El efecto Coriolis es un fenómeno físico que aparece cuando objetos en movimiento se observan desde un sistema que está girando.
Detrás de este fenómeno está la fuerza de Coriolis, una fuerza ficticia responsable de la aparente desviación de un objeto que se mueve dentro de un marco de referencia giratorio. Si bien las leyes de movimiento de Newton describen suficientemente el movimiento de los objetos dentro de un marco estacionario, requieren un factor de corrección adicional proporcionado por la fuerza de Coriolis ficticia para describir el movimiento dentro de un marco de referencia giratorio. Esto es necesario porque el objeto no está físicamente atado al marco de referencia, o sistema de coordenadas, que se utiliza para caracterizar su movimiento.
Un ejemplo real para ayudar a explicarlo: Imagine que una persona calcula la trayectoria de una pelota utilizando solo las leyes de Newton. Luego, la persona se para en un lugar cerca del Polo Norte y lanza la pelota directamente en dirección sur hacia un objetivo en el ecuador. Si la Tierra fuera un marco de referencia perfectamente quieto y estacionario, la bola aterrizaría en el objetivo. Pero como la Tierra está girando, la bola aterriza en algún lugar al oeste del objetivo.
Entender qué es el efecto Coriolis es importante para comprender muchos fenómenos naturales y también algunas tecnologías utilizadas en la industria.
En términos físicos, la aceleración de Coriolis aparece cuando un cuerpo se mueve con una velocidad relativa dentro de un sistema en rotación terrestre.
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En general, el efecto es más fuerte cerca de los polos y más débil en el ecuador. Este comportamiento se observa claramente en fenómenos naturales como la formación de ciclones o grandes masas de aire. Uno de los ejemplos más claros es la formación de patrones de viento en la atmósfera. Cuando el aire se desplaza desde zonas de alta presión hacia regiones de menor presión, su trayectoria no sigue una línea recta perfecta debido a la rotación terrestre.
Medición Directa del Caudal Másico y el Principio de Funcionamiento Coriolis
La medición del caudal, la temperatura y la presión constituyen los tres parámetros principales en la medición industrial. La medición del caudal es la más compleja y requiere la máxima precisión. Su economía, fiabilidad y seguridad son cruciales en el proceso de producción.
Actualmente, existen numerosos instrumentos para la medición de caudal, como caudalímetros de engranajes ovalados, caudalímetros de presión diferencial, caudalímetros electromagnéticos, caudalímetros de turbina, caudalímetros ultrasónicos, etc., todos ellos pertenecientes al grupo de los caudalímetros volumétricos.
En el campo de la producción industrial, debido a razones como el balance de materiales, el balance térmico, el almacenamiento y la contabilidad económica, la medición de la masa del fluido que circula por él es cada vez más importante.
Si bien un caudalímetro másico indirecto puede estar compuesto por un caudalímetro volumétrico y un densímetro, su estructura es compleja y se ve afectada por la presión y la temperatura, lo que genera grandes errores de medición.
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Por lo tanto, durante mucho tiempo, los técnicos en metrología han deseado desarrollar un caudalímetro másico que pueda medir directamente el caudal másico de fluidos en tuberías.
El Caudalímetro Másico Coriolis
El caudalímetro másico Coriolis es un nuevo tipo de caudalímetro másico desarrollado por Micro Motion en 1977, basado en el principio de la fuerza de Coriolis proporcional al caudal másico generado por un fluido en un sistema giratorio durante el movimiento lineal. Puede medir de forma directa y precisa la masa del fluido y, al mismo tiempo, obtener su densidad.
Los instrumentos de flujo másico estándar, como los caudalímetros másicos basados en presión diferencial o caudalímetros másicos térmicos, calculan los caudales másicos utilizando el cambio de temperatura medido o los valores de flujo volumétrico junto con propiedades conocidas del fluido.
En contraste, el funcionamiento del caudalímetro Coriolis se basa en un tubo por el que pasa el fluido mientras el sensor genera una vibración controlada. Cuando el fluido circula por el interior, su movimiento dentro del sistema vibrante produce una deformación causada por el efecto Coriolis. Esto es posible gracias a una inteligente utilización del efecto Coriolis.
Un tubo (o un conjunto de tubos) se acciona electromagnéticamente y funciona como un marco de referencia móvil. Todo el fluido que ingresa al dispositivo viaja a través del tubo en movimiento y experimenta una desviación muy pequeña de su camino previsto. Los sensores miden la magnitud de la deflexión como un cambio de fase vibratoria entre diferentes puntos del tubo.
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La serie CODA de caudalímetros y controladores de flujo másico utiliza el principio de funcionamiento Coriolis y utiliza la configuración de un solo tubo descrita anteriormente. Un ejemplo es el caudalímetro másico CMF-2500, diseñado para medir líquidos (y opcionalmente gases) en tuberías industriales.
Principio de Funcionamiento y Fórmula del Medidor de Caudal Másico de Fuerza Coriolis
El principio básico del funcionamiento del caudalímetro Coriolis es la fuerza de Coriolis.
En un disco que gira a una velocidad angular ω, hay una masa de m. El punto se mueve a una velocidad v, y en este punto, la partícula experimentará una fuerza de inercia ficticia. Función Fc, su tamaño es: Fc=2mωv.
En la fórmula:
- Fc es la fuerza de Coriolis;
- M es la masa de la partícula medida;
- ω es la velocidad angular;
- V es la velocidad radial en un sistema giratorio u oscilante.
La fuerza Fc es la fuerza de Coriolis, perpendicular al plano determinado por ω y v.
Si tomamos como ejemplo un caudalímetro másico de tubo en U convencional, este vibra uniformemente a una frecuencia de 80 Hz bajo la acción de un controlador electrónico. Debido a la fuerza de Coriolis, el fluido fluye en direcciones opuestas a ambos lados del tubo, y la fuerza de Coriolis resultante actúa en direcciones opuestas sobre la pared del tubo, como se muestra en la Figura 1.
Debido a la dirección opuesta de la fuerza que actúa sobre los tubos paralelos a ambos lados, el tubo en forma de U se somete a un par M. Al mismo tiempo que vibra verticalmente, parece estar torcido lateralmente, como se muestra en la Figura 2.
Las vibraciones introducidas al lazo por la bobina electromagnética y el momento generado como respuesta al efecto Coriolis originan desplazamientos como se muestra en la figura F62.
El par M es proporcional a FC, y FC es proporcional a mv. Por lo tanto, al medir el ángulo de torsión θ del tubo en forma de U y calcular el par M, se puede obtener el valor del caudal másico m. Si (θ) es pequeño este se aproxima a sin (θ).
También, para pequeñas rotaciones VV es el producto de ω por el largo del tubo (L), luego queda la expresión F86.
Debido a la dificultad para medir con precisión el ángulo de torsión θ, se puede utilizar la relación entre el ángulo θ y la diferencia de tiempo Δ t entre los tubos rectos paralelos que pasan por el punto de equilibrio central en ambos extremos del tubo en forma de U para medir el ángulo θ y, así, obtener el caudal másico.
De esta última expresión se deduce que el flujo másico es directamente proporcional a las dimensiones físicas del medidor, a la rigidez del tubo y a Δt, y es independiente de la frecuencia de vibración.
Ventajas y Características de los Caudalímetros Coriolis
Los caudalímetros y controladores Coriolis brindan una respuesta rápida, con una baja susceptibilidad a las vibraciones externas. La medición del caudal másico de Coriolis no se ve afectada por la temperatura, la presión ni la viscosidad.
En comparación con otras tecnologías, como los caudalímetros electromagnéticos o de turbina, los caudalímetros Coriolis ofrecen mayor precisión y una medición directa del caudal másico. La precisión del medidor de flujo de turbina no es tan buena como la del medidor de flujo másico Coriolis.
Poseen una exactitud de ±0,2% a escala completa. Se encuentran disponibles en una variedad de diámetros que pueden llegar hasta 6 pulgadas.
La instalación del instrumento no depende del perfil de velocidad, por lo que no son necesarios tramos rectos ni antes ni después del instrumento. No hay limitación en cuanto a la orientación del lazo; sin embargo, se recomienda orientarlo de forma tal que las burbujas de los gases o sedimentos no se acumulen en la región de medición del instrumento. El diámetro del instrumento debe ser igual o menor que el diámetro de la tubería.
Desarrollo y Mercado de los Medidores de Caudal Coriolis
Tras años de desarrollo, este nuevo tipo de caudalímetro másico ha mejorado considerablemente su rendimiento de medición y se ha convertido en un líder en la medición de caudal. Expertos reconocidos han afirmado que el caudalímetro Coriolis reemplazará a otros tipos de caudalímetros másicos y a ciertos caudalímetros volumétricos como la tecnología dominante para la medición de caudal.
Mercado Global
Los fabricantes representativos de caudalímetros Koch extranjeros son Rosemount y E+H, con una cuota de mercado del 65% y el 25%, respectivamente.
Si bien los caudalímetros Coriolis se incorporaron al mercado a principios de la década de 1980, se han convertido gradualmente en el producto dominante en caudalímetros, con indicadores de rendimiento técnico y niveles de inteligencia en constante mejora.
El hecho de las ventas en el mercado también prueba este punto: muchos medidores de flujo tradicionales están experimentando una disminución significativa en la cuota de mercado, mientras que solo los medidores de flujo Koch están creciendo a una tasa de crecimiento anual promedio del 16%.
| Año | Capacidad Instalada Global Estimada (unidades) | Ventas Globales de Medidores de Flujo (USD) | Participación de Medidores Coriolis (USD) | Porcentaje de Participación Coriolis |
|---|---|---|---|---|
| 1991 | 110.000 a 130.000 | N/A | N/A | N/A |
| 1995 | N/A | 3.000 millones | 235 millones | 8% |
| Últimos 5 años (promedio anual) | N/A | 2.200 millones | 420 millones | 19% |
Sin embargo, con la creciente demanda de tecnología automatizada de detección y procesamiento de información en la producción industrial, los parámetros y situaciones industriales que no se podían medir debido a la complejidad y dificultad de los fluidos han planteado requisitos de monitoreo y medición del caudal másico.
Por lo tanto, países como Estados Unidos, Alemania, Reino Unido y Japón están realizando investigaciones tecnológicas sobre nuevos medidores de caudal Coriolis. Debido a las amplias perspectivas de mercado y las altas ganancias de estos nuevos instrumentos, los países han realizado grandes inversiones y están ansiosos por aprovechar el auge de esta tecnología.
Estado de Desarrollo en China
China comenzó relativamente tarde en la investigación y aplicación de los medidores de caudal Coriolis. Desde mediados de la década de 1980, se han utilizado en algunos equipos completos importados. Para 1992, se habían puesto en funcionamiento unas 2000 unidades, principalmente en las industrias petrolera y química.
En los últimos años, gracias a la creciente comprensión de los medidores de caudal Coriolis, el número de medidores Coriolis instalados en China ha seguido aumentando, y su ámbito de aplicación se ha ampliado. Sin embargo, la gran mayoría son importados del extranjero.
Según datos de Micro Motion (MM) Company en Estados Unidos, las ventas totales de la empresa en China fueron de 600 unidades en 1992, con un volumen de ventas de 1000 unidades en 1992. En 1997, la cantidad instalada de medidores de flujo Coriolis era de aproximadamente 3500 a 4500 unidades, y en 2004, alcanzó las 7500 unidades. Estos instrumentos se utilizan ampliamente en la medición y el control de fábricas de vidrio en las industrias petroquímica, química y de materiales de construcción, así como en hornos industriales.
Avances Tecnológicos y Desafíos
Los caudalímetros Coriolis de las series SH-CMF y SH-CMD de silverinstruments.com cuentan con casi 40 años de experiencia en producción. Nos esforzamos por alcanzar la excelencia en nuestros procesos de producción, y 40 años de experiencia en aplicaciones nos han permitido ofrecer a nuestros caudalímetros de calidad aplicaciones estables y excelentes en diversas industrias.
En algunas aplicaciones industriales especiales, hemos logrado avances tecnológicos, como el caudalímetro Coriolis de alta presión de 1000 bar, el caudalímetro Coriolis de temperatura ultrabaja de -260 °C, el caudalímetro Coriolis de temperatura ultrabaja de 400 °C y materiales especiales para sensores de caudal másico, como el tántalo y el titanio. Monel, entre otros, nos ha permitido alcanzar avances tecnológicos.
Los medidores de flujo másico de gas de pequeño tamaño se instalan ampliamente en China, principalmente en equipos experimentales pequeños y medianos, dispositivos de análisis y detección en línea y en la producción de semiconductores en las industrias química y petroquímica.
Los medidores de flujo másico de gas de gran tamaño se utilizan principalmente para medir gas natural y gas de carbón. Si bien su número es reducido, las perspectivas son prometedoras.
En los últimos años, el desarrollo de medidores de flujo másico de gas de pequeño y mediano tamaño en China ha sido rápido. Por ejemplo, en 1999 se instalaron 2785 unidades en China, incluyendo 2150 de producción nacional (principalmente de fabricantes como el Instituto de Investigación Química de Pekín del Ministerio de Industria Química, la Fábrica de Instrumentos Jianzhong y la Compañía Shengye), e instrumentos importados, principalmente de empresas como Brooks UN.
Debido a las limitaciones de los dispositivos de calibración, actualmente hay muy pocos fabricantes de medidores de flujo másico de gas de gran diámetro en China, pero silverinstruments.com ofrece medidores de flujo másico Coriolis de un máximo de 12" que pueden medir un caudal de aproximadamente 918 lb/s.
Debido a la alta complejidad técnica y al largo ciclo de vida útil, el progreso de los medidores de caudal másico de líquidos es relativamente lento. Si bien numerosas instituciones de investigación y universidades han desarrollado este producto, el número de fabricantes es extremadamente limitado y la producción es limitada (principalmente el Instituto de Investigación Química de Pekín del Ministerio de Industria Química, la Fábrica de Instrumentos Taihang de Shanxi, etc.), dependiendo principalmente de las importaciones. Sin embargo, la demanda aumenta año tras año.
Si bien la producción de medidores de caudal másico para líquidos es muy compleja, hemos logrado ciertos avances tecnológicos. Según una comparación de muestras realizada por el departamento nacional de metrología en 2004 entre los productos de MM Company, E+H Company y el Instituto de Investigación Química de Pekín del Ministerio de Industria Química, los resultados mostraron que los indicadores técnicos y el rendimiento de los tres productos eran prácticamente equivalentes. El medidor de flujo Coriolis de algunos fabricantes chinos tiene un alto rendimiento como marca internacional.
Aplicaciones del Medidor de Caudal Másico Coriolis
Debido a su alta precisión, resistencia al desgaste, amplio rango de medición medio y medición de múltiples parámetros, los medidores de flujo másico Coriolis se han utilizado ampliamente en industrias como la petrolera, química, aeroespacial, energética, papelera, alimentaria y farmacéutica.
Medición de Lodos de TiO2 en la Industria Papelera
El TiO₂, utilizado para ajustar la opacidad y el brillo del papel avanzado en la fabricación de papel, es un material muy costoso. Se añade como una suspensión en agua y suele medirse con un caudalímetro electromagnético. Muchos factores pueden provocar cambios en el contenido de polvo de TiO₂ en las tuberías, por lo que los operadores deben añadir TiO₂ en exceso para cumplir con los requisitos mínimos de brillo y opacidad del papel.
El uso de un caudalímetro Coriolis puede solucionar el problema del control del contenido de TiO₂, garantizando la calidad del producto sin desperdiciar materiales y mejorando los beneficios económicos.