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.