Mejora de la precisión del sensor de fluidos para una medición precisa de procesos industriales

Encienda su automóvil, llene un vaso de agua del grifo o mezcle aceite de cocina con la masa de brownie y estará utilizando un líquido cuya calidad ha sido cuidadosamente extraída, procesada y evaluada. La asombrosa previsión y la tecnología necesarias para hacer que estos fluidos sean utilizables por los consumidores a menudo están fuera de la vista, pero requieren una medición y un seguimiento precisos.

Al procesar productos farmacéuticos, ¿cómo se puede saber si un fluido es de alta calidad? Si trabaja con petróleo crudo, ¿cómo sabe cuánto está extrayendo? Si transporta agua, ¿cómo sabe el caudal?

Preguntas como estas, que afectan la confianza y los resultados de las empresas de agua, alimentos, ciencias biológicas y petróleo y gas, son abordadas por los fabricantes de caudalímetros instalados en tuberías y otros equipos. En Endress+Hauser, los equipos de desarrollo de productos trabajan para desarrollar y mantener sensores precisos para una variedad de sustancias que requieren diferentes métodos de medición.

Medición de las fuerzas de Coriolis

Para determinar las propiedades de un fluido que viaja por una tubería, los sensores diseñados en Endress+Hauser miden los efectos de la fuerza de Coriolis dentro de un dispositivo insertado en la tubería que consta de uno o más tubos de medición oscilantes.

El tubo se excita antes de que cualquier fluido entre en el dispositivo. Cuando un fluido en reposo llena el dispositivo, el tubo oscila uniformemente. Tan pronto como el fluido comienza a fluir a través del tubo oscilante, comienza a ejercer una fuerza sobre sus paredes. La oscilación del tubo de medición se considera una rotación de las partículas del fluido alrededor de un eje. Dado que las partículas fluidas se mueven en un sistema de referencia en movimiento, experimentan una fuerza de inercia que actúa perpendicular a su dirección de movimiento y al eje de rotación:la fuerza de Coriolis. Dado que la velocidad del flujo en relación con el eje de rotación tiene direcciones opuestas en las secciones de entrada y salida, las fuerzas inducidas actúan para desviar el tubo de forma asimétrica, provocando un cambio de fase o un retraso a lo largo del tubo.

Diferentes secciones del tubo comienzan a oscilar con un retraso o cambio de fase causado por el componente de torsión en el movimiento del tubo. Este cambio de fase y la nueva frecuencia de oscilación del tubo son función del caudal másico en los tubos y la densidad del fluido, respectivamente. Por lo tanto, las señales del medidor se pueden interpretar para medir el flujo másico o volumétrico y garantizar que se transporta la cantidad deseada de fluido.

Asimismo, un aumento de la viscosidad del fluido conduce a un aumento de la amortiguación de las oscilaciones. La frecuencia de oscilación es principalmente una medida directa de la densidad del fluido. Por ejemplo, las oscilaciones serán más rápidas pero amortiguadas más con una sustancia como el aceite (menor densidad y mayor viscosidad) que con un fluido como el agua (mayor densidad y menor viscosidad). La medición de la frecuencia y la amortiguación de las oscilaciones permite determinar la densidad y la viscosidad y controlar la calidad del proceso en relación con el flujo del fluido. Los mismos efectos físicos se aplicarían a un objeto, como un voladizo, que oscila en un fluido en movimiento.

Ejemplo viscoacústico

Figura 1. Caudalímetro Coriolis diseñado en Endress+Hauser. (Imagen:COMSOL)

El Dr. Vivek Kumar, experto senior en simulación numérica de Endress+Hauser Flow, la filial de Endress+Hauser que fabrica estos caudalímetros (Figura 1), trabaja para mejorar el rendimiento del sensor. Su trabajo de modelado ha ayudado a su equipo a comprender los efectos acústicos, estructurales y del flujo de fluidos en sus caudalímetros a un nivel profundo. Comprender cómo la interacción fluido-estructura y la vibroacústica afectan el rendimiento de un sensor les permitió realizar varios ajustes de diseño para mejorar el rendimiento y la calidad del medidor.

El equipo comenzó su análisis numérico con un modelo viscoacústico para comprender la compleja amortiguación viscosa que se produce cuando un fluido viscoso fluye a través del tubo oscilante.

Figura 2. Resultados de la simulación que muestran el cambio en la frecuencia de oscilación del tubo para diferentes viscosidades de fluido y el desplazamiento mecánico resultante (izquierda). Un ejemplo visual de la deformación del tubo debido al movimiento oscilante (derecha). (Imagen:COMSOL)

Utilizando el software COMSOL Multiphysics®, analizaron los efectos de la viscosidad del fluido en la frecuencia de oscilación del tubo. La Figura 2 muestra los resultados de su simulación prediciendo la frecuencia y el desplazamiento del tubo para fluidos de diferentes viscosidades. Con la capacidad de simular y comprender mejor los efectos físicos que provocan un cambio en la salida de frecuencia del medidor, el equipo puede aprovechar estos efectos para mejorar el rendimiento del medidor. En este caso, la variación en la amortiguación del tubo se utiliza para compensar los efectos de la viscosidad en el error de densidad medido.

"Queríamos entender cómo los diferentes fluidos afectarían el rendimiento del sensor", dijo Kumar. "Utilizando la simulación, hemos podido analizar diferentes casos y, en última instancia, optimizar el diseño de nuestro dispositivo para ayudar a nuestros clientes a caracterizar las propiedades de los materiales de los fluidos que utilizan o extraen".

Ejemplo de microescala

Figura 3. Chip MEMS Coriolis utilizado para medir la densidad y la viscosidad. A la izquierda está el sensor completo sujeto con unos alicates. A la derecha está la disposición del chip dentro del dispositivo. (Imagen:COMSOL) Figura 4. Dos modos propios del microcanal oscilante. El color indica los niveles de desplazamiento relativo de diferentes regiones del canal. (Imagen:COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, una filial de Endress+Hauser Flow, desarrolla dispositivos MEMS basados en un concepto similar. Diseñan y prueban sensores oscilantes para medir las propiedades termofísicas de los fluidos para muchos usos diferentes. El equipo desarrolla sensores para soluciones específicas de clientes, por lo que es esencial que sepan qué tipo de osciladores proporcionarían la mejor sensibilidad para casos únicos.

El chip MEMS Coriolis (Figura 3) utiliza un microcanal vibratorio independiente que funciona según el mismo principio que el sensor de flujo Coriolis más grande. Como en el caso de las simulaciones de Coriolis, es necesario realizar un análisis de vibración en el microcanal para determinar los modos propios fundamentales y las tasas de oscilación de los diferentes extremos del canal de flujo (Figura 4). Este sensor en particular se utiliza para evaluar la densidad y viscosidad de fluidos, como gases inertes, gas licuado de petróleo (GLP), combustibles de hidrocarburos o lubricantes refrigerantes. Debido a sus dimensiones, el sensor es adecuado para medir cantidades de líquido muy pequeñas.

Figura 5. Resultados térmicos que muestran la temperatura en el chip MEMS Coriolis en 2D (arriba) y 3D (abajo). (Imagen:COMSOL) Figura 6. Un caudalímetro electromagnético Promag W 400 sin entrada ni salida (0 x DN) diseñado en Endress+Hauser. Los electrodos son visibles dentro de la tubería. Un revestimiento de poliuretano proporciona aislamiento eléctrico entre la tubería y el líquido. (Imagen:COMSOL)

Un desafío específico en un dispositivo tan pequeño es que el alto voltaje que se utiliza para impulsar las excitaciones podría hacer que el dispositivo se caliente si hay una falla eléctrica. Dado este riesgo de seguridad, llevaron a cabo un análisis térmico (Figura 5) para determinar dónde se disipaba el calor en el chip y si el fluido se calentaría demasiado. Se confirmó que la temperatura no superó el límite gracias a la cámara de vacío que rodea el canal de flujo que minimizó la transferencia de calor entre los electrodos y el fluido.

Optimización de caudalímetros electromagnéticos

Otro tipo de caudalímetro es el caudalímetro electromagnético, que utiliza la fuerza de Lorentz. La fuerza de Lorentz actúa sobre partículas cargadas que se mueven a través de un campo magnético (Figura 6). Para estos caudalímetros, las partículas son los iones de un líquido conductor, el movimiento proviene del líquido que fluye a través de la tubería y el campo magnético es suministrado por un conjunto de bobinas que se encuentran encima y debajo de la tubería. El resultado es un potencial electromagnético a través de la tubería, que se puede medir con un par de electrodos. La señal suele ser del orden de unos pocos cientos de mV por m/s; Si obtiene el diseño correcto, el potencial medido es proporcional a la velocidad del flujo e independiente de la conductividad.

La simulación de caudalímetros electromagnéticos requiere un software de modelado multifísico para calcular el campo magnético generado por las bobinas y la distribución de la velocidad del flujo en la tubería, y combinarlos para calcular el potencial eléctrico (Figura 7). Los caudalímetros electromagnéticos suelen especificarse con una precisión de medición de unas pocas fracciones de porcentaje, por lo que las simulaciones deben ser extremadamente precisas. En Endress+Hauser Flow, los expertos en simulación Dr. Simon Mariager y Dr. Simon Triebenbacher utilizaron dichas simulaciones para eliminar una de las principales limitaciones de los caudalímetros electromagnéticos:la sensibilidad al perfil de flujo.

Figura 7. Un modelo multifísico de un dispositivo electromagnético. La corriente de la bobina se muestra como flechas rojas y las líneas de corriente muestran la intensidad del campo magnético dentro del caudalímetro. El colorido diagrama de corte muestra la magnitud de la velocidad en la entrada del caudalímetro. Este perfil de flujo no homogéneo fue generado por una curva de 90 grados aguas arriba (no se muestra). La mitad del corte en el centro muestra la función de peso mucho más homogénea del sensor de paso total 0 x DN, lo que indica un diseño independiente del perfil de flujo y las perturbaciones relacionadas. (Imagen:COMSOL)

Si bien los caudalímetros electromagnéticos convencionales son sorprendentemente robustos, los cambios en el perfil del flujo (por ejemplo, los que ocurren después de una curva en la tubería) dan como resultado errores de medición. Por esta razón, los fabricantes recomiendan que estos caudalímetros tengan una cierta longitud de entrada de tubería recta (normalmente 10 veces el tamaño del diámetro nominal) antes del sensor. Sin embargo, este diseño recomendado puede hacer que la instalación de caudalímetros electromagnéticos sea un proceso desafiante, ya que están disponibles para tamaños de tubería que van desde unos pocos milímetros hasta varios metros. Eliminar la longitud de la entrada fue el objetivo de un proyecto de desarrollo reciente en Endress+Hauser Flow. El trabajo requería optimizar la función de peso del caudalímetro. En teoría, esto requiere que la curvatura de la función de peso sea cero en todas partes, pero esto no es matemáticamente posible con geometrías del mundo real.

En su lugar, se utilizaron electrodos de medición adicionales para proporcionar los grados de libertad necesarios. Aún así, el equipo aún necesitaba determinar cuántos electrodos se necesitaban y dónde debían colocarse. Utilizaron simulaciones del flujo de la tubería después de perturbaciones del flujo, como curvas y válvulas, para predecir el rendimiento de los medidores de flujo electromagnéticos en una variedad de aplicaciones del mundo real y optimizar su diseño hasta un punto en el que el nuevo medidor de flujo se volvió prácticamente independiente del perfil de flujo.

Atendiendo las necesidades de la empresa y del cliente

Para el equipo de simulación de Endress+Hauser, las funcionalidades del software COMSOL Multiphysics® han sido útiles en su trabajo diario de I+D para optimizar y desarrollar dispositivos de medición de flujo. Los análisis multifísicos les proporcionan información que reduce el tiempo y el esfuerzo total invertido en pruebas y creación de prototipos y les permite producir sensores de la más alta calidad.

El Dr. Christof Huber, experto principal en tecnología de sensores avanzados en Endress+Hauser Flow, se siente inspirado cuando ve cómo sus modelos dan como resultado cambios en los diseños de los dispositivos que mejoran la experiencia de los clientes de Endress+Hauser. "Estas herramientas se utilizan para resolver los problemas de los clientes; vemos esto funcionando en el campo, nuestra innovación en la práctica; vemos el retorno, la razón por la que hacemos esto", dijo Huber.

Este artículo fue escrito por Rachel Keatley para COMSOL (Burlington, MA). Para obtener más información, visita aquí  .