SENSOR DIGITAL

Medidor de Flujo Tipo Vortice (Vortex)

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

El principio de operación del medidor de flujo de vórtice tiene como fundamento el fenómeno natural del esparcimiento de vórtice. Cuando un fluido fluye sobre un cuerpo, las capas limitantes del fluido en movimiento más lento se deslizan sobre la superficie del cuerpo. Si éste no es hidrodinámico, es decir, si es escarpado (por ejemplo un cilindro rectangular, circular o triangular), las capas límite a lado y lado del cuerpo no pueden seguir los contornos del mismo y se separan girando en sentidos contrarios, formando una estela de vórtices conocida como la vía de vórtice de Von Karman. Estos vórtices se producen alternativamente en dos hileras que se mueven corriente abajo, paralelas entre sí a una velocidad y separación fijas como se muestra en las figuras 1 y 2.

Figura # 1.







Figura # 2.

La frecuencia f del esparcimiento de vórtice es el número de vórtices producidos desde cada superficie del cuerpo escarpado por segundo.

Está dada por:

Donde v1 es la velocidad media en el cuerpo escarpado, d es el ancho del cuerpo y S es una cantidad adimensional llamado número de Strouhal que depende de la geometría del cuerpo y que es prácticamente constante para un número de Reynolds mayor de 104.

Sabiendo que:

Donde A, D y V son respectivamente el área y diámetro interno del tubo y la velocidad de flujo corriente arriba, se obtiene que:

Donde c es el factor de escarpadura del cuerpo y que toma valores de 1.1 para un círculo y 1.5 para un rectángulo y un triángulo equilátero. De esta expresión se puede deducir que la razón f/Q sólo depende de la geometría del medidor y del número de Strouhal S, el cual es independiente de la densidad, viscosidad y velocidad del flujo (Re=vd), y por tanto, independiente de la temperatura y la presión del fluido. k es el factor de calibración promedio del transmisor.

El principio de funcionamiento del elemento sensor puede basarse en efectos piezoeléctricos, térmicos o ultrasónicos. El transmisor utilizado en la práctica es del tipo piezoeléctrico y su elemento sensor (situado corriente abajo del cuerpo escarpado) se compone de un diafragma flexible que envuelve un fluido y éste a su vez rodea un cristal piezorresistivo. Los vórtices generan variaciones periódicas de presión sobre el diafragma y por ende sobre el cristal, el cual entrega una señal eléctrica sinusoidal cuya frecuencia es relacionada con el caudal.

TIPOS:

Vortex Reducer:

Con la construcción de los reductores en los medidores, se puede medir flujos más bajos que con los vortex tradicionales.

Este tipo de vortex Elimina la necesidad de montaje en campo y de soldaduras de tubería y reductores independientes, reduciendo así los costos de instalación hasta en un 50%..- La parte inferior del rango de flujo se duplica con el Vortex Reductor.

Vortex Doble Sensor (Dual):

• Sistemas integrados de seguridad (SIS) – Solución ideal para aplicaciones donde se requieren señales de flujo redundantes.
• Medición de caudal redundante – El medidor vortex doble está construido de dos medidores
vortex completos: sensor, electrónica y barra generadora vortex. Los medidores vienen soldados entre sí y calibrados para flujo para proporcionar un solo caudalímetro exacto con dos medidas independientes de caudal.

Vortex Multivariable

El medidor multivariable elimina la necesidad de una entrada externa para compensanción en aplicaciones de medición de vapor saturado. El sensor de temperatura integral habilita la opción de medir temperatura en aplicaciones de flujo masico para vapor saturado. La salida es configurable para Flujo Masico, Flujo Volumetrico, o Temperatura

CONSTRUCCIÓN

Figura # 3.

Como se muestra en la figura # 3 las piezas que componen el sensor de flujo Vortex son:

1.- El shedder bar o barra sensora: es la barra que se encuentra en el centro de la tubería y hace que el flujo se divida para generar una presión diferencial que permita generar una flexión en la barra.

2.- Un elemento que se encuentra fuera de la línea de flujo emite esta deflexión en la barra al sensor piezoeléctrico

3.- El sensor piezoeléctrico es el que se encarga de convertir la fuerza sensada por la flexión de la barra y convertirla en una señal eléctrica.

4.- La señal viaja en forma digital desde el sensor piezoeléctrico hasta la electrónica que se encarga de hacer la conversión al valor correspondiente en flujo y su salida en 4-20 mA.

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO

CONVERSIÓN TENSIÓN – FRECUENCIA

Los convertidores Tensión-Frecuencia (V/F) obtienen, a partir de una tensión o corriente de entrada, un tren de pulsos o una señal cuadrada, o ambas, compatibles con los niveles lógicos ordinarios (TTL, en general), cuya frecuencia de repetición es linealmente proporcional a la magnitud analógica de entrada.

En la figura 4, si la entrada es positiva, C se va cargando a una velocidad proporcional a la magnitud de entrada, obteniéndose a la salida del integrador Vo, una rampa de pendiente negativa. Cuando esta tensión alcanza un valor predeterminado, un comparador lo detecta y dispara un monoestable que da un pulso de salida de amplitud y duración (Td) fijas. A través de un separador (Buffer) digital, representado en este caso por un transistor NPN en colector abierto, éste es el pulso que se ofrece como salida, y a la vez controla la descarga del integrador a través de una fuente de corriente de valor fijo, Id (1 mA es frecuente). La cantidad de carga extraída del condensador será IdTd, y si la entrada sigue presente, ésta compensará dicha carga al cabo de un tiempo que dependerá de su magnitud, repitiéndose de nuevo el proceso una vez transcurrido un tiempo T tal manera que

* Gran Estabilidad: La frecuencia de salida no depende de C ni del umbral del comparador

* Desplazamiento del margen de medida (o Hz para 0 V): Basta sumar una corriente al punto de suma del amplificador de entrada.

* Escalamiento de Frecuencias: Posible mediante un contador digital conectado a la salida o usando un divisor resistivo a la entrada (éste último método es menos preferido al anterior por el error introducido debido al coeficiente de temperatura de las resistencias)

* Conversión Analógica – Digital: Al conectar la salida del convertidor V/F a un contadoor digital, se obtiene un convertidor analógico – digital.

* Buena Linealidad: Entre 0,002% a un 0,05%

* Resolución: Aumenta con la frecuencia; contando durante 1s una salida de 10 kHz se tiene una resolución de 1 en 10.000, que supera a un CAD de 13 Bits

* Gran margen dinámico

* Buen rechazo de ruido

APLICACIONES INDUSTRIALES

El vortex es utilizado en aplicaciones donde se necesite líquidos o gases.

Entre las empresas que donde se utilizan vortex destacan:

.- Químicas
.- Petroquímicas
.- Petroleras
.- Metales y Minería
.- Pulpa y PapelAlimentos y Bebidas

Medición Flujo Entrada Reactor

Medición Flujo Fraccionador



Medición de Vapor Saturado




PROBLEMA PRÁCTICO

Se necesitaba medir la cantidad de flujo de vapor el calentador principal hacia el evaporador y pasteorizador en una planta de producción de jugos.

Caracterisiticas de la Aplicación

Fluido: Vapor

Presión: Hasta 12 bar,

Temperaturas: 160 to 180°C

Problema:

La medición del vapor en forma precisa es importante para asegurar la operación del evaporador y los pasteurizadotes usados en la producción de jugo de naranja.
Medir el vapor usado por cada una de las unidades de proceso permite determinada cual es la eficiaencia de cada una y tomando en cuenta las que tienen menor consume se puede recomendar algunas mejoras para aumentar su punto de producción.

Durante la operación de la panta la demanda de la planta en vapor varia lo que hace necesario un medidor para automatizar los lazos de control asociados al vapor.

Solución:

Luego de hacer el dimensionamiento del equipo, se selecciono un vortex reductor que permitió medir un todo el margen de medida para el que se necesitaba el equipo.

Se anexa tabla con cálculos donde indica el comportamiento del equipo para la aplicación.

SENSOR DE PRESION CAPACITIVO

Capacitancia Variable
Capacitancia es la habilidad de una sustancia para mantener una carga eléctrica.

Un capacitor es un dispositivo que consiste en dos placas conductivas alineadas una con respecto a la otra pero sin hacer contacto. El espacio entre las placas

En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica.

A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- F = 10-9 o pico- F = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de súper condensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:

en donde:
C: Capacidad
Q: Carga eléctrica
V: Diferencia de potencial

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico es sumamente variable. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrolisis.
Principio de Operación del Sensor

Durante la operación del sensor el diafragma y el fluido de llenado en ambas cámaras del transmisor conducen la presión de proceso y la presión de referencia a los platos capacitivos que conforman el sensor.

La presión ejercida sobre los diafragmas es la que se ve reflejada como un cambio en la capacitancia del sensor. Los diafragmas se deforman en relación a la presión diferencial ejercida en ellos y esto a su vez genera un cambio en la señal que emiten las placas capacitivas. En el caso de la presión manométrica La cámara de baja del sensor de presión diferencial es colocada a la atmósfera. En el caso de los transmisores de Absoluta una presión de referencia es mantenida en la cámara de baja.

El sensor que se muestra utiliza la técnica de capacidad de dos conductores. La presión del proceso es transmitida, a través de diafragmas separadores y aceite siliconado, al diafragma sensible en el centro de la celda.

Figura 1. Parte constructiva de diafragma.

El diafragma es un elemento elástico corrugado que deflexiona en función a la presión diferencial a través de él. El desplazamiento es proporcional a la presión diferencial y su posición es detectada por las placas de dos capacitores ubicados a ambos lados del mismo. La capacidad diferencial entre el diafragma y las placas de los capacitores es convertida a una señal de corriente continua de 4 a 20 mili amperes que es estándar en la industria (o, eventualmente, de 10 a 50 mAmp.).

Con la aparición de los microprocesadores los transmisores de presión diferencial basados en el principio capacitivo permiten utilizar las bondades de la tecnología para ofrecer mayor información y capacidades de diagnósticos en los dispositivos.

Los transmisores digitales de presión están diseñados para brindar diagnósticos avanzados y mejorar la precisión al utilizar buses de campo como salida estándar.

TIPOS
Los tipos de sensores de presión digitales básicamente se diferencian por su aplicación en cuanto al tipo de presión a medir. La parte constructiva de sus membranas son diseñadas y calculadas para captar el tipo de presión deseada, el procesamiento de la señal del sensor es muy parecida entre todos los tipos hasta llegar a su procesamiento de manera digital.

Por ello los principales tipos tenemos:

Sensor digital de presión Absoluta
Sensor digital de presión Diferencial
Sensor digital de presión relativa
Sensor digital de presión vacío

CONSTRUCCION
En la figura 2 se puede ver los componentes que conforman un sensor inteligente de presión.

Figura 2. Construcción de sensor digital de presión.

a) Salida Multibus: El sensor tiene la capacidad de dar una salida directamente en los terminales del sensor, debido a que el microprocesador esta incluido internamente en la carcaza del modulo sensor, esta salida puede ser 4-20 mA + Hart, Profibus, Foundation Fieldbus y Capacidades de Diagnostico Avanzado.

b) Carcaza Hermética de Acero Inoxidable: La carcaza del sensor es una sola pieza metálica maquinada completa y la cual permite aislar la humedad y evita la exposición del sensor y los componentes electrónicos al medio ambiente.

c) Doble Plato Capacitivo: Este es un nuevo diseño el cual presenta dos platos capacitivos como se muestra en la figura 3

Figura 3. Doble plato capacitivo.

Se usa para tener un mayor diagnostico en el sensor puesto que uno de los anillos es el que se utiliza para la medición y otro como referencia. Estos dos sensores se están comparando continuamente y cuando hay una diferencia entre los dos indica que el plato de medición esta dañado y envía una señal de alerta.

a) Diseño Coplanar: Es un diseño mejorado el cual permite tener las dos cámara en el mismo plano y elimina los errores de vibración o ruido que podrían afectar la medición, ya que es sensado por las dos cámaras por igual y es anulado.

b) Tecnología basada en microcontrolador: el transmisor inteligente trae internamente un microcontrolador que le permite ejecutar todas las rutinas de medición y de diagnósticos avanzados. Como por ejemplo como se muestra en la siguiente figura el transmisor esta en la capacidad de aprender del proceso y generar una alarma cuando comienza a detectar obstrucciones en sus líneas de impulso.

Figura 4. Transmisor inteligente.

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

La figura 5 muestra el diagrama en bloques básico de un sensor digital de presión capacitivo. la cual está constituida de cuatro bloques que son el sensor, el cual se encarga de obtener una diferencia de capacitancias mediante el capacitor que varía con la presión y un capacitor de referencia; conversión de capacitancia a voltaje, una vez obtenida esa capacitancia se convierte a voltaje mediante un integrador; conversión analógica a digital, se obtiene una palabra binaria que representa al voltaje obtenido de la diferencia de capacitancias; bloque de codificación o display, a la palabra binaria obtenida se le asigna una valor que representa la diferencia de capacitancia obtenida, la cual es mostrada en un display.

Figura 5. Diagrama en bloques básico de un sensor digital de presión capacitivo

El sensor de presión capacitiva detecta la presión aplicada por medio de la flexión del diafragma. Para una simple estructura, la flexión del diafragma es proporcional a la presión P aplicada. Por lo que la capacitancia del sensor C(P) cambia hiperbólicamente y es aproximada por

C(P) = Co + DC(P) (1)

esta variación de capacitancia esta representada por medio un tangente hiperbólica, la expresión final está es función de la flexión (W) que sufre el sensor en lugar de la presión, por lo que la relación de la ecuación 1 queda definida como

C(W) = Co + DC(W) (2)

donde C(W) es el valor de la capacitancia debido a la flexión del sensor, donde Co es la capacitancia del sensor cuando la presión es cero, a la cual se le puede conocer como la variación de capacitancia.

Enfocandonos principalmente en los circuitos que conforman las etapas de procesamiento de señal tenemos:

Conversión Capacitancia-voltaje

La operación del circuito se divide en 2 fases o estados. En el estado de reinicio, en el cual el
circuito inicializa o descarga todos los capacitares. (Figura 6a). El siguiente estado (Figura 6b) se conoce como sensado, este toma la capacitancia diferencial DC entre CX y Cr, para producir el voltaje Vo proporcional a DC.

Figura 6. Circuito Convertidor Capacitancia-Voltaje.

siendo

El op amp debe cumplir con ciertos requisitos para satisfacer nuestras necesidades. Ya que la ganancia de voltaje no puede ser infinita debe ser muy grande para que en la ecuación sea despreciable, también debe cumplir con las siguientes especificaciones: el voltaje de desviación (offset) de entrada debe ser muy pequeño, tener una la corriente inversa de entrada baja, una alta impedancia a la entrada, velocidad de respuesta alta, compensación interna.

Conversión Analógico-digital
Una vez obtenido el voltaje que representa la variación de la capacitancia se convierte a señal digital. A nivel de diseño, en este caso se piensa utilizar un dispositivo de conversión conocido como ADC, en el cual deben considerarse la tiempo de conversión, la ganancia, su linealidad, sensibilidad de la fuente de conversión, principios de ajuste a ganancia cero, rangos de alimentación, precisión y los coeficientes de temperatura.

Un circuito integrado con mucha prestación para esta necesidad en el ICL7107. Su selección se debe principalmente a que su salida es de tres dígitos y medio, lo cual quiere decir que internamente tiene un decodificador de siete segmentos, el cual entrega tres dígitos del 0-9 y el medio dígito, que es el más significativo, es de 0-1. Esto quiere decir que realiza cuentas de 0 hasta ±1999, lo cual corresponde aproximadamente a un convertidor de 11 bits (2,047 pasos). El dispositivo tiene una potencia de disipación de 10mW, una corriente de entrada de 1pA, bajos niveles de ruido de 15mVp-p, garantiza lecturas de cero para entradas a cero voltios, se alimenta con voltajes máximos de 6V en V+ y –9V en V-.

El rango de temperatura de trabajo es de 0º C hasta 70º C. Tiene una diferencia de error de ±1 entre paso y paso, una razón de rechazo a modo común de 50 mV/V. Comúnmente el ADC tiene una frecuencia de conversión por 48 kHz, pero su rango de conversión esta en 240 kHz, 120 kHz, 80 kHz, 60 kHz, 48 kHz, 40 kHz, y 331/3 kHz .

En el esquemático de la Fig. 7 se muestra la configuración del ADC con su etapa de acondicionamiento de la señal.

Figura 7. Esquemático del convertidor A/D con su acondicionamiento de señal.

En donde con la siguiente ecuación dimensionamos el voltaje de referencia a partir de la cuenta max deseada.


Display
En este bloque se hace la relación entre la palabra binaria obtenida y presión aplicada al sensor,
con la finalidad de mostrarla en un display en unidades de psi u otra.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Los sensores de presión digital tienen como principales aplicaciones la medición de tres variables Presión, Flujo y Nivel

En el ámbito industrial podemos mencionar entre sus posibles aplicaciones en áreas de:
- Gas y Petróleo
- Alimentación, bebidas y farmacéutica.
- Química
- Generación de energía
- Siderurgia
- Aviación
- Militar
- Pulpa y papel
- Entre muchas otras.

EJEMPLO DE APLICACIÓN INDUSTRIAL REAL

Aplicación
Control y medición de consumo de Oxigeno para una planta Acerera.

Descripción
El objetivo de esta aplicación es monitorear y controlar la cantidad de oxigeno suministrado por cada una de las líneas a los hornos a través del uso de medidores de presión diferencial generada por placas orificios colocadas en cada línea de inyección de oxigeno.

La suma total del oxigeno suministrado por las líneas es monitoreado y contabilizado a través de un DCS (Sistema de control distribuido) al cual llegan las señales digitales de cada Trasmisor de presión diferencial inteligente.

Figura 8. Transmisores de presión diferencial inteleigente instalados.

Figura 9. Transmisor de presión diferencial inteligente instalado en la aplicacion.

PROBLEMA PRACTICO

En una planta de manejo de resinas se desea medir el nivel de un tanque de almacenamiento de Agua.

Para esta aplicación conocemos los datos del tanque:
Altura: 18 mts y es un Tanque Abierto

Presión hidrostática
Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras.


Basados en el concepto de presión hidrostática y conociendo la altura del tanque podemos determinar el margen de medida del instrumento tomando en cuenta que la presión hidrostática es igual:

P= ρ.g.h

De donde la altura es relación directa de la presión que ejerce la columna de agua. Tomando en cuenta que 10 m de columna de agua equivalen a 1 barg o 14.7 psig.

Entonces en nuestro caso como el tanque es de 18 m (26.46 Psig) debemos seleccionar un medidor con un margen de medida 0 a 50 psig. Y seleccionamos el instrumento con salida digital en protocolo Foundation Fieldbus para hacer uso de los diagnósticos avanzados y tener la posibilidad de ejercer el control en el campo.