Este documento describe los errores comunes en la medición de flujo de gas y cómo evitarlos. Explica que los gases son compresibles, por lo que su volumen depende de la presión y la temperatura. También describe los diferentes tipos de flujómetros y las unidades para medir el flujo de gas, ya sea en condiciones reales o normalizadas. Resalta la importancia de especificar claramente las condiciones de presión y temperatura al medir y expresar el flujo de gas.

1. Errores comunes en la medición de flujo de gas
O como ahorrar tiempo y dinero aprendiendo de los errores de otros
Carlos Behrends
Carlos.behrends@br.endress.com
Endress + Hauser
Resumen
La medición de flujo de gas es sencilla, pero tiene algunas
características propias que no están presentes en la medición de flujo
de líquidos. Estas características están principalmente relacionadas
con la compresibilidad de los gases. Este trabajo presenta algunos de
los errores mas frecuentes causados por el desconocimiento del
efecto de la compresibilidad de un gas en la medición de su flujo.
Introducción
Adicionalmente a otras aplicaciones existentes de medición de gas,
la creciente tendencia al uso del gas natural nos ha puesto cada vez
mas en contacto con este tema. ¿En que unidades mido? ¿Qué son
las condiciones normalizadas o de referencia? ¿Necesito compensar
la medición de flujo con mediciones de presión y temperatura?
¿Utilizo un transmisor de presión absoluta o manométrica? ¿Por qué
no coincide la medición de dos medidores en serie? Estas son
preguntas típicas en la implementación de mediciones industriales de flujo de gas, que cuando son hechas no
siempre tienen respuesta clara. Peor aún, estas preguntas no siempre son hechas, resultando en una errónea
selección de instrumentos, con los costos y atrasos que esto significa. Este trabajo busca presentar este tema en
forma clara y sencilla, para evitar costosos errores en los que se incurre con frecuencia.
Características de un gas
En muchos aspectos, la medición de flujo de líquidos y gases es similar. Sin embargo, hay un aspecto que hace a
ambas muy distinto, y al que se requiere prestar atención: la compresibilidad de los gases. Se denomina así al
efecto causado por las variaciones de presión y temperatura en el volumen ocupado por un gas. Este comporta1.
miento se describe con la ley de los gases ideales
P V=
m R T
PM
Ecuación 1
1
Un gas ideal es definido como aquel en el que las colisiones entre sus átomos o moléculas con
perfectamente elásticas, y en el que no hay fuerzas de atracción moleculares. La ecuación 1 describe el comportamiento de gases ideales. En el mundo real, los gases se desvían ligeramente del
comportamiento descrito en esta ecuación. Esta desviación es mayor cuanto más se acerca el gas
a su presión y temperatura críticas (condiciones en las que el comportamiento de las fases gaseosa y líquida de un fluido se hacen indistinguibles). En estas condiciones, el comportamiento del gas
se describe con la ecuación
P V =Z
m R T
, en donde Z es el factor de compresibilidad del
PM
gas. Por simplicidad, y considerando que en muchas aplicaciones industriales los gases están lejos
de sus condiciones críticas, a efectos de este trabajo consideraremos el comportamiento ideal de
los gases, es decir, Z=1.
.

2. En donde:
P: Presión absoluta
V: Volumen ocupado por el gas
M: Masa del gas
3
0
R: Constante universal de los gases, dependiente de las unidades. Por ejemplo, 83,14 (bar.cm )/( K.mol)
T: Temperatura absoluta
PM: peso molecular del gas
Otras ecuaciones derivadas de la anterior son:
P1 V1 P2 V2
=
T1
T2
=
P * PM
R T
Ecuación 3
Ecuación 2
En donde V1 es el volumen ocupado por una cierta
masa de gas, a presión absoluta P1 y temperatura
absoluta T1, y V2 es el volumen ocupado por la
misma masa de gas, a presión absoluta P2 y temperatura absoluta T2.
En donde es la densidad del gas en condiciones
de presión P y temperatura T
Vale mencionar que los líquidos también presentan variación de su densidad en función de la presión y la temperatura. Sin embargo, en las mediciones industriales usuales, el efecto en la densidad de las variaciones de
presión no es apreciable, y los líquidos son tratados como fluidos incompresibles.
Unidades de medida del flujo de gas
El flujo de un fluido es normalmente expresado en unidades de volumen por unidad de tiempo, p. ej., m3/h.
Esta unidad, satisfactoria para expresar flujo de líquidos en muchos casos, es también utilizada para medir flujo
de gases. Sin embargo, como explicaremos a continuación, no es suficiente.
El fenómeno de compresibilidad de los gases arriba descrito hace que un metro cúbico de gas en distintas condiciones tenga una masa muy distinta en diversas condiciones:
•
•
•
0
Un m3 de aire a 100 bar(a) y 40 C pesa 112 kg. Obviamente, si las condiciones de presión y temperatura cambian, el peso del aire contenido en un m3 también cambia.
0
Un m3 de aire a 1,013 bar(a) (equivalente a 1 ata) y 0 C pesa 1,3 kg.
Un kg de aire pesa 1 kg (obviamente), independientemente de las condiciones en que es medido.
Por lo tanto, si expresamos un flujo de gas en kg/h, la masa de gas a la que nos referimos por unidad de tiempo
queda claramente definida. En cambio si utilizamos una unidad de volumen por unidad de tiempo (como
m3/h), esta información es insuficiente para determinar la masa de gas por unidad de tiempo. Se hace imprescindible entonces aclarar las condiciones a las que el volumen está determinado.
En este sentido, existen dos opciones:
•
•
Expresar el volumen de gas por unidad de tiempo en las condiciones reales de flujo: en este caso,
0
hablamos por ejemplo de m3/h, medidos a 8 ata y 32 C. La dificultad de esta medición es la difícil
comparación de flujos, incluso en la misma aplicación, ya que frente a una variación de presión y/o
temperatura, el flujo así expresado variaría. Por ejemplo, en una caldera cuyo consumo de gas estamos
midiendo, una variación de la presión a la cual el flujo es medido puede hacer variar la medición de gas
expresada en condiciones de flujo, aún cuando el lazo de control asegure que la cantidad de m3/h
consumidos por la caldera es constante.
Expresar el volumen de gas por unidad de tiempo en condiciones de referencia: en este caso, expresamos el volumen a presión y temperatura fijadas arbitrariamente y utilizadas como referencia. Esta pre-

3. sión y temperatura no guardan ninguna relación con las de flujo. Una condición de referencia típica es
0
1 atmósfera absoluta y 0 C, y es conocida como condición normal. Si el flujo de gas está expresado en
estas condiciones, se lo denomina flujo normalizado, y se expresa, por ejemplo, en normal metros cúbicos hora (Nm3/h). Es importante tener presente que con frecuencia en el lenguaje coloquial (e incluso
a veces en textos técnicos) se omite la precisión de normal, aún cuando en la inmensa mayoría de los
casos los flujos de gas son expresados en condiciones normales (u otras condiciones de referencia similares).
Existen diversas condiciones de referencia, las más utilizadas son:
•
•
0
Condiciones normalizadas: 1 ata y 0 C, determinadas por el sistema métrico decimal.
o
Condiciones standard: 14,7 psia y 60 F, determinadas por el sistema inglés de unidades.
La diferencia entre ambas mediciones es de aproximadamente un 5%, por lo que es necesario confirmar rigurosamente las condiciones de referencia utilizadas al expresar un flujo en condiciones normales. Mas aún, con
alguna frecuencia se utilizan variantes de las condiciones de referencia (como temperaturas de referencia de 15
0
ó 25 C), por lo que incluso el término normal puede no ser una definición precisa.
Distintos tipos de flujómetros
Los flujómetros determinan flujos másicos o volumétricos en condiciones de flujo, dependiendo de su principio
de operación. Desde esta perspectiva, podemos clasifica r a los flujómetros en tres tipos:
•
•
•
Volumétricos
Másicos
Los que utilizan el principio de Bernoulli.
Volumétricos
El principio de operación de estos flujómetros determina la
velocidad de flujo del gas. Esta velocidad, multiplicada por
la sección de flujo, determina el flujo volumétrico en condiciones de flujo del gas. Un ejemplo típico es el vortex.
Cuando un obstáculo se opone al paso de un fluido, el
fluido lo rodea generando una turbulencia muy particular,
en la que se desprenden vórtices en forma alternada a cada
lado del obstáculo. Este es un fenómeno que se puede
apreciar en la vida diaria. De hecho, el flamear de la bandera es la evidencia de cómo los vórtices del flujo de aire se
desprenden al rodear al asta. Este fenómeno fue observado
por primera vez en 1513 por Leonardo da Vinci (14522
1519), y estudiado en detalle por el científico aeronáutico húngaro Theodore Von Kármán (1881-1963),
quien en 1912 analizó el comportamiento de los vórtices que se forman cuando un fluido rodea un obstáculo.
En su estudio, Von Kármán determinó que en condiciones turbulentas de flujo el volumen contenido en un
vórtice es independiente de la velocidad del fluido. En estas condiciones, el caudal es proporcional a la frecuencia de desprendimiento de los vórtices. Es posible demostrar que este comportamiento es independiente de
características del fluido tales como la densidad o la viscosidad (en la medida en que se mantenga el flujo turbulento), o incluso si el fluido es un gas o un líquido.
Los flujómetros vortex constan básicamente de un obstáculo que se opone al avance de un fluido, un sensor que
determina la frecuencia de desprendimiento de los vórtices, y una electrónica que convierte esta frecuencia en
una señal normalizada, por ejemplo, 4-20 mA, basándose en la ecuación:
2
Theodore Von Kármán tuvo una intensa participación en numerosas aplicaciones aeronáuticas,
incluyendo el avión Douglas DC-1, el avión militar experimental X-1 (el primero en quebrar la barrera del sonido), y el misil balístico intercontinental Atlas.

4. Qv = k f
Ecuación 4
En donde:
Qv: Caudal volumétrico
k: constante determinada en banco de calibración
f: frecuencia de desprendimiento de los vórtices.
Otros flujómetros que operan determinando la velocidad del fluido son:
• Turbinas
• Flujo por ultrasonido.
En todos estos principios de operación, el flujo determinado está en condiciones de flujo. Para expresarlo en
condiciones de referencia, se debe utilizar la ecuación
Qvr = Qv f
Pf
Tr
Tf
Pr
Ecuación 5
En donde el subíndice r corresponde a las condiciones de referencia o normalizadas, y el subíndice f corresponde
a las condiciones de flujo.
Másicos
Estos flujómetros determinan directamente el flujo másico de gas que circula. Por tal motivo, variaciones de
presión o temperatura de flujo no variarán el flujo medido.
En la actualidad hay dos principios de operación que miden el flujo másico, con gran auge:
• Los flujómetros por coriolis
• Los flujómetros por dispersión térmica
En ambos principios, el flujo volumétrico se calcula como:
Qvr = Qm
r
Ecuación 6
En donde Qm es el flujo másico, y
r
es la densidad en condiciones de referencia.
Coriolis
El efecto de Coriolis es una fuerza inercial descripta por primera vez
por el matemático e ingeniero francés Gustave-Gaspard Coriolis
(1792-1843) en 1835. El efecto Coriolis es una deflexión aparente que
se produce cuando un objeto se mueve en forma radial sobre un disco
en rotación. Esta deflexión está causada por la mayor velocidad tangencial que el objeto requeriría para mantener su trayectoria recta con
relación al disco, en la medida en que se aleja del centro del disco en
rotación.
Un flujómetro coriolis consta de uno o dos tubos que vibran. La composición de movimiento del fluido dentro
del tubo vibrando emula al movimiento de un objeto sobre un disco, generando una fuerza de coriolis que deforma el tubo. Esta deformación es proporcional al caudal másico que circula por el tubo.

5. La primer patente para medición
de caudal por efecto coriolis data
de 1950, mientras que los primeros productos comerciales fueron
lanzados durante la década de
1970. Estos consistían en dos
tubos en U paralelos, sobre cuyas
ramas se producía el efecto coriolis, generando una deflexión cuya
amplitud era medida.
La vibración se logra utilizando
una bobina sujeta a un tubo, que
actúa sobre el segundo tubo. La
corriente alterna aplicada sobre la
bobina producirá la vibración de
ambos tubos. Por otra parte, dos
sensores miden la frecuencia y
amplitud de la vibración. Se
puede determinar que la frecuencia de la vibración es proporcional a la masa del tubo, y por ende a la densidad del fluido contenido. Por
otra parte, la amplitud de la deflexión es proporcional al flujo másico.
En 1986 se lanza un concepto revolucionario, que es el de flujómetro másico por principio de coriolis, de tubo
recto. En lugar de tubos en U, se utilizan tubos rectos, a los que también se hace vibrar. El movimiento de fluido
dentro del tubo vibrando también sufre la aceleración de coriolis, la que genera un desfasaje en la vibración del
tubo, de la primer sección respecto de la segunda.
Másicos Térmicos
Estos flujómetros se basan en la dispersión del calor generado
por el flujo de corriente eléctrica a través una resistencia. Por
una resistencia inmersa en un flujo de fluido circula una
corriente eléctrica produciendo calor. Este calor es dispersado
por el flujo del fluido en cuestión, enfriando la resistencia.
Esta resistencia es en particular una RTD, por lo que también
se mide la temperatura de la misma. Una segunda RTD da la
temperatura de referencia del fluido. Un lazo de control mantiene constante la diferencia entre ambas temperaturas, regulando para ello el flujo de corriente. Resulta así que el flujo de
fluido es proporcional al flujo de corriente que circula por la
resistencia, siendo también aplicable la ecuación 6.
Los que utilizan el principio de Bernoulli.
Este grupo de flujómetros incluye una variedad de tipos basados en la ecuación desarrollada por Daniel Bernoulli
(1700-1782). La ecuación de Bernoulli corresponde a la ley de
conservación de la energía aplicada a fluidos en movimiento.
Existen numerosas ecuaciones derivadas del principio de Bernoulli. Por ejemplo, la ecuación práctica aceptada por el comité de
investigación de flujómetros de la ASME (American Society of
Mechanical Engineers) para medición de flujo de gases y líquidos
con placas orificio es la siguiente:
Qm = Qv1
1
= C Y A2
2 g c ( P1
1
P2 )
4
1

6. Ecuación 7
En donde:
A2: Sección de del orificio
C: coeficiente de descarga
gc: gravedad
P1, P2: Presión estática aguas arriba y debajo de la restricción.
Qv1: flujo volumétrico en las condiciones de flujo aguas arriba de la restricción.
Qm: flujo másico
Y: factor de expansión. Considera el cambio de densidad del gas por la expansión adiabática de P1 a P2. Para
líquidos es 1, para gases es cercano a 1, dependiendo del calor específico del gas y la relación P1/P2.
: relación entre el diámetro del orificio y el diámetro de la línea.
1: densidad del gas en las condiciones de flujo aguas arriba de la restricción.
Con alguna frecuencia, se dice que la medición de flujo volumétrico de gases con placas orificio no requiere de
compensación por presión y temperatura. Combinando la Ecuación 3 y la Ecuación 7 obtenemos:
Qv1 = C Y A2
2 g c ( P1 P2 ) R T1
4
(1
) P1 PM
Ecuación 8
Como vemos, P1 y T1 participan en esta ecuación, por lo que en flujo de gases medidos utilizando el principio de
Bernoulli, la compensación por presión y temperatura es necesaria.
¿Que tipos de flujómetro requieren compensación por presión y / o
temperatura?
Analizando los distintos tipos de flujómetro, y las necesidades de medición de los usuarios, se puede concluir en
ciertas combinaciones típicas. Sin embargo, es necesario afirmar primero que la mayor parte de los usuarios
requieren medir flujo volumétrico normalizado o flujo másico. Por lo tanto, es muy poco frecuente que el usuario requiera medir volumen en condiciones de flujo. Con esta consideración, las combinaciones más típicas son:
•
•
•
Medidor volumétrico con compensación de presión y temperatura. Un caso típico es el vortex. La
compensación puede ser realizada con valores fijos si la presión y la temperatura son estables dentro de
los márgenes de error pretendidos, o pueden requerir medidores específicos.
Medidor másico: este tipo de medidor no requiere compensación de presión y / o temperatura, ya que
mide en forma directa la masa. La conversión a volumen normalizado se hace utilizando la densidad en
condiciones de referencia, que es una constante.
Medidores por principio de Bernoulli. Requieren compensación de presión y temperatura. La compensación puede ser realizada con valores fijos si la presión y la temperatura son estables dentro de los
márgenes de error pretendidos, o pueden requerir medidores específicos.
¿Siempre es necesaria compensar por presión y / o temperatura utilizando medidores?
La necesidad de compensar una medición por presión y temperatura es un hecho físico, derivado de las características del elemento primario. Pero si la presión y / o la temperatura son constantes, es suficiente aplicar las
ecuaciones 5, 7 u 8 (según corresponda), con presión y temperatura de flujo constantes. En condiciones reales,
presión y temperatura suelen variar, y no utilizar mediciones reales es una fuente de error que el usuario debe
evaluar, dependiendo de la precisión que pretenda.

7. Presión y temperatura absolutas: un error común
Resulta obvio decir, después de definida la Ecuación 1, que la presión y la temperatura deben expresarse como
0
absolutas (p.ej., bar (a) y 0 K). Sin embargo este es un error muy frecuente, en particular con relación a la presión. Para aclararlo, nos explayaremos en la diferencia entre presión absoluta y manométrica.
La mayor parte de los medidores de presión miden la presión en exceso sobre la presión atmosférica. Por ejemplo, diremos que un neumático desinflado no tendrá presión o tendrá una presión de 0 bar, cuando en realidad
contiene aire, que está a presión atmosférica. La presión medida en exceso a la presión atmosférica se conoce
como presión manométrica, y se cumple que:
Pabs = Pman + Patm
Ecuación 9
Recordemos que para aplicar la ley de los gases que hemos utilizado como base de todas estas ecuaciones, se
debe utilizar presión absoluta. Si en lugar de utilizar presión absoluta utilizamos presión manométrica introducimos un error que será mayor cuanto menor sea la presión. Por ejemplo, a 10 bar (a), el error será de aproximadamente 10%.
Debe observarse que la presión absoluta puede determinarse de dos formas:
• Utilizando un transmisor de presión absoluta.
• Utilizando un transmisor de presión manométrica, y sumándole la presión atmosférica.
Dicho esto, surge la pregunta sobre si para medir la presión debe utilizarse un transmisor de presión manométrica o absoluto. En términos estrictos, resulta claro que debe usarse un transmisor de presión absoluta. Sin embargo, los transmisores de presión manométrica presentan dos ventajas:
•
•
Los patrones de calibración de presión manométrica están ampliamente disponibles, cosa que no ocurre
con los patrones de calibración de presión absoluta.
Los transmisores de presión manométrica están disponibles en rangos más amplios que los absolutos,
especialmente a alta presión.
Para tomar la decisión sobre si utilizar transmisores de presión absoluta o manométrica es relevante entonces
analizar el error que surge de usar un transmisor de presión manométrica. Este error surge de considerar la
presión atmosférica como una constante, cuando en realidad es una variable.(recuerde la Ecuación 9). Podremos analizar mejor este error si evaluamos la presión manométrica en la localidad en la que instalamos el equipo. Por ejemplo, en la localidad de Los Ángeles (Chile, VIII Región), la presión manométrica a lo largo del año
2001 mostró la siguiente variación, expresada en mbar (1 atm=1013,25 mbar).:
mes
ene feb mar abr may jun
jul
ago sep
oct
nov
dic
mínima 991 995 999 994 994 1.000 990 989 1.000 997 999 994
máxima 1.010 1.004 1.006 1.012 1.010 1.015 1.014 1.015 1.013 1.013 1.010 1.009
Surgen entonces dos fuentes típicas de error:
•
•
Considerar la presión atmosférica constante, e igual a una atmósfera. En el ejemplo, la presión atmosférica media es de 1.003 mbar (a), mientras que 1 ata equivale a 1.013,25 mbar (a), resultando en un
error de 10 mbar. Este error será mayor cuanto mayor sea la altura de la localidad. Por ejemplo, en la
ciudad de Santiago de Chile (a 800 m de altura), la presión media es de 920 mbar (a), resultando en
ese caso un error de 107 mbar. Este error es fácilmente corregible, averiguando la presión atmosférica
media en la localidad en cuestión, sobre un período amplio de tiempo, y utilizando este valor en la
Ecuación 9.
Hecha la corrección arriba indicada, queda una segunda fuente de error, que es la variación de la presión atmosférica respecto de la media de la localización. Por ejemplo, en la localidad de Los Ángeles la
presión promedio de ese año fue de 1.003 mbar (a)registrándose una presión mínima de 991 mbar (a),
y 1.015 mbar (a). Respecto de estos valores, el error es del –12 y +12 mbar respectivamente.

8. Nótese que hemos utilizados errores absolutos y no relativos. Este punto es clave: el error relativo en nuestra
medición de presión absoluta debe calcularse dividiendo los errores absolutos arriba mencionados, por la presión
absoluta. Basándonos en que hemos configurado correctamente los algoritmos de cálculo, utilizando la presión
atmosférica promedio de 1.003 mbar(a), podemos ver 3 ejemplos del impacto del error de ±12 mbar en una
medición:
•
•
•
Si la presión manométrica es de 1 bar (g), el error será de ±0,6%.
Si la presión manométrica es de 7 bar (g), el error será de ±0,15%.
Si la presión manométrica es de 40 bar (g), el error será de ±0,03%.
Resulta claro que si la presión manométrica medida es de 40 bar, es perfectamente aceptable utilizar un transmisor de presión manométrica, al que se suma en el algoritmo de cálculo la presión atmosférica promedio de la
localidad en cuestión. En el extremo opuesto de los ejemplos dados, muy probablemente un error del 0,6% no
sea aceptable, y se requiera un medidor de presión absoluta. El ejemplo intermedio es considerado un límite
práctico, que origina la siguiente regla práctica:
Por debajo de 7 bar (g), la compensación de flujo de gas por presión requiere un transmisor de presión absoluta.
Por encima de ese valor, puede utilizarse un transmisor de presión manométrica, al cual se le suma la presión
atmosférica media de la localidad en que se realiza la medición.
Instalación
Otro aspecto con frecuencia desestimado es la instalación del flujómetro. Las reglas que se presentarán a continuación son válidas también para líquidos.
Con excepción de los flujómetros másicos por principio de coriolis, los demás flujómetros requieren que el flujo
presente un perfil de velocidades uniforme. Para lograr este perfil, el flujo debe recorrer una distancia apropiada,
sin perturbaciones. Esta distancia se expresa normalmente como un factor del diámetro de la línea. Por ejemplo,
un tramo de 15 DN es un tramo recto de 15 diámetros nominales. Si el diámetro de la línea es de 4”, el tramo
será de 1,5 m.
La figura a continuación muestra los tramos rectos típicamente requeridos en medición de flujo:

9. La figura a continuación muestra la deformación del perfil de velocidades, causada por perturbaciones como
codos, contra codos, etc.
Por último, esta figura muestra errores típicos de instalación. Es importante advertir que varios de estos errores
no son detectables desde el exterior de la línea, por lo que una inspección visual con el proceso presurizado o
con la línea cerrada no los detectará.

10. Conclusiones
La medición de flujo de gas es subestimada con frecuencia. No siempre se contempla con rigurosidad la información necesaria para una correcta medición, desde las condiciones de referencia utilizadas, hasta el tipo de
transmisor de presión utilizado en la compensación. Por otra parte, atender estos detalles no es difícil. Con este
texto, esperamos haber mostrado al lector que medir flujo de gas no es difícil, y que los errores que con frecuencia se ven en las aplicaciones industriales son de fácil solución, realizando el análisis apropiado. Y yendo a una
de las preguntas de la introducción: ¿por qué no me coinciden dos medidores puestos en serie? Pruebe dos
errores típicos: verifique en ambos casos que las condiciones de referencia sean las mismas, y que el computador
de flujo, responsable del cálculo de compensación, este buen configurado de acuerdo a los sensores que tiene
conectados, en particular, el tipo de transmisor de presión.
Autor
Carlos Behrends es gerente general de Endress + Hauser en Brasil y Chile, y country manager para Perú. Fue
gerente general de Foxboro en Chile, y anteriormente vendedor y gerente de ventas de Foxboro Argentina.
Trabajó en el departamento de instrumentos de Techint en Buenos Aires. En el área académica, es coautor del
libro “Sistemas Digitales de Control de Procesos”, y fue profesor de la Universidad de Buenos Aires, además de
dictar numerosos cursos en empresas, institutos y universidades, sobre temas de control automático. Es ingeniero químico de la Universidad de Buenos Aires, y tiene un MBA de la Universidad del Salvador – Deusto. Es
miembro de la Asociación Argentina de Control Automático y miembro Senior de la ISA – Instruments, Systems
and Automation (ex Instruments Society of America).