera, como es en el tubo doblemente curvado, por medio de la rotación del tubo con relación a extremos fijos. 

Las dos sondas senoidales en la admisión y la salida se muestran como Punto A y Punto B en la Figura 7. El lado de admisión se encuentra desfasado en atraso respecto del lado de salida, lo cual es idéntico para el caso de tubos rectos o curvados. 

El software permitió a los diseñadores del medidor de tubo sencillo recto el cambio se dice diseño para garantizar que la respuesta de la señal Coriolis no resultara afectada por cambios en la densidad o en las opciones de montaje.  Se llevaron a cabo aproximadamente entre 100,000 y 150,000 diferentes corridas analíticas de prueba para perfeccionar el diseño.  

El elemento sensor, con características que lo hacen relativamente inmune a los cambios en el medio ambiente, toma en consideración que las fuerzas Coriolis se encuentran cambiando con la densidad del fluido a los niveles apropiados de vibración. 

Cada diseño tiene sus méritos propios  

Aun cuando existen semejanzas entre los medidores con sistema de dos tubos curvados y los medidores de tubo sencillo recto, también existen diferencias significativas. Las diferencias más importantes radican en su comportamiento respecto de los efectos de montaje, los cambios en la densidad del fluido y los cambios de temperatura.  

El medidor con sistema de dos tubos curvados es mucho más inmune a las variaciones en su montaje. Los dos Tubos son esencialmente idénticos. Cuando vibran en oposición entre sí, se encuentran excepcionalmente bien equilibrados. Toda la energía está contenida entre estos conjuntos de dos tubos y nada se transmite al medio ambiente. Los tubos se encuentran “ajenos” al medio ambiente, porque todo se mantiene dentro de los elementos sensores propiamente dichos. 

A los diseñadores les fue posible colocar un espaciador relativamente fijo entre ambos tubos. Las cargas sobre la tubería se transfieren al espaciador y en ningún caso alcanzan al elemento sensor, de manera que cuando la carga sobre las bridas del medidor se modifica en el campo, carece de efecto sobre el medidor. 

Los mismos atributos hacen confiable al medidor con sistema de dos tubos curvados, a pesar de los cambios en la densidad del fluido. Puesto que ambos tubos son idénticos, cuando la densidad del fluido cambia dentro de ellos, ambos responden de manera idéntica. 

Estos tubos se extienden desde la tubería y se encuentran relativamente libres para expandirse. En consecuencia, al cambiar la temperatura aumentan su longitud sin encontrarse restringidos, sin esfuerzos o cargas generadas debido a la expansión. Una sola medición compensa por el efecto de la temperatura sobre el módulo del material. 

En contraposición, el montaje del medidor de tubo sencillo recto presenta retos. El sistema de tubo sencillo fue diseñado para contar con simetría desde la admisión hasta la salida, pero durante la vibración, el tubo de flujo y el tubo de referencia no vibran con la misma magnitud, de modo que el medidor de tubo sencillo recto no se encuentra equilibrado de manera inherente. La sección de referencia fue diseñada para mantener ese equilibrio, pero responde a la vibración como si no escapara vibración en los extremos. 

Al cambiar la densidad del  fluido, cambia en un tubo sencillo, no en el tubo de referencia. Fue necesaria una gran inversión en investigación para comprender la dinámica y hacer estos medidores estables a los cambios en la densidad. El diseño del tubo de referencia es fundamental para tener vibraciones estables en toda la extensión de la gama de densidad.  

El último reto de diseño y posiblemente el aspecto más desafiante de los medidores de tubo sencillo recto es el comportamiento ante los cambios de temperatura. Su funda es bastante rígida, de modo que sostiene cargas de la tubería. Asimismo, sostiene al tubo de manera sumamente rígida. Un cambio en la temperatura del fluido modificará al tubo, pero la funda no le permitirá la expansión. 

Utilización de los medidores Coriolis

Las diferencias entre los tubos curvados y los tubos rectos tendrán influencia en las aplicaciones de los usuarios (Figura 8).

Toda planta o fábrica cuenta con una variedad de necesidades para aplicaciones y puntos de medición, lo que a menudo requiere especificaciones significativamente diferentes (Tabla 1).  

Como ejemplo se tiene el  balance de materiales, caso en el que muchas corrientes distintas se combinan. La salida debe ser muy uniforme; no obstante, el error tiende a incrementarse a medida que más corrientes se adicionan entre sí. En éste caso, los usuarios requerirán muy alta exactitud, toda vez que los errores se multiplicarán a lo largo de los puntos de medición.  

Para resolver este problema, el usuario pudiera elegir un medidor con sistema de dos tubos curvados, debido a su aptitud para proporcionar mediciones sumamente exactas y reproducibles. 

Cuando se mezclan o combinan materiales diferentes y los operadores modifican las cantidades que están combinando, es posible que operen con distintas tasas de flujo. La exactitud mayor de! medidor con sistema de dos tubos curvados, le proporciona también una amabilidad más alta, desde 100% del flujo hasta 2% o 3% del mismo, con una muy reducida degradación de la medición. 

En ciertos casos, cuando los operadores solamente mezclan y llenan, se requiere una medición másica, pero no es necesario contar con la misma exactitud que se requiere en el caso de balance de materiales.  

A pesar de la superioridad del medidor con sistema de dos tubos, algunos usuarios optarán por elegir el medidor de tubo sencillo recto. Si se está sustituyendo un medidor del tipo volumétrico, es posible que exista un espacio limitado para instalar un nuevo medidor entre bridas estrechamente espaciadas. La construcción compacta del medidor de tubo recto pudieran hacerlo preferible.  

Por otra parte, el tubo recto se presta para aplicaciones con exigencias sanitarias. La superficie puede pulirse, porque no existen múltiples o recodos, y no hay cambios en el área de flujo de  reducciones en donde las partículas pudieran depositarse.

Acerca del Autor

Chuck Stack es el di rector de tecnología de sensores de Micro Motion, en Boulder, Colorado. Previamente a su ingreso a Micro Motion, trabajó en Morton Thiokol en el impulsor del cohete sólido del programa del trasbordador espacial. Recibió su título de Licenciatura en ciencias biomédicas y su Maestría en ingeniería mecánica en la Universidad de lowa. 

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