Tecnologías y técnicas para la medición de niveles y caudales

En estos breves apuntes hablamos de las técnicas de medición del caudal y nivel de fluidos – magnéticos, vórtices y ultrasónicos – dispositivos cuya naturaleza puede exclusivamente o no exclusivamente ser de naturaleza electrónica. Los medidores de caudal magnéticos, por ejemplo, son eléctricos por naturaleza, ya que su funcionamiento deriva de sus principios de operación con la Ley de Faraday. Un medidor de caudal ultrasónicos debe su aplicación a procesado de señales digitales sofisticados. .

Medidores magnéticos .

La operación de medidores de caudal magnéticos se basa en la ley de Faraday de inducción electromagnética. Los magnetómetros pueden solamente detectar el caudal de los fluidos conductivos. Los primeros diseños magnéticos requieren una conductividad fluídica de 1-5 microsiemens por centímetro para su operación. Los diseños más nuevos han reducido ese requerimiento cientos de veces entre 0,05 y 0,1. El medidor de caudal megnético consiste en una tubería no magnética rellena de material aislante. Un par de serpentines magnéticos, y un par de electrodos penetran en la tubería y su aislamiento. Si un fluido conductivo fluye a través de una tubería de diámetro (D) a través de una densidad de campo magnético (B) generada por los serpentines, la cantidad de voltaje (E) desarrollada a través de los electrodos será proporcional a la velocidad (V) del líquido. Debido a que la densidad de campo magnético y el diámetro de tuberías son valores fijos, pueden combinarse en un factor de calibración (K) y la ecuación se reduce a:

E = KV

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Las diferencias de velocidad a diferentes puntos del perfil de caudal son compensadas por un factor de peso de la señal. La compensación también se forma por serpentines magnéticos tales que el flujo magnético será más grande cuando el factor de peso de la señal es más bajo, y viceversa. Los fabricantes determinan el factor K del magnetómetro por calibración de agua de cada tubo de caudal. El valor K así obtenido se valida para cualquier otro líquido conductivo y es lineal sobre todo el rango del medidor de caudal. Por esta razón, los tubos de caudal se calibran usualmente a una velocidad. Los magnetómetros pueden medir caudal en ambas direcciones, ya que la dirección cambiará la polaridad pero no la magnitud de la señal. El valor K obtenido por el ensayo de agua puede no ser válido para fluidos no-Newtonianos (con viscosidad dependiente de la velocidad) o lechadas magnéticas (que contienen partículas magnéticas). Estos tipos de fluidos pueden afectar la densidad de un campo magnético en el tubo. Calibración in-line y diseños de compensación especial deben considerarse para estos fluidos.

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Excitación de magnetómetro .

El voltaje que se desarrolla en los electrodos es una señal de milivoltio. Esta señal es típicamente convertida a corriente standard (4 –20 mA) o salida de frecuencia (0 – 10.000 Hz) en o cerca del tubo de caudal. Los transmisores magnéticos inteligentes con salidas digitales permiten conexión directa a un sistema de control distribuido. Debido a que la señal del magnetómetro es débil, el conductor se apantallará si el transmisor es remoto. La bobina del magnetómetro puede ser impulsada por corriente alterna o directa. Cuando se usa excitación ac, el voltaje de línea se aplica a las bobinas magnéticas. Como resultado, la señal del flujo (a flujo constante) parece una onda sinusoidal. La amplitud de la onda es proporcional a la velocidad. Adicionalmente a la señal del flujo, los voltajes de ruido pueden inducirse en el bucle del electrodo. El ruido fuera de fase se filtra fácilmente, pero el ruido en fase debe eliminarse requiere que el flujo pare con la tubería llena y la salida del receptor sea cero. El principal problema con diseños de magnetómetro ac es que el ruido puede variar con las condiciones del proceso y se requiere poner a cero para mantener la exactitud.
 

. Flowtubes, liners y sondas .

Los flowtubes y liners (manguitos o camisas tubulares) están disponibles en muchos materiales y se usan ampliamente en todas las industrias de proceso, incluyendo alimentación, farmacéutica, minería y metales. Los Caudalímetros magnéticos pueden también empaquetarse como sondas e insertarse en tuberías de proceso. Estas sondas contienen tanto electrodos como bobinas magnéticas. El fluido de proceso fluyendo induce un voltaje en los electrodos, que refleja la velocidad en la punta de la sonda y no la velocidad de fluido promedio a través de la tubería. Estos magnetómetros son baratos y retraíbles. Por lo tanto, el proceso no tiene que cerrarse para instalar o retirar. La exactitud de la medición es alta dependiente de las relaciones entre la velocidad medida y la velocidad promedio en la tubería.

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Electrodos .

En flowtubes convencionales, los electrodos están en contacto con el fluido de proceso. Pueden ser retirables o permanentes si es producido por una gotita de platino líquido a través de un liner cerámico y fusibles con el óxido de aluminio para formar un sello perfecto. Este diseño es preferido debido a su bajo coste, su resistencia a la abrasión y desgaste, su insensibilidad a la radiación nuclear, y su conveniencia para aplicaciones sanitarias debido a que no hay cavidades en las que pueden crecer las bacterias. Por otra parte, los tubos cerámicos no toleran ser doblados, tensiones, o enfriamiento repentino y no pueden manejar ácidos óxidos o calientes y cáusticos concentrados. Más recientemente se han desarrollado electrodos sin contacto, de diseño acoplado capacitivamente. Estos diseños usan áreas de sándwich metálicos entre capas de material de encamisado. Están disponibles en tamaños que van de ocho pulgadas en diámetro y con camisas cerámicas. Los magnetómetros usando estos electrodos sin contacto pueden leer fluidos que tengan 100 veces menor conductividad que la requerida para actuar que los flowtubes convencionales. .

Recientes desarrollos .

Cuando un caudalímetro magnético se proporciona con un sensor de nivel de capacitancia embebido en el liner, podemos medir el caudal tuberías parcialmente llenas. En este diseño, los electrodo del magnetómetro se localizan en el fondo del tubo (a aproximadamente 1/10 del diámetro de la tubería) para quedar cubierto por el fluido. Otro reciente desarrollo es un caudalímetro magnético con un flowtube de acero al carbono sin revestimiento. En este diseño, los electrodos de mediciónse montan externamente en el flowtube sin revestir y las bobinas magnéticas generen un campo 15 veces más fuerte que en un tubo convencional. Este campo magnético penetra profundo en el fluido de proceso. .

Bibliografía: Flow & Level Measurement. Omega. Palabras clave: Magnetic flowmeter