Tesis-MediciAn-de-flujo-mAísico-compensado

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
 
 
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS 
 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
IMPLEMENTACIÓN DE UNA INTERFAZ GRÁFICA PARA LA 
MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO EMPLEANDO TUBOS VENTURI 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
 
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
PRESENTAN 
JHONNY BUENO MERCADO 
LUIS ANGEL RANGEL RINCÓN 
ASESORES 
M. EN C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA 
M. EN C. JOSÉ DARÍO BETANZOS RAMÍREZ 
Ciudad de México Junio 2016 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A mis padres por todo el apoyo emocional y económico que me brindaron durante 
toda mi trayectoria académica. A mi madre por sus valiosos consejos y cariños 
brindados. A mi padre por todas sus enseñanzas y cariños demostrados. A través 
de ejemplos de perseverancia y trabajo me motivaron para concluir una carrera 
profesional y no darme por vencido pese a los obstáculos presentados. 
 
A mis asesores, el M. en C. René Tolentino Eslava y el M. en C. José Darío 
Betanzos Ramírez por las constantes asesorías brindadas para el desarrollo de este 
trabajo de tesis. Con sus conocimientos y críticas impulsaron nuestro crecimiento 
profesional. 
 
 
 
 
 
Jhonny Bueno Mercado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A mi mamá Angélica Rincón, por todo el amor que me ha dado siempre, por estar 
conmigo de forma incondicional; por darme fortaleza en los momentos más difíciles 
y ser mi gran motivación para llegar a ser un buen profesionista; por enseñarme que 
al hacer las cosas con amor y alegría nunca habrá obstáculos ni antivalores que 
detengan el camino hacia el éxito. 
 
A mi papá, Juan Antonio Rangel, por las grandes lecciones de vida que me ha dado 
en innumerables ocasiones, por enseñarme que la puntualidad y la responsabilidad 
son indispensables para tener estabilidad laboral y que todo lo que haga tengo que 
hacerlo bien o de lo contrario es mejor no hacerlo; por aquellas noches de desvelo 
que me acompañó con una taza de café y sobre todo, por respetar mis decisiones 
siempre respondiendo con un bue consejo. 
 
A mis asesores, el M. en C. René Tolentino Eslava y el M. en C. José Darío 
Betanzos Ramírez por la orientación y apoyo en la elaboración de este trabajo de 
tesis. Gracias a la disciplina y constancia con las que dirigieron el desarrollo de este 
trabajo contribuyeron a la formación de estos futuros profesionistas. 
 
 
 
 
Luis Angel Rangel Rincón 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Este trabajo se desarrolló en el Laboratorio de Ingeniería 
Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP®) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONTENIDO 
 
RESUMEN i 
INTRODUCCIÓN iii 
NOMENCLATURA v 
RELACIÓN DE FIGURAS vii 
RELACIÓN DE TABLAS xi 
 
CAPÍTULO I MEDICIÓN DE FLUJO E INTERFAZ GRÁFICA CON LABVIEW 1 
1.1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 3 
 1.1.1. PRESIÓN 3 
 1.1.2. TEMPERATURA 5 
 1.1.3. DENSIDAD 6 
 1.1.4. VISCOSIDAD 6 
1.2. ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LOS FLUIDOS 7 
 1.2.1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD 7 
 1.2.2. ECUACIÓN DE BERNOULLI 8 
1.3. COMPORTAMIENTO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS 9 
 1.3.1. FLUIDOS COMPRESIBLES E INCOMPRESIBLES 10 
 1.3.2. NÚMERO DE REYNOLDS 10 
 1.3.3. VELOCIDAD Y PRESIÓN EN TUBERÍAS 11 
1.4. MEDICIÓN DE FLUJO 13 
 1.4.1. FLUJO VOLUMÉTRICO 13 
 1.4.2. FLUJO MÁSICO CON COMPENSACIÓN DE PRESIÓN Y TEMPERATURA 16 
1.5. INTERFAZ GRÁFICA 17 
 1.5.1. TENDENCIAS Y APLICACIONES DE LAS INTERFACES GRÁFICAS 18 
 1.5.2. INTERFACES GRÁFICAS CON LABVIEW 19 
 1.5.3. ADQUISICIÓN DE DATOS 21 
 1.5.4. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS 23 
 
CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL 25 
2.1. BANCO DE PRUEBAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 27 
 2.1.1. VENTILADOR CENTRÍFUGO 28 
 2.1.2. TUBOS VENTURI 29 
 2.1.3. CÁMARA DE PRUEBAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 31 
2.2. MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO Y VOLUMÉTRICO 32 
2.3. METODOLOGÍA DE FABRICANTE PARA MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO 34 
2.4. INSTRUMENTACIÓN PARA INTEGRAR LA INTERFAZ GRÁFICA 36 
 2.4.1. TRANSMISORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL Y ABSOLUTA 36 
 2.4.2. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA 40 
2.5. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (NI USB-6009) 42 
2.6. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES 44
 
 
 2.6.1. ACONDICIONAMIENTO DEL TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL 45 
 2.6.2. ACONDICIONAMIENTO DEL TRANSMISOR DE PRESIÓN ABSOLUTA 47 
 2.6.3. CONEXIÓN ELÉCTRICA DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 48 
 
CAPÍTULO III DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRÁFICA 51 
3.1. ALGORITMO PARA EL CÁLCULO DE FLUJO MÁSICO 53 
 3.1.1. DIAGRAMA DE FLUJO 53 
 3.1.2. ALGORITMO EN LABVIEW 55 
3.2. ADQUISICIÓN DE DATOS 59 
 3.2.1. TRANSMISORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL Y ABSOLUTA 60 
 3.2.2. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA 61 
3.3. GENERACIÓN DE LA INTERFAZ DEL USUARIO 62 
 3.3.1. PERIODOS DE MUESTREO Y NÚMERO DE MEDICIONES 63 
 3.3.2. REPRESENTACIÓN MEDIANTE GRÁFICOS 63 
 3.3.3. BASE DE DATOS DE LA INTERFAZ GRÁFICA 66 
 
CAPÍTULO IV RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS 67 
4.1. PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 69 
4.2. MEDICIÓN DE FLUJO VOLUMÉTRICO 71 
 4.2.1. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE HÚMEDO) 71 
 4.2.2. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE SECO) 75 
 4.2.3. METODOLOGÍA DE FABRICANTE 78 
4.3. MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO 80 
 4.3.1. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE HÚMEDO) 80 
 4.3.2. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE SECO) 81 
 4.3.3. METODOLOGÍA DE FABRICANTE 82 
4.4. COMPARACIÓN FLUJO VOLUMÉTRICO Y MÁSICO 82 
 4.4.1. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE HÚMEDO-AIRE SECO) 83 
 4.4.2. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE HÚMEDO-FABRICANTE) 85 
 4.4.3. NORMA ISO-5167:2003 (AIRE SECO-FABRICANTE) 86 
4.5 COSTOS 89 
 
CONCLUSIONES 93 
BIBLIOGRAFÍA 95 
ANEXOS 97 
A. ECUACIÓN CIPM-2007 99 
B. ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS 101 
APÉNDICES 103 
A. MANUAL DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 105 
B. BASE DE DATOS OBTENIDAS EN LAS PRUEBAS REALIZADAS 109
 
i 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
RESUMEN 
 
En este trabajo se realizó una interfaz gráfica con LabVIEW® para la medición de 
flujo másico y volumétrico con compensación de presión y temperatura empleando 
tubos Venturi en base a la norma ISO-5167:2003, considerando aire húmedo y aire 
seco y las ecuaciones del fabricante. La interfaz gráfica se realizó en un banco de 
pruebas para la evaluación de intercambiadores de calor compactos y radiadores 
automotrices. 
 
En la medición de flujo másico y volumétrico con compensación de presión y 
temperatura se empleó un transmisor de presión absoluta, un transmisor de presión 
diferencial, un transductor de temperatura y un transductor de humedad relativa. A 
través de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6009, las variables de proceso 
medidas fueron adquiridas por la interfaz gráfica que se desarrolló en LabVIEW®. 
La información transmitida de los instrumentos a la interfaz gráfica fue procesada 
para el cálculo de densidad, número de Reynolds, flujo másico y volumétrico de aire. 
Lo anterior se mostró en la HMI mediante gráficas, registro de datos así como una 
representación virtual del banco de pruebas realizada en Symbol Factory®. Además, 
la interfaz gráfica permite al usuario seleccionar el criterio conveniente para la 
medición de flujo de aire, el periodo de muestreo y el número de mediciones 
realizado por el sistema. 
 
Con la implementación de la interfaz gráfica realizada en LabVIEW® se consiguió 
un sistema que emplea tres criterios para medir de manera instantánea flujo másico 
y volumétrico con compensación de presión y temperatura, con periodos de 
muestreo ajustables, que incluyela medición de las condiciones ambientales y las 
variables de proceso, así como un registro de datos en archivos con extensión .xlsx 
(Excel). También, se determinó el error entre las mediciones de flujo realizadas por 
norma ISO-5167:2003 (aire húmedo y aire seco) y de acuerdo al criterio del 
fabricante. 
 
Así, en la comparación entre los criterios por norma ISO-5167:2003, aire húmedo y 
aire seco, se obtuvo una desviación máxima de flujo volumétrico de 0.47% en el 
Venturi D200 y de 0.27% en el Venturi D100. La desviación máxima presente en la 
medición de flujo másico fue de 1.02% en el Venturi D200 y de 0.77% en el Venturi 
D100. En la comparación entre los criterios por norma ISO-5167:2003 (aire húmedo) 
y fabricante, la medición arrojó una desviación máxima de flujo volumétrico de 7.8% 
en el Venturi D200 y de 9.7% en el Venturi D100. La desviación máxima presente 
en la medición de flujo másico fue de 6.1% en el Venturi D200 y de 8% en el Venturi 
D100. La comparación entre los criterios por norma ISO-5167:2003 (aire seco) y 
fabricante, presentó en las mediciones una desviación máxima de flujo volumétrico 
de 7.9% en el Venturi D200 y de 9.9% en el Venturi D100. La desviación máxima 
 
ii 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
presente en la medición de flujo másico fue de 5.7% en el Venturi D200 y de 7.7% 
en el Venturi D100. 
 
La realización de este trabajo hizo notoria la consideración e importancia de la 
humedad relativa en la medición de flujo másico y volumétrico, ya que influye de 
manera relevante en el cálculo de estas variables, disminuyendo la desviación 
máxima en la medición de flujo volumétrico hasta 7.43% en el Venturi D200 y 9.63% 
en el Venturi D100. También disminuye la desviación máxima en la medición de 
flujo másico hasta 5.08% en el Venturi D200 y 7.23% en el Venturi D100. La 
humedad relativa influye en el flujo de aire como lo hacen factores siguientes: 
coeficiente de descarga y el factor de expansión térmica. De acuerdo a los 
resultados obtenidos y al análisis elaborado se recomienda realizar la medición de 
flujo másico y volumétrico de aire en el banco de pruebas en base a la norma ISO-
5167:2003, considerando la humedad relativa para el cálculo de la densidad del 
aire por CIPM-2007.
 
iii 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
INTRODUCCIÓN 
 
Actualmente la medición de flujo volumétrico y másico en los procesos industriales 
y en laboratorios es importante, ya que de ello depende el determinar la cantidad de 
fluido consumido, la eficiencia del proceso y la calidad del producto final según la 
aplicación. Para esto, existen una gran cantidad de instrumentos que utilizan 
diversos principios de medición tales como: presión diferencial, área variable, 
velocidad, impacto, desplazamiento positivo, entre otros. Los más utilizados son 
aquellos instrumentos por el principio de presión diferencial para determinar tanto el 
flujo volumétrico como el flujo másico. La medición de flujo en gases resulta más 
compleja que en los líquidos, ya que al ser fluidos compresibles se tiene que realizar 
una compensación del flujo por presión y temperatura debido a la constante 
variación de la densidad, de no efectuarse esta compensación se tendrían 
mediciones incorrectas. 
 
En el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP®) de la 
SEPI ESIME Zacatenco, se cuenta con un banco de pruebas para la evaluación de 
intercambiadores de calor compactos y radiadores automotrices. Esta instalación 
cuenta con un ventilador centrífugo con una capacidad de 11.19 kW (15 hp) una 
velocidad angular variable de hasta 3000 rpm, dos tubos Venturi (de los cuales solo 
se puede conectar uno a la vez) con conexión por medio de bridas al ventilador 
donde se realizan las mediciones de presión con indicadores de presión y de la 
temperatura con un termómetro bimetálico, el registro de estas mediciones se 
realiza de forma manual. Posteriormente, mediante una hoja de cálculo se 
determina el flujo másico y volumétrico con compensación, debido a que el fluido 
que se maneja es aire. Finalmente se reportan las condiciones de operación bajo 
las que se evaluaron los intercambiadores de calor o se efectuaron las pruebas. El 
proceso anterior implica errores en el proceso de medición así como el tiempo que 
requiere realizarlo. 
 
El propósito del presente trabajo surge ante la necesidad de actualizar este 
procedimiento al implementar una interfaz gráfica que permita calcular y al mismo 
tiempo mostrar el flujo másico con compensación de presión y temperatura en el 
momento en que se realizan las mediciones, generar gráficos del comportamiento 
de las variables (presión, temperatura, densidad, presión diferencial) y de los 
cálculos de flujo másico y volumétrico que se generan a partir de estas. Otro factor 
importante a considerar en el desarrollo del presente trabajo será la disponibilidad 
de la interfaz gráfica para variar el tiempo de muestreo y las mediciones realizados 
por el mismo, de acuerdo a las necesidades del usuario para que pueda hacer uso 
 
iv 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
de estos de acuerdo a sus necesidades. Éste trabajo sólo es susceptible de 
aplicarse en gases. 
 
La interfaz gráfica fue desarrollada en LabVIEW® 2014 de National Instruments. 
Este software cuenta con un entorno de programación gráfico, que facilita la labor 
de los desarrolladores de soluciones en procesos industriales, dejando de lado la 
programación tradicional en lenguajes convencionales como lenguaje C o lenguaje 
ensamblador. Los instrumentos usados para medir las variables del proceso fueron: 
un transmisor de presión diferencial, un transmisor de presión absoluta, un 
transductor de temperatura y un transductor de humedad relativa. Mientras que para 
la adquisición de datos fue usada una tarjeta de adquisición de datos y una 
computadora que cuente o no con LabVIEW®, dado que también se realizó un 
archivo ejecutable de la interfaz gráfica. 
 
Por lo anterior, el objetivo de este trabajo es implementar una interfaz gráfica en 
LabVIEW® para la medición de flujo másico y volumétrico con compensación de 
presión y temperatura por medio de tubos Venturi, destacando la influencia de la 
humedad relativa en el flujo de aire. Para lograr lo anterior, este trabajo se ha 
dividido en los siguientes capítulos: 
 
En el primer capítulo se presentan las ecuaciones y variables de proceso que 
intervienen en la medición de flujo másico y volumétrico con compensación de 
presión y temperatura. Además se describen brevemente las interfaces gráficas, 
particularmente las realizadas con LabVIEW® y la adquisición de datos. 
 
En el capítulo dos se describe el banco de pruebas para la evaluación de 
intercambiadores de calor, la selección de la instrumentación empleada para la 
medición de las variables de proceso así como la descripción de la tarjeta de 
adquisición de datos y el acondicionamiento de las señales de los trasmisores de 
presión diferencial y absoluta. 
 
En el tercer capítulo, se muestra la programación y el desarrollo de la interfaz gráfica 
partiendo de un diagrama de flujo, seguido de un algoritmo de programación, 
pasando por la configuración para la adquisición de datos, terminando el capítulo 
con la generación de la interfaz usuario. 
 
En el capítulo cuatro se presenta el análisis de resultados de las pruebas realizadas 
con la interfaz gráfica donde se hizo la comparación entre la medición de flujo 
másico y volumétrico de acuerdo a la norma ISO-5167:2003 (aire húmedo y aire 
seco) y al criterio del fabricante. Finalmente se presentan las conclusiones 
obtenidas durante el desarrollo de este trabajo. 
 
v 
 
Implementación de una interfazgráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
NOMENCLATURA 
 
Símbolo Descripción Unidades 
𝑨 Área 𝑚2 
𝑪𝒅 Coeficiente de descarga Adimensional 
𝒅 Diámetro en la garganta 𝑚 
𝑫 
Diámetro en la sección de entrada. 
Coeficiente específico. 
𝑚 
Adimensional 
𝒇 Factor de fugacidad Adimensional 
𝑭𝑬 Energía de presión J 
𝑭 Fuerza 𝑁 
𝒈 Aceleración de la gravedad 𝑚/𝑠2 
𝒉 Cambio de elevación 𝑚 
𝑯𝑹 Humedad relativa % 
𝑰 Corriente eléctrica A 
𝑲𝑬 Energía cinética J 
𝒍 Distancia 𝑚 
𝑳𝒆 Longitud de entrada 𝑚 
𝒎 Masa 𝑘𝑔 
𝑴𝒂 Masa molar del aire seco 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙
−1 
𝑴𝒗 Masa molar del agua 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙
−1 
𝒑 Presión 𝑃𝑎 
𝒑𝒂𝒃 Presión absoluta 𝑃𝑎 
𝒑𝒂𝒓𝒄ó𝒏 Presión en la cámara de pruebas o arcón 𝑚𝑚 𝐻2𝑂 
𝒑𝒂𝒕𝒎 Presión atmosférica 𝑃𝑎, 𝑘𝑃𝑎 
𝒑𝒎𝒂𝒏 Presión manométrica 𝑃𝑎 
𝑷𝟎 Coeficiente homogéneo 𝑚𝑏𝑎𝑟 
𝒑𝑽 Presión en el Venturi 𝑃𝑎 
𝒑𝑽𝒄 Presión corregida en el Venturi 𝑚𝑚 𝐻2𝑂 
𝑷𝑬 Energía potencial 𝐽 
𝒒𝒎 Flujo másico 𝑘𝑔/𝑠 
𝒒𝒗 Flujo volumétrico 𝑚
3/𝑠 
𝑹 
Constante molar del gas. 
Resistencia eléctrica 
𝐽 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 
Ω 
𝑹𝒆 Número de Reynolds Adimensional 
𝑹𝑶 Densidad por criterio de fabricante 𝑘𝑔/𝑚3 
 
vi 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
𝐭 Tiempo 𝑠 
𝒕 Temperatura relativa °𝐶 
𝑻 Temperatura termodinámica 𝐾 
𝝊 Velocidad 𝑚/𝑠 
𝑽 Volumen 𝑚3 
𝒘 Peso del fluido 𝑁 
𝑿 
Coeficiente para cálculo de presión 
diferencial por criterios de fabricante 
Adimensional 
 
𝒙𝒗 Fracción molar del vapor de agua Adimensional 
𝑿𝟎 
Coeficiente para cálculo de flujo másico por 
criterios de fabricante 
Adimensional 
𝒛 Altura 𝑚 
𝒁 Factor de compresibilidad Adimensional 
Alfabeto griego 
𝜷 Relación de diámetros Adimensional 
𝜸 Peso especifico 𝑁/𝑚3 
𝜺 Factor de expansión térmica Adimensional 
η Velocidad angular rev/min 
𝜿 Relación de calores específicos Adimensional 
𝝁 Viscosidad dinámica 
𝑁 ∙
𝑠
𝑚2
, 𝑃𝑎 ∙ 𝑠, 
𝑘𝑔/𝑚 ∙ 𝑠 
𝝂 Viscosidad cinemática 𝑚2/𝑠 
𝝆 Densidad del fluido 𝑘𝑔/𝑚3 
𝝉 Relación de presiones Adimensional 
∆ Diferencia Adimensional 
Subíndices y superíndices 
1 Condiciones de entrada Adimensional 
2 Condiciones de salida Adimensional 
𝒅 Condiciones en la garganta Adimensional 
𝑫 Condiciones en la tubería de entrada Adimensional 
Siglas 
CIPM Comité Internacional de Pesas y Medidas 
DAQ Adquisición de Datos 
ISO Organización Internacional para la Normalización 
SI Sistema Internacional 
 
vii 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
RELACIÓN DE FIGURAS 
 
FIGURA DESCRIPCIÓN PAG. 
 
CAPÍTULO I 
 
1.1 Unidades y escalas para medición de presión (Streeeter y Wylie, 1988) 4 
1.2 Elemento de un sistema de distribución de fluido (Mott, 1996) 8 
1.3 Componentes de un sistema de tuberías (Munson, et al., 1999) 10 
1.4 Regiones de entrada, flujo en desarrollo y flujo desarrollado en un sistema de 
tuberías (Munson, et al., 1999) 
12 
1.5 Tubo Venturi 14 
1.6 Coeficiente de descarga para tubos Venturi con 𝛽 = 0.4 (Reader, 2015) 15 
1.7 Interfaz gráfica de usuario 17 
1.8 Ventanas de trabajo en LabVIEW: a) Ventana del panel frontal, b) Ventana del 
diagrama a bloques 
20 
1.9 Interfaz gráfica en LabVIEW (panel frontal y diagrama de bloques) 21 
1.10 Elementos de un sistema de adquisición de datos (Pineda, 2015) 22 
1.11 Diagrama de bloques del funcionamiento interno de una tarjeta DAQ (Lajara y 
Pelegrí, 2009) 
24 
 
CAPÍTULO II 
 
2.1 Diagrama de tubería e instrumentación del banco de pruebas 27 
2.2 Banco de pruebas de intercambiadores de calor compactos 27 
2.3 Sistema rotatorio para intercambio de tubos Venturi 28 
2.4 Ventilador centrífugo: a) Vista posterior, b) Vista lateral 29 
2.5 Geometría tubo Venturi, D= 200 mm y d= 115 mm 29 
2.6 Geometría tubo Venturi, D= 100 mm y d= 58 mm 30 
2.7 Tubos Venturi 30 
2.8 Cámara de evaluación; a) Vista interna, b) Vista externa 31 
2.9 Manómetro en U 32 
2.10 DTI del banco de pruebas integrando el sistema DAQ 33 
2.11 Diagrama a bloques del sistema DAQ 33 
2.12 Puntos de medición de las variables de proceso 34 
2.13 Transmisor de presión diferencial 37 
2.14 Conexión eléctrica del transmisor de presión diferencial (Endress+Hauser, 
2006) 
38 
2.15 Conexión de la columna de Hg al transmisor de presión diferencial 38 
2.16 Ajuste de cero para el transmisor de presión diferencial 38 
2.17 Ajuste del span del transmisor de presión diferencial 39 
2.18 Transmisor de presión absoluta Cerebar PMC131 (Endress+Hauser, 2006) 40 
 
viii 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
2.19 Transductor de temperatura LM35DZ (Texas Instruments, 2015) 41 
2.20 Transductor de humedad relativa HIH4030 (Honeywell, 2008) 42 
2.21 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6009 (National Instruments, 2015) 43 
2.22 Explorador de medición y automatización NI-MAX 44 
2.23 Reconocimiento de la tarjeta DAQ con NI-MAX 44 
2.24 Respuesta del transmisor de presión diferencial 45 
2.25 Conversión de corriente eléctrica a tensión eléctrica 46 
2.26 Respuesta del transmisor de presión absoluta 47 
2.27 Diagrama de conexión entre los instrumentos y la NI USB-6009 48 
2.28 Diseño del circuito en PCB Wizard 48 
2.29 Diseño virtual del circuito en PCB Wizard 49 
2.30 Circuito montado en placa fenólica 49 
2.31 Módulo para acondicionamiento y distribución de señales eléctricas 49 
 
CAPÍTULO III 
 
3.1 Diagrama de flujo para el cálculo de flujo másico y volumétrico 54 
3.2 Asistente del módulo DAQ para la adquisición de señales 55 
3.3 Condición para determinar el número de mediciones 56 
3.4 Diagrama de bloques para el control del tiempo de muestreo 56 
3.5 “Nodo de fórmula” para la medición de flujo másico y volumétrico por norma ISO 57 
3.6 “Nodo de fórmula” para la medición de flujo másico y volumétrico bajo criterios 
de fabricante 
57 
3.7 Estructuras “case” para la selección de la forma de cálculo y de tubo Venturi 58 
3.8 Conexión de variables de proceso locales a indicadores 58 
3.9 Tabulación y registro de datos 59 
3.10 Conexión de un instrumento de forma diferencial 60 
3.11 Configuración del bloque “DAQ Assistant” 60 
3.12 Adquisición de datos del transmisor de presión diferencial 61 
3.13 Adquisición de datos del transmisor de presión absoluta 61 
3.14 Adquisición de datos del transductor de temperatura 62 
3.15 Adquisición de datos del transductor de humedad relativa 62 
3.16 Ajuste del periodo de muestreo 63 
3.17 Ajuste del número de mediciones 63 
3.18 Panel de control 64 
3.19 Condiciones de operación 64 
3.20 Variables adicionales 64 
3.21 Representación gráfica de flujo másico y volumétrico 65 
3.22 Registro de datos 65 
3.23 Representación virtual del banco de pruebas 65 
3.24 Base de datos en un archivo de Excel 66 
 
ix 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
CAPÍTULO IV 
 
4.1 Instalación de los transductores en el banco de pruebas: a) Vista externa, 
b) Vista interna 
69 
4.2 Tomas de presión del banco de pruebas 69 
4.3 Conexión del módulo de acondicionamiento de señales eléctricas 70 
4.4 Conexión del sistema DAQ al banco de pruebas 70 
4.5 Variación de temperatura durante las pruebas. Norma ISO aire húmedo 72 
4.6 Variación de humedad relativa durante las pruebas. Norma ISO aire húmedo 72 
4.7 Variación de la presión de entrada en función de rpm. Norma ISO aire húmedo 73 
4.8 Variación de la presión diferencial en función de rpm. Norma ISO aire húmedo 73 
4.9 Variación de la densidad en función de rpm. Norma ISO aire húmedo 74 
4.10 Flujo volumétrico por Norma ISO-aire húmedo 74 
4.11 Variación de la temperatura durante la prueba. Norma ISO aire seco 75 
4.12 Variación de la presión de entrada en función de rpm. Norma ISO aire seco 764.13 Variación en la presión diferencial en función de rpm. Norma ISO aire seco 76 
4.14 Variación de la densidad en función de rpm. Norma ISO aire seco 77 
4.15 Flujo volumétrico por Norma ISO aire seco 77 
4.16 Variación de la temperatura durante la prueba. Fabricante 78 
4.17 Variación de la presión de entrada en función de rpm. Fabricante 78 
4.18 Variación en la presión diferencial en función de rpm. Fabricante 79 
4.19 Variación de la densidad en función de rpm. Fabricante 79 
4.20 Flujo volumétrico por fabricante 80 
4.21 Flujo másico por Norma ISO aire húmedo 81 
4.22 Flujo másico por Norma ISO aire seco 81 
4.23 Flujo másico por fabricante 82 
4.24 Comparación flujo volumétrico ISO (aire húmedo-aire seco) 84 
4.25 Comparación flujo másico ISO (aire húmedo-aire seco) 84 
4.26 Comparación flujo volumétrico ISO aire húmedo-fabricante 86 
4.27 Comparación flujo másico ISO aire húmedo-fabricante 86 
4.28 Comparación flujo volumétrico ISO aire seco-fabricante 88 
4.29 Comparación flujo másico ISO aire seco-fabricante 88 
 
APÉNDICE A 
 
A.1 Conexión del sistema DAQ 105 
A.2 Gabinete eléctrico 106 
A.3 Tablero de control 106 
A.4 Entorno NI-MAX 107 
A.5 Ejecución del programa en LabVIEW 108 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xi 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
RELACIÓN DE TABLAS 
 
TABLA DESCRIPCIÓN PAG. 
 
CAPÍTULO II 
 
2.1 Datos técnicos del transmisor de presión diferencial 37 
2.2 Datos técnicos del transmisor de presión absoluta 40 
2.3 Comparación entre transductores de temperatura 41 
2.4 Comparación entre transductores de humedad relativa 42 
 
CAPÍTULO III 
 
3.1 Configuración de canales para la adquisición de datos 60 
 
CAPÍTULO IV 
 
4.1 Matriz experimental 70 
4.2 Comparación 𝑞𝑣 ISO (aire húmedo-aire seco) 83 
4.3 Comparación 𝑞𝑚 ISO (aire húmedo-aire seco) 83 
4.4 Comparación 𝑞𝑣 ISO aire húmedo-fabricante 85 
4.5 Comparación 𝑞𝑚 ISO aire húmedo-fabricante 85 
4.6 Comparación 𝑞𝑣 ISO aire seco-fabricante 87 
4.7 Comparación 𝑞𝑚 ISO aire seco-fabricante 87 
4.8 Costo de material 89 
4.9 Costo de diseño 90 
4.10 Costo de tarjeta DAQ y LabVIEW 90 
4.11 Costo de transmisores de presión diferencial y absoluta 91 
 
ANEXO B 
 
 
B.1 Especificaciones de la tarjeta de adquisición de datos 101 
 
APÉNDICE B 
 
B.1 Promedios por ISO aire húmedo en D200 109 
B.2 Promedios por ISO aire húmedo en D100 109 
B.3 Promedios por ISO aire seco en D200 110 
B.4 Promedios por ISO aire seco en D100 110 
B.5 Promedios por fabricante en D200 110 
B.6 Promedios por fabricante en D100 111 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO I MEDICIÓN DE FLUJO E INTERFAZ GRÁFICA 
CON LABVIEW 
 
En este capítulo se abordan las propiedades de los fluidos, las ecuaciones 
fundamentales que describen el comportamiento de los fluidos en movimiento y su 
comportamiento en una tubería o ducto. Posteriormente, se hace mención de las 
mediciones y procedimientos necesarios para obtener el flujo volumétrico y másico. 
Por último, se presenta una descripción de las interfaces gráficas partiendo de su 
definición, características, componentes principales y comunicación. Finalmente se 
muestran aplicaciones y tarjetas de adquisición de datos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
1.1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 
 
Los fluidos son importantes en la vida diaria, pueden verse en un sinfín de sistemas, 
desde la distribución de agua en viviendas hasta en un equipo automatizado para 
la manufactura, el cual emplea aire comprimido para el accionamiento de cilindros 
neumáticos. Por tal motivo, es importante definir que es un fluido y las propiedades 
más relevantes de los mismos. 
 
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a un 
esfuerzo cortante, sin importar cuan pequeño sea (Streeter y Wylie, 1988). Es decir, 
fluye continuamente a través de una superficie. 
 
Además del agua y el aire se emplean otros fluidos en la industria como: la gasolina, 
el gas y el petróleo. En base a esto, resulta imprescindible conocer su 
comportamiento, principalmente cuando están en movimiento. 
 
Tanto los líquidos como los gases presentan propiedades físicas que permiten 
determinar su comportamiento y diferenciarlos entre sí, principalmente para su 
manipulación y transporte, así como diseñar instrumentos de medición de flujo y 
sistemas que dependen de ellos para su funcionamiento. A continuación se 
presentan las propiedades de presión, temperatura, densidad y viscosidad. 
 
 
1.1.1. PRESIÓN 
 
La presión se define como la fuerza que se ejerce sobre un área determinada. Se 
representa mediante la siguiente ecuación: 
 
𝑝 =
𝐹
𝐴
 
(1.1) 
 
La unidad de presión en el Sistema Internacional (SI) es el Pascal (𝑃𝑎). De la 
ecuación 1.1 se obtienen dos principios importantes relacionados con la presión: 
 
1. La presión actúa de manera uniforme en todas direcciones sobre un volumen 
de fluido. 
2. Si un fluido está contenido en un recipiente, la presión actúa 
perpendicularmente a las paredes del recipiente mismo. 
 
Es común realizar la medición de presión empleando alguna presión de referencia. 
La presión manométrica es aquella en la que se utiliza como referencia la presión 
atmosférica local, la cual varía de acuerdo al lugar y las condiciones climatológicas; 
 
4 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
en cambio la presión absoluta se mide en relación con el cero absoluto. La ecuación 
1.2 relaciona estos dos tipos de medición. 
 
𝑝𝑎𝑏 = 𝑝𝑚𝑎𝑛 + 𝑝𝑎𝑡𝑚 (1.2) 
 
En cambio, la presión de vacío o de succión se presenta cuando la presión 
manométrica es negativa. Si la presión absoluta es menor que la atmosférica, se 
tiene una presión de vacío. En la figura 1.1 se ubica la presión atmosférica en 
relación con las escalas y unidades comúnmente utilizadas para la medición de esta 
variable. 
 
14.7 lb/pulg2
2116 lb/ft2
29.92 in Hg
33.91 ft H2O
1 atmósfera
760 mm de Hg
101.325 kPa
1.013 bar 
P
re
s
ió
n
 A
b
s
o
lu
ta
Presión atmosférica al nivel del mar
Presión atmosférica local
Presión absoluta
Cero absoluto
Presión de vacío
Presión Manométrica
 
 
Figura 1.1 Unidades y escalas para medición de presión (Streeter y Wylie, 1988). 
 
Adicionalmente a los tipos de presión mencionadas, existe la presión diferencial 
que, resulta ser la diferencia de presiones entre dos puntos, esta diferencia indica 
una caída de presión o un aumento de la misma. Generalmente se tiene una presión 
diferencial en las toberas y tubos Venturi. Comúnmente en estos dispositivos donde 
se tiene un flujo de algún fluido como el aire se emplean instrumentos como el 
manómetro en U para medir la presión. El manómetro en U usa la relación existente 
entre un cambio de presión y un cambio de elevación de un líquido, generalmente 
agua o mercurio. Esta relación está expresado mediante: 
 
∆𝑝 = 𝛾ℎ (1.3) 
 
5 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
En la ecuación anterior también puede emplearse la densidad del líquido, que será 
definida más adelante. Puesto que 𝛾 = 𝜌𝑔, la ecuación 1.3 adquiere la siguiente 
forma: 
 
∆𝑝 = 𝜌𝑔ℎ (1.4) 
 
De las ecuaciones 1.3 y 1.4 se deduce lo siguiente: 
 
1. El cambio de presión es directamente proporcional al peso específico del 
líquido. 
2. La presión varía linealmente con el cambio de elevación. 
3. Una disminución en la elevación ocasiona un aumento en la presión. 
4. Un aumento en la elevación ocasionauna reducción en la presión (Mott, 
1996). 
 
 
1.1.2. TEMPERATURA 
 
La temperatura se define como la intensidad de calor presente en un cuerpo, que 
puede ser transferida a otro. Además de ser una medida de la energía cinética en 
las partículas que componen el sistema. Dos sistemas se encuentran en equilibrio 
cuando ambos se encuentran a la misma temperatura, por lo tanto no existe una 
transferencia de calor. Cuando se rompe ese equilibrio el calor tiende a transferirse 
del sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. 
 
Al igual que la presión, la temperatura es una variable física que puede ser medida 
empleando diferentes escalas. Se utilizan las escalas Celsius (°C) y Fahrenheit (°F) 
para medir la temperatura relativa y para las temperaturas absolutas se emplean las 
escalas Kelvin (K) y Rankine (°R). Las dos escalas están basadas en los puntos de 
congelación y ebullición del agua a una presión atmosférica de 101.3 kPa (Munson, 
Young y Okiishi, 1999). La relación para las escalas Kelvin y Rankine con las 
escalas °𝐶 y °𝐹 se muestran en las ecuaciones 1.5 y 1.6. 
 
𝐾 = °𝐶 + 273.15 (1.5) 
 
°𝑅 = °𝐹 + 459.67 (1.6) 
 
La mayoría de las propiedades físicas de las sustancias dependen de la 
temperatura, es decir, cambian ante la variación de la temperatura como lo puede 
ser la presión de vapor, el volumen de un líquido y la densidad, entre otras. 
 
 
6 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
1.1.3. DENSIDAD 
 
La densidad de un fluido es la cantidad de masa por unidad de volumen. Está dada 
por la siguiente expresión: 
 
𝜌 =
𝑚
𝑉
 (1.7) 
 
Las unidades para medir la densidad en el SI son 𝑘𝑔 𝑚3⁄ . La densidad en los 
líquidos no cambia de forma significativa, por influencia de la presión; caso contrario 
en los gases, donde es significativa la variación de la densidad debido a la presión 
y temperatura. Puesto que en este trabajo se maneja como fluido de trabajo el aire, 
se utiliza la ecuación para calcular la densidad del aire propuesta por el CIPM-
2007 (Picard, Davis, Gläser y Fujii, 2008). 
 
𝜌 =
𝑝𝑀𝑎
𝑍𝑅𝑇
[1 − 𝑥𝑣 (1 −
𝑀𝑣
𝑀𝑎
) ] 
(1.8) 
 
En el anexo A se describen las ecuaciones complementarias para el cálculo de la 
densidad del aire con la ecuación CIPM-2007. 
 
 
1.1.4. VISCOSIDAD 
 
La viscosidad es una propiedad de los fluidos que representa la resistencia al 
movimiento de sus moléculas ante la aplicación de un esfuerzo de corte. Existen 
dos tipos de viscosidad: la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática. La 
viscosidad dinámica se refiere a la oposición del fluido al movimiento, y en donde 
se desarrolla en él un esfuerzo de corte (𝜏), definido como la fuerza requerida para 
desplazar una capa de área unitaria del fluido sobre otra capa del mismo fluido. Este 
esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de deformación del 
fluido y puede representarse mediante la siguiente expresión: 
 
𝜏 = 𝜇
𝑑𝑢
𝑑𝑦
 
(1.9) 
 
De la ecuación 1.9 se observa que la velocidad de deformación está ligada a la 
viscosidad del fluido. Las unidades para la viscosidad dinámica en el SI pueden ser 
𝑁 ∙ 𝑠 𝑚2⁄ , 𝑃𝑎 ∙ 𝑠 o 𝑘𝑔 𝑚 ∙ 𝑠⁄ . 
 
La viscosidad cinemática es la razón de viscosidad dinámica entre la densidad del 
fluido y se define mediante la ecuación 1.10. La viscosidad cinemática es 
 
7 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
indispensable en muchos cálculos de mecánica de fluidos como se verá más 
adelante en el número de Reynolds. En cuanto a las unidades para la viscosidad 
cinemática en el SI, se tiene 𝑚2 𝑠⁄ . 
 
𝜈 =
𝜇
𝜌
 (1.10) 
 
 
1.2. ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LOS FLUIDOS 
 
La ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli son importantes en el estudio 
de fluidos en movimiento, porque a través de ellas es posible analizar la dinámica 
de fluidos y dimensionar instrumentos que aprovechan la presión diferencial para la 
medición del flujo. La ecuación de continuidad está relacionada con la conservación 
de masa, mientras la ecuación de Bernoulli aborda la conservación de la energía de 
un fluido en movimiento. 
 
 
1.2.1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD 
 
El cálculo de la rapidez de flujo de un fluido en conductos cerrados depende del 
principio de continuidad. Considerando una sección de tubería como la que se 
muestra en la figura 1.2. Si un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con una 
velocidad constante, entonces se tiene que el flujo a través de toda la sección 
permanece constante en un determinado tiempo, si no se agrega ni extrae fluido 
entonces, la masa del fluido permanece constante a lo largo de la tubería. 
 
Dado que la masa por unidad de tiempo que pasa por la tubería se puede 
representar como 𝜌𝐴𝜐. Se tiene la siguiente ecuación: 
 
𝜌1𝐴1𝜐1 = 𝜌2𝐴2𝜐2 (1.11) 
 
La ecuación 1.11 se conoce como ecuación de continuidad y relaciona la densidad 
de un fluido, el área y la velocidad de flujo en dos puntos dentro de un sistema. La 
ecuación es aplicable tanto para líquidos como gases. Para el caso de líquidos la 
densidad permanece constante 𝜌1 = 𝜌2. Entonces la ecuación se puede 
representar mediante: 
 
𝐴1𝜐1 = 𝐴2𝜐2 (1.12) 
 
De la ecuación anterior se obtiene: 
 
𝑞𝑣 = 𝐴𝜐 (1.13) 
 
8 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 
 
Figura 1.2 Elemento de un sistema de distribución de fluido (Mott, 1996). 
 
El flujo volumétrico es el mismo a lo largo de toda la sección. Definiéndose el flujo 
volumétrico como la cantidad en volumen de un fluido por unidad de tiempo que 
fluye a través de una sección transversal. Las unidades en el SI para el flujo 
volumétrico son 𝑚3/𝑠. 
 
El flujo no solo puede ser volumétrico, también se puede tener un flujo másico, que 
se define como la cantidad de masa de un fluido por unidad de tiempo a través de 
una sección transversal. La ecuación para el flujo másico se obtiene al relacionar 
las ecuaciones 1.11 y 1.13. Dando como resultado la ecuación 1.14. Las unidades 
para el flujo másico corresponden a 𝑘𝑔/𝑠 en el SI. 
 
𝑞𝑚 = 𝜌𝐴𝜐 (1.14) 
 
 
1.2.2. ECUACIÓN DE BERNOULLI 
 
Como se mencionó anteriormente, esta ecuación aborda la ley de conservación de 
la energía. Cuando está presente el flujo en ductos existen tres formas de energía 
referidos a tres parámetros: la altura (𝑧), la velocidad (𝜐) y la presión (𝑃). Estas 
formas de energía están expresadas por las ecuaciones siguientes: 
 
𝑃𝐸 = 𝑤𝑧 (1.15) 
 
𝐾𝐸 = 𝑤𝜐2/2𝑔 (1.16) 
 
𝐹𝐸 = 𝑤𝑝/𝛾 (1.17) 
 
9 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
La ec. 1.15 representa la energía potencial, la ec. 1.16 relaciona la energía cinética 
y finalmente la energía de presión o energía de flujo que es la cantidad de trabajo 
necesario para desplazar el fluido a través del ducto en contra de la presión y está 
representada por la ec. 1.17. La energía total que posee el fluido resulta de la suma 
de las tres formas de energía anteriores y se expresa mediante: 
 
𝐸 =
𝑤𝑝
𝛾
+ 𝑤𝑧 +
𝑤𝜐2
2𝑔
 
(1.18) 
 
Considerando que el fluido viaja de la sección 1 a la sección 2 y de acuerdo con el 
principio de conservación de la energía, se tiene que 𝐸1 = 𝐸2, entonces: 
 
𝑤𝑝1
𝛾
+ 𝑤𝑧1 +
𝑤𝜐1
2
2𝑔
=
𝑤𝑝2
𝛾
+ 𝑤𝑧2 +
𝑤𝜐2
2
2𝑔
 
(1.19) 
 
Se observa que el peso es común en todos los términos, por lo cual se puede 
eliminar. Si además la ecuación se establece empleando la densidad del fluido (𝜌) 
en lugar del peso específico (𝛾) se tiene: 
 
𝑝1 + 𝜌𝑔𝑧1 +
1
2
𝜌𝜐1
2 = 𝑝2 + 𝜌𝑔𝑧2 +
1
2
𝜌𝜐2
2 
(1.20) 
 
La ecuación de Bernoulli tiene algunas limitaciones que es importante considerar 
con el propósito de aplicarse de forma correcta. 
 
1. Es valida solamente para fluidosincompresibles. 
2. No puede haber dispositivos mecánicos entre las dos secciones de interés 
que pudieran agregar o eliminar energía del sistema, ya que la ecuación 
establece que la energía total del fluido es constante. 
3. No puede haber transferencia de calor hacia dentro o fuera del fluido. 
4. No puede haber pérdidas de energía debido a la fricción (Mott, 1996). 
 
 
1.3. COMPORTAMIENTO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS 
 
En general el flujo en el interior de tuberías se encuentra inmerso a nivel industrial 
en muchos procesos, sea compresible o incompresible. Está presente desde la 
distribución de agua potable a las grandes ciudades hasta en el transporte de 
diversos líquidos aprovechados en procesos industriales. Por tal motivo resulta 
importante conocer el comportamiento de un fluido en una tubería, en especial la 
velocidad y presión. 
Los sistemas de tuberías se componen de elementos y accesorios. Dentro de los 
elementos se tienen tramos de tubos de diámetro constante y los accesorios son 
 
10 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
válvulas, tes, codos o cualquier otro dispositivo que provoque una pérdida en el 
sistema. También se tienen turbomáquinas como bombas y ventiladores que 
agregan energía al sistema o turbinas que extraen energía del sistema. En la figura 
1.3 se aprecia un sistema con algunos elementos y componentes presentes en las 
tuberías. 
 
 
 
Figura 1.3 Componentes de un sistema de tuberías (Munson, et al., 1999). 
 
 
1.3.1. FLUIDOS COMPRESIBLES E INCOMPRESIBLES 
 
Los fluidos se clasifican en compresibles e incompresibles. Esta caracterización 
resulta de la variación de la densidad que puede presentar el propio fluido. Un fluido 
es compresible si la variación de su densidad es significativa por efectos de la 
presión al desplazarse a través de un ducto o tubería. Generalmente se consideran 
a los flujos de gases como flujos compresibles si la densidad del gas varía ±5% de 
un punto a otro. Un fluido es incompresible si su densidad no cambia 
significativamente conforme se desplaza por una tubería o ducto. Generalmente los 
líquidos responden a este tipo de fluidos. 
 
 
1.3.2. NÚMERO DE REYNOLDS 
 
El número de Reynolds es un número adimensional de la mecánica de fluidos que 
permite establecer el régimen de flujo el cual puede ser laminar, de transición y 
turbulento. Este es una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas 
presentes en los fluidos en movimiento. Por lo que es un número adimensional. Un 
flujo laminar se caracteriza por ser un fluido donde casi no existe un mezclado 
latente entre sus partículas, es decir, el flujo se da en forma uniforme. En un flujo 
 
11 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
turbulento varía de forma aleatoria el movimiento de sus partículas, por lo tanto, 
también existe una variación de la velocidad y presión con el tiempo. Mientras que 
un flujo de transición responde a un comportamiento entre flujo laminar y turbulento. 
 
El régimen del flujo depende de tres parámetros físicos. El primero corresponde al 
diámetro de la sección transversal, si el diámetro es grande puede incrementarse 
una perturbación del flujo ocasionando un flujo turbulento. El siguiente parámetro 
representa la velocidad promedio que de igual forma si la velocidad llega a ser lo 
suficientemente grande el flujo puede llegar a ser turbulento. La viscosidad 
cinemática representa el tercer parámetro, aquí la relación es inversa, una 
viscosidad lo suficientemente pequeña puede ocasionar un flujo turbulento y una 
viscosidad grande puede generar un flujo laminar. 
 
Estos tres parámetros se combinan en una sola expresión para predecir el régimen 
de flujo. Dicha expresión se conoce como el número de Reynolds. En la ecuación 
1.21 se muestra esta relación. 
 
𝑅𝑒 =
𝜐𝑑
𝑣
 
(1.21) 
 
El número de Reynolds está en función de la viscosidad dinámica a través de la 
expresión: 
 
𝑅𝑒 =
𝜌𝜐𝑑
𝜇
 
(1.22) 
 
El régimen de flujo se establece de acuerdo a números de Reynolds críticos para 
cada caso, respondiendo a las siguientes condiciones: 
 
Laminar si 𝑅𝑒 < 2000. 
Transición si 2000 < 𝑅𝑒 < 4000. 
Turbulento si 𝑅𝑒 > 4000. 
 
El número de Reynolds no solo se limita a determinar el tipo de flujo, también es 
importante en la definición del coeficiente de descarga (𝐶𝑑) para instrumentos como 
el tubo Venturi, ya que este coeficiente depende del número de Reynolds. 
 
 
1.3.3. VELOCIDAD Y PRESIÓN EN TUBERÍAS 
 
El flujo de un fluido en una tubería puede ser laminar, de transición o turbulento 
derivados de los efectos viscosos. El fluido entra a la tubería por una zona llamada 
región de entrada con un perfil de velocidad casi uniforme (sección 1, figura 1.4). A 
 
12 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
medida que el fluido se traslada, los efectos viscosos hacen que se adhiera a las 
paredes de la tubería, sin importar el tipo de fluido del que se trate. A lo largo de la 
pared de la tubería se desarrolla una capa límite, la velocidad inicial cambia a 
medida que el fluido se desplaza por la tubería, hasta llegar al final de la región de 
entrada (sección 2), donde el perfil de velocidad no varía con la dirección del flujo y 
el grosor de la capa límite aumenta llenando por completo la tubería. 
 
A partir de esta sección se le conoce como flujo totalmente desarrollado siempre y 
cuando la forma de la tubería no varíe de alguna manera debido a un cambio en el 
diámetro o algún accesorio en la tubería como un codo, válvula o algún otro 
componente que afecte el perfil de velocidades. En la figura 1.4 el flujo entre la 
sección 2 y 3 es totalmente desarrollado. La forma de perfil de velocidad en la 
tubería y la longitud de entrada, dependen del tipo de flujo presente. Para un flujo 
laminar, la longitud de entrada está dada por la ecuación 1.23. Y para un flujo 
turbulento, la longitud de entrada está determinada por la ec. 1.24. 
 
𝐿𝑒
𝐷
= 0.065𝑅𝑒 
(1.23) 
 
𝐿𝑒
𝐷
= 4.4(𝑅𝑒)
1
6 
(1.24) 
 
Para flujos con muy bajo número de Reynolds la longitud de entrada puede ser corta 
(𝐿𝑒 = 0.6𝐷, si 𝑅𝑒 = 10), en tanto que para flujos con un número de Reynolds alto 
puede asumir una longitud de varios diámetros de la tubería antes de llegar al final 
de la región de entrada (𝐿𝑒 = 120𝐷 para 𝑅𝑒 = 2000). Para problemas prácticos de 
ingeniería, si 104 < 𝑅𝑒 < 105, entonces 20𝐷 < 𝐿𝑒 < 30𝐷 (Munson, et al., 1999). 
 
 
 
Figura 1.4 Regiones de entrada, flujo en desarrollo y flujo desarrollado en un sistema de 
tuberías Munson, et al., 1999). 
 
13 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Una vez que el fluido llega al final de la región de entrada, resulta más fácil describir 
el flujo porque la velocidad solo está en función de la distancia a la línea central (𝑟). 
En esta zona de flujo totalmente desarrollado, es donde se colocan los instrumentos 
de presión diferencial para que tengan un mejor desempeño y la medición sea más 
exacta. 
 
 
1.4. MEDICIÓN DE FLUJO 
 
En la mayoría de operaciones que se llevan a cabo en los procesos industriales, 
laboratorios y en plantas piloto es muy importante la medición de flujos de líquidos 
y gases. Existen dos tipos de medidores, los volumétricos que determinan el caudal 
en volumen del fluido y los másicos que determinan el caudal en masa. Se reservan 
los medidores volumétricos para la medida general de caudal y se destinan los 
medidores de caudal másico a aquellas aplicaciones en que la exactitud de la 
medida es importante como en mediciones finales de un producto para su 
facturación (Creus, 2012). 
 
 
1.4.1. FLUJO VOLUMÉTRICO 
 
Los medidores volumétricos determinan el flujo en volumen de un fluido, ya seadirectamente por desplazamiento, o bien indirectamente por deducción o inferencia 
(presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida o torbellino). 
Los instrumentos de medición por presión diferencial son muy utilizados por su 
sencillez, confiabilidad y robustez. Basan su funcionamiento en la diferencia de 
presiones provocada por una reducción en la tubería por donde circula el fluido. La 
presión diferencial se mide por dos tomas de presión ubicadas inmediatamente 
corriente arriba y corriente abajo del mismo o bien a una distancia corta. 
 
La ecuación para calcular el flujo volumétrico con elementos de presión diferencial 
se basa en la aplicación de la ecuación de continuidad y del teorema de Bernoulli. 
En la figura 1.5 se muestra un tubo Venturi, donde tomando como puntos de 
referencia las secciones 1 y 2 se pueden aplicar las ec. 1.12 y 1.20 para obtener la 
relación a través de la cual se puede calcular el flujo. 
 
 
 
 
 
 
14 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 
 
 Figura 1.5 Tubo Venturi. 
 
De la ecuación 1.20 se obtiene que: 
 
𝑃1 − 𝑃2 + 𝜌𝑔(𝑧1 − 𝑧2) =
1
2
𝜌(𝜐2
2 − 𝜐1
2) (1.25) 
 
Puesto que la altura de referencia es la misma en ambas secciones del instrumento, 
se descarta el término 𝜌𝑔(𝑧1 − 𝑧2), definiendo la diferencia de velocidad como: 
 
𝜐2
2 − 𝜐1
2 =
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 (1.26) 
 
Partiendo de la ec. 1.12, se tiene: 
 
𝜐1
2 =
𝐴2
2𝜐2
2
𝐴1
2 . (1.27) 
 
 Por lo tanto: 
 
𝜐2
2 −
𝐴2
2𝜐2
2
𝐴1
2 =
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 (1.28) 
 
Considerando la relación de diámetros expresada por: 
 
𝛽 = 𝑑/𝐷 (1.29) 
 
Se expresa la ec. 1.28 como: 
 
Flujo 
 
15 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
𝜐2 =
1
√1 − 𝛽4
√
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 (1.30) 
 
Al sustituir la ec. 1.30 en la ecuación de continuidad (ec. 1.11), se obtiene la 
expresión para el cálculo de flujo volumétrico de la siguiente forma: 
 
𝑞𝑣 =
𝐴2
√1 − 𝛽4
√
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 (1.31) 
 
De forma práctica, se consideran factores de corrección que tienen en cuenta la no 
uniformidad de velocidades, la contracción de la vena del fluido, las rugosidades de 
la tubería, el estado del líquido, gas o vapor, etc. Un factor llamado coeficiente de 
descarga (𝐶𝑑), el cual depende del número de Reynolds y de la geometría real del 
medidor se emplea para corregir el flujo medido por el tubo Venturi. La expresión 
para el cálculo del flujo volumétrico de fluidos incompresibles es: 
 
𝑞𝑣 = 𝐶𝑑
𝐴2
√1 − 𝛽4
√
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 (1.32) 
 
La ec. 1.32 es utilizada para calcular el flujo volumétrico en la garganta del Venturi. 
La figura 1.6 muestra una gráfica del coeficiente de descarga en función del número 
de Reynolds para medidores tipo Venturi. 
 
 
 
Figura 1.6 Coeficiente de descarga para Venturi con 𝛽 =0.4 (Reader, 2015). 
 
 
16 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Para fluidos compresibles, adicionalmente al coeficiente de descarga se considera 
el factor de expansión térmica 𝜀, el cual tiene en cuenta la expansión ocurrida 
durante la aceleración del flujo. Este factor es función de la relación de presiones 
(𝜏), la relación de calores específicos (𝜅) y de la relación de diámetros (𝛽). De tal 
forma que se tiene la expresión para el flujo volumétrico compresible: 
 
𝑞𝑣 = 𝐶𝑑𝜀
𝐴2
√1 − 𝛽4
√
2(𝑃1 − 𝑃2)
𝜌
 
 
(1.33) 
El factor de expansión se calcula a partir de la ec. (1.34) 
 
𝜀 = √(
𝜅𝜏
2
𝑘
𝜅 − 1
) (
1 − 𝛽4
1 − 𝛽4𝜏
2
𝜅
) (
1 − 𝜏(𝜅−1)/𝜅
1 − 𝜏
) 
(1.34) 
 
 
1.4.2. FLUJO MÁSICO CON COMPENSACIÓN DE PRESIÓN Y TEMPERATURA 
 
A nivel industrial se utilizan con mayor frecuencia medidores volumétricos de caudal, 
determinando el flujo en las condiciones de servicio. En ocasiones se requiere medir 
el flujo másico sea por compensación de presión y temperatura, o también 
aprovechando características medibles de la masa con sistemas básicos de medida 
directa como instrumentos térmicos o medidores de flujo tipo Coriolis. El flujo másico 
ideal se determina mediante la siguiente expresión: 
 
𝑞𝑚 =
𝐴2
√1 − 𝛽4
√2(𝑃1 − 𝑃2) ∙ 𝜌 
 
(1.35) 
Considerando el coeficiente de descarga el flujo másico real es: 
 
𝑞𝑚 = 𝐶𝑑
𝐴2
√1 − 𝛽4
√2(𝑃1 − 𝑃2) ∙ 𝜌 
 
(1.36) 
De igual forma que en el flujo volumétrico, la ec. (1.36) está limitada en su 
aplicación solo a fluidos incompresibles. La expresión final para el cálculo de flujo 
másico para fluidos compresibles es: 
 
 
17 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
𝑞𝑚 = 𝐶𝑑𝜀
𝐴2
√1 − 𝛽4
√2(𝑃1 − 𝑃2) ∙ 𝜌 (1.37) 
 
Los medidores de flujo másico cuando están integrados en un mismo instrumento 
con los medidores de flujo volumétrico utilizan la compensación por presión y 
temperatura para determinar el flujo másico a partir de las mediciones de presión y 
temperatura del fluido compresible que son tomadas por el medidor volumétrico y 
mediante operaciones adecuadas se obtiene el caudal másico. 
 
 
1.5. INTERFAZ GRÁFICA 
 
La interfaz gráfica de usuario (Graphical User Interface, GUI) utiliza un conjunto de 
imágenes y objetos gráficos para representar la información y acciones disponibles 
en la interfaz. Habitualmente las acciones se realizan mediante manipulación directa 
para facilitar la interacción del usuario con la computadora (Lajara y Pelegrí, 2009). 
Una interfaz gráfica es propiamente la comunicación que existe entre un software o 
programa de cómputo y el usuario del mismo. 
 
El usuario puede realizar operaciones como administrar archivos o configurar la 
forma de visualización de los elementos presentes en la interfaz aunque no sea de 
su total conocimiento la forma de comunicación que tiene con esta. La interfaz 
gráfica de usuario (figura 1.7), es un artefacto tecnológico que basa su 
funcionamiento en un sistema interactivo que posibilita, a través del uso y la 
representación del lenguaje visual, una interacción amigable con un sistema 
informático (Del Río, Shariat-Panahi, Sarriá y Lázaro, 2013). 
 
 
 
 Figura 1.7 Interfaz gráfica de usuario. 
 
 
18 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Un ejemplo de una interfaz gráfica es el uso de una computadora. La interfaz gráfica 
es lo que el usuario puede visualizar en la pantalla de la computadora ya que por 
medio de íconos, botones, imágenes y texto el usuario puede ejecutar diversas 
acciones con la computadora como crear, mover, copiar o eliminar archivos sin la 
necesidad de conocer el funcionamiento interno del programa. 
 
Las interfaces gráficas surgen ante la necesidad de hacer las computadoras de uso 
común para los usuarios. Para utilizar la mayoría de computadoras domésticas se 
requerían conocimientos de programación básica u ofrecían una interfaz de línea 
de comandos, bases que estaban por encima de la media si se deseaba hacer algo 
más que usarlo como consola de videojuegos. Esta limitación fue salvada por el 
desarrollo de los entornos gráficos programados, que permitieron que las personas 
pudieran acceder a una computadora sin tener que pasar por un difícil proceso de 
aprendizaje para manejar un entorno fundamentado en una línea de comandos. 
 
 
1.5.1. TENDENCIAS Y APLICACIONES DE LAS INTERFACES GRÁFICAS 
 
En la actualidad se tiene el uso de la instrumentación virtual que permite, a través 
de instrumentos virtuales, interactuar con ambientes gráficos computacionales 
desarrollando aplicaciones en diferentes áreas de estudio las cuales se encuentran 
en constante evolución debido a los avances tecnológicos. Las tendencias actuales 
de la instrumentación y control de procesos incluyen aplicaciones en áreas de: 
 
 Controly automatización de procesos. 
 Sistemas embebidos y lógica reconfigurable. 
 Robótica y visión artificial. 
 Controladores lógicos programables. 
 Energía renovable y sistemas ambientales. 
 Sistemas de energía nuclear (Pineda, 2015). 
 
Para la visualización de los datos procesados en una computadora se pueden 
utilizar gráficas, archivos de datos, hojas de cálculo, animaciones en 3D y cualquier 
elemento visual que permita y facilite el entendimiento y comprensión de los datos 
procesados para el usuario. Dentro de las áreas de aplicación en las cuales se utiliza 
la instrumentación virtual se encuentran las relacionadas con la ingeniería: 
 
 Eléctrica 
 Electrónica 
 Mecatrónica 
 Mecánica 
 
19 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 Telecomunicaciones 
 Robótica 
 Diseño y manufactura 
 Automotriz 
 Aeroespacial 
 
 
1.5.2. INTERFACES GRÁFICAS CON LABVIEW 
 
LabVIEW® es el acrónimo de Laboratorio de Instrumentación Virtual en Trabajos de 
Ingeniería (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench). Es un 
lenguaje y a la vez un entorno de programación gráfica en el que se pueden crear 
aplicaciones de una forma rápida y sencilla (Lajara y Pelegrí, 2009). LabVIEW® 
nació como un entorno de programación gráfico e intuitivo que permitía a la 
computadora comunicarse con instrumentos y así, automatizar las tareas de 
configuración y medida por parte de los mismos. Posteriormente, permitió convertir 
a la computadora en un verdadero instrumento incorporándole una tarjeta de 
adquisición de datos y desarrollando la interfaz apropiada (Del Río, et al., 2013). 
 
National Instruments es la empresa desarrolladora y propietaria de LabVIEW®, 
comenzó en 1976 en Austin, Texas y sus primeros productos eran dispositivos para 
el bus de instrumentación GPIB. En abril de 1983 comenzó el desarrollo de 
LabVIEW®, que en octubre de 1986 salió al mercado la versión de LabVIEW 1.0 
para Macintosh y en 1990 la versión 2. La primera versión para Windows se tuvo en 
septiembre de 1992. 
 
LabVIEW® en un principio estaba orientado a aplicaciones para el control de 
instrumentos electrónicos usados en el desarrollo de sistemas de instrumentación, 
actualmente se conoce como instrumentación virtual. Por tal motivo los programas 
creados en LabVIEW® se guardan en ficheros y con la misma extensión VI, que 
significa instrumento virtual (Virtual Instrument). 
 
Haciendo una comparación con un instrumento real, éste cuenta con un panel 
frontal donde se tienen botones, indicadores, pantallas, etc., además de contar con 
una circuitería interna compuesta de dispositivos integrados y algunos otros 
elementos que procesan las señales de entrada en función del estado de los 
controles, devolviendo el resultado a los correspondientes visualizadores del panel 
frontal. En relación a esto se da nombre a sus dos ventanas principales de trabajo. 
 
 
20 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Los elementos que componen una interfaz gráfica en LabVIEW® son: el Panel 
Frontal que es la parte que verá el usuario y suele tener un fondo gris y el Diagrama 
de Bloques, es donde se realizará la programación y suele tener un fondo blanco. 
 
El Panel Frontal y el Diagrama de Bloques están conectados a través de las 
terminales (elementos que sirven como entradas y salidas de datos). De la misma 
forma que un indicador luminoso de la carátula de un instrumento real está 
representado como un diodo en la circuitería interna, en un programa en LabVIEW® 
ese mismo indicador luminoso estará representado en el Diagrama de Bloques 
como una salida de tipo booleano que puede adquirir un valor (Del Río, et al., 2013). 
 
Cuando se crea un VI en LabVIEW® se trabaja con dos ventanas: una en la que se 
implementará el Panel Frontal (figura 1.8a) y otra que soportará el nivel de 
programación llamada Diagrama de Bloques (figura 1.8b). Para la creación del panel 
frontal se dispone de una librería de controles e indicadores de todo tipo y la 
posibilidad de crear más, diseñados por el propio usuario. 
 
Cuando un control se coloca en el Panel Frontal se crea una variable cuyos valores 
se determinan por los valores que el usuario ajuste en el Panel. Estos valores 
aparecerán en el Diagrama de Bloques en su representación y dispuestos a ser 
usados para ejecutar una acción por si solos o en combinación con otros valores 
bajo determinadas condiciones de operación. Para esto, el Diagrama de Bloques 
del VI servirá para conectar las terminales de los bloques funcionales presentándolo 
como una entrada y cuya influencia será determinante en el comportamiento de una 
salida que podría ser una señal de alarma como un indicador luminoso. 
 
 
 
 a) b) 
 
Figura 1.8 Ventanas de trabajo en LabVIEW: a) Ventana del panel frontal, b) Ventana del 
diagrama de bloques. 
 
 
21 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
El Panel Frontal se construye a base de controles e indicadores, los cuales no son 
más que terminales de entrada y salida del VI, respectivamente. Como controles se 
pueden tener botones rotatorios, pulsadores con enclave y otros dispositivos de 
entrada. Como indicadores existen gráficas, indicadores luminosos como leds entre 
otros visualizadores. Los controles simulan elementos de entrada al instrumento y 
proporcionan datos al Diagrama de Bloques. Los indicadores simulan elementos de 
salida del instrumento y visualizan en el Panel Frontal los datos que el Diagrama de 
Bloques adquiere o genera, figura 1.9. 
 
 
 
Figura 1.9 Interfaz gráfica en LabVIEW (panel frontal y diagrama de bloques). 
 
 
1.5.3. ADQUISICIÓN DE DATOS 
 
Son diversas las aplicaciones donde se hace indispensable el tratamiento de 
señales que proporcionen información sobre fenómenos físicos. En general este 
tratamiento de señales es necesario hacerlo con grandes cantidades de información 
y con una gran velocidad de procesamiento. Para esto se utiliza una computadora 
personal debido a su velocidad de procesamiento de información (Del Río, et al., 
2013). 
 
La adquisición de datos consiste en la medición de parámetros físicos reales como 
tensión, corriente eléctrica, temperatura, presión, nivel, flujo o posición por medio 
de una computadora. Esta información es analizada y procesada con la finalidad de 
obtener una salida que proporcione información; la cual puede ser almacenada, 
desplegada en pantalla o enviada a un sitio remoto utilizando algún método de 
transmisión alámbrico o inalámbrico. La adquisición de datos puede realizarse tanto 
para ingresar señales a la computadora como para extraerlas de la misma. 
 
 
22 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Un sistema de adquisición de datos lo conforman los sensores, hardware de 
medidas, tarjetas de adquisición de datos y propiamente una computadora con 
software programable (figura 1.10). Una característica distintiva de los sistemas de 
adquisición de datos es que aprovechan la potencia del procesamiento, la 
productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las 
computadoras para dar una solución de medida potente, flexible y rentable. 
 
 
 
Figura 1.10 Elementos de un sistema de adquisición de datos (Pineda, 2015). 
 
El proceso de adquisición de datos comienza con un sensor o transductor, el cual 
proporciona señales eléctricas proporcionales a la magnitud física de la variable a 
medir. Además, también se pueden tener señales que provengan de puertos o 
buses de comunicación asociados a la computadora como son el puerto serial, el 
puerto USB o interfaces PCIX.En muchas ocasiones la señal que proporciona el sensor o transmisor no es la 
adecuada para que una tarjeta de adquisición de datos puede utilizarla. Por tal 
motivo se hace necesario el uso de dispositivos para el acondicionamiento de la 
señal. Las acciones más usuales de acondicionamiento son la amplificación, el 
filtrado y el aislamiento eléctrico. 
 
Sensores como el termopar proporcionan una señal del orden de mV que puede 
provocar errores de medida por el ruido. La amplificación cerca de la fuente de 
origen de la señal permite incrementar la resolución de la medida y reducir el efecto 
del ruido sobre la señal obtenida. 
 
El filtrado se refiere al rechazo de ciertas frecuencias. Es muy común el uso de filtros 
banda-eliminada con frecuencia central de 60 Hz para eliminar el ruido procedente 
de fluorescentes, maquinaria, fuentes de alimentación, etc., también son comunes 
los filtros “antialiasing” que permiten que la señal que va a ser muestreada pueda 
ser reconstruida perfectamente después de la adquisición. El ancho de banda de 
estos filtros debe coincidir con el ancho máximo de la señal deseada (Del Río, et 
al., 2013). 
 
 
23 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
La incompatibilidad de tensiones o corrientes eléctricas entre las tarjetas de 
adquisición de datos y las señales por parte del instrumento de medición es muchas 
veces un impedimento para la medición deseada y también puede llegar a dañar las 
tarjetas. De ahí la utilización de dispositivos ópticos como los optoacopladores para 
el aislamiento eléctrico. 
 
 
1.5.4. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS 
 
Usualmente los dispositivos empleados para la adquisición de señales son las 
tarjetas de adquisición de datos, que proporcionan a la computadora personal la 
capacidad de adquirir y generar señales analógicas o digitales. Sin embargo, éstas 
no son las únicas funciones de las tarjetas de adquisición; entre otras también 
disponen de contadores y temporizadores. Existen varios tipos de tarjetas de 
adquisición de datos como las internas que usan como interfaces más habituales 
PCI, PXI o PCI Express y externas que usan como interfaces USB o RS-232 (Lajara 
y Pelegrí, 2009). 
 
Un dispositivo DAQ básicamente está compuesto por un multiplexor para la 
obtención de varios canales en la entrada. Este a su vez se encuentra conectado a 
un amplificador de instrumentación que proporciona el valor de tensión al 
convertidor analógico-digital (ADC). Para las salidas analógicas se componen 
básicamente de convertidores digital-analógico (DAC) que se conectan 
directamente al bus interno del microprocesador. Por cada salida analógica se 
requiere un DAC que posee la misma resolución que los ADC de entrada. En la 
figura 1.11 se presenta un diagrama a bloques de la parte interna de una tarjeta 
DAQ. 
 
Existen numerosas tarjetas de adquisición de datos que ofrecen un sinfín de 
prestaciones. Por ello es importante conocer las características de hardware que 
ofrece una tarjeta, con el fin de adaptarse correctamente. El primer parámetro a 
considerar son las entradas analógicas, que se refiere al número de canales 
disponibles, la frecuencia de muestreo, la resolución y los niveles de entrada. El 
termino frecuencia de muestreo se refiere a la velocidad a la que se producen las 
conversiones AD. Mientras que la resolución indica el número de bits con los cuales 
trabaja el conversor AD para cuantificar los niveles de señal analógica, a un mayor 
número de bits mayor será el número de niveles de señal que se puede representar. 
Niveles de entrada se refiere a los límites de entrada en tensión que la tarjeta puede 
trabajar, tanto para señales de tensión positiva, como para tensiones positivas y 
negativas. 
 
 
 
24 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Diversas tarjetas de adquisición de datos incorporan salidas analógicas y de igual 
forma se consideran los parámetros descritos que en entradas analógicas. Una 
característica importante son los puertos digitales, que son precisamente líneas de 
entradas/salidas digitales. Los parámetros a considerar en un puerto digital son: el 
número de líneas disponibles, la velocidad a la cual se pueden transferir los datos y 
la capacidad de control de diferentes dispositivos. Por último los temporizadores, 
que son líneas útiles en aplicaciones donde se requiere contar las veces que se 
produce un evento, generan bases de tiempos para procesos digitales o generación 
de pulsos. 
 
 
 
 
Figura 1.11 Diagrama de bloques del funcionamiento interno de una tarjeta DAQ (Lajara y 
Pelegrí, 2009). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN 
EXPERIMENTAL 
 
En este capítulo se describe cada uno de los elementos que conforman la 
instalación experimental así como su funcionamiento. Posteriormente se detallan 
los instrumentos de medición que se utilizarán para la realización de la interfaz 
gráfica como son los transmisores de presión diferencial y presión absoluta, los 
transductores de temperatura y humedad relativa. Se mencionan las características 
básicas de la tarjeta de adquisición de datos (NI USB-6009). Finalmente se describe 
el acondicionamiento de señal para los transmisores de presión diferencial y presión 
absoluta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
27 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
2.1. BANCO DE PRUEBAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
La instalación experimental consiste en un circuito de aire y un circuito hidráulico 
para la evaluación de intercambiadores de calor, sometidos a diversos flujos de aire 
desde temperatura ambiente hasta 80 °C (Tolentino, Tolentino, Abugaber y 
Carvajal, 2006). En este trabajo solo se describe el circuito aire. En la figura 2.1 se 
muestra el Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI) del circuito aire del banco 
de pruebas de acuerdo a la norma ISA 5.1 (ISA, 2009) y la norma ISA 5.5 (ISA, 
1986). Donde el ventilador centrífugo VC-1 impulsa el aire a través del tubo Venturi 
FE-10 hasta llegar a la cámara AR-1 donde se distribuye el flujo de manera uniforme 
y se efectúan las pruebas de los intercambiadores de calor. En la figura 2.2 se 
aprecia una imagen del banco de pruebas. 
 
 
 
Figura 2.1 Diagrama de tubería e instrumentación del banco de pruebas. 
 
 
 
 
Figura 2.2 Banco de pruebas de intercambiadores de calor compactos. 
 
28 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Entre el ventilador centrífugo y la cámara de evaluación se encuentra un sistema 
mecánico giratorio en donde están colocados dos tubos Venturi de diferentes 
diámetros. En la figura 2.3 se muestra el sistema para intercambiar los tubos 
Venturi. 
 
 
Figura 2.3 Sistema rotatorio para intercambio de tubos Venturi. 
 
 
2.1.1. VENTILADOR CENTRÍFUGO 
 
El flujo de aire en la instalación experimental es generado por un ventilador 
centrífugo marca SOLYVENT-VENTEC acoplado directamente a un motor eléctrico 
alimentado a 420 V de corriente directa, 31.9 A al arranque, potencia de 11.19 kW 
(15 hp), velocidad angular máxima de 3000 rpm y una masa de 350 kg (figura 2.4). 
La velocidad del ventilador centrífugo es manipulada desde una consola de control 
que se encuentra a un costado del banco de pruebas. Desde ahí se tiene el control 
de arranque y paro del motor y por medio de un potenciómetro se controla la 
velocidad angular del ventilador. 
 
En la entrada del ventilador centrífugo se tiene un banco de resistencias eléctricas 
de 42 kW para incrementar la temperatura del aire, desde la temperatura ambiente 
hasta 80 °C.Lo cual permite simular diferentes condiciones de operación de los 
intercambiadores de calor a evaluar. El banco de resistencias se observa en la figura 
2.4b. 
 
 
29 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 
 
 a) b) 
 
Figura 2.4 Ventilador centrífugo: a) Vista posterior, b) Vista lateral. 
 
. 
2.1.2. TUBOS VENTURI 
 
El banco de pruebas cuenta con dos tubos Venturi intercambiables, los cuales 
permiten medir el flujo másico y volumétrico del aire durante las pruebas. Un tubo 
Venturi tiene un diámetro de entrada (𝐷) de 200 mm y un diámetro de garganta (𝑑) 
de 115 mm, con lo que se tiene una relación de diámetros (𝛽) de 0.575. El otro tubo 
Venturi tiene un diámetro de entrada (𝐷) de 100 mm y un diámetro de garganta (𝑑) 
de 58 mm, lo que da una relación de diámetros (𝛽) de 0.58. En las figuras 2.5 y 2.6 
se muestran la geometría de ambos tubos Venturi y en la figura 2.7 se muestra 
instalado el tubo Venturi de 200 mm de diámetro y el Venturi de 100 mm de diámetro 
se encuentra disponible. Tanto en la toma de presión alta y presión baja, se tienen 
ocho tomas de presión radialmente distribuidas que se conectan a una cámara 
anular y de ahí se tiene la presión estática de entrada y salida promedio. 
 
 
 
Figura 2.5 Geometría tubo Venturi, D = 200 mm y d = 115 mm. 
 
 
30 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 
 
Figura 2.6 Geometría tubo Venturi, D = 100 mm y d = 58 mm. 
 
 
 
 
Figura 2.7 Tubos Venturi. 
 
La construcción, la forma y los materiales de los tubos Venturi están normalizadas 
por ISO y en específico en la norma ISO 5167-4 (ISO, 2003). Se consideran tres 
tipos de construcción de tubos Venturi con las siguientes características: 
 
1. Tubos de fundición 
100 mm ≤ 𝐷 ≤ 800 mm 
0.3 ≤ 𝛽 ≤ 0.75 
2 x 105 ≤ 𝑅𝑒𝐷 ≤ 2 x 10
6 
𝐶𝑑 = 0.984 
 
2. Tubos con la sección convergente maquinada 
50 mm ≤ 𝐷 ≤ 250 mm 
0.4 ≤ 𝛽 ≤ 0.75 
2 x 105 ≤ 𝑅𝑒𝐷 ≤ 1 x 10
6 
𝐶𝑑 = 0.995 
 
 
31 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
3. Tubos de lámina soldada 
200 mm ≤ 𝐷 ≤ 1200 mm 
0.4 ≤ 𝛽 ≤ 0.7 
2 x 105 ≤ 𝑅𝑒𝐷 ≤ 2 x 10
6. 
𝐶𝑑 = 0.985 
 
Los tubos Venturi correspondientes al banco de pruebas son de sección 
convergente, garganta y sección divergente maquinadas y se encuentran dentro de 
las especificaciones de la norma ISO 5167-4. 
 
 
2.1.3. CÁMARA DE PRUEBAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 
 
La cámara de evaluación de intercambiadores de calor es de forma cilíndrica y en 
la descarga se colocan los intercambiadores de calor a evaluar. La cámara tiene un 
diámetro de 1.80 m y una longitud de 2.70 m. En la figura 2.8 se muestra la cámara 
de pruebas. 
 
En el interior de la cámara se tiene una placa perforada para uniformizar el flujo de 
aire antes de llegar al intercambiador de calor bajo prueba, después de la placa 
perforada se tienen cuatro tomas de presión conectadas en un anillo piezométrico 
de donde se mide la presión promedio dentro de la cámara. El área disponible para 
colocar los intercambiadores de calor es de 1.10 m por 0.90 m (Abugaber, 2003). 
 
 
a) b) 
 
 
 
 
Figura 2.8 Cámara de evaluación; a) Vista interna, b) Vista externa 
 
32 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
2.2. MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO Y VOLUMÉTRICO 
 
Para la medición de flujo másico y volumétrico con compensación de presión y 
temperatura de manera convencional, se mide la presión manométrica corriente 
arriba y corriente abajo con dos manómetros en U (figura 2.9), uno emplea mercurio 
como fluido métrico y el otro usa agua como fluido manométrico; ambos tienen un 
alcance de 500 mm y una resolución de 1 mm. La razón de ocupar estos dos 
manómetros en U radica en que se llegan a medir unidades de presión manométrica 
muy pequeñas e imperceptibles con el manómetro columna de 𝑚𝑚 𝐻𝑔 y altas que 
superan el alcance del manómetro columna de 𝑚𝑚 𝐻2𝑂. 
 
 
 
Figura 2.9 Manómetro en U. 
 
La presión atmosférica y la humedad relativa son condiciones ambientales que se 
miden a través de la estación meteorológica con la que cuenta el LABINTHAP®. La 
temperatura después del tubo Venturi es medida empleando un termómetro 
bimetálico. Con esto, se presentaba un determinado error debido a que la humedad 
relativa y la temperatura deben ser medidas en el banco de pruebas. Posteriormente 
se realizan los cálculos de forma manual haciendo uso de herramientas como hojas 
de cálculo. 
 
En este trabajo se desarrolló un sistema de adquisición de datos para la medición 
de flujo másico y volumétrico con compensación de presión y temperatura. Este 
sistema muestra de manera instantánea los cálculos de flujo de aire así como otras 
variables de proceso inmersas en la fase de medición. La figura 2.10 muestra la 
instrumentación necesaria para la medición del flujo másico y volumétrico 
compensado, que son: 
 
a) PT-10: Transmisor de presión absoluta 
b) FT-10: Transmisor de flujo 
c) MT-10: Transductor de humedad relativa 
d) TT-10: Transductor de temperatura 
e) FI-10: Indicador de flujo 
 
33 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
 
 
Figura 2.10 DTI del banco de pruebas integrando el sistema DAQ. 
 
En la figura 2.11 se muestra el diagrama de bloques del sistema de medición de 
flujo másico y volumétrico de aire. En él se ven las etapas de medición, de 
acondicionamiento de señal y la adquisición de datos, que se utilizaron para los 
cálculos y visualización de datos. 
 
Acondicionamiento Acondicionamiento Acondicionamiento
Adquisición de datos
Medición de presión 
diferencial
Medición de presión 
absoluta
Medición de humedad 
relativa
Medición de 
temperatura
 
 
Figura 2.11 Diagrama a bloques del sistema DAQ. 
 
 
 
34 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
2.3. METODOLOGÍA DE FABRICANTE PARA MEDICIÓN DE FLUJO 
MÁSICO 
 
En este trabajo no solo se obtendrá el flujo másico y volumétrico según a la norma 
ISO-5167-2003, también se realizará de acuerdo al método proporcionado por el 
fabricante. Para ello, el cálculo del flujo másico de aire se realiza a partir de la lectura 
de la diferencial de presión en cada Venturi y la diferencial de presión en el arcón 
como se muestra en la figura 2.12 de acuerdo a las ecuaciones siguientes: 
 
Para calcular el coeficiente homogéneo en milibar (𝑃0), se emplea la siguiente 
expresión: 
 
𝑃0 = [(𝐷)(∆𝑃𝑉)
1.19 + ∆𝑃𝑎𝑟𝑐ó𝑛](0.0981) + 𝑃𝑎𝑡𝑚 (2.1) 
 
Con 𝐷 0.0128, coeficiente específico 
∆𝑃𝑉 Presión diferencial en el Venturi en mm H2O 
 ∆𝑃𝑎𝑟𝑐ó𝑛 Presión diferencial en el arcón en mm H2O 
 0.0981 Coeficiente de trasformación de mm H2O a mbar 
 𝑃𝑎𝑡𝑚 Presión atmosférica en mbar 
 
 
 
Figura 2.12 Puntos de medición de las variables de proceso. 
 
Para el cálculo de 𝑋0, que es un coeficiente adimensional se emplea: 
 
𝑋0 = (
𝑃0
1013
) (
288
273 + 𝑡
) 
(2.2) 
 
Donde 𝑡 es la temperatura en el tubo Venturi. 
 
 
35 
 
Implementación de una interfaz gráfica para la medición de flujo másico empleando tubos Venturi 
Adicionalmente se tiene que calcular la presión diferencial corregida en el Venturi, 
mediante la siguiente ecuación: 
 
∆𝑃𝑉𝑐 = (∆𝑃𝑉)( 𝑋0) (2.3) 
 
Para el cálculo del coeficiente adimensional 𝑋, se emplea la ecuación 2.4. 
 
𝑋 = ln (
∆𝑃𝑉𝑐
170
) 
(2.4) 
 
Finalmente para obtener el flujo másico de aire en 𝑘𝑔/𝑠, se utilizan las siguientes 
ecuaciones: 
 
Si 𝑋 > 0, se tiene lo