En la medición de caudal por presión diferencial, un elemento primario, como una placa de orificio, una tobera o un Venturi, estrecha el paso del fluido y crea una caída de presión. Un transmisor mide esa diferencia y el caudal se obtiene de su raíz cuadrada. Es una técnica antigua, normalizada y muy extendida, con límites claros de rango y de instalación.
El principio
Cuando un fluido que llena una tubería pasa por una restricción, su velocidad aumenta y su presión estática baja. La diferencia de presión entre un punto aguas arriba y uno en la restricción o aguas abajo depende del caudal, y esa dependencia puede describirse con la ecuación de Bernoulli y coeficientes determinados experimentalmente. Un elemento primario crea la restricción y un transmisor de presión diferencial mide la caída. El caudal se calcula a partir de ella.
Los elementos primarios más comunes son la placa de orificio, la tobera y el tubo Venturi. La placa de orificio es la más usada por su bajo costo y su simplicidad: una lámina delgada con un agujero, instalada entre bridas.
La relación entre caudal y presión diferencial
El caudal másico a través de una placa de orificio es proporcional al coeficiente de descarga C, al factor de expansibilidad ε (para gases), al área del orificio y a la raíz cuadrada del producto de la densidad del fluido por la presión diferencial. En forma general:
q = C / √(1 − β⁴) · ε · (π/4) · d² · √(2 · ρ · Δp)
donde β es la relación entre el diámetro del orificio y el de la tubería, d es el diámetro del orificio, ρ la densidad y Δp la presión diferencial. Lo importante para la instrumentación es la consecuencia: el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de Δp. Una vez instalada la placa, basta medir la diferencia de presión, extraer su raíz cuadrada y multiplicarla por una constante para obtener un caudal aceptable.
Ejemplo ilustrativo. Un transmisor de presión diferencial está calibrado de 0 a 100 kPa, y ese rango corresponde al 100 % del caudal máximo.
| Caudal (% del máximo) | Presión diferencial (% del rango) | Señal sin raíz cuadrada | Señal con raíz cuadrada |
|---|---|---|---|
| 100 % | 100 % | 20 mA | 20 mA |
| 70,7 % | 50 % | 12 mA | 15,3 mA |
| 50 % | 25 % | 8 mA | 12 mA |
| 25 % | 6,25 % | 5 mA | 8 mA |
| 10 % | 1 % | 4,16 mA | 5,6 mA |
Sin raíz cuadrada, la señal de 12 mA no significa 50 % de caudal sino un 70,7 %. Con la raíz cuadrada aplicada en el transmisor o en el controlador, la señal es lineal con el caudal. Un error frecuente es aplicar la raíz cuadrada dos veces, o ninguna.
La fila del 10 % muestra el problema del rango bajo: una presión diferencial del 1 % del rango es una señal pequeña, y un cero que se haya desplazado apenas se convierte en un error grande de caudal.
Elementos primarios y su elección
| Elemento | Característica | Se usa cuando |
|---|---|---|
| Placa de orificio | Barata, fácil de cambiar, mayor pérdida de presión permanente | Fluidos limpios, instalaciones donde la pérdida es aceptable |
| Tobera | Menor pérdida que el orificio, más cara | Vapor y caudales altos |
| Tubo Venturi | Recupera casi toda la presión, la pérdida permanente es la menor | Tuberías grandes y fluidos con sólidos suspendidos finos, donde la pérdida cuenta |
El coeficiente de descarga de una placa de orificio típica está entre 0,6 y 0,85 según la geometría y la posición de las tomas. Cuando la placa y su instalación cumplen la norma ISO 5167, el caudal se calcula sin calibrar el medidor individualmente; esa norma es de pago y aquí solo se cita su alcance general.
Tomas de presión
Dónde se toma la presión aguas arriba y aguas abajo modifica el coeficiente. Las configuraciones más comunes son:
- Tomas de brida: a 25,4 mm (una pulgada) de cada cara de la placa, dentro de bridas especiales.
- Tomas de esquina: inmediatamente antes y después de la placa.
- Tomas D y D/2: a un diámetro de tubería aguas arriba y medio diámetro aguas abajo.
La elección la fija el diseño del elemento, y el transmisor debe conectarse a las tomas correctas.
Instalación: lo que hace o deshace la exactitud
La fórmula supone un flujo desarrollado, sin remolinos ni perfil deformado. Una placa de orificio solo funciona bien con un perfil de flujo completamente desarrollado. Para lograrlo se requieren tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo, cuya longitud depende de la relación beta y del accesorio anterior: un codo, una válvula o una reducción. Se recomienda del orden de 20 a 40 diámetros aguas arriba según el número de Reynolds, o un acondicionador de flujo. Los valores exactos para un caso concreto salen del cálculo conforme a la norma.
Otros aspectos de instalación:
- Tubería llena. El método supone un fluido monofásico y de tubería llena. Un gas con condensado o un líquido con burbujas altera la medición.
- Orientación de la placa. El borde afilado va hacia aguas arriba, y un borde dañado o desgastado cambia el coeficiente.
- Líneas de impulso. Las tuberías pequeñas que llevan la presión de las tomas al transmisor deben ser cortas, con pendiente adecuada, sin bolsas de aire en líquidos ni de condensado en gases. Un múltiple de válvulas de tres o cinco vías permite aislar el transmisor y ecualizar para comprobar el cero sin sacarlo de servicio.
- Posición del transmisor. Para líquidos, por debajo de las tomas; para gases, por encima. Es una regla general que se verifica en el diseño.
Límites del método
- Pérdida de presión permanente. La placa de orificio recupera menos presión que el Venturi; la pérdida permanente ronda la presión diferencial multiplicada por (1 − β^1,9).
- Rango de caudales limitado. Por la relación cuadrática, el rango útil está acotado, y debajo de cierto porcentaje la lectura es poco confiable.
- Desgaste. El borde de la placa se redondea con el tiempo y cambia el coeficiente, sobre todo con fluidos abrasivos.
- Fluidos sucios o viscosos. Se adaptan mal a la placa de borde afilado; los coeficientes varían con la viscosidad y el caudal bajo.
- Compensación. En gases y vapor, la densidad cambia con la presión y la temperatura; para un caudal másico exacto se compensa con transmisores adicionales.
Caudal másico y compensación en gases y vapor
La fórmula del caudal incluye la densidad del fluido. En un líquido casi incompresible, la densidad cambia poco con la presión y se toma como constante, con corrección por temperatura si hace falta. En un gas o un vapor, la densidad depende de la presión y de la temperatura de operación, así que el caudal calculado con una densidad fija se desvía cuando esas condiciones cambian.
Ejemplo ilustrativo. Una línea de aire comprimido se diseñó a 7 bar con una densidad dada. Si la presión real de operación baja a 6 bar y no hay compensación, la densidad real es menor que la supuesta, y el caudal másico verdadero también. Pero el instrumento sigue calculando con el valor de diseño y muestra un caudal mayor que el real. Por eso, para balances o facturación, el medidor lleva un transmisor de presión y uno de temperatura adicionales, y el cálculo de densidad se hace en el controlador o en un computador de caudal. El error de no compensar puede ser de varios por ciento, según cuánto se aparte la operación del diseño.
Errores frecuentes
- Aplicar la raíz cuadrada dos veces, o ninguna.
- Instalar la placa al revés o con el borde dañado.
- Medir sin los tramos rectos que pide el cálculo, o con una válvula parcialmente abierta justo antes de la placa.
- Dejar aire en las líneas de impulso de un líquido, o líquido en las de un gas.
- Cambiar el rango del transmisor sin actualizar el cálculo del caudal máximo en el sistema.
- Confundir el lado de alta y de baja presión del transmisor, con lectura negativa o en cero.
- No compensar por presión y temperatura en gas o vapor.
- Leer el caudal total en un tramo cuando el flujo es bajo, sin verificar la zona de baja exactitud.
Lista de verificación
- Hoja de cálculo del elemento: diámetro, relación beta, tomas y caudal máximo con su Δp.
- Placa instalada con la orientación correcta y su identificación grabada.
- Tramos rectos conformes con el cálculo, o acondicionador de flujo.
- Líneas de impulso cortas, con pendiente y sin fugas.
- Rango del transmisor igual al del cálculo, con raíz cuadrada aplicada una sola vez.
- Cero comprobado con el múltiple ecualizado.
- Compensación de densidad definida para gas o vapor.
- Alarma de falla de instrumento para señal fuera de rango.
- Rango, tag y cálculo registrados.
Cómo le ayudamos
Un caudalímetro de presión diferencial mal ajustado no avisa: entrega una cifra plausible con un error del 10 o el 20 %, que luego se refleja en balances y facturas. En el diseño, nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios deja las hojas de cálculo y los planos de lazo coherentes con los equipos. En campo, las pruebas y puesta en servicio comprueban el cero, el rango y la respuesta de cada lazo hasta el sistema de control. Para comprobar la señal de cada transmisor hasta la pantalla, vea pruebas punto a punto de señales; para la supervisión del proceso, sistema SCADA y HMI de subestación.
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Referencias
- ISO 5167 (serie), Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full (norma de pago, citada por título; solo su alcance general).
- Wikipedia, «Orifice plate» (CC BY-SA 4.0), consultada el 2026-11-05.
- Kuphaldt, T. R., Lessons in Industrial Instrumentation, capítulo de caudal (CC BY 4.0).
Preguntas frecuentes
¿Por qué la señal de caudal se extrae con raíz cuadrada?
Porque el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial. Si se duplica el caudal, la diferencia de presión se multiplica por cuatro. Por eso el transmisor o el controlador deben aplicar la raíz cuadrada para que la señal sea lineal con el caudal.
¿Qué es la relación beta?
Es el cociente entre el diámetro del orificio y el diámetro interior de la tubería. Interviene en la fórmula del caudal y en el coeficiente de descarga, y define cuánto se estrecha el paso: a menor beta, mayor presión diferencial y mayor pérdida permanente.
¿Cuántos tramos rectos de tubería necesita una placa de orificio?
Depende de la relación beta y de los accesorios aguas arriba, como codos, válvulas o reducciones. La norma ISO 5167 fija los tramos para cada caso, y se pueden reducir con un acondicionador de flujo. No se estiman a ojo: se toman del cálculo del elemento.
¿Qué pasa con la lectura cuando el caudal es muy bajo?
La presión diferencial cae con el cuadrado del caudal, así que a caudales bajos la señal es muy pequeña y se ve afectada por el ruido y el desplazamiento del cero. Por eso la medición por presión diferencial tiene un rango útil limitado, que se amplía con dos transmisores de rangos distintos.