EVALUACIÓN DE DISTINTAS SOLUCIONES PARA EL DESARROLLO DE UN SENSOR DE CAUDAL AUTORREGULABLE BASADO EN MEDIDAS DE PRESIÓN

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1 EVALUACIÓN DE DISTINTAS SOLUCIONES PARA EL DESARROLLO DE UN SENSOR DE CAUDAL AUTORREGULABLE BASADO EN MEDIDAS DE PRESIÓN Autor: Ballesteros González, Juan Miguel. Director: Funke, Stefan. Entidad Colaboradora: TU Darmstadt. RESUMEN DEL PROYECTO El proyecto consiste en evaluar dos conceptos distintos para el desarrollo de un sensor de caudal autorregulable basado en medidas de presión. El primer concepto es un sensor de caudal que mediante la introducción de un cuerpo combina la medida del diferencial de presión y la obtención de la frecuencia de las corrientes turbulentas producidas (frecuencia del flujo). Este sensor fue desarrollado en el Instituto de Construcciones Electromecánicas de la Universidad de Darmstadt, que es donde se realizó el proyecto. Medidor de diferencial de presión junto al sensor Desprendimiento de corrientes turbulentas en torno al cuerpo introducido El segundo concepto es un sensor desarrollado en el IFW GmbH de Jena y mide el caudal mediante la presión dinámica obtenida gracias a la introducción de un cuerpo deformable que contiene resistencias piezoeléctricas. El sensor se autorregula mediante la detección de las turbulencias que se producen en torno a dicho cuerpo. Para la correcta evaluación de los prototipos, se mide la precisión de ambos sensores dentro de un intervalo de caudal de 100 a 1000 l/h y un intervalo de temperaturas de 20 a 80ºC. Además se simulan distintos factores externos que puedan producir cambios en la precisión de las medidas, con el fin de poder evaluar sus consecuencias, su detectabilidad y la posibilidad de evitar su influencia sobre la mediciones.

2 Sensor que mide la presión dinámica Cuerpo deformable que contiene resistencias piezoeléctricas formando un puente de Wheatstone Las distintas pruebas se llevaron a cabo en un puesto de medidas desarrollado en el Instituto donde se realizó el proyecto. Este puesto de medidas fue renovado durante el proyecto. Con ayuda de Labview, se reguló el caudal y la temperatura del agua que fluye a través del sensor. El sensor de referencia para las medidas de caudal es de tipo magnetoinductivo y se calibra mediante un programa creado en este proyecto que automatiza el proceso. Las características y la precisión de los sensores se obtienen con un programa en Labview hecho durante el proyecto que realiza secuencias de medidas automáticamente. Para la valoración de las mediciones se usan programas creados en Labview y Matlab. Los resultados obtenidos muestran que el sensor de caudal más preciso es el que combina el diferencial de presión y el desprendimiento periódico de corrientes turbulentas, con una precisión de 1% y 0.9% respectivamente en cada método. Por el contrario, el sensor basado en la presión Puesto de medidas dinámica tiene una menor precisión porque posee una mala reproducibilidad debido a las desviaciones que se producen en la posición inicial del cuerpo obstructor. Estas desviaciones pueden ser corregidas evaluando la amplitud de las corrientes turbulentas que se desprenden en el interior del sensor. La amplitud de dichas turbulencias puede medirse a partir de la potencia que tenga el ruido asociado a la señal con una precisión del 6.25%. Si no hubieran variaciones en la posición inicial del cuerpo obstructor la precisión sería del 2.4%.

3 La pérdida de presión en el sensor basado en la presión dinámica prácticamente duplica la que ocasiona el sensor basado en el diferencial de presión, debido a que los coeficientes de apertura de ambos sensores son 0.2 y 0.63 respectivamente. El comportamiento dinámico del primer sensor es bueno en ambos procedimientos. Por lo tanto, el sensor se puede autorregular tanto estática como dinámicamente. Por el contrario, el sensor basado en la presión dinámica y en la amplitud de las turbulencias no se puede autorregular cuando se encuentra en un sistema dinámico. Ésto es debido a que la respuesta obtenida mediante el método que valora la amplitud de las turbulencias no se corresponde con la respuesta real de caudal. El intervalo de temperatura de trabajo del primer prototipo es mayor que en el sensor basado en la presión dinámica y en las turbulencias debido a los materiales utilizados. Los cambios de temperatura muestran en el primer sensor un error sistemático máximo del 4,7% en el procedimiento de presión diferencial y del 2,9% en el método de la frecuencia del flujo. La utilización de un sensor de temperatura puede corregir este error. Por otra parte, el sensor basado en la presión dinámica mide la temperatura a partir de los cambios de valor de una resistencia introducida dentro del cuerpo obstructor. Así pues, las medidas obtenidas mediante la presión dinámica y la amplitud de la turbulencia pueden ser corregidas a través de la medida de la temperatura. Sin embargo, un cambio de temperatura en el sensor puede dar lugar a una desviación en la flexión inicial del cuerpo obstructor, que resulta muy difícil de corregir. El sensor que combina el diferencial de presión y la frecuencia del flujo es capaz de reconocer un buen porcentaje de los factores externos que pueden dar lugar a un error de medida. Ésto se debe a que la mayor parte de dichos factores pueden ser compensados y diagnosticados a través de la relación señal/ruido (SNR) de la frecuencia de turbulencia y por la potencia del ruido que contiene la señal que se recibe del sensor. Dado que las perturbaciones influyen fundamentalmente en la detectabilidad de la frecuencia del flujo y apenas producen desviaciones en dicha frecuencia, este método puede ser usado siempre que sea detectable para corregir las desviaciones que se puedan producir en la presión diferencial. El sensor de caudal basado en la presión dinámica tiene menos causas que producen errores de medida, dado que dicho sensor se encuentra integrado en el circuito hidráulico. Sin embargo, este sensor es sensible a otro tipo de factores, los cuales alteran el valor de la potencia de ruido (usado para compensar las desviaciones de la flecha inicial del cuerpo y para autorregular el sensor), por tanto no influyen en el primer prototipo. Debido a que la medida de la amplitud de la turbulencia es muy sensible con respecto a este tipo de factores, la capacidad para reconocer errores de medida y compensarlos se encuentra muy limitada en este sensor.

4 EVALUATION OF DIFFERENT SOLUTIONS FOR THE DEVELOPMENT OF AN AUTOREGULATED FLOW SENSOR BASED ON PRESSURE SIGNALS This thesis is based on the evaluation of two different concepts in the development of an autoregulated flow sensor based on pressure signals. The first concept is a flow sensor that by means of the introduction of an obstructor combines a differential pressure measure with the extraction of the turbulence frequency. This sensor was developed by the Institute of Electromechanical Constructions in TU Darmstadt, where this thesis is realized. Differential pressure analyser near to the sensor Shedding of turbulence currents around the obstructor The second concept is a developed sensor by IFW GmbH (Jena) and measures flow by means of dynamic pressure. This sensor operates by dynamic pressure obtained thanks to the introduction of an obstructor, which contains piezoelectric resistors. This sensor autoregulates via turbulence power, which is produced around this obstructor. For a proper evaluation of the prototipes, precision is measured in both sensors in a flow interval from 100 to 1000 l/h and a temperature interval from 20 to 80 ºC. Besides, different phenomena, that can produce precision changes in measures are simulated in order to evaluate their consecuences, their detectability and the possibility to avoid influence over the measures. Dynamic pressure sensor Obstructor which contains piezoelectric resistors in a Wheatstone bridge

5 All the tests and experiments are realized in a Lab belonging to the Institute where the project is realized. This Lab will be updated and changed during this thesis. Flow rate and water temperature across the sensor, are regulated using LabView. The reference flow sensor is magneto inductive and it is calibrated via a program created in this thesis that automates the process. The characteristics and precision of the sensors are obtained with a LabView program developed during this project too, which realizes automatic measures. For the evaluation of the measures, LabView and Matlab are used. Experimental results show that the flow rate sensor is more accurate that the one which combines differential pressure and periodic turbulence shedding, with an precision between 1% and 0,9% respect to each method. On the other hand, the sensor based on the dynamic pressure has a lower precision because it provides a bad reproducibility due to drifts in the initial position of the obstructor. These drifts can be corrected evaluating the turbulence currents amplitude that are given off inside the sensor. The amplitude of these turbulences can be measured via the power of noise associated to the signal with a precission of 6,25 %. If there were no variations in the initial position of the obstructor, the precision would be 2,4 %. The pressure loss in the dynamic pressure sensor doubles the pressure loss in the differential pressure sensor, due to the aperture coefficients of both sensors, that are 0,2 and 0,63 respectively. The dynamic behaviour in the first prototype is good for both procedures, because it is possible to autoregulate the sensor in static and dynamic processes. On the other hand, the sensor based on dynamic pressure and amplitude of the turbulences, cannot be autoregulated when it operates in a dynamic system because the answer of the method that Lab estimates the amplitude of the turbulence is not the real answer of the flow rate. The temperature range of application for the first prototype is bigger than in the case of dynamic pressure sensors due to the materials employed. Temperature changes in the first sensor have a maximum systematic error of 4,7% in the differential pressure procedure and of 2,9% in the method of the turbulence frecuency. The use of a temperature sensor can correct this error. On the other hand, the sensor based on the dynamic pressure measures the temperature using a resistance inside

6 the obstructor. Therefore, measurements obtained via dynamic pressure and the turbulence amplitude can be corrected by a temperature measure. However, a sensor temperature change can provoke a drift in the initial position of the obstructor. This drift is very difficult to correct. The sensor that combines the differential pressure and the evaluation of the frequency of the turbulence currents is able to recognize a good percentage of phenomena that can cause errors in the measurement, because most of these phenomena can be compensated and diagnosed via SNR of the turbulence frecuency and by noise power that contains the signal that receives the sensor. Due to these phenomena influence usually the detectability of the turbulence frecuency and hardly deviations in the frecuency, it can be used to correct drifts in the differential pressure, if it is detectable. The flow rate sensor based on dynamic pressure, has fewer causes that produce measurement errors, because this sensor is integrated in the hydraulic circuit. However, this sensor is sensitive to other kind of disturbances, that changes the value of the power of noise (used to compensate drifts in the initial body flector and to autoregulate the sensor) and therefore they do not influence in the first prototype. Due to the measure of the turbulence amplitude, which is very sensitive to this kind of phenomena, the ability to recognize measurement errors and to compensate them is very limited in this sensor.