Diseño general del sistema de calibración automática para medidores de caudal por efecto vórtice

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La última edición de este mensaje fue realizada por 955559 el 9-9-2018 a las 12:06. Medidor de caudal de tipo vortex: 1. Método de calibración del caudal instantáneo. Se enciende la bomba de frecuencia; a través del controlador de válvulas eléctricas, se abren las válvulas eléctricas 1 y 2. Mientras se ajustan las válvulas manuales, se observa el valor indicado en el medidor de caudal de tipo rotor de vidrio. Se ajustan las válvulas manuales hasta que el caudal alcance el valor establecido para la calibración. Una vez que el caudal se estabilice, se observan las lecturas del medidor de caudal con rotor de vidrio y del medidor de caudal por tipo vórtice que se desea calibrar. Se utiliza como referencia la tabla de referencia del medidor de caudal con rotor de vidrio, para calcular el error relativo entre ambos dispositivos. Luego, ese error se introduce en la tabla de errores del medidor de caudal por tipo vórtice a través del teclado. 2. Método de calibración del caudal acumulado: Para calibrar el caudal acumulado, primero se establece un valor de referencia para el caudal, siguiendo los pasos utilizados para la calibración del caudal instantáneo. Una vez que el caudal se estabiliza, se utiliza el controlador de las válvulas eléctricas para cerrar la válvula 1 y abrir la válvula 2. De esta manera, el agua contenida en el recipiente de medición se vacía por completo. Luego, se vuelve a utilizar el controlador de las válvulas eléctricas para abrir la válvula 1 y cerrar la válvula 2, iniciando así la calibración del caudal acumulado. En ese momento, se debe anotar inmediatamente el valor del caudal acumulado mostrado por el medidor a calibrar. Cuando el volumen de agua en el recipiente de medición alcanza un valor determinado, aparecerá una marca en la escala del mismo. En ese instante, se cierra la válvula 1 mediante el controlador de las válvulas eléctricas, y se anotan tanto el valor de la marca en la escala como el valor del caudal acumulado mostrado por el medidor a calibrar. La diferencia entre estos dos valores se compara con el valor indicado en la escala del recipiente de medición, y el error relativo resultante se introduce en la tabla de errores del medidor a calibrar. La calibración del caudal acumulado suele tomar unos minutos. Lo anterior es solo la calibración de un punto de calibración de flujo. Según los principios de medición descritos en la sección 2.1.1, para realizar una corrección no lineal en un medidor de caudal de tipo vórtice, es necesario calibrar cada uno de los 7 puntos de calibración del caudal por separado. El sistema de calibración manual controla el caudal mediante válvulas manuales; a continuación, se lee la lectura del medidor de caudal de rotor de vidrio (que sirve como referencia), y se compara con la lectura del medidor que se desea calibrar. De esta manera, se obtiene el error relativo. Se pueden establecer los parámetros correspondientes a través del teclado para corregir los errores no lineales. La paralaje puede influir en las lecturas del medidor de caudal de rotor de vidrio, afectando así la precisión de calibración. Cuando se realiza la calibración con caudales bajos, como los errores en las lecturas del medidor de caudal de rotor de vidrio son mayores en ese momento, no se puede utilizar el método de calibración basado en el caudal instantáneo. En su lugar, es necesario emplear el método de calibración basado en el caudal acumulado. Calibrar un punto de caudal mediante el método de calibración por caudal acumulado lleva varios minutos, y solo se puede calibrar un punto de caudal por medidor a la vez; por lo tanto, la eficiencia de la calibración es muy baja. En resumen, el sistema de calibración manual presenta problemas como una baja precisión en la calibración y una baja eficiencia en dicho proceso. Dadas las problemáticas que existen en los sistemas de calibración manual, es necesario desarrollar un sistema de calibración automática para resolverlas. 1. Análisis de las necesidades del sistema y diseño general. Un sistema de calibración automática consiste en una transformación automatizada del sistema de calibración manual existente, con el objetivo de solucionar problemas como la baja precisión y la baja eficiencia en el proceso de calibración. El sistema de calibración automática consiste en crear un sistema de control por computadora que permita realizar una calibración precisa del caudal. Además, permite calibrar varios medidores de caudal de tipo vórtice al mismo tiempo, lo que aumenta la eficiencia de la calibración. Siguiendo la estructura de los sistemas de calibración manual, se utiliza el método de las tablas estándar para realizar la calibración. El sistema de calibración automática tiene las siguientes necesidades. (1) Plataforma de control por computadora: La plataforma de control por computadora se utiliza para realizar el control de la regulación del caudal, acceder a los medidores de caudal de alta precisión y a los medidores de tipo vórtice que deben ser calibrados, así como para facilitar la interacción entre el operador y la máquina, además de gestionar los pasos necesarios para la calibración. (2) Dispositivo de regulación de caudal. El dispositivo de regulación de caudal, como elemento encargado de regular el caudal, debe poder comunicarse con la plataforma de control informático, para recibir las órdenes de control relacionadas con la regulación del caudal provenientes de dicha plataforma. (3) Medidor de caudal de alta precisión como instrumento de referencia. Como instrumento de referencia para la calibración del caudal, el medidor de caudal de alta precisión debe poder comunicarse con la plataforma de control por computadora y recibir las órdenes de acceso al caudal provenientes de dicha plataforma. (4) Calibración simultánea de múltiples instrumentos: El sistema de calibración automática debe ser capaz de calibrar simultáneamente a varios medidores de caudal de tipo vena turbulenta que necesiten ser calibrados.
5) Protocolos de comunicación: Dado que los dispositivos para determinar el caudal y los equipos de detección del mismo son adquiridos externamente, los protocolos de comunicación deben ser aquellos que son comúnmente utilizados en el sector industrial.
2. Diseño general del sistema: El diseño general del sistema se realiza sobre la base del análisis de las necesidades del sistema de calibración automática. La estructura de la plataforma hardware del sistema se muestra en la Figura 2-6. El sistema está compuesto principalmente por un controlador τ, un medidor de caudal por vórtices de alta precisión (clase 0.1), el medidor de caudal por vórtices que se va a calibrar, un convertidor de frecuencia, una bomba con conversor de frecuencia, un conversor RS-232 a RS-485, tanques de almacenamiento y tuberías para el transporte del agua. Entre ellos, los medidores de caudal de alta precisión, los medidores de caudal que aún deben calibrarse y los convertidores de frecuencia cuentan con una interfaz de comunicación RS-485 que utiliza el protocolo Modbus. La computadora se comunica con estos dispositivos a través del bus RS-485; el protocolo de comunicación utilizado es el popular protocolo Modbus, ampliamente adoptado en el sector industrial. (1) Elección del método de regulación del caudal. En general, existen dos formas de regular el caudal: la primera es utilizar válvulas de control eléctricas y bombas de frecuencia industrial para formar un sistema de regulación del caudal; en este caso, se regula el caudal ajustando el grado de apertura de las válvulas. La segunda forma consiste en utilizar convertidores de frecuencia y bombas con control de frecuencia, regulando así el caudal al modificar la frecuencia de funcionamiento del convertidor. Al utilizar la válvula de regulación para controlar el caudal, la bomba de frecuencia industrial funciona a su velocidad máxima; es decir, el caudal de agua que extrae la bomba es el caudal máximo posible. La válvula de regulación controla el caudal ajustando el grado de apertura de su válvula. El problema de este método de regulación es que, independientemente del caudal establecido, la bomba de frecuencia industrial funciona siempre a su velocidad máxima. Esto genera un alto consumo de energía, lo cual va en contra del principio de ahorro energético. Cuando la válvula de regulación ajusta su apertura, la presión del agua en las tuberías también cambia, lo que provoca fluctuaciones en el caudal. Esta situación no está permitida en los sistemas de calibración. Por lo tanto, no se utiliza este método de regulación. Al utilizar un convertidor de frecuencia para regular el caudal, es posible resolver de manera efectiva los problemas que surgen al utilizar válvulas de control para regular el caudal. El convertidor de frecuencia permite regular el caudal de la bomba de frecuencia variable a través del ajuste de la frecuencia. Cuanto menor sea el caudal, menor será la frecuencia que emite el convertidor de frecuencia, y por lo tanto, menor será el consumo energético de la bomba. Además, como este método de regulación del caudal no requiere la presencia de válvulas de control, la presión del agua en las tuberías se mantiene estable, lo que a su vez hace que el caudal del agua también sea estable. Esto lo hace adecuado para la calibración del caudal en los sistemas. En resumen, el uso de convertidores de frecuencia y bombas con control de frecuencia como componentes para regular el caudal presenta ventajas como el ahorro de energía y una salida de caudal más estable. Por ello, este método se utiliza en los sistemas de calibración automática para regular el caudal. La computadora accede al convertidor de frecuencia a través del bus RS-485, y establece los parámetros de frecuencia para que el convertidor modifique la frecuencia de funcionamiento. De esta manera, se puede cambiar el caudal de agua bombeado por la bomba variable de frecuencia, logrando así el control del caudal. Para evitar la inestabilidad del sistema causada por las comunicaciones frecuentes y por los algoritmos de control en bucle cerrado complejos, el convertidor de frecuencia, la bomba de frecuencia variable y el medidor estándar no forman un sistema en bucle cerrado, sino que operan en bucle abierto. Esto requiere que realicemos pruebas previas con el convertidor de frecuencia, a fin de obtener los parámetros relacionados con la frecuencia de conversión y la relación entre el caudal instantáneo de agua bombeado por la bomba y dicha frecuencia. De esta manera, la computadora puede controlar aproximadamente el valor del caudal deseado. Los valores de caudal en los puntos de calibración no necesitan ser precisos hasta un valor específico; pueden fluctuar. Esto se debe a que existe una tabla estándar que determina el valor de caudal en cada instante. Las demás tablas a ser calibradas toman como punto de referencia el valor de caudal obtenido por la tabla estándar. (2) Selección de los métodos de calibración y las tablas estándar. Los métodos comunes para calibrar el caudal de líquidos son el método del volumen estándar y el método de las tablas estándar. El método de volumen estándar ofrece una alta precisión en la calibración, pero el tiempo necesario para realizarla es muy largo; generalmente, se necesitan varios minutos para calibrar un punto de caudal. Además, los recipientes de medición estándar deben cambiarse constantemente según el rango de caudal, lo cual resulta muy incómodo. Por eso, no se utiliza este método de calibración. En cambio, el método de uso de medidores estándar consiste en utilizar medidores de caudal de alta precisión como instrumentos de referencia para calibrar los demás medidores que deben ser ajustados. Este método es más sencillo, práctico y económico, por lo que se utiliza como método de calibración para este sistema. El principio de selección para los instrumentos de referencia es que el margen de error permitido en el instrumento de referencia debe ser menor a 1/3 o 1/5 del margen de error permitido en el instrumento que se está calibrando. De esta manera, se puede ignorar el error del instrumento de referencia. La precisión requerida para el medidor de referencia es de 0,5 nivel; por lo tanto, se eligió un medidor de caudal por efecto Vortex de alta precisión, con un nivel de precisión de 0,1. Este medidor reemplazó al medidor de rotor de vidrio que se utilizaba anteriormente. Permite realizar mediciones en tiempo real del caudal instantáneo. En el sistema de calibración, este medidor de referencia sirve como estándar para calibrar los demás medidores de caudal por efecto Vortex. La computadora puede acceder a este medidor a través del bus RS-485, con el fin de obtener las mediciones del caudal instantáneo y así completar la medición de caudal con el medidor de referencia. 3) Calibración simultánea de múltiples medidores. Por el momento, se ha establecido que la cantidad de medidores de caudal que se calibrarán al mismo tiempo será de 8. Estos 8 medidores de tipo vórtice serán conectados en serie con los medidores estándar. La conexión entre ellos tendrá forma de S y todos estarán paralelos al suelo. Se utiliza esta forma en S para ahorrar espacio en el sistema; de lo contrario, si las conexiones fueran en línea recta, se necesitaría una longitud excesiva de tuberías. Esto se debe a que los tramos rectos antes y después de los medidores de tipo vórtice deben cumplir con ciertos requisitos en cuanto a su longitud; no pueden ser demasiado cortos. (4) Interacción hombre-máquina: La interfaz de interacción hombre-máquina permite establecer los parámetros de calibración del flujo y poner en marcha el proceso de calibración. 5) Calibración del sistema de control: Para la corrección no lineal de los medidores de caudal de tipo vórtice, es necesario calibrar 7 puntos en total. En cada punto de calibración, se deben calibrar los 8 medidores de caudal de tipo vórtice que se van a calibrar, siguiendo un orden específico.