Materiales y diseño de electrodos en medidores magnéticos para medición de líquidos
Diseño de medidor de flujo magnético líquido
El electrodo suele atravesar el revestimiento interior de la tubería y entrar en contacto con el líquido. El electrodo suele ser un perno de cabeza esférica que atraviesa el material del revestimiento interior y se conecta finalmente al perno mediante un cable eléctrico. Debido al contacto entre los electrodos y los líquidos, los materiales de los electrodos deben seleccionarse cuidadosamente. Algunos de los materiales utilizados son acero inoxidable no magnético (para líquidos corrosivos), aleación de platino e iridio, Monel, tántalo, titanio, circonio (para líquidos corrosivos) y Hastelloy-C. El acero inoxidable también se recomienda para la medición de lodos, así como para combinaciones de revestimientos cerámicos y electrodos.
Electrodos para caudalímetros magnéticos en la industria de la pulpa de papel
En la pulpa y otras aplicaciones, el papel u otros materiales pueden colisionar con los electrodos y causar ruido. Según un fabricante, cubrir los electrodos con cerámica porosa puede reducir este efecto.
Se necesitan medidores de flujo de lodos . Debido al contacto entre los electrodos y los líquidos, se han utilizado diversos métodos para limpiarlos. Entre ellos se incluyen:
• Limpieza (se puede pasar un raspador o cepillo por el centro del electrodo para limpiar la superficie) (Rose y Vass, 1995);
• Fusión (desconectar otras conexiones electrónicas y eliminar depósitos en la superficie del electrodo con una corriente suficientemente grande);
• Limpieza ultrasónica (utilizando ondas ultrasónicas para hacer vibrar electrodos y provocar cavitación local para lograr fines de limpieza);
• Electrodos móviles;
• Electrodos tipo bala.
El método para seleccionar electrodos limpios debe determinarse en función de las características del sedimento. En muchos casos, los electrodos tienden a autolimpiarse: cuando el fluido pasa a través del electrodo, el sedimento se restringe y la conductividad del recubrimiento de la superficie interna del instrumento puede ser menor que la de la mayoría de los líquidos. En los sistemas de CC modernos, la impedancia de entrada puede ser lo suficientemente alta como para ignorar la influencia del sedimento. Sin embargo, una impedancia alta puede causar ruido térmico en la señal del electrodo. Por lo tanto, aunque una impedancia alta implica la ausencia de error sistemático, la repetibilidad del instrumento disminuirá.
Un campo magnético se genera típicamente mediante un conjunto de bobinas y yugos magnéticos apilados. Su consumo típico solía ser de 10 a 100 W, pero ahora puede alcanzar tan solo 0,5 W. Gracias al uso de baterías de larga duración, el consumo mínimo puede ser mucho menor que 0,5 W.
Como consecuencia del uso de excitación de CA, se genera una señal de inductancia mutua debido al campo magnético variable en el bucle formado por la combinación de un cable de electrodo y un fluido. La Figura 7 muestra un cable mal configurado y la región resultante relacionada con el flujo magnético variable. Esta área no necesita ser muy grande para generar una señal comparable a la señal de tráfico. Su señal es ortogonal (con una diferencia de fase de 90° con respecto a la señal de flujo), aproximadamente. Voltaje ortogonal ~2πfBA
Entre ellos, f es la frecuencia, B es la intensidad de inducción magnética y A es el área del bucle de acción proyectado en la dirección del campo magnético. Por ejemplo, si f es 50 Hz, B es 0,02 T y A es 1 cm², el voltaje ortogonal es de aproximadamente 0,6 mV. Sin embargo, la señal generada al moverse a una velocidad de 5 m/s en una tubería con un diámetro de 0,1 m es de 10 mV. El ángulo de fase del voltaje ortogonal se desvía 90° y se consume como pérdida de hierro en el circuito magnético, que no se puede reducir mediante diseño mecánico ni circuitos electrónicos. El uso de excitación de CC puede resolver este problema midiendo directamente la señal de flujo cuando el campo magnético permanece constante durante un cierto período de tiempo. Sin embargo, también hay otros problemas, que requieren un alto voltaje para superar rápidamente la inductancia de la bobina y establecer un campo magnético, y luego mantener la estabilidad para la medición del flujo.
La instalación de un componente no debe provocar un exceso de presión en la tubería y debe asegurarse de que esté llena de líquido. Normalmente, al instalar la sección de la tubería de medición, la conexión del electrodo debe ser horizontal para evitar cortocircuitos en el electrodo cuando aparezcan burbujas en la parte superior de la tubería.
La mayoría de los tubos de medición están hechos de acero inoxidable, lo que permite el paso de campos magnéticos. La presión máxima que soporta el sensor es de 1000 bar.
El diseño también debe incluir opciones para su uso en entornos hostiles y peligrosos.
Figura 6: Bobina y yugo del campo magnético
Figura 7: Relación entre el campo magnético y los cables de señal
Transmisores del caudalímetro Mangetic (componente secundario)
Transmisores de caudalímetros electromagnéticos
Hoy en día, muchos tipos de transmisores de flujo electromagnético pueden lograr las funciones requeridas como
medidor de flujo digital . El tipo de comunicación más duradero utilizado es 50 Hz o 60 Hz. Esto se debe a que la fuente de alimentación principal es de 50 Hz o 60 Hz, y a esta frecuencia, el campo magnético y las señales de flujo también son fuertes. Pero algunos nuevos diseños comunes utilizan ondas cuadradas de baja frecuencia con diferentes modos, lo que hace que la señal ortogonal se atenúe antes de que se recopile la señal de flujo. El tipo de excitación de onda cuadrada (excitación de CC) mencionado aquí puede tener muchos nombres diferentes según el fabricante (Brobeil et al., 1993). El término "tipo CC" debe usarse con precaución, ya que los primeros instrumentos habían usado el tipo CC pero no tuvieron éxito. En el diseño de CC, la intensidad del campo magnético es relativamente pequeña, pero el ruido electrónico y los efectos electromecánicos en el lodo son los mismos que en el diseño de CA. Por lo tanto, el último instrumento de CC diseñado tendrá un módulo de potencia especial de alta potencia para resolver este problema.
Bonfig et al. (1975) describieron uno de los primeros diseños exitosos de CC, denominado campo clave de CC. Hafner (1985) describió otro sistema denominado CC conmutada, que incluye funciones como reducción de ruido (blindaje activo y pasivo), actividad electroquímica, puesta a cero periódica del amplificador, muestreo de múltiples señales, mayor frecuencia de adquisición (hasta 123 Hz), filtrado digital y el uso de circuitos de análisis de ruido de flujo. El bajo consumo de energía en el diseño (reducido a 1,5 W, con tamaño y peso reducidos) cumple con los requisitos de seguridad inherente y accionamiento por batería. El control por microprocesador también proporciona autodetección, compensación de temperatura, herramientas primarias y secundarias intercambiables y funciones interactivas. Además, el electrodo también proporciona funciones de puesta a tierra e inspección de tubos de aire. Herzog et al. (1993) estudiaron diseños de CC conmutada con un punto de referencia electrónico en un ciclo y analizaron el uso de un tercer electrodo en tuberías parcialmente llenas.
Figura 8: Diagrama del circuito de conversión del sistema de CA
La señal de salida suele ser de 0 a 10 mA o de 4 a 20 mA. Ofrece dos o tres perillas de ajuste de rango para cubrir el rango completo de lectura de fluidos con caudales de 1 a 10 m/s. Sin embargo, ahora se han sustituido por tecnología de microprocesador. Al utilizar instrumentos inteligentes para ajustar automáticamente el rango de la señal de salida, cuenta con transmisión digital y un mayor alcance.
La Figura 8 muestra un diagrama de bloques típico de un circuito de CA. El demodulador elimina la tensión ortogonal a través de la señal de referencia, y el circuito de CA obtiene la relación entre la señal de flujo y la señal de referencia.
El diagrama de bloques de la Figura 9 (a) es un método típico adoptado en sistemas de CC. Como se muestra en la Figura 9 (b), el muestreo en los tiempos τn, τn+1 y τn+2 amplifica la deriva de la línea base de la señal de onda cuadrada causada por efectos electroquímicos y de otro tipo, por lo que resulta razonable utilizar tres puntos de muestreo.
La deriva del cero puede aparecer en algunos instrumentos, pero suele ser leve. Puede deberse a la incapacidad de suprimir completamente las tensiones inesperadas, especialmente las ortogonales. Si bien el método de corte se adopta a caudales bajos, el sistema de CC afirma resolver el problema de la deriva del cero en este momento, pero esto es difícil de confirmar. El corte por bajo tráfico suele limitarse al 1 % del rango límite superior (Ginesi y Annarummo, 1994) o posiblemente a un valor inferior.
La incertidumbre general del convertidor es del 0,2% para una amplia gama de voltajes principales, señales ortogonales, fluctuaciones de temperatura, etc. También puede medir señales de microflujo con baja precisión.
Figura 9: Diagrama esquemático del circuito transmisor para el sistema de CC
(a) Ruta; (b) Señal de medición
Los convertidores de medidores de flujo magnético comerciales proporcionarán:
- El tiempo de respuesta de la instrucción es de 0,1 s;
- Relación de alcance: máximo 1000:1;
- Rango de caudal: intervalo de 0,005~113000 m³/h;
- Volumen de sobrecorriente del pulso de la unidad: 0,01 ~ 10 L/pulso.
Las características proporcionadas por el fabricante incluyen:
- Se utilizan cables bifásicos con seguridad inherente para la alimentación y transmisión de señales de los sensores;
- Realizar la transmisión de señales digitales mediante la modulación de señales analógicas a través de la comunicación;
- Protección entre componentes, protección IP65 para convertidores;
- La frecuencia dual (ver Figura 10) es beneficiosa tanto para frecuencias altas como bajas: procesar las señales por separado antes de la fusión de frecuencias dará como resultado una baja estabilidad de flujo y bajo ruido;
Figura 10: Diagrama esquemático del circuito de trabajo de doble frecuencia
(referencia autorizada por Yokogawa Europe BV)
- Transmisión sin interferencias;
- Autocomprobación o aumento de datos de detección;
- Detector de tráfico aéreo, que utiliza electrodos para detectar el estado del tráfico aéreo y hacer sonar una alarma (Ginesi y Annarummo, 1994);
- Electrodo de puesta a tierra;
- Detección de contaminación del electrodo principal;
- Medir fluido bidireccional utilizando circuitos adecuados;
- Ajuste automático de rango.
Los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) pueden proporcionar funciones tales como sistemas de inspección automática para detectar flujo inverso de fluidos y otras fallas, alarmas, rango dual y alguna comunicación de interfaz (Vass, 1996).
Calibración y funcionamiento del medidor de caudal magnético
Taller de calibración de caudalímetros electromagnéticos serie SHD
Debido a las diferencias entre los instrumentos durante el proceso de fabricación de los medidores de flujo, los medidores de flujo electromagnéticos requieren calibración, la cual generalmente realiza el fabricante. Por ejemplo, un fabricante de medidores de flujo magnéticos proporciona un instrumento estándar con 13 puntos de calibración, comúnmente conocido como calibración húmeda. La calibración en seco se refiere a la calibración de medidores de flujo electromagnéticos mediante la medición de campos magnéticos para obtener señales de fluido. La relación entre el campo magnético en un punto específico y todos los rangos del instrumento no es tan directa como la ecuación (12.2), por lo que cualquier calibración en seco actual debe considerarse con precaución.
El funcionamiento del caudalímetro electromagnético no debería verse afectado por la conductividad del fluido, por lo que esta debería ser la misma en toda su área. Suponiendo que la conductividad sea lo suficientemente grande como para que la impedancia de salida del componente primario sea al menos dos órdenes de magnitud menor que la impedancia de entrada del componente secundario. Además, cambios significativos en la conductividad pueden causar errores de punto cero en los caudalímetros electromagnéticos de CA. Aunque algunas personas creen que el tipo de pulso de CC no se ve afectado por cambios en la conductividad por encima de cierto umbral (Ginesi y Annarummo, 1994), un fabricante aún mantiene la opinión contraria, creyendo que el tipo de CA debería usarse para medir flujo bidireccional, lodo, fluidos de baja conductividad y flujos no uniformes con conductividad que cambia rápidamente. De todos modos, el desarrollo continuo del tipo de CC garantizará que sea igualmente adecuado para las situaciones anteriores.
La impedancia de salida de un componente se puede expresar aproximadamente como
R≈1/dσ（Ω）
Donde d es el diámetro del electrodo y σ es la conductividad.
La impedancia típica de un instrumento con un diámetro de electrodo de 0,01 m se puede obtener de la ecuación (3), como se muestra en la Tabla 2.
|
Table2
Output resistance of instrument measuring tube
with electrode diameter of 0.01m
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Liquid conductivity
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Resistance
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S/m
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μS/ cm
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Ω
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The best electrolyte
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About 10²
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About 10⁶
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1
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Seawater
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About 4
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About 4×10⁴
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25
|
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Tap-water
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About 10⁻²
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About 10²
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10000
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Pure water
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4×10⁻⁶
|
4×10⁻²
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25 000 000
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Un componente secundario típico con una impedancia de entrada de 20 × 10⁶/Ω puede igualar la conductividad de los tres primeros fluidos de la Tabla 2, pero no la del último. Los fabricantes limitan el valor mínimo de conductividad para instrumentos de tamaño específico. Por ejemplo, para electrodos con un diámetro de 25 a 100 mm, se acepta una conductividad de tan solo 20 μS/cm, pero al menos un fabricante puede ofrecer una reducción de conductividad de 0,05 μS/cm.
Debido a la interrupción de la continuidad eléctrica y la uniformidad de la conductividad, así como a la incertidumbre del objeto medido, la presencia de gas en el fluido causará errores. Los medidores de caudal deben operar en condiciones donde estos factores puedan ignorarse.
El medidor de flujo magnético mide el caudal de agua de mar.
¿Dónde se utiliza el medidor de caudal electromagnético?
Los caudalímetros electromagnéticos se utilizan ampliamente en la medición de caudal de líquidos. Son ideales para cualquier líquido conductor y casi siempre tienen éxito en sus aplicaciones. Un experto industrial comentó una vez que el único problema que encontró fue al medir azúcar glas cristalizado, y que la causa del fallo podría ser problemas con el fluido o incompatibilidad. Si se aplica para medir caudales bifásicos o multifásicos, donde los componentes continuos deben ser conductores, la señal se genera por la velocidad de dicho componente. Si se aplica a metales líquidos, sus principios físicos se vuelven más complejos.
El medidor de flujo electromagnético es muy adecuado para cualquier líquido conductor.
Las aplicaciones de los medidores de flujo electromagnéticos incluyen fluidos viscosos, productos químicos corrosivos, lodos abrasivos y fluidos operativos con capacidad de arranque y parada. Sin embargo, el tubo de flujo debe estar lleno (algunos fabricantes ofrecen modelos que pueden medir el flujo sin tubo lleno) y los electrodos no deben cortocircuitarse por burbujas (Ginesi y Annarummo, 1994). Si es posible, la tubería de medición debe fluir hacia arriba en este momento. Si se trata de una tubería horizontal, el electrodo debe estar en la dirección del diámetro horizontal. Si el instrumento se instala en una posición inferior en la tubería, se debe monitorear la posibilidad de que se adhieran lodos u otros fluidos a los electrodos. Los accesorios tienen una conductividad diferente a las propiedades del fluido y pueden formar una capa parcialmente conductora que modifique el diámetro interno y la longitud del instrumento. Si la velocidad del instrumento se mantiene por encima de 2-3 m/s, la probabilidad de sedimentación disminuirá. Los electrodos cónicos también pueden reducir la sedimentación y se pueden utilizar sistemas de limpieza de electrodos. Los fluidos no newtonianos pueden alterar la respuesta. El lodo resistente al desgaste puede causar desgaste del revestimiento cerca de las curvas de las tuberías, y la protección de las tuberías puede reducirlo. El fluido utilizado para la limpieza debe ser compatible con el fluido de trabajo. Los aditivos también pueden causar una conductividad irregular.
El medidor de flujo magnético mide líquidos corrosivos. La tecnología de incentivos de comunicación fue anteriormente más adecuada para medir la aplicación de lodos con grandes cantidades de gas. Esta lechada es irregular, con una gran cantidad de partículas sólidas de tamaño irregular o con tendencia a formar grumos, acompañada de un flujo pulsante. Aproximadamente el 15 % de los flujos industriales presentan esta situación, incluyendo pulpa y mortero. En estas aplicaciones, la tecnología de pulsos de CC se ha convertido gradualmente en una opción importante para reemplazar la tecnología de CA.
En el nuevo caudalímetro, se eliminarán los efectos de la interferencia de radiofrecuencia (RFI). Según las instrucciones del fabricante, los cables de señal deben estar blindados y conectados a tierra. Rose y Vass (1995) analizaron la aplicación de la tecnología de caudalímetros electromagnéticos en procesos industriales más complejos:
Químico:
· ácido,
álcali ,
polímero , loción y solución de caucho
Farmacéutico:
· recubrimiento por pulverización, condimentos, productos médicos y de salud
Minería y minerales:
· lodos de mineral de hierro, pirita, magnetita, pirita, cobre, alúmina
Comida y bebidas:
· cerveza, refresco, pasta de dientes, leche, helado, azúcar,
jugo Agua y residuos:
· agua,
aguas residuales , aguas residuales, lodos, fluidos digestivos
Caudal de aguas residuales medido con medidor electromagnético
Pulpa y papel:
· líquidos blancos y negros, materias primas marrones, productos químicos blanqueadores, aditivos
Planta de procesamiento de combustible nuclear:
·fluidos radiactivos y no radiactivos (Finlayson, 1992)
Los informes recientes de la literatura sobre aplicaciones incluyen:
·Puede utilizarse para solucionar problemas en el flujo de bismuto y plomo líquido (Kondo y Takahashi, 2005);
·Monitorear el rendimiento de la bomba (Anon, 2002);
·Medición del caudal de lodos utilizando electrodos capacitivos (Okada et al., 2003);
·Monitoreo de aguas residuales (Kwietniewski y Mizstka Kruk, 2005);
·Eliminación continua de basura: tuberías de refinación, tuberías de soplado y tuberías de reciclaje (Okada y Nishimura, 2000);
·Flujo de perforación (Arnold y Molz, 2000);
·Medición de precisión de la producción de alquilatos y ácido sulfúrico (Dunn et al., 2003).
Para esta lista, también puede ser necesario agregar escoria, cemento, lechada (abrasiva), reactivos de carga de horno y aplicaciones especiales como velocidad ultrabaja, transporte transaccional, líquidos con traceado de vapor, fluidos de alto horno, dosificación y líquidos corrosivos.
En condiciones de medición de alta frecuencia (120 mediciones por segundo), los medidores de flujo de CA pueden medir el caudal de pulso de las bombas.
Algunos fabricantes ofrecen caudalímetros electromagnéticos con dimensiones de 2 a 25 mm para la medición de leche. También ofrecen instrumentos de tamaño específico para productos de higiene y químicos de uso diario, que pueden emplearse en procesos de producción en masa de alta velocidad con una repetibilidad de hasta el 0,2 %.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar medidores de caudal electromagnéticos?
1. La teoría sugiere que la respuesta de los medidores de flujo electromagnéticos es lineal (salvo por la influencia de diferentes distribuciones de velocidad de flujo), y la única razón por la que el instrumento no puede mostrar un flujo cero es la deriva del cero. Este es uno de los pocos instrumentos que puede lograr esta función, pero también ha sido juzgado injustamente porque aún se puede observar deriva del cero. Los diseños modernos suelen utilizar el truncamiento del rango de flujo bajo para evitar este problema.
2. El flujo imparable es el más valioso, especialmente cuando el fluido contiene sólidos o cuando pasa a través de obstáculos que pueden dañar el canal de flujo.
Medidor de flujo magnético El diseño de paso completo garantiza un flujo imparable
3. No hay partes móviles.
4. La sensibilidad de los componentes de las tuberías aguas arriba es comparable a la de otros medidores de flujo, solo que más débil que la de los medidores de flujo volumétricos,
los medidores de flujo Coriolis o
los medidores de flujo ultrasónicos con dos o más haces de sonido.
¿Cuáles son las desventajas de utilizar medidores de flujo electromagnéticos?
Su principal inconveniente es que se limita a la medición de líquidos conductores. Si bien el laboratorio cuenta con diseños para líquidos no conductores (aceite de transformador o diésel), solo uno o dos diseños comerciales han intentado este objetivo.
Durante un tiempo, se creyó que la sensibilidad a las perturbaciones aguas arriba era una debilidad, pero esta podría ser una de sus fortalezas. En comparación con los caudalímetros electromagnéticos, solo unos pocos se ven menos afectados por la distribución de la velocidad del flujo aguas arriba durante su funcionamiento. Otra desventaja frecuentemente mencionada es la deriva del cero, ya que se observó que los primeros diseños producían errores significativos a caudales extremadamente bajos. Cabe destacar que ningún caudalímetro puede utilizarse fuera del rango ni a caudales inferiores a los permitidos. De hecho, al menos un caudalímetro electromagnético comercial afirma tener una relación de rango de 1000:1.
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