Principio de Funcionamiento Pirómetros Radiación

Principio de Funcionamiento

Todos los cuerpos emiten un tipo de radiación conocida como radiación térmica, que depende en gran medida de su temperatura. La mayor parte de esta radiación (aproximadamente el 90%) es invisible al ojo humano, debido a que se encuentra en la zona infrarroja del espectro. A su vez, la intensidad de la radiación emitida por el cuerpo depende de su forma y composición.

Un cuerpo negro tiene un espectro de radiación que sólo depende de su temperatura absoluta, y también posee la propiedad de absorber toda la radiación que incide en él (por esto se le denomina cuerpo negro). Se puede construir una configuración física con estas propiedades de diferentes maneras, siendo la más conocida un cuerpo con una cavidad interior cuyas paredes están a una temperatura uniforme T, que irradia al ambiente externo sólo por un pequeño orificio.

A cualquier temperatura, todo cuerpo emite radiacion y absorbe la procedente de los cuerpos que lo rodean. Si no están todos a la misma temperatura, los más calientes se enfrian y los más fríos se calientan, de modo que basta con la radiación para que se establezca el equilibrio térmico (No hace falta ni conducción ni convección). Cuando se alcanza el equilibrio todos los cuerpos emiten tanta radiacion como absorben. Por lo tanto los cuerpos que más emiten son los que más absorben y, en consecuencia, el cuerpo negro es tambien el mejor emisor.

La intensidad de la radiación emitida, por longitud de onda, por un cuerpo negro está dada por:

(1)

que es una relación atribuida a Max Planck en 1900. De (1) puede obtenerse la Ley de Stefan–Boltzman (que relaciona la intensidad total irradiada con la temperatura del objetivo) integrando en todo el espectro. El resultado queda expresado en la siguiente relación:

W = s T4

Donde:
W: (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área,
s: es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y
T: es la temperatura en Kelvin
Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por:

U = s A (T4 - To4) La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en 1884.

Gráfico de la energía radiante de un cuerpo a varias temperaturas en función de la longitud de onda (12 micras para la lente de fluoruro de calcio) En ordenadas se representa el porcentaje de energía radiante y en abcisas la longitud de onda en micras.

Desde el punto de vista de la medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta, hasta las 0.70 micras para el rojo.

Tipos de Sensores y Construcción Pirómetros Radiación

CLASIFICACIÓN DE LOS PIROMETROS DE RADIACIÓN

Los pirómetros se pueden clasificar en:

1. Instrumentos de banda ancha.
2. Instrumentos de banda angosta.
3. Pirómetros de razón (o de dos colores).
4. Pirómetros ópticos.
5. Instrumentos de fibra óptica.Como se describen en la Tabla 2 y se explican a continuación.

1. Pirómetros de banda ancha.

Son los más simples y baratos. Se denominan también pirómetros de radiación total porque responden a una zona muy amplia del espectro de la radiación, abarcando longitudes de onda desde 0,3[μ m] hasta 2,5[μ m] ó 20[μ m], midiendo una fracción considerable de la radiación total emitida por el objetivo.

2. Pirómetros de banda angosta.

Estos pirómetros tienen una respuesta en longitud de onda relativamente angosta y cuidadosamente seleccionada, a menudo para satisfacer requerimientos específicos. Los pirómetros ópticos se pueden considerar como un caso especial de esta categoría.

3. Pirómetros de razón.

Un termómetro de razón es, en esencia, dos pirómetros combinados, aunque compartan varios elementos en común (como los lentes y el detector), y cuyas respuestas en longitud
de onda son distintas. De estos pirómetros se obtiene una señal que es el cuociente de las respuestas individuales de los
pirómetros.

La idea de los pirómetros de razón es que la señal “cuociente” depende de la temperatura, pero es relativamente
independiente del tamaño del objetivo y de su distancia al mismo, a diferencia de los demás tipos de pirómetros.
Asimismo, si la emisividad del objetivo es la misma para las dos longitudes de onda del instrumento, la medición resulta independiente de esta cantidad (o del cambio de la misma).
Éste es el caso para algunos materiales, pero no para metales oxidados, cuya emisividad es muy dependiente de la longitud de onda.

4. Pirómetros ópticos

Son instrumentos que contrastan la radiación térmica del objetivo con la proveniente de una fuente interna, para lograr una medida de la temperatura. La idea es medir la intensidad de la radiación que proviene del objetivo, para un intervalo muy angosto de longitudes de onda.
Estos pirómetros tienen una lámpara incandescente, generalmente de tungsteno, alimentada por una fuente que regula su luminosidad; un sistema óptico encargado de superponer la luz de la lámpara y la del objetivo para que puedan ser vistos simultáneamente; un filtro rojo que deja pasar la luz de λ > 650 [nm] y que junto con el ojo humano, proporcionan el intervalo de longitud de onda necesario; y un filtro de absorción para temperaturas sobre 1300ºC para alargar la vida útil del filamento de tungsteno. El esquema de un pirómetro óptico se muestra en la Fig. 1.

Para tomar una medición, se observa a través del ocular (9) y se ajusta manualmente, al menos en primera instancia, la intensidad de la lámpara hasta que ésta sea indistinguible de la radiación del objetivo. De esta forma, la corriente hacia el filamento es traducida a una temperatura de brillo TB. Debido a que el filamento no es un cuerpo negro ideal, la temperatura del objetivo, T, puede obtenerse con algunas aproximaciones, en las cuales debe considerarse la emisividad del material y la transmisión del sistema óptico completo.
Para prescindir de la opinión subjetiva del ojo humano, se emplean mecanismos de control automático para realizar la medición, usando un tubo fotomultiplicador.

5. Pirómetros de fibra óptica

La fibra óptica es usada para servir de guía a la radiación emitida por los cuerpos y conducirla lejos de los lugares donde el calor provoca que el sistema de medición no funcione correctamente.
La capacidad de la fibra está limitada a 2 [μm] de longitud de onda, por lo que sólo puede medir temperaturas mayores que 93ºC. Se usan en lugares de acceso dificil o donde los campos electromagnéticos afectan a los equipos electrónicos; por ejemplo, dentro de motores, turbinas o tubos al vacío.

CONSTRUCCIÓN DE LOS PIRÓMETROS DE RADIACIÓN

Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador.
El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones:
1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.
2) las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.

a. TIPO ESPEJO

En la FIGURA siguiente se presenta esquemáticamente los rangos ópticos de un pirómetro de radiación moderno del tipo de espejo. La radiación entra, desde una fuente, a través de una ventana A de sílice vítrea, es reflejada por el espejo esférico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, en el centro del cual hay una abertura C.

La radiación que pasa a través de C es reflejada por el espejo esférico D hacia el receptor E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con óxido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a través de una lente H colocada detrás de B. El instrumento es orientado por el observador de manera que la imagen de la porción de la fuente que ha de ser mirada, cubra la abertura C. Dado que B no produce ninguna aberración cromática y muy poca aberración esférica, la imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual está enfocado el espejo, es muy neta y puede hacerse que una porción muy definida de la imagen cubra C.
La relación de la distancia de la fuente al diámetro requerido por la fuente (factor distancia) es aproximadamente de 24 a 1 para distancias mayores de 24 pulgadas. En 24 pulgadas, el diámetro de la fuente debe ser por lo menos de 1 pulgada; en 48 pulgadas, de 2 pulgadas, etc.
Para distancias más cortas de la fuente, el factor distancia es más largo.
Para distancias mayores de 20 pulgadas, el instrumento puede emplearse como de "foco universal" si está debidamente enfocado y graduado para una distancia de 24 pulgadas.
Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamaño de la abertura que deja osar la radiación de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila termoeléctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m.
Diafragmas de entrada fijos proporcionan el ajuste del intervalo del pirómetro en anchos límites. El extremo superior del intervalo puede ser de 1000 a 1800 C, e incluso superior a 1800 C, si se necesita, para un máximo de f.e.m. de 20 milivoltios.
La escala no es lineal y sigue aproximadamente la ley de la cuarta potencia en la relación entre la temperatura y la f.e.m.
Dado que el extremo inferior de la escala está comprimido, una f.e.m. menor de 1 milivoltio en una amplitud de 20 milivoltios no es útil en la medida de temperaturas. La escala que termina en 1000 C comienza en 450 C y la que termina en 1800 C comienza en 825 C.
En la mitad superior de la amplitud se descubren fácilmente cambios de temperatura de la fuente del orden de 0.1 % del valor medido.
El tiempo requerido para conseguir el equilibrio después de un cambio grande y rápido de temperatura de la fuente depende de la capacidad calorífica del receptor y de la rapidez con la que disipa el calor. Este tiempo de respuesta en el instrumento que hemos descrito es de 1 a 10 segundos, según el tamaño del receptor.

b. TIPO LENTE
Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios termopares de Pt - Pt Rd de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro.
La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientales máximas de 120 °C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente.
En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos)
Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C.
Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C.

Sistema de Acondicionamiento Pirómetros Radiación

CIRCUITO SUMADOR

Circuito Sumador inversor cuya entrada es un voltaje proveniente del sensor el cual entrega una diferencial de presión en el orden de los milivolts, este circuito permite amplificar y desviar la señal de entrada con respecto a tierra, teniendo como salida Vo presente en la resistencia eléctrica RL.

CIRCUITO AMPLIFICADOR CON TENSION EXTERNA DE COMPENSACION


Este tipo de arreglo permite eliminar el desequilibrio inicial en los amplificadores operacionales.


En la suguiente figura vemos en (a) Amplificador tipo inversor, (b) No inversor y (c) Seguidor.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
Es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).

En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación:

Figura 2. Amplificador de instrumentacion basico.

Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocicuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia Rg
Así que por ella circulará una corriente.

Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resisntecias R1. Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por Rg,R1yR1



Será:

Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada (sin añadir ganancia), la cual se acaba de definir.

Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las resistencias.
En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia Rg para poder controlar la ganancia. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada.
Este amplificador se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial.
Como mencionamos anteriormente este tipo de amplificador de uso especial esta disponible en chips como el INA114 (figura 6).

Figura 3. Circuito interno del Amplificador de instrumentación de precisión INA114.

Además también se plantean variaciones al esquema principal para añadir otras ventajas como mejorar la impedancia de entrada y ajuste de la ganancia (Figura 4) o mejoras en el alto rechazo al modo común (Figura 5).

Figura 4. Variante del Amplificador de instrumentación con Z alta y Ganancia ajustable.

Figura 5. Variante del Amplificador de instrumentación con Alto rechazo en modo comun CMRR.

Aplicaciones y Problema Práctico Pirómetros Radiación

Aplicaciones

Los pirometros de radiación tienen una gran aplicación en las mediciones de temperatura sin contacto en las empresas de: Agricultura, Automóvil, Cemento, Químicas y Petroquímicas, Electrónicas, Alimentos, Aluminio, Siderurgias, Metalúrgicas, Vidrio, Minería, Pulpa y Papel Acero entre otras.

Aluminio

Acero

Metalurgía

Vidrio

Construcción

Electricidad

Automóviles

Portátiles

Problema Práctico

Necesidad:
En una planta de reducción directa que tiene como producto final HBC (Hierro Briqueteado en caliente) se requiere controlar la curva de enfriamiento de las briquetas aguas abajo en la cinta transportadora a una temperatura de 90ºC por medio de un sistema de arreglo de espreas a alta presión controladas con válvulas de control a partir de la temperatura de salida del producto al final de la cinta, con una salida requerida para una lazo analógico de 4 a 20 ma.

Desarrollo de solución:
El margen de temperatura de salida de las briquetas es desde 650ºC hasta 450ºC.

Dado este margen de temperatura del proceso se selecciona un pirometro infrarrojo con un margen de medida de -50ºC a 1000ºC con un campo de visión FOV de 90:1 y una resolución de 1ºC

Para su montaje se tiene una distancia de 150cm del objetivo obteniéndose un diámetro del objetivo de:

Diámetro de Objetivo= 150cm/90=1.667cm

Principio de Funcionamiento Coriolis

Efecto Coriolis

La fuerza de Coriolis, también denominada efecto de Coriolis, descrita en 1835 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis. Descrita como el efecto que ejerce la rotación de la Tierra sobre los objetos que se mueven sobre su superficie

Se trata de la fuerza producida por la rotación de la Tierra en el espacio, que tiende a desviar la trayectoria de los objetos que se desplazan sobre la superficie terrestre; a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda, en el sur. Esta fuerza no sólo aparece durante la rotación de la Tierra sino, en general, para cualquier objeto con masa que se desplaza a una determinada velocidad sobre otro objeto en rotación.

Para entender qué es el efecto coriolis, imaginemos que estás en la cima de la montaña de Arizona y tienes un cañón, y deseas lanzar un proyectil hacia el asta de una bandera que se encuentra en la cima de una montaña en Montana, al norte de donde te encuentras, aproximadamente a miles de millas (1 600 km) de distancia. Si la Tierra no estuviera rotando, orientarías el cañón hacia el norte.

Pero la Tierra está rotando. Esto hace que parezca que el proyectil giró hacia la derecha, de manera que no damos en el blanco, nuestro proyectil aterrizará al este del asta de la bandera. ¿Qué debimos hacer?, pues debimos orientar el cañón hacia hacia el noroeste. Entonces nuestro proyectil hubiese girado hacia la derecha y, de haber sido cuidadosos, hubiésemos acertado en el blanco.

¿Por qué usamos un proyectíl y no una pelota de futból?. Pues porque algo debe moverse a lo largo de una gran distancia a fin de poder notar el efecto coriolis, al menos unas cientos de millas. Cuando lanzas una pelota, su trayectoria sólo gira un poco a causa del efecto coriolis, pero muy poco para que puedas notar su desvío.

El efecto coriolis hace que los objetos que lanzas en el hemisferio norte, parezcan desviarse hacia la derecha, y los que lanzas en el hemisferio sur, hacia la izquierda. En nuestro ejemplo, nuestro cañón estaba apuntando hacia el norte, pero algo parecido hubiese sucedido, no importa en qué dirección lo hubiésemos lanzado. Si nuestro cañón hubiese estado orientado hacia el este, nos hubiera dado la impresión de que el proyectil giraba hacia el sur. Si nuestro cañón hubiese estado orientado hacia el sur, nuestro proyectil parecería desviarse hacia el oeste, y así sucesivamente.
El efecto coriolis no sólo se sucede con proyectiles, también se sucede con vientos y corrientes marinas . Es lo que hace que los huracanes giren.
La generación de la fuerza coriolis puede producirse básicamente de dos formas.

Efecto Coriolis en el Sensor de Flujo

Los Fluidos que pasan a través del sensor son forzados a adquirir el movimiento vertical del tubo que vibra. Cuando el tubo se está moviendo hacia arriba durante la mitad del ciclo de vibración (figura 1), el fluido que está pasando a través del tubo ejerce una fuerza opuesta al movimiento hacia arriba y tiende a empujar el tubo hacia abajo. Una vez que el fluido atraviesa la curva y comienza a salir del sensor el fluido empuja el tubo hacia arriba (figura 2). Estos dos movimientos hacen que los tubos se retuerzan (figura 3). Cuando el tubo se esta moviendo hacia abajo en la segunda mitad del ciclo de vibración este se retuerce o deforma en dirección opuesta al movimiento. Esta característica es llamada efecto coriolis.


Figura 1


Figura 2


Figura 3

Principio de Medición de Flujo

Cada sensor de flujo tipo coriolis consistes en uno o dos tubos encapsulados en un compartimiento. Este medidor aplica para el calculo la segunda ley de newton de movimiento:
Fuerza = masa * aceleración.


Fig. 4

Dentro de la carcaza, el tubo medidor de flujo vibra a su frecuencia natural (Fig 4). El tubo es movido por una bobina electromagnética que genera un movimiento constante cuando el tubo es energizado, esta bobina está localizada en el centro de las curvas y causa que los tubos oscilen en sentido opuesto. La vibración es similar a la de un diapasón, con una amplitud menor a una décima de pulgada y una frecuencia de 80 ciclos por segundo aproximadamente.
Como los tubos del medidor coriolis vibran en sentido opuesto, estos están balanceados y aislados de la vibración externa o los movimientos externos del medidor.
En los medidores de flujo tipo coriolis de dos tubos paralelos, cuando el fluido entra al sensor es divido entre los dos tubos internos a través de un manifold y la mitad del flujo pasa por cada tubo Fig 5.

Fig. 5

De acuerdo a la segunda ley de Newton de movimiento, la magnitud de la deformación del tubo sensor es directamente proporcional a la cantidad de flujo másico que esta pasando a través del tubo.

Los detectores de velocidad electromagnética localizados en cada extremo del tubo sensor, miden la velocidad de la vibración del tubo. El flujo másico es determinado midiendo la diferencia de tiempo que se genera en el desfase entre las dos ondas sinusoidales que son obtenidas por los medidores electromagnéticos. Estos detectores son llamados “pick-offs coil” o bobinas colectoras de señal las cuales están compuestas por un magneto y una bobina. Estas bobinas están montadas a un lado de las piernas de uno de los tubos y el magneto esta montado en el lado opuesto como se muestra en la figura 6.

Figura 6

Cada bobina se mueve a través de un campo magnético uniforme cercano al magneto. El voltaje generado por cada bobina crea una onda sinusoidal. Como los magnetos están montados en un tubo y las bobinas en el tubo opuesto, la onda sinusoidal generada representa el movimiento de un tubo con respecto al otro (figura 7).

Figura 7

Ambas bobinas colectoras (la de la entrada y la de la salida) generan ondas sinusoidales continuamente cuando los tubos están oscilando. Cuando no hay flujo en la tubería no está presente el efecto coriolis y las ondas sinusoidales esta en fase y coinciden unas con otras como se muestra en la figura 8.

Figura 8

Cuando no hay flujo, no está presente el efecto coriolis.

Cuando el fluido se esta desplazando a través de los tubos del sensor, la fuerza coriolis es inducida en ambos extremos (entrada y salida). Esta fuerza causa que los tubos se curven uno con respecto al otro (figura 9).


Figura 9

La masa del fluido que atraviesa los tubos del sensor genera la fuerza coriolis que se opone a la vibración de los tubos. Cuando se produce la fuerza coriolis las ondas que miden las 2 bobinas se desfasan y esta diferencia es directamente proporcional a la cantidad de masa que esta presente en los tubos figura 10.

Figura 10

Principio de Medición de Densidad

La Densidad es definida como la masa por unidad de volumen o la masa divida entre el volumen.

El volumen de fluido contenido en los tubos del medidor se mantiene constante, así que la única forma en que puede cambiar la masa del fluido es si hay un cambio en la densidad. Debido a esto si el tubo esta lleno de producto, se puede determinar la densidad del producto que contiene.

Como se puede observar en las figuras si la densidad aumenta disminuye la frecuencia.

Y si disminuye la densidad aumenta la frecuencia

La relación entre la masa, la rigidez y la frecuencia natural es la base para medición de densidad en un medidor tipo coriolis. Para entender mejor este principio, consideremos un sistema compuesto por un resorte y una masa.
Si la masa aumenta, la frecuencia natural del sistema disminuye

Si la masa disminuye, la frecuencia natural del sistema aumenta

En el sensor de efecto coriolis, los tubos corresponden al resorte. La masa de los tubos mas la masa del fluido contenido en ellos corresponden a la masa al final del resorte. Y la rigidez de los tubos es una constante.

Entonces, la masa (densidad) del fluido contenido en un volumen fijo de los tubos es la única variable que afecta la frecuencia natural.

Durante la operación del sensor, la bobina excitadora hace que los tubos vibren a su frecuencia natural.

Si la masa del fluido disminuye, la frecuencia natural del sistema aumenta

Si la masa del fluido aumenta, la frecuencia natural del sistema disminuye

La frecuencia es medida en ciclos por segundo. El medidor tipo coriolis mide la densidad midiendo el periodo en ciclos por Segundo, ya que la densidad del fluido es directamente proporcional a la medición del periodo.

Ecuaciones Matemáticamente

De la figura 11 puede verse el medidor y direcciones de las fuerzas resultantes del movimiento, en donde la vibración del tubo, perpendicular al sentido del desplazamiento del fluido, crea una fuerza de aceleración a la tubería de entrada del fluido y una fuerza de desaceleración en la de salida, con lo que se genera un par cuyo sentido va variando de acuerdo con la vibración y el ángulo de torsión del tubo, que es directamente proporcional a la masa instantánea del fluido circulante. La fuerza de Coriolis es el producto de los vectores w y V, y su valor es:

F=2mw.V

Siendo:
F= Fuerza de Coriolis
m= masa del fluido contenida en el tubo recto de longitud L.
w= velocidad angular alrededor del eje del tubo en W.
V= velocidad lineal del fluido.

Figura 11

El par creado respecto al eje del tubo es:

M=2Fr=4mVwr=4wrQ

Si , es la constante de elasticidad del tubo y O el ángulo de torsión del tubo, la fuerza de torsión del tubo que equivale al par creado respecto al eje del tubo es:

T=KsO

Luego como M=T resulta finalmente el caudal másico:

Q=Ks.O/4wr

La diferencia en tiempo (Dt) de las señales de los sensores de posición esta relacionada con O y con la velocidad Vi del tubo en su punto medio, según

Y como qes pequeño, resulta:


Y combinado con las expresiones Q y O resulta:
Lo que indica que el caudal es proporcional al intervalo de tiempo y a las constantes del tubo, es decir, es independiente de w (frecuencia de vibración del tubo).

Tipos Sensores y Construcción Coriolis

Tipos de Sensores

Existen dos tipos de sensores:

1.- Los de tubo en forma de omega que estan compuestos de la siguiente manera:

en donde:
a)Los flow tubes o tubos de flujo: son piezas soldadas de acero inoxidable o inconel dependiendo la aplicación y el fluido que pasa a través del medidor.

b) Drive Coil y Magento: Es la bobina excitadora y es usada junto con el magneto para producer la oscilación de los tubos en el sensor de flujo. Cuando la bobina es energizada mantiene los tubos vibrando a su frecuencia natural.

c) Pickoff coils o bobinas detectoras: estan localizadas a cada lado de los tubos por donde pasa el flujo en el sensor.
Ellas producen una señal que representa la velocidad en ese punto donde se encuentra localizada, el flujo masico es determinado midiendo es desfasaje entre las dos señales que generan las bobinas.

d) RTD: Es un elemento de platino de 100 ohms que da la temperatura de los tubos del medidor , esta temperatura se utiliza como diagnostico y referencia.

2.- El medidor de tubo recto



El cual posee los mismos elementos que fueron descritos en el de tubo en forma de omega.