Sensores de Flujo y Caudal Ultrasnicos Y Magnticos

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Sensores de Flujo y Caudal Ultrasnicos y MagnticosMarcelo Vallejo; Andrs Pez; Andrea RochaIngeniera Electrnica y Control Escuela Politcnica Nacional Quito, Ecuador (Tel: 593-2-345-314; e-mail: marcelov1992@hotmail.com)

Ingeniera Electrnica y Control Escuela Politcnica Nacional Quito, Ecuador (Tel: 593-2-070-499; e-mail: andres_paez_d2.6@hotmail.com)

Ingeniera Electrnica y Control Escuela Politcnica Nacional Quito, Ecuador (Tel: 593-2-678-468; e-mail: andy_92colq@hotmail.com)Resumen: Actualmente para realizar la medicin de flujo y caudal, existen una gran variedad de sensores que realizan este tipo de medida, en esta publicacin se tratar acerca de los sensores de flujo y caudal magnticos y ultrasnicos. Para realizar sus mediciones los sensores magnticos se fundamentan en la ley de Faraday, en el cual, el voltaje generado en un conductor que se mueve perpendicularmente en un campo magntico es proporcional a la velocidad del conductor. Mientras que los sensores ultrasnicos basan su principio en el desplazamiento de frecuencias (Efecto Doopler), de seales ultrasnicas que se reflejan por partculas suspendidas o burbujas de gas.Palabras clave: Ultrasnico, Efecto Doopler, Magntico, FrecuenciasAbstract: Currently for flow measurement and flow, there are a variety of sensors that perform this type of measurement, this publication will be about flow sensors and ultrasonic and magnetic flow. To make their measurements the magnetic sensors are based on Faraday's law, in which the voltage generated in a conductor that moves perpendicular to a magnetic field is proportional to the speed of the driver. While the ultrasonic sensor based on the displacement principle frequency (Effect Doopler) ultrasonic signals which are reflected by suspended particles or gas bubbles.Keywords: Ultrasonic, Effect Doopler, Magnetic, Frequency1. INTRODUCCINA travs de los tiempos las teoras y principios acerca de la dinmica y esttica de los fluidos ha tenido un gran avance y cientficos como Da Vinci, Euler, Bernoulli, Pascal, Torricelli, Arqumedes entre muchos otros han contribuido enormemente al desarrollo de la denominada hidrodinmica. Actualmente la hidrodinmica tiene una gran aplicacin en las industrias como diseos de canales y acueductos, construcciones de presas y embalses, plomera y entre un sin fin de aplicaciones que se han vuelto imprescindibles para el desarrollo tecnolgico del hombre. Por este motivo la medicin de caudales y flujos de fluidos se ha vuelto de gran importancia para todos los procesos hidrodinmicos, para lo cual esta publicacin tiene como finalidad estudiar los medidores magnticos y ultrasnicos de caudal y flujo los cuales representan un importante porcentaje de este tipo de sensores.Los sensores magnticos se fundamentan en la ley de Faraday, esta ley establece que la tensin inducida a travs de cualquier conductor, al moverse ste conductor perpendicularmente a travs de un campo magntico, va hacer proporcional a la velocidad que tiene el conductor.

Este hecho lo quiso comprobar Faraday en 1832 en Londres, para medir la velocidad del ro Tmesis, pues el supona que el agua del ro circulaba perpendicularmente al campo magntico de la Tierra y que el agua era un conductor relativamente bueno. Para lo cual sumergi una probeta en el agua y esperaba obtener una seal que variara directamente con la velocidad [1].Por otro lado los medidores ultrasnicos pueden miden la velocidad de las partculas, pueden ser slidos en suspensin o burbujas de aire, que se encuentran en movimiento dentro de un fluido. Un transductor emisor emite seales acsticas de frecuencia conocida, que son reflejadas por las partculas en movimiento, y que son captadas por un transductor receptor. Se analizan los cambios de frecuencia que se presentan entre la seal emitida y la recibida, y el resultado del promedio de estos cambios se relaciona directamente con la velocidad media de las partculas que se estn moviendo dentro del fluido, proporcionando de esta manera la velocidad media del flujo.[2]

Estos dos tipos de sensores se han convertido en elementos indispensables en las industrias y aplicaciones que requieren un adecuado control del caudal y flujo de algn fluido, ms adelante se vern a detalle el funcionamiento de cada uno de estos sensores con sus respectivas caractersticas y aplicaciones que tienen.2. MEDIDOR MAGNETICO DE CAUDAL2.1 Definicin Los medidores magnticos tambin conocidos como caudalmetros electromagnticos o medidores de induccin, obtienen la velocidad del flujo mediante la medicin de los cambios de voltaje inducidos del fluido conductor que pasa a travs de un campo magntico controlado.2.2 Funcionamiento

Figura 1. Esquema de funcionamiento del medidor de flujo

Un lquido elctricamente conductor fluye en una tubera de material no magntico entre los polos de un electroimn dispuesto perpendicularmente a la direccin del flujo.

La interaccin entre el fluido y el campo magntico genera una fuerza electromotriz en dos electrodos ubicados a ras de la tubera, diametralmente opuestos y haciendo contacto con el fluido. Esta fuerza es inversamente proporcional a la velocidad del fluido.La relacin entre la velocidad del fluido y la fuerza electromotriz generada viene dada por:

E=K x v

(1)Donde: E=tensin generada en el conductor

K=constante que depende de N, B y D

N=nmero de espiras de la bobina

B=densidad del campo magntico

D=distancia entre los electrodos

v=velocidad del fluido

Como podemos observar, la salida es lineal con la velocidad del fluido y no es afectada por la viscosidad y densidad.

La corriente aplicada para generar el campo magntico en un medidor magntico de flujo puede ser:

Corriente directa constante

Corriente alterna

Corriente directa pulsada2.2.1 Medidor Magntico de Corriente Directa ConstanteEstos medidores generan un campo magntico debido a que se les aplica una corriente directa constate.

El inconveniente es que al aplicar una corriente directa en forma constante origina un proceso de electrlisis en lquidos conductores, con lo cual se forman gases de residuo en los electrodos. No se usan en la medicin del flujo.

2.2.2 Medidor Magntico de Corriente AlternaEn estos medidores se aplica a las bobinas una corriente alterna, donde se genera un campo magntico alterno.

Las bobinas y la armadura forman un magneto AC el cual produce un campo magntico alterno a travs del flujo y perpendicular a su trayectoria. Por lo tanto, entre los electrodos se genera una corriente alterna debido a la interaccin de la velocidad del fluido con el campo magntico alterno.[3]La ventaja es que este campo magntico alterno minimiza los efectos de polarizacin.

La desventaja es que ocurre por desviaciones de corriente que causan desvi del cero alterando la lnea de base de la salida. 3. MEDIDORES DE NIVEL ULTRASNICOS

Un medidor de flujo del tipo ultrasnico necesita para su funcionamiento: Conjunto emisor-receptor y un convertidor electrnico. El emisor suministra pulsos ultrasnicos de duracin muy breve (se considera un medidor continuo), al fluido que se encuentra en movimiento, dicho movimiento provoca en la seal emitida un cambio, dependiendo de la velocidad a la que se encuentre fluyendo el lquido. La seal rebota y llega hasta el receptor, que analiza dicha seal y con esto define la velocidad del lquido mediante un convertidor electrnico.

Existen dos grupos principales de medidores de flujo: los medidores de efecto Doppler y los medidores de tiempo-trnsito ambos bajo el principio de funcionamiento de enviar una seal de alta frecuencia al fluido en mocin y analizando la seal reflectada en dicho lquido.

3.1. Medidores de flujo de efecto Doppler

Como su nombre lo indica este tipo de medidores basan su funcionamiento en el efecto Doppler, que se trata de la variacin de frecuencia en las ondas cuando estas se reflejan en un objeto en movimiento.

Los medidores de flujo de efecto Doppler emiten ondas de sonido de alta frecuencia y estas rebotan ya sea en una burbuja o en algn material particular dentro del lquido. Por efecto Doppler las ondas reflejadas presentan un cambio de frecuencia, dichas ondas se detectan en el receptor y debido al cambio de frecuencia se puede medir la velocidad del lquido en movimiento. (Fig. 03.)

Figura. 03. Principio de funcionamiento de un medidor de flujo ultrasnico de efecto Doppler.

Cuando las ondas reflejadas vienen dadas por el rebote de material que se encuentra acercndose a las ondas incidentes, entonces la frecuencia de las ondas reflejadas ser mayor a la original y en el caso de que el rebote sea debido a material que se encuentra alejndose a las ondas incidentes, entonces la frecuencia de las ondas reflejadas ser menor a la original.

Una desventaja de este tipo de medidores es el hecho de que para la medicin se necesiten burbujas o algn tipo de material particular dentro del lquido. Dependiendo del fluido que se vaya a medir esto podra o no ser un problema, pues en ciertos fluidos es normal el tener burbujas o algn material dentro del lquido, como por ejemplo aguas servidas; sin embargo en otro tipo de mediciones el lquido ser totalmente limpio por lo que no es posible medir su flujo mediante ondas de sonido pues estas no rebotarn, en tal caso es necesaria la utilizacin de otro tipo de medidor.La velocidad del flujo est determinada por la siguiente frmula:

(2)

Donde:

C=Velocidad del sonido en el fluido

fr=Frecuencia de la onda recibida

ft=Frecuencia de la onda transmitida

= ngulo de haz del sonido con relacin al eje longitudinal de la tubera;3.2. Medidores de flujo de tiempo-trnsito

Este tipo de medidores utilizan 2 sensores y dos seales emitidas, la una seal se emite con la direccin del flujo del lquido mientras que la otra seal se emite contra la direccin de dicho flujo. Debido al hecho de que los lquidos en movimiento tienden a traer una onda de sonido consigo, entonces la seal emitida en la misma direccin de esta onda va a viajar ms rpido y llegar en menor tiempo a su respectivo receptor, mientras que la seal que viaja en direccin contraria a la onda de sonido va a tardar ms en llegar al receptor. El convertidor electrnico analiza esta diferencia de tiempos de llegada entre ambas seales y con esto se puede calcular el flujo del lquido. (Fig. 02.)

Figura. 04. Principio de funcionamiento de un medidor de flujo ultrasnico de tiempo-trnsito.

La velocidad del flujo est determinado por la siguiente formula.

(3)Donde:

V = Velocidad del fluido;

C = velocidad del sonido en el fluido;

= ngulo de haz del sonido con relacin al eje longitudinal de la tubera;

D = dimetro de la tubera.

t = diferencia entre los tiempos de trnsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.

Una desventaja del uso de este tipo de medidores es el hecho de que se lo debe hacer en mltiples pares si se desea exactitud, pues si solo se usa un sensor entonces se tendr un error en la medida del flujo promedio del lquido debido que al cambiar el flujo de calmado a turbulento, por ejemplo, se tendr un frente de onda completamente distinto, con lo que la calibracin inicial del instrumento sera inapropiada al cambiar la forma de flujo del lquido.[4]4. CONCLUSIONES

Los sensores de flujo y caudal son imprescindibles en procesos industriales, y otras aplicaciones donde determinar el caudal de algn fluido es de gran importancia y los sensores magnticos y ultrasnicos son una gran opcin para realizar este tipo de medicin. Se debe observar detenidamente las ventajas y desventajas que presenta cada uno de los sensores, para as poder elegir adecuadamente un sensor u otro, para alguna determinada aplicacin. En el caso de los sensores ultrasnicos es conveniente colocar mltiples pares si es que se desea una medida ms exacta, pues se puede obtener un error en la medida del flujo promedio.

Es importante elegir adecuadamente el tipo de sensor pues para los sensores ultrasnicos necesitan que el fluido a medir cuente con slidos en suspensin o burbujas y en el caso de algunos fluidos esto puede representar un gran problema.

Los sensores magnticos son una buena opcin para medir fluidos que sean viscosos y densos pues su salida es lineal y no se ve afecta por estos parmetros.

Tener muy en cuenta que al trabajar con sensores magnticos, el fluido a medir puede presentar un proceso de electrlisis lo cual pueda afectar al el proceso en el cual este interactuando el fluido.

5. REFERENCIAS[1] A. Creuos, Instrumentacin Industrial, 8va ed. Alfaomega, 2010, pp. 162.[2] http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Ultrasonico_Doppler_tuberias.pdf[3] http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/djean/index_archivos/INST_Flujo/medidoresflujovolumetrico/medidormagnetico.html[4] Tony R. Kuphaldt; Lessons in industrial instrumentation; Version 0.2-2008; Captulo 15; Pags. 512-513.