Efecto del hidrógeno en los piezotransductores (biofouling)

Efecto del hidrógeno en los piezotransductores (biofouling)

BIOFOULING

El biofouling o ensuciamiento biológico es la acumulación de microorganismos, plantas, algas o animales en las superficies mojadas, dispositivos como entradas de agua, tuberías, rejillas, estanques y, por supuesto, en los instrumentos de medición, causando la degradación del propósito principal de esos elementos.

ANTIFOULING

El antifouling es el proceso de eliminar o prevenir la formación de estas acumulaciones. Existen diferentes soluciones para reducir/prevenir los procesos de incrustación en los cascos de los barcos y en los depósitos de agua marina o salobre.

Recubrimientos tóxicos especiales que matan a los organismos bioincrustantes; con la nueva directiva de la UE sobre biocidas se prohibieron muchos recubrimientos por razones de seguridad medioambiental.

  • Recubrimientos antiadherentes no tóxicos que impiden la adhesión de microorganismos a las superficies. Estos revestimientos suelen estar basados en polímeros orgánicos. Se basan en la baja fricción y las bajas energías superficiales.
  • Antiincrustante ultrasónico. Los transductores ultrasónicos pueden montarse dentro o alrededor del casco en embarcaciones pequeñas y medianas. Los sistemas se basan en una tecnología probada para controlar la proliferación de algas.
  • Irradiación láser pulsada. La tecnología de pulsos de plasma es eficaz contra el mejillón cebra y funciona aturdiendo o matando a los organismos con una duración de microsegundos, energizando el agua con pulsos de alto voltaje.
  • Antifouling mediante electrólisis
  • Los organismos no pueden sobrevivir en un entorno de iones de cobre.
  • Los iones de cobre se producen por electrólisis con un ánodo de cobre.
  • En la mayoría de los casos, la carcasa del tanque o el casco del barco sirven de cátodo.
  • Un ánodo de cobre instalado en la configuración genera una electrólisis entre el ánodo y el cátodo.

La electrólisis puede aparecer debido a los sistemas de tratamiento del agua de lastre (electrólisis y sistemas UV), a los procesos de corrosión o a las diferencias de potencial eléctrico entre los distintos materiales.

EFECTO DE LA ELECTRÓLISIS EN EL TRANSDUCTOR PIEZORRESISTIVO

  • Un resultado de la electrólisis son los iones de hidrógeno positivos
  • Debido a su polarización, los iones de hidrógeno se desplazan hacia el cátodo (carcasa del tanque o casco del barco) donde está instalado el transductor.
  • En caso de contacto directo entre el tanque y el transductor, los iones de hidrógeno permean a través del componente más delgado del ánodo, que es el diafragma del transductor.
  • Tras la permeación de los iones de hidrógeno a través del diafragma, los iones de hidrógeno toman un electrón y se transforman en hidrógeno molecular (H2). El hidrógeno se acumula en el líquido de relleno del transductor.
  • Si este efecto se prolonga, la concentración de hidrógeno en el fluido de llenado aumentará y el diafragma se hinchará. como resultado, el sensor se desvía y emite un valor incorrecto.

CONCLUSIONES

Se analizaron los transductores de presión de acero inoxidable en servicio durante 2 ó 3 años en los tanques de lastre de los buques y la investigación arrojó los siguientes resultados:

Hallazgos

La formación de depósitos en las membranas de acero inoxidable no puede evitarse en la práctica. Mientras los procesos de corrosión puedan tener lugar en la membrana en condiciones anaeróbicas, siempre hay que esperar la formación de hidrógeno y su penetración en el sensor.

Por esta razón, en tales condiciones, la membrana debe ser de un material más resistente a la corrosión, como el titanio.

La corrosión de los intersticios se produce en las piezas metálicas en presencia de un medio corrosivo en los intersticios estrechos y no sellados, como los solapamientos, y en las soldaduras que no son pasantes. La fuerza motriz son las diferencias de concentración entre el medio en la brecha y el área fuera de la brecha, que son causadas por la difusión inhibida de los reactivos en la brecha. La diferencia de potencial asociada a la diferencia de concentración conduce a la corrosión electroquímica en el hueco (tipo hidrógeno) o en su entorno inmediato (tipo oxígeno).

Por esta razón, la membrana debe estar soldada a la carcasa.

RECOMENDACIÓN

De acuerdo con estos resultados, STS Sensor Technik Sirnach AG lleva más de 10 años utilizando con éxito sensores piezorresistivos sin elastómeros con carcasa y membrana de titanio para aplicaciones en aguas marinas, salobres y de mar.

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Picos de presión en los sistemas hidráulicos: un riesgo para los sensores y otros equipos

Picos de presión en los sistemas hidráulicos: un riesgo para los sensores y otros equipos

Los picos de presión ocurren en prácticamente todas las tuberías llenas de gas y líquido. Las presiones que surgen en unos pocos milisegundos pueden superar la presión de sobrecarga de los transductores de presión empleados y también destruirlos.

Los picos de presión, o presiones muy altas que existen en un período de tiempo corto, generalmente se notan solo cuando el daño ya está hecho. Son el resultado de picos de presión y también otros fenómenos físicos (cavitación, efecto micro-diesel) que ocurren dondequiera que se transporten líquidos o gases a través de tuberías. Sin embargo, los picos de presión son menos importantes entre los gases debido a su alta compresibilidad y, por lo tanto, rara vez representan un peligro. En el contexto de las tuberías de agua, a menudo se utiliza el término “golpe de ariete”. Con estos términos, se implica en última instancia un cambio dinámico de presión del líquido. Cuando, por ejemplo, una válvula se cierra rápidamente, el flujo de agua se detendrá instantáneamente. Esto desencadena una onda de presión, que fluye a través del medio en contra de la dirección del flujo a la velocidad del sonido y luego se refleja nuevamente. En milisegundos, hay un fuerte aumento de presión que puede causar daños a los sensores de presión y otros equipos (daños a los accesorios de tubería y abrazaderas de tubería, así como a las bombas y sus bases, etc.). En la primera línea, sin embargo, son los dispositivos de medición los que se ven afectados, en los que nos concentraremos a continuación. Estos daños pueden aparecer como una pequeña “ruptura” o una deformación (ver Figuras 1 y 2).

Figura 1: “Rotura” como resultado de un pico de presión

Figura 2: Deformaciones debidas a picos de presión

Si la presión que actúa sobre el transductor de presión supera la presión de sobrecarga , esto provocará daños permanentes. Hay dos escenarios posibles aquí: Por paradójico que pueda parecer, la destrucción completa del instrumento de medición debido al pico de presión es la consecuencia más leve. Los usuarios, después de todo, notan el daño inmediatamente aquí. Sin embargo, si el sensor simplemente se deforma como resultado de un pico de presión, continuará funcionando, pero solo proporcionará mediciones inexactas. Las consecuencias financieras aquí son desproporcionadamente más altas que con un sensor totalmente destruido.

Cómo prevenir daños causados ​​por picos de presión

El camino dorado para prevenir daños causados ​​por picos de presión radica en la integración de amortiguadores de pulsaciones o estranguladores de presión. Otros medios, como el uso de válvulas, no conducirían a resultados satisfactorios, porque son demasiado lentos para reaccionar a los picos de presión que realmente surgen en meros milisegundos.

El propósito de un estrangulador es amortiguar los picos de presión para que ya no excedan la presión de sobrecarga de los transductores de presión y luego los dañen. Para este propósito, el estrangulador se coloca en el canal de presión frente a la celda del sensor. Como resultado, los picos de presión ya no llegarán a la membrana directamente y sin control, ya que primero deben pasar a través del estrangulador:

Figura 3: Canal de presión con estrangulador de presión

Debido a su muy buena protección contra picos de presión, el uso de estranguladores de presión sigue siendo la mejor opción. Esta variante, sin embargo, tiene sus inconvenientes. Puede provocar un bloqueo del canal de presión debido a calcificaciones y depósitos, especialmente en medios con partículas sólidas y en suspensión. Esto da como resultado una ralentización de la señal de medición. Si se utilizan estranguladores en aplicaciones relevantes, aquí se debe realizar un mantenimiento regular.

Se puede lograr una protección adicional contra picos de presión con una mayor resistencia a la sobrepresión, en comparación con la estándar. Si esto es aconsejable depende de la aplicación particular: si se requieren lecturas de alta precisión, estas ya no se pueden lograr en ciertas circunstancias de muy alta resistencia a la sobrepresión en relación con el rango de medición.

Prevención de la corrosión causada por líquidos agresivos en la industria alimentaria

Prevención de la corrosión causada por líquidos agresivos en la industria alimentaria

Cuando se prueban reguladores de presión proporcional como parte del desarrollo de sistemas hidráulicos complejos, se requiere una alta capacidad de impulso y precisión de los sensores de medición de presión empleados.

El ácido carbónico y el alcohol pueden ejercer presión sobre el equipo de medición. Un fabricante de analizadores de líquidos automáticos en línea y de laboratorio se ha acercado a STS para encontrar un transmisor de presión duradero y preciso.

Cuando se exponen a fluidos agresivos como alcohol o ácido carbónico, los materiales estándar sufren corrosión. Por ejemplo, el ácido carbónico provoca un aumento en la concentración de hidrones (H +) y por lo tanto conduce a la corrosión del hidrógeno. Una vez que la corrosión atraviesa la membrana del sensor de presión, se vuelve inutilizable. Es por eso que el acero inoxidable normal no es suficiente para aplicaciones con altos niveles de ácido carbónico.

Además de ser altamente resistente a la corrosión, el sensor de presión para esta aplicación particular en una planta de embotellado debe ser capaz de soportar presiones extremadamente bajas cercanas al vacío. Como esta aplicación forma parte de la industria alimentaria, los estándares de higiene son muy altos. Las condiciones de casi vacío a las que se expone habitualmente el equipo forman parte del proceso de esterilización ( similar, aunque no tan extremo, a lo que ocurre en un autoclave ). Las presiones bajas por debajo de 0 bar pueden representar un peligro para la integridad de los sensores de presión. El vacío puede hacer que la membrana sea succionada de su posición en el sensor. La consecuencia son resultados de medición falsos o un sensor completamente roto.

Debido a estos requisitos, tuvimos que montar una solución a medida para este fabricante de analizadores automáticos de líquidos en línea y de laboratorio basados ​​en el transmisor de presión ATM.ECO . Como material, elegimos un acero Hastelloy extremadamente resistente a la corrosión. Para asegurar la estabilidad de la membrana en condiciones de baja presión, aplicamos un pegamento especial para fijar la membrana en su lugar.

Dado que el transmisor de presión funciona en condiciones de temperatura ambiente en esta aplicación, no fue necesaria una compensación de temperatura especial. La precisión del 0,25 por ciento de la escala total también es más que suficiente para esta aplicación en particular. La escala completa varía de 1 a 15.000 psi y, por lo tanto, es perfectamente adecuada para baja presión.

Telemetría de pulsos de lodo: transmisión de datos MWD con sensores de presión

Telemetría de pulsos de lodo: transmisión de datos MWD con sensores de presión

La transmisión de datos hidráulicos requiere sensores de presión sensibles capaces de soportar altas presiones. Esto es particularmente cierto cuando se utiliza en aplicaciones de medición durante la perforación (MWD).

MWD se ha convertido en una aplicación estándar, especialmente para perforación direccional costa afuera. La recopilación de datos en tiempo real es esencial para medir la trayectoria del pozo a medida que se perfora. Para ello, se montan varios sensores en la cabeza de perforación para proporcionar información sobre el entorno de perforación en tiempo real. Se utilizan sensores de inclinación, temperatura, ultrasonidos y también radiación. Estos diversos sensores están conectados física o digitalmente a una unidad lógica que convierte la información en dígitos binarios. Los datos de fondo de pozo se transmiten a la superficie mediante telemetría de pulsos de lodo. Además de monitorear y controlar el proceso de perforación, los datos se utilizan para otros aspectos, que incluyen:

  • Información sobre el estado de la broca.
  • Registros de las formaciones geológicas  penetradas por el pozo
  • Creación de estadísticas de desempeño para identificar posibles mejoras
  • Análisis de riesgo para futuras perforaciones

La telemetría de pulsos de lodo es un sistema de transmisión de codificación binaria que se utiliza con líquidos. Esto se logra mediante una válvula que varía la presión del lodo de perforación dentro de la sarta de perforación y, por lo tanto, convierte los registros de los sensores montados en la cabeza de perforación en pulsos de presión. Las pulsaciones llegan a la superficie a través del lodo de perforación. Los pulsos de presión se miden en la superficie mediante un transmisor de presión y se convierten en una señal eléctrica. Esta señal se transmite a una computadora y se digitaliza.

STS proporciona a las empresas de perforación direccional costa afuera transmisores de presión analógicos optimizados para la telemetría de pulsos de lodo. Los sensores deben cumplir altas exigencias: deben ser extremadamente sensibles para registrar de forma fiable incluso las diferencias de presión más pequeñas. Al mismo tiempo, los sensores deben soportar presiones de hasta 1.000 bar. Se requieren presiones muy altas para accionar la cabeza de perforación en orificios de perforación muy profundos. Los transmisores de presión utilizados para la telemetría de pulsos de lodo en la superficie también están expuestos a estas fuerzas.

Además de la alta sensibilidad, se requieren tiempos de respuesta muy rápidos para garantizar una buena comunicación de datos en tiempo real. Para excluir resultados de medición falsificados, el instrumento de medición debe ser silencioso. Las bombas de lodo en particular pueden causar la mayor cantidad de ruido de señal en aplicaciones de perforación. El accionamiento del taladro es otra fuente de interferencia. Por esta razón, los  sensores analógicos con una señal de salida de 4 – 20 mA son la mejor solución para la telemetría de pulsos de lodo.

El equipo de prueba de fugas adecuado

El equipo de prueba de fugas adecuado

Muchas aplicaciones tienen componentes que deben ser absolutamente a prueba de fugas para garantizar un funcionamiento adecuado. Las pruebas de fugas se llevan a cabo comúnmente con transductores de presión que deben cumplir con altos requisitos.

Las aplicaciones y componentes que deben ser estancos son, entre otros:

  • Motores, sistemas de frenos, sistemas de aire acondicionado, culatas, válvulas, filtros, sistemas de inyección y combustible
  • Envasado en la industria alimentaria o tecnología médica
  • Aparatos eléctricos
  • Sistemas de refrigeracion
  • Sistemas hidraulicos

Los componentes que deben estar apretados generalmente se sellan antes de la instalación. Por lo tanto, el equipo utilizado para la prueba de fugas debe funcionar de manera muy confiable durante la producción.

Por lo general, la prueba de fugas se lleva a cabo mediante una medición de presión. Se aplica presión al componente. La presión se mide nuevamente después de un período de descanso. Si se ha producido una caída de presión entre ambas mediciones, se puede considerar que el componente tiene una fuga.

La función estable y precisa del sensor de presión utilizado para la prueba es crucial para la detección de fugas. En particular, los requisitos relativos a la estabilidad y los efectos adversos del ruido atmosférico son muy elevados. Incluso las pérdidas de presión mínimas deben detectarse de forma fiable.

Por ejemplo, los valores de precisión no deben exceder 10… 20 Pa o 0.001%… 0.002% de la escala completa para un sensor de 10 bar.

STS ha estado fabricando sensores de detección de fugas durante años, incluidos los transmisores de presión analógicos de la serie ATM con una señal de salida de 4… 20 mA.  El elemento de medición de alta precisión detecta incluso pérdidas de presión bajas en el rango de mbar y, por lo tanto, cumple con los altos requisitos de las aplicaciones de prueba de fugas.

El diseño mecánico (conexión a proceso y conexión eléctrica) no afecta el comportamiento del sensor y se puede configurar gracias al principio de diseño modular empleado por STS.

Los sensores de presión de la serie ATM están disponibles con diferentes señales de salida. En esta aplicación, sin embargo, es importante utilizar 4… 20 mA ya que esta robusta señal de salida no se ve afectada en gran medida por el ruido atmosférico.

Lea más sobre las pruebas de fugas aquí .

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