Principio de funcionamiento de caudalimetros Electromagneticos

Un poco de historia

En el año 1831, el físico y químico británico Michael Faraday enuncio una ley de importancia estratégica para el futuro del electromagnetismo y de las telecomunicaciones. Esta ley, llamada Ley de inducción de Faraday o simplemente Ley de Faraday, explicaba como una corriente transitoria podría ser inducida en un conductor por un campo magnético variable, o como veremos con mas detalle, por un conductor moviéndose en un campo magnético constante.

La posibilidad de medir un voltaje inducido por un fluido en movimiento, sometido a un campo magnético, ya era conocida por Faraday en 1832, éste construyo un circuito magnético para medir el caudal de agua que pasaba por debajo del puente Waterloo en Londres, su diseño para la época era inusual, consistía en utilizar el propio campo magnético de la tierra y dos hojas de metal colocadas en el canal utilizadas como electrodos. La falta de instrumentos para medir con la sensibilidad adecuada en la época, sumado a efectos electro-químicos, no le permitieron tener éxito a Farady, pero el concepto era acertado. El primer dispositivo electromagnético medidor de caudal fue reportado por Williams en 1930, Foxboro tuvo la patente en 1952 y en 1954 salio al mercado el primer instrumento. En 1962 J. A. Schercliff publica su trabajo sentando fuertes bases teóricas que describen su comportamiento.

Principio de funcionamiento

Gracias a los estudios postulados por Michael Faraday, se pudo no solamente aplicar estos descubrimientos a las telecomunicaciones, sino también a la medición de fluidos en movimiento.
Para entender un poco mejor el principio de funcionamiento de los caudalimetros electromagnéticos, veremos con mayor detalle la ley de Faraday:

Ley de Inducción de Faraday:                                               ΔE=D.V.B

Esta ley nos indica que, si a un conductor de diámetro D lo movemos dentro de un campo magnético B a una velocidad V, obtendremos una fem inducida (voltaje) a lo ancho de este conductor. Dicho de otra manera y acercándonos mas a nuestros intereses, si nosotros generamos un campo magnético a lo ancho del perfil de flujo de un cierto fluido, obtendremos un voltaje. Y mas importante aun, este voltaje sera proporcional a la velocidad de ese fluido.
Conociendo este voltaje y el diámetro del perfil de flujo del fluido (diámetro de la cañería en la cual viaja) podremos obtener fácilmente el caudal del mismo.

Dos figuras son mostrada abajo, la de la izquierda representa un experimento donde se podría medir el efecto de la ley de Faraday, la de la derecha muestra una simulación de un par de bobinas de Helmholtz, el campo debería ser los mas uniforme posible, esto para que la respuesta del caualímetro sea lineal, aunque la geometría de Helmholtz presenta una alta linealidad es inviable para la construcción de caudalímetros comerciales debido a que el sensor tendría un gran tamaño.

                                                           

En un caudalímetro electromagnético dos electrodos se colocan tangencial mente en la cañería, el liquido interno los vincula si este es conductor eléctrico, esta unión galvánica hace las veces del conductor en movimiento. En el caso real no se puede suponer que la señal del caudalimetro electromagnético resulta de la aplicación de la ley de Farday a la linea recta que une ambos electrodos. Podríamos pensar como múltiples caminos formador por fibras del liquido que une a ambos electrodos, algo como lo que se muestra en al figura siguiente:

 

Los caminos S, Q y P no solo se tocan en los extremos, se los puede imaginar como si fueran centro de tubos que están en contactos entre si con sus superficies en contacto, la longitud de los caminos son diferentes, la velocidad del fluido  es diferente para distintos puntos en el perfil de la cañería, a esto se suma que los caminos se alejan del campo de acción de las bobinas, habrá diferente intensidad de campo en los diferentes puntos de cada camino, a pesar que de esta descripción describe una compleja relación emergente entre el caudal y al diferencia de potencial, generada entre los electrodos, con ciertas limitaciones se puede llegar a la ecuación antes mencionada como relación de caudal y la señal eléctrica:

Ecuación resultante:  ΔE=D.V.B

ΔE Tensión inducida entre los electrodos.
B Campo magnético.
D Diámetro de la cañería.
V Velocidad media del fluido.

Esta ecuación es valida si se tiene en consideración lo siguiente:

  • El campo magnético es uniforme en una determinada región.
  • La velocidad del fluido tiene un perfil que es axial-simétrica.

El punto mas critico es el primero, mantener el flujo magnético uniforme es un desafió de considerables dimensiones en los actuales diseños compactos.

El caudalimetro

Habiendo visto un poco de historia y un poco de teoría de funcionamiento, ahora vamos a hablar del caudalimetro.
Uno pensaría que la medición del caudal de un fluido no debiera ser algo complicado, pero lo es. Diferentes presiones, temperaturas, viscosidades, conductividad, abrasividad, composición, estado de agregación, etc. hace que para cada problema haya solo un numero limitado (o uno... o ninguno) de soluciones.
Constructivamente los caudalímetros electromagnéticos se pueden dividir en dos partes, el sensor o elemento primario y el computador de caudales o elemento secundario, en lo que sigue describiremos el sensor primario.

Debido a que carece de partes móviles o mecánicas, es un equipo que no necesita mantenimiento y el hecho de que no ponga obstáculos al fluido lo hace ideal para sistemas en los que la perturbación es un factor limitante. Es totalmente inmune a vibraciones. Posee un recubrimiento interno aislante (ya que la conductividad de la cañería afectaría la medición) que puede ser de Neoprene, Teflon, PTFE, u otros similares, lo que permite que el fluido a medir sea realmente hostil (PH muy alto/bajo, temperaturas extremas -50°C a 200°C, abrasividad mecánica) sin que afecte la durabilidad del equipo.
La versatilidad del principio de funcionamiento de este caudalimetro le permite poder diferenciar el sentido de circulación del fluido, siendo una de las pocas tecnologías de medición no solo que le es indiferente a la hora de medir caudal, sino que las puede diferenciar en el caso que le sea de interés al usuario.

Un aspecto a destacar en este tipo de caudalímetros, es el intervalo de medición ya que, para un modelo determinado, el caudal máximo llega a ser 100 veces superior al mínimo.
El error de medición de este tipo de caudalimetros ronda el 0.5% y a pedido del cliente puede ser de 0.2%.

Conclusiones

 Debido a todas las ventajas antes mencionadas, el caudalimetro electromagnetico es el tercer caudalimetro mas utilizado en la industria