Mejora de la Precisión de Sensores de Fluidos para Medición Industrial Precisa de Procesos

Arranca tu coche, llena un vaso de agua del grifo, o mezcla aceite de cocina en la masa de tus brownies, y estás usando un líquido que ha sido cuidadosamente extraído, procesado y evaluado para calidad. La asombrosa previsión y tecnología que se requiere para hacer que tales fluidos sean utilizables por los consumidores a menudo está fuera de la vista, pero requiere medición y monitorización precisas.

Al procesar productos farmacéuticos, ¿cómo sabes si un fluido es de alta calidad? Si trabajas con petróleo crudo, ¿cómo sabes cuánto estás extrayendo? Si transportas agua, ¿cómo conoces el caudal?

Preguntas como estas, que impactan la confianza y los resultados finales para empresas de agua, alimentos, ciencias de la vida, 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 fuerzas de Coriolis

Para determinar las propiedades de un fluido que viaja en 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 consiste en uno o más tubos de medición oscilantes.

El tubo se excita antes de que entre cualquier fluido 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, el fluido empieza a ejercer una fuerza sobre sus paredes. La oscilación del tubo de medición se ve como una rotación alrededor de un eje por las partículas del fluido. Dado que las partículas del fluido se mueven en un marco de referencia en movimiento, experimentan una fuerza inercial que actúa perpendicular a su dirección de movimiento y al eje de rotación —la fuerza de Coriolis. Dado que la velocidad de flujo relativa al eje de rotación tiene direcciones opuestas en las secciones de entrada y salida, las fuerzas inducidas actúan para desviar el tubo de manera asimétrica, causando un desfase o retardo temporal a lo largo del tubo.

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

Asimismo, un aumento en la viscosidad del fluido conduce a un aumento en el amortiguamiento 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 más amortiguadas con una sustancia como el aceite (menor densidad y mayor viscosidad) que con un fluido como el agua (mayor densidad y menor viscosidad). Medir la frecuencia y el amortiguamiento de las oscilaciones permite determinar la densidad y la viscosidad, y monitorizar la calidad del proceso relacionada con el flujo de fluido. Los mismos efectos físicos se aplicarían a un objeto, como una ménsula, oscilando en un fluido en movimiento.

Ejemplo viscoacústico

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

El Dr. Vivek Kumar, Experto Senior en simulación numérica en Endress+Hauser Flow, la rama 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 entender los efectos acústicos, estructurales y de flujo de fluido en sus caudalímetros a un nivel profundo. Entender cómo la interacción fluido-estructura y la vibroacústica afectan el rendimiento de un sensor les permitió hacer varios ajustes de diseño para mejorar el rendimiento y la calidad del medidor.

El equipo comenzó su análisis numérico con un modelo viscoacústico para entender el amortiguamiento viscoso complejo que ocurre cuando un fluido viscoso fluye a través del tubo oscilante.

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

Usando el software COMSOL Multiphysics®, analizaron los efectos de la viscosidad del fluido en la frecuencia de oscilación del tubo. La Figura 2 muestra sus resultados de simulación prediciendo la frecuencia así como el desplazamiento del tubo para fluidos de diferentes viscosidades. Con la capacidad de simular y entender mejor los efectos físicos que causan 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 el amortiguamiento del tubo se utiliza para compensar los efectos de la viscosidad en el error de densidad medido.

"Queríamos entender cómo diferentes fluidos afectarían el rendimiento del sensor", dijo Kumar. "Usando simulación, hemos podido analizar diferentes casos y finalmente optimizar nuestro diseño de dispositivo para ayudar a nuestros clientes a caracterizar propiedades de materiales para los fluidos que están usando o extrayendo."

Ejemplo a microescala: chip MEMS de Coriolis

Figura 3. Chip MEMS de Coriolis usado para medición de densidad y viscosidad. A la izquierda, el sensor completo sostenido por alicates. A la derecha, el diseño del chip dentro del dispositivo. (Imagen: COMSOL)

Figura 4. Dos autovalores del microcanal oscilante. El color denota los niveles de desplazamiento relativo de diferentes regiones del canal. (Imagen: COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, una subsidiaria de Endress+Hauser Flow, desarrolla dispositivos MEMS basados en un concepto similar. Diseñan y prueban sensores oscilantes para medir propiedades termofísicas de 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 de Coriolis (Figura 3) utiliza un microcanal vibrante autoportante que opera en el mismo principio que el sensor de flujo de Coriolis más grande. Como en el caso de las simulaciones de Coriolis, se necesita realizar un análisis de vibración en el microcanal para determinar autovalores fundamentales y las tasas de oscilación de los diferentes extremos del canal de flujo (Figura 4). Este sensor particular se usa 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 fluido muy pequeñas.

Figura 5. Resultados térmicos mostrando temperatura en el chip MEMS de Coriolis en 2D (arriba) y 3D (abajo). (Imagen: COMSOL)

Un desafío específico en un dispositivo tan pequeño es que el alto voltaje usado para impulsar las excitaciones podría hacer que el dispositivo se caliente si hay fallo eléctrico. Dado este riesgo de seguridad, realizaron un análisis térmico (Figura 5) para determinar dónde se disipaba el calor en el chip y si el fluido se volvería demasiado caliente. Se confirmó que la temperatura no superaba el límite gracias a la cámara de vacío que rodea el canal de flujo y minimiza la transferencia de calor entre los electrodos y el fluido.

Optimización de caudalímetros electromagnéticos

Figura 6. Un caudalímetro electromagnético Promag W 400 sin tramo de entrada o salida (0 x DN) diseñado en Endress+Hauser. Los electrodos son visibles dentro de la tubería. Un revestimiento de poliuretano proporciona aislamiento eléctrico entre tubería y líquido. (Imagen: COMSOL)

Otro tipo de caudalímetro es el caudalímetro electromagnético, que hace uso de 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 fluyendo a través de la tubería, y el campo magnético es suministrado por un conjunto de bobinas que están arriba y abajo de la tubería. El resultado es un potencial electromagnético a través de la tubería, que puede medirse con un par de electrodos. La señal es típicamente solo del orden de unos pocos cientos de mV por m/s; si consigues el diseño justo, el potencial medido es proporcional a la velocidad de flujo e independiente de la conductividad.

La simulación de caudalímetros electromagnéticos requiere software de modelado multifísico para calcular el campo magnético generado por las bobinas y la distribución de velocidad de flujo en la tubería, y combinarlos para calcular el potencial eléctrico (Figura 7). Los caudalímetros electromagnéticos se especifican típicamente 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 usaron tales 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 gráfico de sección colorido muestra la magnitud de la velocidad en la entrada del caudalímetro. Este perfil de flujo inhomogéneo fue generado por una curva de 90 grados aguas arriba (no mostrada). La media sección en el centro muestra la función de peso mucho más homogénea del sensor de paso total 0 x DN, indicando un diseño independiente del perfil de flujo y perturbaciones relacionadas. (Imagen: COMSOL)

Si bien los caudalímetros electromagnéticos convencionales son sorprendentemente robustos, los cambios en el perfil de flujo —por ejemplo, los que ocurren después de una curva en la tubería— resultan en errores de medición. Por esta razón, los fabricantes recomiendan que estos caudalímetros tengan una cierta longitud de entrada de tubería recta (típicamente 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 entrada fue el objetivo de un reciente proyecto de desarrollo en Endress+Hauser Flow. El trabajo requería optimizar la función de peso del caudalímetro. Teóricamente, esto requiere que el rotacional 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 usaron electrodos de medición adicionales para proporcionar los grados de libertad necesarios. Con eso, el equipo aún necesitaba determinar cuántos electrodos se requerían y dónde debían colocarse. Usaron simulaciones del flujo en tubería después de perturbaciones de flujo, como curvas y válvulas, para predecir el rendimiento de los caudalímetros electromagnéticos en una variedad de aplicaciones del mundo real y optimizar su diseño a un grado donde el nuevo caudalímetro se volvió virtualmente independiente del perfil de flujo.

Sirviendo a 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 esfuerzo total gastado en pruebas y prototipos y les permite producir sensores de la más alta calidad.

El Dr. Christof Huber, Experto Principal en tecnología avanzada de sensores en Endress+Hauser Flow, se siente inspirado cuando ve cómo sus modelos resultan en cambios en los diseños de dispositivos que mejoran la experiencia de los clientes de Endress+Hauser. "Estas herramientas se usan para resolver los problemas de los clientes; vemos esto funcionando en el campo, nuestra innovación en 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 más información, visite aquí.