Unidad N 3 2020

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO Ing. Francisco Membrives 
Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Ing. Sergio Sini 
OPERACIONES UNITARIAS I 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 1-14 
Medidores 
de caudal 
Tubo de Venturi 
Brida orificio 
Tubo de Pitot 
Presión variable 
Exclusas 
Área variable 
Fluido 
dinámico 
Rotámetro 
Desplazamiento positivo 
Magnéticos 
Ultrasónicos 
De Disco 
De turbina 
 
UNIDAD Nº 3 
 
MEDIDORES DE CAUDAL 
 
Es importante poder medir y controlar la cantidad de material que entra y que sale de una 
planta de procesamiento. Como muchos de los materiales están en forma de fluidos, suelen 
fluir por tuberías o conductos. 
Los medidores de caudal, conocidos como caudalímetros, son elementos utilizados para medir 
el caudal que circula por una tubería o por una conducción abierta. Se emplean en la práctica 
numerosos dispositivos que difieren en sus principios de funcionamiento y formas de 
instalación. Muchos requieren la interrupción de la cañería y la sujeción a la misma por medio 
de bridas; en otros casos se colocan roscados; otros envuelven a la tubería sin interrumpirla. 
 
Clasificación de los caudalímetros 
 
De acuerdo al principio de funcionamiento los caudalímetros se clasifican en: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cuando los fluidos circulan por tuberías, son de uso común la brida orificio, el tubo Pitot y 
principalmente el tubo de Venturi; últimamente la tendencia creciente es el empleo de 
medidores magnéticos y de los que no requieren interrumpir la tubería, como los ultrasónicos. 
Cuando los fluidos circulan por canales abiertos, se emplean las exclusas. 
Para el caso de mediciones de caudales de fluidos corrientes en tuberías, como agua y gas, se 
utilizan caudalímetros de desplazamiento positivo. 
 
1.- Fluido dinámico 
 
1.1.- De presión variable 
 
En este tipo de caudalímetros, el caudal se determina a través de una diferencia de presión que 
se origina en el elemento de medición. En la práctica se mide esta diferencia de presión y a 
través de una teoría particular, se determina el caudal. 
De Diafragma 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 2-14 
A
h
B
P1 P2
RA
Debido a que el propio instrumento de medición provoca una perturbación, la sección de paso 
del fluido disminuye, provocando un aumento de la velocidad de circulación (caudal 
constante). Por el principio de conservación de la energía, si la velocidad aumenta lo hace 
también la energía cinética y por consiguiente disminuye la presión. 
 
Uno de los instrumentos más simples utilizado para medir la presión es el manómetro de tubo 
en forma de “U”. Para el manómetro de tubo en U: 
 
 
 Pe .h Pe .R + P P
 Pe . h) (R + P P
BAA2B
AA1A
+=
+=
 
 
 )Pe - (Pe .h P - P
 P P
AB21
BA
=
=
 
 
 
 )Pe - (Pe
P - P
 h 
AB
21= 
 
 
 
También es muy corriente el empleo de manómetros convencionales como los tubos de 
Bourdón. 
 
 
 
 
1.1.1.- Brida Orificio 
 
Consiste en un disco plano con un orificio calibrado que tiene dimensiones conocidas y 
bordes o labios construidos de acuerdo a normas preexistentes, pudiendo ser afilados o 
redondeados. 
Este medidor requiere la interrupción de la tubería y para sujetar el disco se emplean bridas, 
de allí el nombre de brida orificio. Se inserta perpendicularmente a la dirección del flujo y el 
fluido pasa a través del orificio. 
Debido a la naturaleza de las líneas de flujo se produce una separación de la capa límite aguas 
abajo de la placa orificio. 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 3-14 
Q
D
B
h
A
 
 
Como consecuencia de la reducción en el orificio de la brida, se producirá un aumento de 
velocidad y de energía cinética, lo que se origina a expensas de la disminución de la energía 
de presión. Si aplicamos Bernoulli en dos puntos ubicados uno aguas arriba de la brida y otro 
aguas abajo, podremos determinar la variación de energía que experimenta el fluido en el 
medidor. 
Para los puntos A (aguas arriba) y B (aguas abajo), el teorema general de Bernoulli es: 
 
Pe
P
 
g . 2
v
 W H - 
Pe
P
 
g . 2
v
 B
2
B
BF
A
2
A
A  zz 
0 y W 0 H ,Pe Pe , Si 
 
FBA2 1  zz
 
 
Pe
P
 
g . 2
v
 
Pe
P
 
g . 2
v
 
B
2
BA
2
A +=+ 
 
 h 
Pe
P
 
g . 2
 v- v
 
Pe
P - P
 1
2
A
2
BBA 

 h . g . 2 v- v 1
2
A
2
B  
 
 h . g . 2 v- v 1
2
A
2
B  
 
La máxima velocidad se producirá donde la sección sea más pequeña, es decir donde se 
produce la máxima contracción; esta sección se denomina vena contracta y es donde se ubica 
el punto B. En la práctica, la justa ubicación y el diámetro de la vena contracta son 
desconocidos, por lo cual en general se toma la posición B en el orificio de la brida, cuyo 
diámetro y ubicación están perfectamente establecidos y donde la velocidad es v0. La 
expresión anterior puede escribirse en función de la velocidad a través del orificio, 
introduciendo una constante, C0, que tiene en cuenta la diferencia entre esta velocidad y la que 
existe en la vena contracta. Existen, además, pérdidas por fricción que también debe incluir la 
constante: 
 h . g . 2 . C v- v 10
2
A
2
0  
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 4-14 
 v. S v. S 0 0A A ==Q 
 0
A 0
S
S
 . v v = 
 
  h . g . 2 . C v- SS . v 10
2
A
2
0A  
 
  h . g . 2 . C v- SS . v 10
2
A
2
0
2
A  
 
   h . g . 2 . C 1 - SS . v 10202A  
 
   h . g . 2 . C 1 - SS . v 1020A  
 
 
 
1 - SS 
h . g . 2 . C 
 v
2
0
10
A  
 
El valor de 1h originado por el caudalímetro normalmente no se conocedirectamente; lo 
común es tomar la caída de presión con algún elemento de medición; en general: 
Pe
P
 h 1

 
Para el caso particular de un manómetro de tubo U, en el cual se establezca una diferencia de 
altura h, la pérdida de carga generada será: 
 
Fluido
Fluido UTubo Fluido
1
Pe
)Pe - (Pe .h 
 h  
 
Conociendo la velocidad vA (la brida orificio permite calcular velocidades medias) y la 
sección de la tubería SA, se puede calcular el caudal circulante: 
/smen v. S 3A A =Q 
La constante C0 depende de la relación de diámetros del orificio y de la tubería, de la posición 
de los orificios de toma de presión para el manómetro y del valor del número de Reynolds 
(calculado en el orificio) para el fluido. 
La siguiente figura da los valores del coeficiente C0 para diferentes valores del número de 
Reynolds en el orificio y varias relaciones de diámetros de orificio a tubería, cuando se 
utilizan orificios de toma en las bridas o en la vena contracta. 
Cuando el número de Reynolds a través del orificio excede un valor de 30000, el coeficiente 
de orificio es aproximadamente constante con un valor de 0,61 independientemente de la 
relación de diámetros. 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 5-14 
 
 
 
Normalmente existen tres formas de conectar el manómetro: 
- Aguas arriba y abajo en la misma brida 
- A 2,5 D aguas arriba y 8 D aguas abajo 
- A 2 D aguas arriba y 0,6 D aguas abajo 
 
Debe existir una longitud suficiente de tubería recta y de diámetro uniforme, sin accesorios 
que produzcan perturbaciones, aguas arriba y abajo de la brida orificio, para obtener una 
disposición normal del flujo. La siguiente figura permite obtener estas distancias en función 
de la relación de diámetros entre el del orificio y el de la tubería. 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 6-14 
La brida orificio es un dispositivo sencillo y de fácil instalación. Su principal inconveniente es 
la gran pérdida de carga que la misma produce. 
 
1.1.2.- Tubo de Venturi 
 
El tubo de venturi se diferencia de la brida orificio en que se construye tratando de reproducir 
el perfil aerodinámico que desarrolla el fluido en aquella, de forma de evitar la formación de 
vórtices, disminuir la fricción y evitar la separación de la capa límite. Al realizar un 
estrangulamiento suave y un ensanchamiento progresivo, la vena líquida siempre permanece 
adherida a la pared de la tubería. 
La figura representa un tubo de Venturi, que consta de una sección de entrada A, formada por 
un pequeño cilindro y un tronco de cono; una garganta B y una sección de salida C, 
consistente en un largo tronco de cono. El cono convergente tiene aproximadamente 25º a 30º 
y el ángulo del cono divergente no debe exceder de 7º. 
 
En la sección situada aguas arriba, en la unión de las partes cilíndrica y cónica, existe una 
cámara anular D que comunica con la parte interior del tubo mediante unos pequeños orificios 
E. La cámara anular y los pequeños orificios forman un anillo piezométrico, cuya misión es 
promediar las presiones individuales transmitidas a través de la toma de presión F situada 
aguas arriba. En el estrechamiento o garganta, se forma otro anillo piezométrico mediante una 
cámara anular G. La presión en el estrechamiento se transmite a través de la toma de presión 
I. Entre las tomas F e I, se conecta un manómetro, para medir las diferencias de presión. 
En el tubo de Venturi, la velocidad aumenta en el cono anterior y la presión disminuye, 
utilizándose la caída de presión para medir la velocidad de flujo a través del aparato. 
Las ecuaciones deducidas para la brida orificio son aplicables al tubo de venturi, alcanzando 
un valor de C0 aproximadamente de 0,98, el que se adopta constante en ese valor. 
 
 
 
1 - SS 
h . g . 2 . 0,98
 v
2
0
1
A  
 
Conociendo la velocidad vA (el tubo venturi permite obtener velocidades medias) y la 
sección de la tubería SA, se puede calcular el caudal circulante: 
 
/smen v. S 3A A =Q 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 7-14 
1.1.3.- Tubo de Pitot 
 
Mientras que la Brida Orificio y el Tubo de Venturi miden velocidades medias, el tubo de 
Pitot mide la velocidad en un punto únicamente. 
Supongamos que se insertan dos tubos, uno en la pared y el otro en el centro, en una tubería 
que transporta un fluido. El tubo conectado a la pared medirá únicamente la carga debida a la 
presión estática, debido a que en la pared el fluido está en reposo y la velocidad es cero. El 
tubo del centro, con su extremo abierto en la dirección del flujo y mirando aguas arriba, 
medirá la carga debida a la presión más la carga debida a la velocidad. 

Q
B
A
 
De acuerdo a este tipo de conexión, despreciando las pequeñas diferencias de alturas 
piezométricas entre A y B, las pérdidas por fricción y anulando el término de trabajo, la 
aplicación de Bernoulli resulta: 
 
Pe
P
 
g . 2
v
 W H - 
Pe
P
 
g . 2
v
 B
2
B
BF
A
2
A
A  zz 
0 y W 0 H ,0 v, Si 
 
FBBA  zz
 
1A
2
A 
11
AB
2
A h g. . 2 v 
g . 2
v
 h h 
Pe
P - P
 
g . 2
v
  
 
La forma sencilla del tubo de Pitot indicada en la figura anterior no es práctica, ya que origina 
grandes perturbaciones y la formación de torbellinos, afectando la medición. 
En la práctica, el tubo de Pitot consiste en dos tubos concéntricos colocados paralelamente al 
flujo. El tubo exterior está perforado con pequeños orificios que comunican con el espacio 
anular y son perpendiculares a la dirección del flujo. El espacio anular se encuentra sellado en 
sus demás partes excepto en su conexión con la rama del manómetro. El tubo interior tiene 
una pequeña abertura frente a la dirección del flujo y está conectado con la otra rama del 
manómetro. La siguiente figura muestra el diagrama de un tubo de Pitot. 
 
 
h 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 8-14 
Como se mencionara anteriormente, el tubo de Pitot mide solamente la velocidad en un punto. 
Esta velocidad varía a través de la sección de la tubería y no es apropiada para determinar el 
caudal. Para obtener la velocidad media,apta para el cálculo del caudal, se utiliza uno de los 
dos procedimientos siguientes: 
 
1.- Situar el tubo justo en el centro de la tubería y determinar la velocidad máxima y mediante 
el empleo de figuras como la siguiente, determinar la velocidad media. En dicha figura se 
ingresa con el número de Reynolds calculado con la velocidad máxima y se determina la 
relación de velocidades, de la cual puede obtenerse la velocidad media. 
 
 
 
Trabajando en régimen turbulento, la relación de velocidades es aproximadamente igual a 0,8. 
 
MÁX.MEDIA
 v. 0,8 vTurb. Reg. = 
 
2.- Efectuar medidas en un cierto número de localizaciones conocidas de la sección 
transversal de la tubería y calcular la velocidad media para toda la sección mediante la 
integración. Este procedimiento también permite determinar el perfil de velocidades en la 
tubería. 
 
1.2.- De área variable 
 
En la brida orificio y los tubos de Venturi y Pitot, la variación de la velocidad de flujo a través 
de una sección constante genera una caída de presión variable, que está relacionada con la 
velocidad de flujo. Los medidores de área son aparatos en los que la caída de presión es 
constante, o prácticamente constante, mientras que el área a través de la cual circula el fluido 
varía con la velocidad de flujo. 
El medidor de área más importante es el Rotámetro. Consiste en un tubo transparente de 
sección ligeramente troncocónica, generalmente de acrílico, que se instala verticalmente con 
el extremo más ancho hacia arriba. En el interior del mismo se mueve un émbolo o buzo, 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 9-14 
construido de algún elastómero denso. En la parte frontal del tubo posee grabada una escala 
en la que directamente se lee el caudal. A medida que el flujo varia, el flotador asciende o 
desciende, variando así el área del espacio anular entre el tubo y el flotador. 
La siguiente figura muestra un flotador en posición estable. En estas condiciones, las fuerzas 
que actúan sobre el flotador deben balancearse, puesto que no existe una fuerza neta que 
mueva al flotador. Las fuerzas presentes son: a) La fuerza de la gravedad (P) que actúa hacia 
abajo sobre el flotador; b) el empuje (E) del fluido sobre el flotador que actúa hacia arriba y c) 
una fuerza de resistencia al movimiento (FD) resultante de la fricción de la forma y de la 
superficie del flujo alrededor del flotador. 
 
 
Si analizamos el balance de fuerzas: 
 
g . . V g . m P ff ρ== 
g . . V g . m E Lf ρ== 
E - P FD = 
) - (1 . g . m g . F
g . . 
m
 - g . . 
m
 g . F
g . . V - g . . V g . F
f
L
fCD
L
f
f
f
f
f
CD
LfffCD
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρρ
=
=
=
 
 
Para un medidor dado que opera con un cierto fluido, el segundo miembro de la ecuación 
anterior es constante e independiente de la velocidad de flujo. Por lo tanto, FD es también 
constante y cuando la velocidad de flujo aumenta, la posición del flotador se modifica con el 
fin de mantener constante la fuerza de rozamiento. 
E 
P 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 10-14 
Dicha fuerza de rozamiento FD puede expresarse como el producto entre un coeficiente de 
rozamiento (CD) por el área proyectada del flotador (A) y por la carga de velocidad basada en 
la velocidad máxima alrededor del flotador: 
 
 
2
v
 .A . C . g . F
MAX.
DLCD
2
ρ= 
 
Comúnmente los rotámetros se diseñan para obtener una calibración aproximadamente lineal, 
con lo que la sensibilidad del instrumento es constante a través de la gama completa de 
operación. 
La principal desventaja del rotámetro es que resulta muy costoso en tamaños grandes, por lo 
que frecuentemente se usan en instalaciones con diámetro de tubo inferior a 2”. 
 
 
1.3.- Exclusas 
 
Las exclusas se aplican únicamente a líquidos que se mueven en canales abiertos; no en 
tuberías cerradas. La exclusa consiste en una compuerta con una muesca de forma y 
dimensiones establecidas. El caudal se determina observando la altura o nivel del líquido por 
encima del borde de la abertura en la exclusa, con respecto a un punto situado aguas arriba en 
el que no existen perturbaciones como ocurre en las proximidades de la muesca. Se utilizan 
varias formas de exclusas, con muescas rectangulares, en forma de V y con bordes curvados. 
 
L
H H

H
L
 
Para exclusas con ranura rectangular, el flujo viene dado por la fórmula de Francis: 
 
2
3
 H . ) H . 0,2 - (L . 1,84 
V
=
θ
 
 
Donde V es el volumen (m3),  el tiempo (s), H la altura del líquido sobre el borde inferior de 
la exclusa (m) y L la anchura de la muesca de la exclusa (m). 
 
Para la exclusa con muesca en forma de V, el flujo se calcula como: 
 
47,2α
θ
 H . ) 
2
 (tag . 0,1335 
V 0,996= 
 
Donde V es el volumen (m3),  el tiempo (s), H la altura del líquido sobre el borde inferior de 
la exclusa (m) y  el ángulo de la muesca de la exclusa. 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 11-14 
2.- Medidores de desplazamiento positivo 
 
Este grupo de medidores indican el flujo por medio de dispositivos mecánicos. Las partes 
metálicas están en contacto con un flujo de fluido y las partes se integran de diferentes 
maneras en forma que se indique una descarga total. Esta descarga puede ser relacionada con 
el tiempo en algún intervalo conveniente para determinar el flujo. 
Se utilizan ampliamente para medir el caudal en tuberías pequeñas y universalmente para 
medir el consumo doméstico. 
Entre los principales tipos se encuentran el de disco oscilante, el de turbina y el de diafragma. 
 
2.1.- Medidor de Disco oscilante 
 
Consiste en un medidor que tiene una cámara de medida cilíndrica con un diafragma plano 
que se extiende radialmente a través de la cámara. Este diafragma está pivoteado en tal forma 
que se balancea como resultado de la acción del fluido sobre él. El líquido entra en la cámara 
de medida en un extremo y fuerza al disco hacia adelante haciéndolo mover de una manera 
oscilante; en dicho movimiento fuerza al fluido hacia fuera. Un contador indica el número de 
oscilaciones y estas a su vez se convierten en medida directa del flujo volumétrico. 
 
 
2.2.- Medidor de turbina 
 
Posee una turbina y un sistema de engranajes que se mueven con la mínima fricción. La 
corriente de fluido que entra en el medidor choca con los álabes colocados en la periferia de la 
rueda y origina la rotación a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa a través 
del medidor. 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 12-14 
2.3.- Medidor de Diafragma 
Se emplean para determinar caudales de fluidos en estado gaseoso (ej. gas natural). Consta de 
dos diafragmas circulares y las cajas de diafragma, ambas suspendidas de la caja de válvulas y 
pendiendo hacia abajo en la caja estanca. Primero el gas penetra en el espacio situado sobre la 
placa de válvulas, siendo admitido por un lado de una de las válvulas en corredera D, hacia el 
espacio existente entre un diafragma y su cámara, o entre un diafragma y la caja. El diafragma 
se mueve adelante y atrás, con un movimiento similar al de la respiración, siendo empujado 
por el gas entrante sobre una de sus caras, y desplazando al mismo tiempo el gas situado en la 
otra. La descarga del gas tiene lugar a través de la válvula y del orificio de salida en la placa 
de válvulas. El movimiento del diafragma se transmite, mediante las palancas articuladas, al 
piñón dentado que mueve las válvulas y arrastra el eje que actúa sobre el mecanismo 
indicador y registrador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.- Medidores magnéticos 
 
Su funcionamiento está basado en la ley de inducción electromagnética de Faraday, que 
postula que al producirse modificaciones en un campo magnético (campo magnético 
cambiante) se genera una corriente inducida debida a una fem inducida. La fem producida es 
directamente proporcional a la rapidez de cambio de flujo magnético. 
En un caudalímetro electromagnético, se emplean bobinas colocadas paralelas al flujo del 
fluido y un conjunto de electrodos a los lados del tubo, generando así un campo magnético 
perpendicular al sentido de circulación del fluido. Cuando el fluido (que debe ser conductivo 
y estar libre de vacíos) pasa a través de las bobinas, se induce un pequeño voltaje en los 
electrodos que es proporcional al cambio del campo magnético y directamente proporcional a 
la velocidad promedio del fluido dentro del tubo. 
 
Ni el tubo en si mismo, ni el revestimiento deben estar hechos de materiales magnéticos, sino 
que se usan materiales como plástico, caucho o Teflón. 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 13-14 
 
 
La exactitud de los caudalímetros magnéticos es notable y son de amplia aplicación con gran 
precisión. La precisión típica de un caudalímetro magnético es de 0,5 % medido en 
velocidades de 0,1 a 10 m/s. Algunos fabricantes incluso indican precisiones mayores para 
algún rango específico de flujo de hasta 0,1 %. 
No trabajan adecuadamente cuando el tubo no está lleno (con excepción de algunas versiones 
diseñadas específicamente para esta aplicación). Uno de los errores en la aplicación que se 
cometen con más frecuencia es el usarlos en una línea impulsada por la gravedad o que 
descarga líquidos a la atmósfera o en algún tanque. Frecuentemente con flujos muy bajos el 
tubo no está realmente lleno, y el caudalímetro mide erróneamente. 
Tampoco trabajaran correctamente cuando el tubo está lleno con aire o gas. Esto cambia el 
volumen calculado del tubo y cambia el flujo volumétrico que pasa a través del medidor de 
una manera descontrolada que es proporcional a la cantidad de burbujas en el tubo. 
No funcionará cuando el flujo arranque y pare repetidamente, ya que hay un retardo entre el 
tiempo en el que el flujo arranca y la velocidad correcta medida por el caudalímetro. Esto 
significa que los caudalímetros magnéticos no funcionan muy bien en operaciones “por lotes” 
de corta duración (con excepción de algunas unidades que están especialmente diseñadas para 
ser muy rápidas). 
Dentro de los tipos de caudalímetros magnéticos que existen hay dos clases principales, los de 
inserción y los caudalímetros en línea. Los segundos son más precisos que los de inserción, 
pero también son más sensibles a errores causados por burbujas y requieren más sección de 
tubo recto antes y después del medidor. 
 
4.- Medidores ultrasónicos 
 
El principio de funcionamiento consiste en enviar una señal de ultrasonido diagonal a la 
circulación del fluido. Se utilizan dos haces sónicos, uno transmitido diagonalmente corriente 
arriba y el otro diagonalmente corriente abajo. 
El método de medición del tiempo de propagación del ultrasonido se basa en el hecho de que 
éste se propaga en el sentido de flujo más rápido que en el sentido opuesto. La diferencia de 
tiempo de propagación es proporcional a la velocidad de flujo y es integrada electrónicamente 
y convertida en un flujo volumétrico. 
 
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Unidad Nº 3 – Medidores de caudal 14-14 
 
 
Los caudalímetros ultrasónicos tienen la ventaja de que existen versiones en las que no es 
necesario interrumpir la tubería para efectuar la medición, ya que el medidor trabaja colocado 
externamente a la misma, en los sistemas conocidos como clam-on. Puede utilizarse el mismo 
medidor para tuberías de diferentes diámetros.