Guía Esencial del Tubo de Pitot: Cómo Mide la Velocidad del Aire y el Flujo de Fluidos

Al pensar en cómo se mide la velocidad en aplicaciones como aeronaves, el tubo de Pitot es el instrumento diseñado para ello. Este instrumento, también llamado sonda de Pitot, consiste en un tubo con una curvatura recta corta. El dispositivo calcula la velocidad según el flujo del fluido. Los tubos de Pitot se usan en anemómetros para medir la velocidad del aire en túneles de viento y a bordo de aeronaves en vuelo. Miden flujo de líquido, aire y gas.

Hoy comprenderás la definición, función, aplicaciones, componentes, diagrama, ecuación, tipos y funcionamiento del tubo de Pitot. También conocerás:

• Presión estática
• Presión dinámica
• Presión de estancamiento
• Velocidad de flujo
• Tubos de Pitot de un solo puerto
• Tubos de Pitot promediadores
• Cómo medir flujo de aire con tubo de Pitot, y finalmente
• Ventajas e inconvenientes del tubo de Pitot.

¿Qué es un tubo de Pitot?

Un tubo de Pitot es un instrumento de medición de flujo para medir la velocidad de un fluido en movimiento. Fue inventado por Henri Pitot, ingeniero francés, en el siglo XVIII. El dispositivo se modificó a su forma moderna a mediados del siglo XIX por el científico francés Henry Darcy. Un tubo de Pitot es un tubo delgado con dos orificios. El orificio frontal se coloca en la corriente de aire, midiendo la presión de estancamiento. El orificio lateral mide la presión estática. La diferencia entre ambas presiones da la presión dinámica, con la que se calcula la velocidad del aire. Esto se explicará más adelante.

Los tubos de Pitot, como sensores de flujo, pueden ser una alternativa económica a la placa de orificio. Su precisión oscila entre 0,5 % y 5 % FE, similar a la placa de orificio. Su rango de medición 3:1 (algunos 4:1) es comparable a la capacidad de la placa. La diferencia es que la placa mide el flujo total, mientras que el tubo de Pitot detecta la velocidad en un solo punto de la corriente.

Aplicaciones del tubo de Pitot

Hoy los tubos de Pitot se hallan en muchas aplicaciones, no solo en aviación. Es conocido su uso en aviación, pero también son comunes en maquinaria industrial, embarcaciones e incluso coches deportivos. Incluso puedes emplear un tubo de Pitot en tu proyecto que requiera medir velocidad de flujo. Sin embargo, los aviones suelen usar tubos Pitot-estáticos con dos orificios en lugar de tubo separado y tomas estáticas.

Un solo tubo de Pitot puede medir presión estática y de estancamiento. Las tomas estáticas laterales logran esta capacidad todo en uno, eliminando la necesidad de tomas estáticas separadas. Elaboraré más abajo.

Como se mencionó, el tubo de Pitot se usa ampliamente para determinar la velocidad aérea de una aeronave y la velocidad del agua de una embarcación. Mide velocidades de flujo de líquido, aire y gas en aplicaciones industriales. Básicamente, se usa en experimentos de túnel de viento y en aviones para medir velocidad de flujo. Se emplea en amplia gama de mediciones: velocidad en coches de carreras y cazas de la fuerza aérea. En aplicaciones industriales, calcula flujo de aire en tuberías, conductos y chimeneas, y flujo líquido en tuberías, vertederos y canales abiertos.

Finalmente, en aplicaciones, los tubos de Pitot miden la velocidad de flujo de fluidos midiendo la diferencia entre presiones estática y dinámica, convirtiendo la energía cinética del flujo en energía potencial.

Componente de un tubo de Pitot

Diagrama de un tubo de Pitot:

Ecuación del tubo de Pitot

El principio se basa en la ecuación de Bernoulli, donde cada término puede interpretarse como presión:

p + ½ ρ v² + ρ g h

= p + ½ ρ v² + γ h

= constante a lo largo de una línea de corriente … (1)

Donde:

p = presión estática (relativa al fluido en movimiento) (Pa)

ρ = densidad del fluido (kg/m³)

v = velocidad de flujo (m/s)

γ = ρ g = peso específico (N/m³)

g = aceleración de la gravedad (m/s²)

h = altura de elevación (m)

Cada término tiene dimensiones de fuerza por unidad de área N/m² (Pa) – o en unidades imperiales lb/ft² (psi).

Presión Estática – El término p indica presión estática. Es estática relativa al fluido en movimiento y puede medirse mediante una abertura plana paralela al flujo.

Presión Dinámica – El segundo término – ½ ρ v² – se llama presión dinámica.

Presión Hidrostática – El tercer término – γ h – se llama presión hidrostática. Representa la presión debida a un cambio de elevación.

Presión de Estancamiento – La ecuación de Bernoulli establece que la energía a lo largo de una línea de corriente es constante – y puede modificarse a:

p₁ + ½ ρ v₁² + γ h₁

= p₂ + ½ ρ v₂² + γ h₂

= constante a lo largo de la línea de corriente … (2)

Donde:

subíndice ₁ es un punto en el flujo libre aguas arriba

subíndice ₂ es el punto de estancamiento donde la velocidad en el flujo es cero

Velocidad de Flujo – En un punto de medición consideramos la presión hidrostática constante donde h₁ = h₂ – eliminándose este término. Como v₂ es cero, (2) se modifica a:

p₁ + ½ ρ v₁² = p₂ … (3)

o bien

v₁ = [2 (p₂ – p₁) / ρ] ½

= [2 Δp / ρ] ½ … (4)

Donde:

Δp = p₂ – p₁ (presión diferencial)

Con (4) es posible calcular la velocidad de flujo en el punto 1 – flujo libre aguas arriba – si se conoce la diferencia de presión diferencial Δp = p₂ – p₁ y la densidad del fluido.

Es común usar carga en lugar de presión. (4) puede modificarse dividiendo por el peso específico γ a:

v₁ = c [2 g Δh]½ … (5)

donde:

c = coeficiente – según líquido de referencia y unidades usadas o calculadas

g = aceleración de la gravedad

Δh = h₂ – h₁ = diferencia de altura (columna de fluido)

¡Nota! – en la ecuación básica la unidad de carga se refiere a la densidad del fluido que fluye. Para otras unidades y líquidos de referencia – como mm Columna de Agua – consultar Carga de Presión de Velocidad.

Funcionamiento del tubo de Pitot

El funcionamiento es sencillo y fácil de entender. Un tubo de Pitot mide dos presiones: estática y de impacto total. La presión estática es la presión de operación en la tubería, conducto o entorno, aguas arriba del tubo. Se mide en ángulo recto a la dirección del flujo, usualmente en zona de baja turbulencia.

La suma de presiones estática y cinética es la presión de impacto total (PT). Se detecta al impactar la corriente en la abertura del tubo. Para medirla, el tubo usado suele ser pequeño, a veces en forma de L. La abertura debe enfrentar directamente el flujo incidente. La velocidad de aproximación (VP) se calcula tomando la raíz cuadrada de la diferencia entre presión total (PT) y estática (P), multiplicada por la relación C/D, donde C es constante dimensional y D es densidad. Matemáticamente:

Vp = C(PT – P)½/D

Dado que el caudal se obtiene multiplicando la velocidad puntual (VP) por el área transversal de la tubería o conducto, la medición de velocidad debe hacerse a una profundidad de inserción correspondiente a la velocidad promedio. El perfil de velocidad en la tubería cambia de elongado (laminar) a más plano (turbulento) al aumentar la velocidad. Esto cambia el punto de velocidad promedio y requiere ajuste de la profundidad de inserción.

Los instrumentos de tubo de Pitot solo se usan para flujos altamente turbulentos (Números de Reynolds > 20 000). Por tanto, el perfil de velocidad debe ser lo bastante plano para que la profundidad de inserción no sea crítica.

Mira el vídeo para aprender más sobre el funcionamiento del tubo de Pitot:

Tubo de Pitot de un solo puerto

Mide la velocidad de flujo solo en un punto de la sección transversal de una corriente. La sonda debe insertarse en un punto donde la velocidad sea el promedio de las velocidades a lo largo de la sección. El puerto de impacto debe enfrentar directamente el flujo.

Los tubos de un solo puerto pueden hacerse menos sensibles a la dirección del flujo si el puerto de impacto tiene biseles internos de ~15°, extendiéndose ~1,5 diámetros dentro del tubo. Si la presión diferencial del venturi es demasiado baja para detección precisa, el tubo de Pitot convencional puede reemplazarse por un venturi-Pitot. También puede usarse un sensor de doble venturi para mayor diferencial de presión.

Un tubo de Pitot de un solo puerto limpio, calibrado y correctamente insertado ofrece ±1 % de precisión a plena escala sobre rango 3:1. Con cierta pérdida de precisión, puede medir hasta rango 4:1. Ventajas: bajo coste, diseño simple, sin partes móviles, pérdida de presión permanente muy baja. Limitaciones: errores por cambios en el perfil de velocidad u obturación de puertos de presión.

Tubos de Pitot promediadores (Averaging pitot tubes)

Inventados para eliminar el problema de hallar el punto de velocidad promedio. Tienen múltiples puertos de presión de impacto y estática. Diseñados para extenderse a lo largo de todo el diámetro de la tubería. Las presiones detectadas por todos los puertos de impacto se combinan y la raíz cuadrada de su diferencia indica el flujo promedio en la tubería.

Hay un puerto más cerca de la salida de la señal combinada, con influencia ligeramente mayor que el más lejano. En aplicaciones secundarias donde se usan comúnmente, el error puede considerarse nulo. Un tubo de Pitot puede modificarse para necesidades particulares: número de puertos de impacto, distancia entre ellos, diámetro del tubo promediador.

Los puertos de sensor de los tubos promediadores suelen ser demasiado grandes para funcionar como verdadera cámara de promediado. Las aberturas se optimizan para evitar obstrucciones, no para promediar. Aunque el purgado con gas inerte mantiene limpios los puertos, permitiendo usar puertos más pequeños.

Los tubos promediadores ofrecen mismas ventajas y limitaciones que los de un solo puerto. Solo son algo más caros y un poco más precisos, especialmente si el flujo no está plenamente desarrollado. Además, algunos sensores promediadores pueden insertarse por la misma abertura (o «hot tap») que admite un tubo de un solo puerto.

Cómo medir el flujo de aire con un tubo de Pitot

Al ser aptos para medición de flujo de aire a velocidad media-alta, es importante saber cómo medir con el instrumento. Las mediciones precisas requieren corrección de densidad y recorrido cuidadoso, pues la exactitud depende del dispositivo de medición de presión acoplado al tubo. Métodos más económicos (hilo caliente, veleta) sirven para flujos bajos. Para flujos altos o alta temperatura, el tubo de Pitot es ideal.

Como se dijo, el tubo mide presión total y estática para determinar la presión de velocidad, derivando la velocidad del aire. El tubo se inserta en el conducto con la punta hacia el flujo. El puerto positivo del manómetro se conecta al puerto de presión total (Pt) y el negativo al de presión estática (Ps). El manómetro muestra la presión de velocidad, convertible a velocidad.

Los tubos de Pitot modernos tienen punta/nariz adecuada y distancia suficiente entre nariz, tomas estáticas y vástago. Esto minimiza turbulencias e interferencias, permitiendo uso sin factores de corrección o calibración.

Para lecturas precisas de presión de velocidad, la punta debe apuntar directamente (paralela) a la corriente de aire. Con alineación correcta, la indicación de presión de velocidad será máxima.

No pueden tomarse lecturas precisas en corriente turbulenta. El tubo debe insertarse al menos 8,5 diámetros del conducto aguas abajo de codos, curvas u obstrucciones que causen turbulencia. Para medición precisa, las aletas rectificadoras deberían ubicarse 5 diámetros aguas arriba del tubo si están disponibles.

La velocidad del aire no es uniforme en la sección transversal de un conducto (flujo laminar). Por tanto, debe hacerse un recorrido del conducto para determinar velocidad promedio. La fricción cerca de las paredes frena el flujo al rozar las paredes. Se sigue un patrón definido para asegurar medición precisa.

Ventajas e inconvenientes del tubo de Pitot

Ventajas:

• Instrumento portátil
• Sin partes móviles
• Inexpensivo pese a su gran utilidad
• Diseño simple y fiable
• Baja pérdida de presión permanente
• Fácil instalación en sistemas existentes
• Apto para distintas condiciones ambientales, incluidas altas temperaturas y amplia gama de presiones

Inconvenientes:

Limitaciones a pesar de sus ventajas:

• Bajo rango de medición (rangeability)
• Baja precisión
• Lecturas fácilmente obstruibles, según el fluido
• Vibraciones pueden dar lecturas erróneas e incluso dañar el instrumento

Conclusión

El tubo de Pitot es un componente excelente para mediciones de fluidos en movimiento. En este artículo hemos examinado definición, función, aplicaciones, ecuación, tipos y funcionamiento. También vimos ventajas e inconvenientes.

Espero que saques provecho de este artículo; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Nos vemos la próxima.