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Sensores utilizados. Caudal.

Material utilizado finalmente y/o para hacer pruebas y para calibración:

  • Multímetros Fluke 45 y Wavetek 35XL.
  • Fuentes de alimentación Thurlby Thandar TSX 1820 e ISOTECH IPS603.
  • Sensor de caudal modelo Turboflow 173939 de Gems Sensors
  • Circuito de alimentación para el sensor.
  • Conectores hembra/macho tipo Jack Estéreo de 3.5mm dorados.
  • Adaptadores.

Empezaré repitiendo, que para medir el caudal que circula por nuestro sistema, debemos de poder determinar la cantidad de fluido en unidades de volumen de agua, que discurre por una sección determinada del mismo en un determinado periodo de tiempo. Aunque en ocasiones ese flujo también puede verse expresado en unidades de peso por tiempo, en vez de volumen.

Existen muchos tipos de sensores, transductores o medidores de caudal basados en muy variados principios de funcionamiento y de precio también variado.
Algunos por ejemplo, tienen la ventaja de no tener partes móviles ni restringir el paso del agua y por lo tanto, no influir en la misma medida de caudal que queremos realizar, produciendo una pérdida de carga prácticamente nula. Algunos de este tipo están basados en la diferente propagación de haces de ultrasonidos según el desplazamiento de la corriente de agua o bien basados en la Ley de Faraday, induciendo un campo magnético en el mismo flujo de agua.
Otros en cambio están basados precisamente en la pérdida de carga generada por ellos mismos, la cual a su vez produce una diferencia de presiones proporcional al caudal que lo atraviesa. Con la medida de esa diferencia de presiones, es posible determinar el caudal que los atraviesa. Realmente cualquier elemento del sistema o conjunto de ellos va a producir este efecto, siendo por lo tanto susceptible de ser utilizado para éste propósito.
Basados en otros principios diferentes y para ir más al grano, destacaría los dos modelos que he utilizado para realizar las pruebas y medidas.
Uno es un sensor denominado de turbina y otro es un rotámetro de área variable. Por precio y simplicidad, sobre todo el rotámetro, pueden ser una buena opción para realizar medidas de caudal.
En el rotámetro, la indicación del caudal es visualizado en una línea con la correspondiente escala, de forma similar a como podemos observar la temperatura en un termómetro y lo he utilizado en última instancia para la verificación de las calibraciones del sensor tipo de turbina, el cual ya si dispone de una salida de señal eléctrica utilizable por el sistema de adquisición de datos y es el que he utilizado para hacer las medidas y del que hablaré a partir de ahora.
Como se puede ver en la imagen de más abajo, está formado por un conducto con forma de tubo de sección variable y graduado, en cuyo interior se encuentra una pieza llamada flotador. El de la foto tiene una bola metálica, aunque también pueden encontrarse con otras formas y construidos de otros materiales. Este instrumento debe de instalarse en posición vertical y el sentido del flujo de aire o líquidos, debe de ir de abajo hacia arriba. El empuje del flujo y su cuantía, va a determinar la altura a la que suba el flotador compensando o no la fuerza de la gravedad y por consiguiente, vamos a poder determinar en la escala graduada el caudal que pasa a través suyo. En última instancia lo utilice para verificar la correcta calibración del sensor de caudal con el cual la confirmé.

El sensor de turbina está basado en el giro libre de una pequeña hélice o turbina interna, cuya velocidad de giro es proporcional al caudal que la atraviesa. Dependiendo de los modelos, este giro es detectado bien mediante la interrupción de un haz de luz, producido por la misma turbina con su giro o bien mediante la utilización de un sensor interno de efecto Hall.

Este transductor de caudal utiliza concretamente un sensor de efecto Hall, y el principio de funcionamiento es similar al utilizado por los ventiladores con control del número de revoluciones. Este sensor interno está alojado en la carcasa del mismo sensor y cuando éste detecta el paso cercano de un pequeño imán alojado en una de las paletas del rotor o turbina, ofrece mientras esto ocurre, una tensión determinada a la salida eléctrica del mismo y por tanto del transductor de caudal.
De esta forma, el sensor interno va generando una serie de pulsos cuya cantidad en el tiempo, estará determinada por la velocidad de giro de la turbina y ésta velocidad a su vez, estará determinada por el caudal que lo atraviesa. Por lo tanto, sólo nos queda medir esa cantidad de pulsos mediante un frecuencímetro por ejemplo, para poder determinar con ello el caudal.

De entre los sensores de este tipo que tenía accesibles, no había ninguno que me gustará especialmente, la mayoría son bastantes restrictivos y me hubiera gustado utilizar otro con mayor resolución (mayor número de pulsos por litro) y rango de escala, pero es lo que tenido más a mano. Como también ya he comentado, según cómo se realicen las medidas y con qué motivo, el tema de la restricción del sensor de caudal puede ser un problema importante si no se tiene en cuenta su restricción, por que éste va a influir primeramente en el caudal que precisamente queremos determinar, disminuyéndolo, a la vez que también modificará lógicamente los distintos niveles de presión estática que podamos medir.
A continuación explicaré un poco más en profundidad las características de éste modelo concreto.

El rango de caudal que es capaz de apreciar está entre los 1 y los 15 l/min (60 - 900l/h) y ofrece 2.200 de los pulsos anteriormente comentados por litro. La caída de presión según el caudal que pase a través suyo, la podéis ver en este link con el archivo PDF del fabricante.
El rango de frecuencia de operación va de los 37Hz a los 550Hz, luego entonces únicamente es necesario contabilizar esta frecuencia de alguna manera y deducir con ello el caudal.
Afortunadamente el Datalogger, también posee un frecuencímetro, por lo cual sólo es necesario realizar una calibración y configurar un canal para que realice una conversión de frecuencia en la unidad que yo le quiera especificar, ya sean l/hora, l/min m3/hora o cualquier otra unidad de caudal que quiera o necesite para realizar algún cálculo, aunque lo habitual es que lo veáis expresado en litros por hora (l/h) o bien en litros por minuto (l/min).

Fotos del sensor de caudal con su conector y el mismo con las conexiones al tubo de cobre, durante una prueba de calibración

Antes de utilizarlo de ésta manera y para intentar conseguir más resolución, utilicé un conversor de frecuencia en tensión como el LM2917 que al final deseché, pero es una opción que se puede utilizar a falta de tener un frecuencímetro y poder leer el resultado de la medida del caudal en voltios a través de un simple y barato multímetro o polímetro como se puede ver en la foto. Existen otros modelos de conversores de éste tipo más precisos. Abajo podéis ver una foto de la prueba.

Inicialmente seguí el patrón de calibración del fabricante, pero no me coincidía con mis mediciones, así que de nuevo tocaba realizar una calibración. El proceso de realización de esa calibración es bien sencillo pero se hace bastante pesado.
Utilicé para ello, un cubo de unos 12l de capacidad y dos barreños, uno de gran tamaño y otro algo más pequeño.
La calibración la hice de la siguiente manera. La bomba la puse en el cubo de agua estando éste lleno, he hice pasar el agua del mismo al barreño más grande a través del sensor de caudal. El pequeño lo utilicé para llenarlo de agua justo cuando arrancaba la bomba. A los pocos segundos y una vez que el caudal ya estuviera estabilizado para que de ésta manera, falsear lo menos posible la medida con los tiempos muertos durante el arranque de la bomba. A los pocos segundos como digo, pasaba el tubo al barreño de mayor tamaño hasta que el cubo de agua se vaciase. En el instante en que realizaba esa operación, comenzaba a hacer mediciones de frecuencia con el Datalogger, una medición cada segundo durante los pocos minutos que tardase el trasvase. A la vez que con un reloj, cronometraba ese tiempo de llenado.
De esta forma hice la calibración utilizando para los correspondientes cálculos, el promedio de Hz medidos, los segundos del trasvase y los litros trasvasados, utilizando para ello una jarra graduada. Posteriormente esa calibración fue verificada con el rotámetro coincidiendo exactamente.
Al igual que hice con los sensores de temperatura, tuve que realizar la calibración para diferentes caudales y así ajustar la respuesta del sensor entre los caudales mínimos y máximos consegibles con la bomba que fuera a utilizar. Es decir, si recordáis, compensar la posible falta de linealidad en la respuesta del sensor. Por esta razón el proceso de calibrado se me hizo bastante pesado, al tener que realizar calibraciones para distintos caudales.
Detalle apreciable, es la diferente velocidad de vaciado del cubo de agua según el nivel de agua que haya por encima de la bomba, debido a la variación de la presión hidrostática de la que hablaré más adelante, por lo cual el caudal no es constante.

En estas dos imágenes, puede apreciarse la diferente respuesta eléctrica del sensor de caudal a distintos caudales.

Con el programa Picoscope, no sólo se pueden medir los Hz correspondientes, a los diferentes pulsos eléctricos ofrecidos por el sensor de efecto Hall, sino que también se pueden visualizar como se puede ver en las imágenes, la diferente anchura del trazo, corresponde al mayor o menor tiempo que permanece el pequeño imán que posee la turbina interna, frente al sensor de efecto Hall de la carcasa del propio sensor. A más caudal, más rápido gira la turbina interna, más Hz podemos medir a su salida y menos tiempo permanece el sensor de efecto Hall, bajo la influencia del pequeño imán.

El ajuste entre el número de Hz y los litros, se especifica en el programa mediante las parejas de valores que podéis ver en esta imagen, en el que hago corresponder un número de Hz, con los litros horas que yo le indique con respecto a la calibración realizada de antemano. También en el caso del caudal, los valores intermedios de Hz y caudal asociado, los calcula la aplicación automáticamente.

Para que comparéis, os pongo una gráfica generada por un ventilador de un disipador equipado con el terminal para poder supervisar su giro. El disipador es el Ninja Plus y a la frecuencia que podéis ver en la imagen, corresponde a un giro de unas 1080 rpm. A 1260 rpm indica unos 45 Hz. También podéis ver marcado el periodo en la onda generada por el sensor de efecto Hall del ventilador, la cual, igualmente es utilizada por los componentes de la placa base para determinar su velocidad de giro.

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