Falla de la semana: medición de flujo magnético incorrecta
La física nos brinda las herramientas básicas necesarias para comprender el universo, pero transformar la teoría en algo útil es como los ingenieros vivientes. Superar ese límite es el tema del fracaso de la semana de esta semana, en el que hacemos un seguimiento de los esfuerzos para hacer un medidor de flujo magnético funcional (YouTube, incrustado a continuación).
La teoría sugiere que medir el flujo de fluido debería ser simple. Después de todo, insertar una rueda de paletas magnéticas en una corriente que fluye y contar los pulsos con un interruptor de caña o un sensor Hall es bastante simple, ¿verdad? En este caso, sin embargo, [Grady] de Ingeniería Práctica comienza con un régimen de medición de flujo mucho más complicado: la detección electromagnética. Explica brillantemente la ley de inducción de Faraday y cómo el fluido puede ser el conductor que se mueve a través de un campo magnético y tiene una corriente medible inducida en él. El flujo debe ser proporcional a la velocidad del líquido, por lo que debe haber un medidor de flujo magnético de cerveza casera con látigo de clic, ¿verdad? No, a pesar de un valiente esfuerzo, [Grady] nunca pudo obtener una señal utilizable del ruido en su sistema.
La teoría es sólida, su plataforma de prueba parece viable y tiene una instrumentación bastante decente. Donde entonces hizo [Grady] ¿estropear? ¿Podría limpiar la señal con un mejor amplificador de instrumentos? ¿Qué pasaría si cambiara el fluido del proceso a algo más conductor, como agua salada? Como él mismo admite, la ingeniería eléctrica no es su punto fuerte: es un ingeniero profesional. ¿Crees que puedes borrar esa señal? Infórmenos en la sección para comentarios.
El fracaso de la semana es una columna de La-Tecnologia que celebra el fracaso como herramienta de aprendizaje. Ayude a mantener la diversión escribiendo sobre sus propios fracasos y enviándonos un enlace a la historia, o enviándonos enlaces a ediciones fallidas que encuentre en sus viajes en línea.
tekkieneet dice:
Puede modular la señal por frecuencia de CA y usar un interruptor de llave.
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-11/lock_in_amplifier.htmlLa página wiki sobre el amplificador de bloqueo es un poco débil.
> Un amplificador clave es un tipo de amplificador que puede extraer una señal con una onda portadora conocida de un entorno extremadamente ruidoso. Dependiendo de la reserva dinámica del instrumento, las señales hasta 1 millón de veces más pequeñas que los componentes de ruido, quizás lo suficientemente cerca en frecuencia, aún pueden detectarse de manera confiable.Patricio dice:
Entonces, ¿qué tal un receptor de AM?
Paul dice:
Más como SSB. SU es un detector síncrono y requiere una señal de sincronización o un reloj. AM está mirando un sobre dentro de un pasaje.
tekkieneet dice:
Supongo que sí, pero no suelo pensar en eso en términos de rayos. Cualquier ruido que no esté en la frecuencia de corte se promedia cerca de cero en el tiempo. También puede extraer la información sobre la fase amplia y el alcance.
También hay diferentes formas de medir el flujo: cómo medir los efectos Doppler del fluido: https://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_flow_meter
RW dice:
Un cambio en la corriente provoca un cambio en el campo magnético. Durante el flujo de equilibrio, no debe medir ninguna de estas bobinas. Deténgase y comience el flujo, debería verlo fallar.
RW dice:
Ahora, si hiciera girar una armadura junto a la tubería, estaría cortando el campo y una corriente inducida sería proporcional a la intensidad del campo.
RW dice:
Bueno, ahora sé que está midiendo a través de los electrodos que no vi la primera vez. Pensó que esperaba una inducción magnética en bobinas.
En cualquier caso, si el lugar en el que se encontraba en la habitación se vio afectado, entonces sí, capacitancia y excelente antena.
RBMK dice:
¿Por qué no utilizar imanes más fuertes? ¿Neodimio?
RandyKC dice:
Creo que un problema es la histéresis de la bobina. No obtendrá su campo magnético cuadrado. También creo que sería bueno tener un voltaje alterno sincronizado en el electrodo para evitar la reacción electroquímica a la que aludiste en tu excelente video.
Creo que tendrías mejor suerte con un transductor ultrasónico y medir el cambio Doppler.Steve Greenfield dice:
Las bobinas de núcleo de aire no tienen histéresis. Esto sucede en el material de hierro.
BHarbor dice:
No creo que se obtenga un campo magnético variable o en movimiento por inducción de corriente en un líquido en movimiento. Para inducir el campo magnético de forma inductiva, el campo debe cambiar. Creo que inducir el campo resultará en un campo estacionario, incluso cuando el líquido se mueva. Si agregara algunas burbujas de tamaño conocido, es posible que pueda deducir el caudal de los períodos de fluctuación, pero debe conocer el tamaño o el espaciado de las burbujas.
MS-JEFE dice:
Amigo, siento decirte esto pero ... funciona. Sin embargo, generalmente se usa solo para fluidos altamente conductores. Y el agua es un no-no para este método. Incluso el agua salada probablemente no funcionará.
Paul dice:
La sal equivalente al 0,9% (es decir, sangre) funciona muy bien. Ha funcionado de manera excelente en esta aplicación durante más de medio siglo, en todo, desde aorta de 20 mm hasta arterias <4 mm, incluidas las arterias coronarias. Sí, solíamos montarlos directamente en un corazón que latía.
BHarbor dice:
Hice la misma suposición errónea que hizo RW, asumí que el proyecto estaba tratando de sentir el flujo inductivamente además de empujarlo inductivamente. Tiene un poco más de sentido de esa manera.
zakqwy dice:
Un medidor magnético es (y ha sido durante varias décadas) el método preferido para medir el flujo de agua en casi cualquier aplicación que requiera precisión y durabilidad a largo plazo. El tipo de conductividad mínima para la mayoría de los electrodomésticos comerciales es de alrededor de 20 uS, que cubre el agua potable y más. Solo tendrá problemas con las cosas realmente limpias: condensado, WFI, agua de medio cono, etc.
randypoffo dice:
El agua es en realidad un líquido medido muy común usando magnetómetros comerciales.
hopfinity dice:
Los magnetómetros comerciales no tienen problemas para medir el agua * del grifo *.
El agua salada es un orden de magnitud más conductora de lo necesario para medir con un magnetómetro comercial.
Si bien no está tratando de medir el agua desionizada, no es un problema.
Steve Greenfield dice:
El agua que fluye a través de la misma que pasa el cable. No importa si el imán se mueve, el campo cambia o el conductor se mueve. Solo importa el movimiento relativo.
Esto no se siente inductivo. Las bobinas se usan solo en lugar de imanes estáticos para cambiar la dirección del campo magnético, similar a cómo funciona un amplificador de piratería.
Paul dice:
Los medidores de flujo electromagnéticos se han utilizado para medir el flujo sanguíneo en las arterias durante décadas. Fueron considerados la base de oro en la década de 1960 y se utilizaron para confirmar el entonces nuevo medidor de flujo Doppler ultrasónico. Todavía usamos manómetros electromagnéticos en vida hasta la década de 1990. Eran especialmente buenos para el monitoreo continuo crónico (durante unos días), aunque el ruido de la contaminación del electrodo eventualmente haría que se detuvieran.
Con el tamaño adecuado, limpios e instalados, dieron una excelente relación señal-ruido. Su mayor ventaja era que no era necesario abrir la arteria interesante para medir el flujo en ella. La gente en ese momento lo consideró bueno.
Las bobinas funcionaron bastante duro: los dispositivos estaban preocupados por algo que está implantando en un cuerpo, incluso si se calientan con líquido 🙂
Reg dice:
Los "caudalímetros" de Alan Hayward. Es un poco antiguo (1979), pero el texto sugiere que esto es * realmente * difícil de hacer y sigue funcionando correctamente. Me resulta más fácil ahora que uno puede arrojar grandes cantidades de productos electrónicos al problema.
"Las principales dificultades son:
(a) A tasas prácticas de fluoruro, el valor del voltaje inducido es muy pequeño y, por lo tanto, difícil de medir con precisión, especialmente si los voltajes “parásitos” no se eliminan por completo.
(b) El voltaje y la frecuencia principales nunca son completamente estables y, a menos que el circuito esté diseñado para compensar estas fluctuaciones de entrada, causarán fluctuaciones de salida falsas.
(c) No se puede usar corriente continua ordinaria para operar los electroimanes sin causar polarización de los electrodos, pero si se usa corriente alterna ordinaria, esto causa una especie de efecto transformador que genera voltajes de fase molestos.
(d) es difícil obtener un cero eléctrico completamente estable, en otras palabras, la "deriva del cero" puede ser un problema grave. "
Las burbujas causan lecturas erróneas y deben evitarse. Como mínimo, esto requerirá una buena instrumentación. No tengo el ancho de banda para YouTube, así que no sé exactamente qué está haciendo. Pero los comentarios de Hayward son temas bastante espinosos.
Sin embargo, es un proyecto interesante y estoy seguro de que es bastante educativo incluso si fue un fracaso.
PWalsh dice:
Bien, ahora entiendo lo que está tratando de hacer. El equipo editorial realmente no explica mucho.
Produce un sensor magnetohidrodinámico. Coloca un campo magnético a través de la corriente y mide el voltaje perpendicular a la corriente y perpendicular al campo magnético.
Supuestamente, ver su video no genera fuertes campos magnéticos. Piensa que más vueltas crean un campo más magnético. De hecho, más vueltas tienden a generar un campo magnético.
El campo magnético * cantidad * es proporcional a las vueltas del amperaje a través de la bobina. Agregar más vueltas y mantener la corriente constante generará más campo, pero es una trampa: agregar más vueltas también aumenta la inductancia, por lo que para mantener la corriente constante tienes que aumentar el voltaje. La inductancia recorre el cuadrado de las vueltas, por lo que la inductancia aumenta más rápido que el campo multiplicado por las vueltas.
Sus devanados tienen muchas vueltas, y presumiblemente la inductancia es tan alta dependiendo de la frecuencia que usa que hay muy poca corriente y por lo tanto muy poco campo magnético.
Necesita reducir el número de vueltas y empujar más corriente a través de la bobina.
El campo magnético real se puede calcular utilizando la versión magnética de la ley de Ohm: MMF = Psi x R, donde:
"MMF" es la fuerza impulsora magnética y los tiempos de amperios giran
Psi es el campo generado en Webers
R es la desgana del material. La renuencia es la inversa (es decir, - 1 sobre) de la permeabilidad, por lo que si no puede encontrar la renuencia del agua, puede usar la permeabilidad.(La permeabilidad generalmente se refiere a un vacío, por lo que si encuentra la permeabilidad relativa del agua, debes multiplicarla por la permeabilidad absoluta de un vacío para obtener una permeabilidad absoluta del agua).
Una vez que tenga el campo completo, la intensidad del campo es campo / área, así que tome el campo en Webers y divida por la sección en metros cuadrados del tubo para obtener Teslas.
Y una vez que tenga el campo magnético, puede usar las ecuaciones de Faraday para estimar la cantidad de voltaje que se generará:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/genwir2.html
RW dice:
Y sin olvidar que ese tamaño de cable magnético probablemente agrega un ohmio de resistencia de CC cada metro que usa ... y luego se calienta.
PCh dice:
1) Aterrizaje y sensor apropiados y fluido medido: http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/pm%20rosemount%20documents/00840-2400-4727.pdf
2) Se debe instalar un sensor con un mínimo de cinco diámetros de tubería recta aguas arriba y dos diámetros de tubería aguas abajo del plano del electrodo.
3) La sección transversal del sensor debe estar completamente cubierta con líquido (por ejemplo, montar el sensor en posición vertical, flujo en V de abajo hacia arriba).tienda dice:
Hace unos años estuve involucrado en el diseño de algunos de estos sistemas. Uno era un caudalímetro magnético comercial muy destacado para fábricas (M300) y el otro una versión "cortada" para el control del riego (Irriflow). Funcionan muy bien, pero hay bastantes problemas. Se puede aplicar una señal de CA de alta frecuencia a los electrodos para limpiarlos.
Las bobinas se excitan con CC, no con una señal de CA.
Usamos un convertidor A / D MAX132 18bit plus sign con un circuito de calibre adicional. También buenos amplificadores de instrumentos. Estos medidores demostraron tener un rango dinámico 10x en comparación con los medidores mecánicos estándar originales de nuestro cliente, por lo que quedaron muy impresionados. Hasta ahora se han producido muchos miles de estos. Hay un documento que explica aquí varios caudalímetros que se pueden leer bien.
Irrigación.org.au/documents/publications…/Know_The_Flow_Training_Manual.pdf
En los que estuve involucrado, diseñando el hardware y arreglando los PCB ahora se venden bajo la marca Tyco EMFLUX, porque la compañía original que era nuestro cliente fue absorbida por "Take over your company";) Mi jefe en ese momento era software mágico en ellos.
Los Irriflow reemplazaron los medidores mecánicos de paletas en los canales de riego. Estas ruedas a menudo tenían problemas como peces atascados en ellas, por lo que los agricultores obtuvieron agua gratis. A veces, los peces todavía estaban congelados, e incluso especies de agua salada. ¡Muy extraño! ”Hablando con un vigilante del agua, ¡incluso se encontró con una rueda que misteriosamente tenía una pulgada cortada todas sus aletas para que el agua fluyera!
Si un agricultor pudiera alcanzar el sensor de magflu y colocar un objeto en él, el resultado sería una mayor velocidad del agua y una carga adicional por menos agua, por lo que estos tipos de bloqueos pasaron. Los sensores de flujo suelen estar en una parte baja del tubo para que permanezcan llenos de agua en todo momento. A pesar de esto, generalmente se inserta un sensor de detección de tubería llena.Bill Struve dice:
Utilice los dispositivos analógicos AD630 como clave en un amplificador (consulte la página 18 de su hoja de datos). Desde los puntos, recomendaría una frecuencia inferior a 100 Hz e impulsaría su bobina con una onda sinusoidal. Una forma económica de operar la bobina es mediante un transformador de paso a su voltaje de línea (50-60 Hz). Luego, una muestra del voltaje de control y la salida de sus electrodos se alimentan al AD630, y su salida es un voltaje directo proporcional a la señal que desea. Puede ver señales enterradas con mucho ruido con el AD630. Buena suerte y publica tus resultados, por favor.
Paul dice:
O podrías utilizar un chip diseñado en este siglo, precisamente para este propósito: el ADA2200, con mucha más funcionalidad y un tercio del precio del AD630.
John dice:
Puede haber algún blindaje de mu-metal del sensor que ayudaría a reducir el ruido de fuentes externas
Chris C. dice:
Citado del video, a las 8:44:
"Después de algunos comentarios en los foros de EEVblog, y algunas lecturas adicionales, creo que arreglar la demostración requeriría una revisión completa. Y asumí que ustedes preferirían que pasara a algo nuevo, en lugar de seguir haciendo girar mis ruedas en esto. "
Tengo la impresión [Grady]El objetivo real era producir un video divertido y algo informativo, solo uno de una serie que lo gana a través de Patreon y patrocinios, siempre que continúe produciéndolos de manera regular. Bueno, él tiene su video, así que su objetivo está completo. No tengo ninguna duda de que podría mejorar el caudalímetro, incluso con un tiempo mínimo; pero a menos que pueda obtener otro video completo, eso no sucederá. Porque el medidor de flujo en sí nunca fue su objetivo.
Personalmente, no considero eso en el espíritu de El fracaso de la semana.
Steve Greenfield dice:
Hablando de EEVBlog, agradezco que Dave Jones haya hecho los siguientes videos.
escuela politécnica dice:
Utilice sonido ultrasónico, una tecnología madura que se utiliza a menudo para los caudalímetros.
Steve Greenfield dice:
Creo que los sensores de flujo magnetohidrodinámicos son más maduros que los medidores de flujo ultrasónicos.
Paul dice:
Más maduro durante más de un siglo: el propio Michael Faraday lo probó en 1832.
La ecografía Doppler no estuvo disponible hasta después de la Segunda Guerra Mundial y no se usó comúnmente hasta la década de 1960.El Sjaako dice:
La medición de flujo Doppler es solo para líquidos con partículas. Creo que la ecografía ultrasónica es más común.
Clave dice:
No falta en absoluto, el trabajo simplemente no está terminado. Ciertamente no requiere reestructuración.
1-Filtro! El ancho de banda de la señal de flujo es probablemente inferior a 10 Hz (cuánto cambia el caudal en 1 segundo). Agregue un filtro de paso bajo para eliminar los no deseados de las señales de banda. Un amplificador de bloqueo hace esto mezclando la señal a CC. Agregar un paso bajo después de la clave en un amperio (también llamado demodulador síncrono) limita el ancho de banda a la frecuencia de corte.Pero qué diablos, ¿por qué la complicación adicional de una tecla en un amplificador? Tiene un Arduino y fabrica un medidor de corriente CC alterado (sí, es un medidor de corriente CC para el momento en que se repara la corriente en la bobina. Invertir la corriente le da otro medidor de corriente CC con polaridad invertida). Un truco consiste en mantener constante el flujo de la bobina el tiempo que sea razonable, pero medir muchas veces durante esa etapa y promediar las lecturas. Promedio puede usar un filtro de paso bajo pero solo comenzar a medir después de 5 constantes de tiempo del LPF. De hecho, para reducir el ruido de alta frecuencia, debe tener LPF antes del primer amplificador diferencial de todos modos solo para limpiar el ruido, amplificará todo, desde el ruido de RF hasta las emisiones de los motores eléctricos.
Camiones blindados
-> Filtro RF / EMC
-> Amplificador Inst / Diff, Zin> 10 ^ 7 omo
-> Amplificador FcGain de paso bajo
-> Muestra de ADC varias veces, resultado promedioNo hay necesidad real de tener el paso a corriente 0 en las bobinas, excepto quizás para el diagnóstico o para medir el voltaje electroquímico. Mida en + y luego en - actual, reste para obtener la diferencia causada solo por la corriente.
2-Impedancia. El voltaje generado por un conductor que se mueve a través de un campo magnético es independiente de la impedancia del agua, hasta que agrega una carga: el extremo frontal. Si la selección del sensor es de baja impedancia, dejará caer cualquier señal si el agua / líquido está limpio y no es muy conductor. Asegúrese de que la impedancia del amplificador de carga >> la impedancia del sensor. De los dispositivos analógicos, "la resistencia de salida resistiva varía desde unas pocas decenas de ohmios hasta 10 ^ 7 Ω". Los levantamientos oscilográficos pueden ser demasiado bajos.
3-Incrementa el flujo magnético. Aumentar el número actual A O de vueltas A añadir añadir un yugo magnético. El núcleo de AC se mencionó en los comentarios del jubileo. El yugo es probablemente el mejor si los 2 primeros ya han sido optimizados. Idealmente un yugo de hierro laminado, pero si las frecuencias son bajas y a él no le importan demasiado las pérdidas por remolinos, puede usar hierro sólido. Nuevamente, dado que este es en realidad un medidor de corriente CC (que mide cuando la corriente tiene un valor constante), querrá que la frecuencia de conmutación sea lo suficientemente alta para revertir los cambios de voltaje electroquímicos que pueden ser lo suficientemente bajos como para ignorar las pérdidas del núcleo en un núcleo sólido.
4-Rechaza el ruido. El blindaje ES necesario para las señales pequeñas y la carga de alta impedancia. También blindaje magnético. Utilice cables blindados en ambos camiones. Las señales de Magflow, antes de la amplificación, son muy bajas: ¡unos pocos microvoltios! Las señales de radio por aire pueden ser más fuertes, el wifi es de 10uV para una señal débil.
5-Conoce tu sistema. Partículas en el líquido que afectan a camiones, burbujas, vibraciones, tuberías parcialmente llenas, material mezclado ... todo inyecta ruido. Las curvas cambian el perfil de velocidad del flujo a través de la tubería entre los camiones ... es posible que tenga que agregar más características de ingeniería para compensar estos
http://web.ornl.gov/info/reports/1960/3445603511689.pdf
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-02/flow_meter.htmlPaul dice:
Clave,
Gracias por esa larga dosis de cordura en este hilo de comentarios de nueces.
Sin embargo, un punto: aunque estoy totalmente de acuerdo en que la función del amplificador clave podría reemplazarse con un ADC Arduino y un procesamiento bastante simple, en la práctica esto es una clave desagradable, ya que está sujeta al ruido cuántico del ADC, además de otras fuentes de ruido. . Lo suficientemente bueno para exponer los objetivos, y tal vez incluso lo suficientemente bueno para un programa de este tipo, pero nada como el rendimiento de una clave real. El SU “verdadero” (como el ADA2200 mencionado anteriormente o, mejor aún, las soluciones discretas de sitios como SRS) realiza el procesamiento anterior en el dominio analógico y obtiene un rendimiento mucho mejor.Paul dice:
Y, por supuesto, publico sobre datos antiguos antes de volver a verificar. Estoy corregido: el SU / PSD de alta calidad más nuevo * funciona * digitalmente. P.ej Las unidades SRS utilizan un ADC de 16 bits a 256 kHz.
Elliot Williams dice:
@Klave: Ese es exactamente el comentario que esperábamos. Gracias.
Steve Greenfield dice:
Es bueno ver a algunos profesionales comentar aquí. Todo lo que vine a decir aquí y más, y mejor de lo que podría escribirlo. Bien hecho.
Me sorprendió mucho cuando en el video dijo que el ruido que veía complicaría las cosas. Es un ruido de frecuencia completamente alta, la señal no rebotó hacia arriba y hacia abajo. La línea central parecía bastante sólida. ¿Y cómo demostró cuán rápido cambiaría el flujo de agua?
En cuanto a una clave, generamos la señal, entonces tenemos el original. No se preocupe por no poder detectar y sincronizar la señal de CA como si estuviéramos tomando una señal de radio de larga distancia.
Impedancia: mucha gente recuerda que "la impedancia de carga coincide con la impedancia de la fuente para una transmisión de potencia máxima" y la aplica de manera demasiado amplia. Eso es tan malo como que "la corriente sigue el camino de menor resistencia" en simplificaciones excesivas no reconocidas.
Corriente magnética: estaba pensando en quizás algunos núcleos de viejos convertidores de flashback de TV. Básicamente, dos núcleos C con los extremos abiertos juntos y el tubo en el medio. Por supuesto, si el tubo es mucho más ancho que los extremos de la herida, la señal se pierde por las corrientes arremolinadas en el agua.
Blindaje: lo que parece faltar en el video es blindar los cables sensoriales de los campos eléctricos de los propios núcleos. Esa es la naturaleza de una tabla.
Ampollas y ampollas: si desea una resistencia muy alta a la turbulencia de estas cosas, puedo imaginar algún tipo de acumulación de agua de burbujas. Una especie de tubo vertical de prevención de golpes de aire de baja velocidad. La filtración atraparía partículas.
Hubert D. dice:
Hay 2 puntos que debe cumplir como mínimo para operar el fluido debe tener un mínimo de 0.5µS por cm. El segundo es el caudal mínimo de 0,5 m / s. Otro punto es el material adecuado para los electrodos, tal vez pruebes otros, como el grafito.
Dan Lufkin dice:
No hay problema en hacer que un instrumento sea tan sensible como desee, siempre y cuando no le importe a qué es sensible.
Profe. D. Keilly, MIT, 1951dinamodan dice:
Kitty intenta escribir con la cola a las 9:12.
Adriaan dice:
cualquier conexión a tierra en su tubo (al menos en frente de su medidor de flujo) ayudará en gran medida a la fricción eléctrica estática, se creará ruido en los tubos de plástico.
Asegúrese de que no quede aire atrapado en su fluido (las burbujas de aire tienen una conductividad muy baja)
