El densímetro de vibración es un dispositivo diseñado para convertir el valor de densidad de un medio controlado en una señal eléctrica analógica o digital para su transmisión a sistemas de telemetría.
Se conocen densitómetros de flujo vibratorio, diseñados para controlar la densidad de un medio en movimiento en una tubería , y sumergibles (o de sonda), para controlar la densidad de un medio tanto en tuberías como en tanques .
Un densitómetro de sonda de vibración contiene un sistema oscilatorio electromecánico, generalmente en forma de diapasón (horquilla), excitado a una frecuencia resonante usando uno o dos transductores piezoeléctricos. La frecuencia de resonancia de un sistema oscilatorio depende de la densidad del medio que rodea el diapasón y de la dureza del metal del diapasón vibratorio. Para compensar la dureza del metal, la electrónica de los densímetros actuales normalmente mide la temperatura del sensor y compensa la densidad medida con la temperatura del producto (lo que afecta la dureza del metal). Se utiliza para medir la densidad de líquidos (incluidos lodos) y gases bajo presión.
Los densímetros de líquidos vibrantes en línea se utilizan para medir petróleo/productos derivados del petróleo y otros medios líquidos (incluidas las lechadas) en una tubería en diversas industrias. El sensor de tal densímetro tiene uno o 2 tubos sensores que vibran a una frecuencia resonante (sujetados entre las bridas de entrada y salida). En los sensores de tubo recto, los tubos con bridas suelen estar conectados mediante fuelles (para permitir que el sensor oscile libremente). En los sensores con tubos curvos, los propios tubos suelen estar rígidamente conectados a las bridas de entrada/salida. En cualquier diseño, los tubos vibran bajo la influencia de un sistema de excitación electromagnética a una frecuencia resonante dependiendo de la masa del medio dentro de los tubos (dependiendo de la densidad del medio y del volumen interno de los tubos (dependiendo de la temperatura)) y de la rigidez mecánica del sistema (en función de la temperatura). Similar a los densímetros de sonda, la densidad del producto es calculada por la electrónica del instrumento a partir de la frecuencia resonante y la temperatura del producto. Los densitómetros vibratorios con 2 tubos curvos también miden el caudal másico por la diferencia de fase de las vibraciones de los dos tubos causadas por la fuerza de Coriolis. La relación entre la masa efectiva del producto oscilante y la masa del metal oscilante en los densitómetros de flujo es significativamente mejor que en los densitómetros de sonda, como resultado, la repetibilidad y el error de los densitómetros de flujo son significativamente mejores que en los densitómetros de sonda. El error básico de los densímetros de caudal conocidos en el mercado parte de ±0,1 kg/m3.
Los principios de medición enumerados anteriormente se pueden usar tanto para líquidos como para gases (si los fabricantes tienen las opciones adecuadas) con errores absolutos similares al medir la densidad del gas y el líquido, pero dado que la densidad de los gases encontrada en la práctica es tradicionalmente de 1 a 2 órdenes de magnitud inferior a la densidad de los líquidos, entonces, en la práctica, no se utilizan densímetros de sonda (con un diapasón) y de flujo (con tubos sensores) para gas. La densidad del gas generalmente se mide con densímetros con un cilindro de paredes delgadas de material magnético que está completamente sumergido en el gas por todos lados. El grosor de dicho cilindro es significativamente menor que el grosor del tubo de los densitómetros de flujo de líquido, lo que proporciona un error significativamente mejor. En el interior del cilindro hay un sistema electrónico de autooscilación en forma de vaso lleno de un compuesto con una bobina de excitación de oscilación, bobinas de captación de señal y un sensor de temperatura. Las frecuencias de resonancia se miden electrónicamente y, teniendo en cuenta la corrección por temperatura, se convierten en densidad de gas. El error básico de este tipo de densímetros de gas conocidos en el mercado parte del ±0,1% de error relativo (pero no inferior al error absoluto de ±0,0015 kg/m3). La principal aplicación de este tipo de densitómetros de gas es la contabilización comercial de gas natural, gas de petróleo asociado y otros gases hidrocarburos en unidades de medida de gas con caudalímetros ultrasónicos.
Una tarea aparte para los densímetros de gas es la medición del peso molecular, la densidad relativa del gas (en condiciones normales o de funcionamiento) o la densidad del gas reducida a condiciones estándar (a veces también denominada base o normal). Para este problema, la primera solución es utilizar densímetros que estabilicen la presión (ya veces la temperatura) de la muestra de gas; midiendo los valores de densidad, temperatura y presión del gas y llevando la densidad medida a valores estándar utilizando fórmulas de cálculo. La segunda solución es utilizar un densímetro de gas instalado en un armario termoaislante, donde la presión del gas medido en la zona del sensor se regula mecánicamente por la presión del gas en un determinado contenedor de gas de referencia (cámara de comparación), lleno con el gas medido en la etapa de calibración inicial del densímetro (a una presión de aproximadamente 1,5 ... 10 bar-abs.). El gas en sí mismo, al mismo tiempo, se suministra al gabinete con el dispositivo a través de un tubo delgado desde la tubería de entrada y se descarga después de dejar el gabinete con el dispositivo a la vela / antorcha (o se bombea nuevamente a la tubería por un microbomba). Los cambios estacionales lentos de temperatura dentro del gabinete del densímetro (y en la cámara de referencia, respectivamente) dan como resultado un cambio proporcional en la presión en esta cámara (sujeto a una pequeña corrección por el factor de compresibilidad). Y dado que la presión y la temperatura del gas en la cámara de comparación y en la zona del sensor (cilindro de medición) serán iguales, la relación de la densidad de cualquier gas en particular medido por el sensor del densímetro a la densidad del gas en la comparación cámara será constante en cualquier momento a cualquier temperatura estable dentro del gabinete (teniendo en cuenta pequeñas correcciones para diferentes factores de compresibilidad del gas en la cámara y en la zona del sensor). Esto permite calibrar el instrumento con 2 gases de referencia (por ejemplo, metano y nitrógeno, para gas natural) alimentando estos 2 gases de referencia en serie a la entrada del instrumento y midiendo la frecuencia del sensor en estos gases. Después de eso, al interpolar la frecuencia medida del sensor con los datos de calibración (para densidades estándar y frecuencias para 2 gases de referencia), el dispositivo calcula la densidad estándar del gas en el densímetro. El principal error relativo de un instrumento conocido de este tipo es de ±0,1%. Estos instrumentos se utilizan habitualmente en transferencias de custodia para normalizar los caudales de gas, calcular el número de Wobbe al optimizar los procesos de combustión, analizar la pureza de un producto (por ejemplo, hidrógeno) y analizar la composición de los productos. A menudo se cambian o complementan cromatógrafos más costosos, más lentos y más difíciles de operar.
Ventajas de los densímetros de vibración: ausencia de partes móviles, neutralidad a las propiedades eléctricas del medio, alta precisión y estabilidad de las medidas (±0,1…1,0 kg/m3 para líquido), rendimiento a altas y bajas temperaturas (de menos 70 a 200 °C), altas presiones estáticas (hasta 20 MPa), pequeño peso y dimensiones, compacidad (diámetro 25 mm), bajo consumo de energía (0,5-2,5 W).