Fundamentos de Medicion de Flujo con Ultrasonido

Principios de funcionamiento básicos Para detectar el flujo a través de una tubería, medidores de flujo ultrasónicos utilizan ondas acústicas o vibraciones de una frecuencia> 20 kHz. Dependiendo del diseño, utilizan transductores o bien mojadas o no húmedo en el perímetro tubo de aplicar energía ultrasónica con el fluido que circula por la tubería.

Figura 2.caudalímetros ultrasónicos Doppler operan en el efecto Doppler, en el que la frecuencia transmitida se altera linealmente al ser reflejada de partículas y burbujas en el fluido. El resultado neto es un desplazamiento de frecuencia entre las frecuencias de transmisión y recepción que puede estar directamente relacionado con la velocidad de flujo.

Medidores de flujo Doppler.                                                                         

Medidores de flujo Doppler se denominan así por el físico y matemático austríaco Johann Doppler cristiana (1803 - 1853), quien en 1842 predijo que las frecuencias de las ondas sonoras recibidas dependían del movimiento de la fuente u observador en relación con el medio de propagación. Para utilizar el efecto Doppler para medir el flujo en una tubería, un transductor transmite un haz de ultrasonidos de ~ 0,5 MHz en la corriente de flujo (véase la Figura 2). El líquido que fluye a través del tubo debe contener materiales sónicamente reflectantes tales como partículas sólidas o las burbujas de aire arrastradas. El movimiento de estos materiales altera la frecuencia del haz reflejado sobre un segundo transductor, recibiendo. El desplazamiento de frecuencia es linealmente proporcional a la velocidad del flujo de materiales en la tubería y por lo tanto se puede utilizar para desarrollar una señal proporcional analógica o digital a la velocidad de flujo.

Las ecuaciones básicas que definen el medidor de flujo Doppler son:                                                           

(1)

y por la ley de Snell:

(2)

Por lo tanto, a partir de las ecuaciones (1) y (2), tenemos:

​

(3)

dónde:

La ecuación (3) muestra claramente que la velocidad de flujo es una función lineal de desplazamiento de frecuencia Doppler. Ahora, debido a que el diámetro interior de la tubería, D, se conoce, la tasa de flujo volumétrico (por ejemplo, en galones por minuto) se puede medir utilizando la siguiente expresión:

(4)

dónde:

Un diseño metros Doppler se monta tanto en el transmisor y los transductores de recepción En el mismo caso, unidos a un lado de la tubería. Reflectores en el líquido que fluye devuelven las señales del transmisor al receptor, con un desplazamiento de frecuencia proporcional a la velocidad del flujo, como es el caso cuando los dos transductores están montados por separado en lados opuestos de la tubería.

Recientemente se ha desarrollado A, abrazadera Un conjunto de terminales de salida de 4-20 mA de corriente continua permite que la unidad para ser conectado a un registrador de banda o cualquier otro dispositivo remoto para la lectura y / o control.

Figura 3.medidores de flujo de tiempo de tránsito miden la diferencia en el tiempo de viaje entre los impulsos transmitidos en un solo camino a lo largo y en contra de la corriente. Se utilizan dos transductores, uno aguas arriba del otro. Cada uno actúa como un transmisor y receptor para el haz ultrasónico.

Indicadores de consumo de tiempo de tránsito.

Los medidores de tiempo de tránsito, como su nombre lo indica, miden la diferencia en el tiempo de viaje entre los impulsos transmitidos en la dirección de y en contra de la corriente. Este tipo de medidor también se denomina tiempo de vuelo y hora de viaje.

En el ejemplo mostrado en la figura 3, el haz sónico está en un ángulo de 45 °, con un transductor situado aguas arriba de la otra. Cada transductor transmite alternativamente y recibe ráfagas de energía ultrasónica; la diferencia en los tiempos de tránsito en el sentido ascendente vs. las direcciones aguas abajo (TU - TD) medida durante el mismo camino se puede utilizar para calcular el flujo a través de la tubería:

(5)

dónde:

Esta ecuación muestra que la velocidad de flujo de líquido es directamente proporcional a la diferencia meas Debido a que el área de sección transversal de la tubería es conocido, el producto de esa zona y la velocidad de flujo proporcionarán una medida del flujo volumétrico. Tales cálculos se realizan fácilmente por el convertidor basado en un microprocesador. Con este tipo de metro, partículas o burbujas de aire en la corriente de flujo no son deseables debido a que sus cualidades reflectantes interfieren con la transmisión y recepción de los impulsos ultrasónicos aplicados. El líquido, sin embargo, debe ser un conductor razonable de energía sónica.

Figura 4. Para las mediciones de una sola ruta con el medidor de flujo de tiempo de tránsito, hay tres métodos de montaje de los dos transductores, Z, V, y W. La elección está dictada por factores de instalación tales como el tamaño y la condición de la línea de tubería.

La Figura 4 muestra tres ubicaciones que pueden ser utilizados para los dos transductores. Todo se identifican como trayecto de medición sola ya que el haz sónico sigue una sola trayectoria, y en los tres los dos transductores están conectados por cable a un convertidor que puede dar salida a una señal de mA DC 4 La selección de una configuración sobre otra está dictada por varios factores asociados con la instalación, incluyendo tamaño de la tubería, el espacio disponible para el montaje de los transductores, Condición de las paredes del tubo interior, tipo de revestimiento, y de la naturaleza del líquido que fluye.

La configuración Z coloca los transductores en lados opuestos de la tubería, uno aguas abajo del otro. En general, la distancia es de aguas abajo ~ D / 2, donde D = diámetro de la tubería. El convertidor utiliza datos específicos sobre los parámetros de tuberías para calcular la distancia óptima. Se recomienda el método Z para su uso sólo en condiciones adversas tales como donde el espacio es limitado, el fluido tiene una alta turbidez (por ejemplo, las aguas residuales), hay un revestimiento de mortero, y cuando la tubería es vieja y una escala de espesor se ha acumulado en el dentro de la pared que tiende a debilitar las señales recibidas. No se recomienda para las tuberías más pequeñas, donde la precisión de la medición tiende a degradarse.

En la mayoría de las instalaciones, se recomienda el método V, con los dos transductores en el mismo lado de la tubería sobre un diámetro de la tubería de separación. La fijación de carril que se puede sujetar en la tubería facilita deslizante los transductores horizontalmente a lo largo de la tubería y ellos la colocación de la distancia calculada aparte.

El método W debe ser considerado en el tubo de 1 ½ pulg. Abajo a ½ pulg. De diámetro. Su principal limitación es un posible deterioro de la precisión debido a la acumulación de incrustaciones o depósitos en la tubería de pared Turbidez del líquido también podría ser perjudicial ya que la señal tiene una distancia más larga para viajar.

Medicion de caudal en canal abierto

Los medidores de flujo ultrasónicos se han utilizado con éxito para ciertas mediciones de flujo de canal abierto, conjuntamente con rebosaderos o canales de flujo de aguas abajo. El transductor está instalado por encima del canal, radiante impulsos hacia abajo en la superficie del líquido en el canal. Los impulsos son reflejados de vuelta al transductor y el tiempo de viaje se pueden relacionar con la altura del líquido en el canal. Esencialmente, esta es una aplicación de un detector de nivel ultrasónico. Al relacionar el nivel del canal con la velocidad de flujo en el vertedero o canal de flujo, el sistema de medición puede proporcionar un volumétrica meas

Notas de aplicación

Es esencial seguir cuidadosamente las instrucciones de uso del fabricante. Los primeros problemas con los caudalímetros ultrasónicos eran quizás debido, al menos en parte, a los usuarios no entender la importancia de ciertos aspectos fundamentales tales como el montaje correcto de los transductores en la tubería. El acoplamiento acústico a la tubería y la alineación relativa de los transductores debe ser retenido a pesar de eventos tales como un gran cambio en la temperatura de la tubería o vibración inusual.

Tanto para los medidores de flujo Doppler y de tiempo de tránsito para indicar caudal volumétrico cierto, la tubería debe estar siempre lleno. Un medidor de Doppler en un tubo parcialmente lleno, sin embargo, continuará para indicar la velocidad de flujo, siempre y cuando los transductores están ambos montados por debajo del nivel de líquido en la tubería.

La mayoría de los fabricantes especifican la distancia mínima que el medidor debe ser de válvulas, T, codos, bombas, y similares, tanto aguas arriba y aguas abajo. Esto se expresa generalmente en diámetros de tubo y por lo general debe ser de 10 - 20 diámetros aguas arriba y 5 diámetros aguas abajo.

metros de tiempo de tránsito se basan en de una señal ultrasónica completamente atravesando la tubería, por lo que la vía de acceso debe estar relativamente libre de sólidos y las burbujas de aire o de gas. Burbujas en particular, tienden a atenuar las señales acústicas, un problema que se ha tratado en algunas unidades, como el mostrado en la Figura 1. circuitería electrónica de la unidad utiliza un Fourier patentada transformar técnica para proporcionar lo que se denomina una medición antiburbuja avanzada.

Doppler metros, por el contrario, se basan en los reflectores en el líquido que fluye. Para obtener mediciones fiables, por lo tanto, se debe prestar atención a los límites más bajos para las concentraciones y tamaños de sólidos o burbujas. El flujo también debe ser lo suficientemente rápido para mantener estos materiales en suspensión. Un fabricante da como típica de los valores de 6 pies / s (1,8 m / s) para los sólidos y 2,5 pies / s (0,75 m / s) para las pequeñas burbujas.

En los últimos años, algunos proveedores de medidores Doppler han introducido modelos que operan a frecuencias> 1 MHz. La demanda de tales unidades es que van a operar en líquidos virtualmente limpios porque reflexiones se producen fuera de los remolinos y remolinos del líquido que fluye. Una nota de advertencia ha sonado, sin embargo, asesorar a los posibles usuarios para limitar la técnica a bajas concentraciones de burbujas y partículas.

Debido a que en el funcionamiento de los caudalímetros ultrasónicos la energía para la medición pasa a través de sólo una parte del líquido medido, el número de Reynolds, que puede ser pensado como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas en una corriente de flujo, afecta al rendimiento de la metro . Por ejemplo, para llevar a cabo dentro de sus especificaciones establecidas, algunos metros Doppler y un tipo de medidor de tiempo de tránsito requieren un número mínimo de Reynolds de 4000 y 10.000, respectivamente. Una vez más, por las limitaciones de instrucciones del fabricante debe guiar al usuario.

Abrazadera Como regla general, la relación de diámetro de la tubería a la pared espesor debe ser> 10: 1; es decir, un 10 en. tubería no debe tener un espesor de pared> 1 en.

Cuando se trata de los límites de exactitud de los caudalímetros ultrasónicos todavía no hay una gran cantidad de datos de prueba independientes para confirmar o refutar las afirmaciones hechas por varios fabricantes. A medida que el uso de estos medidores se hace más generalizada, se puede esperar que la disponibilidad de datos de apoyo será igual que en los medidores de orificio, con el apoyo de una gran cantidad de datos y normas de ensayo.

Ambos tipos de medidores ultrasónicos están encontrando nuevas aplicaciones. Una organización de investigación de mercado ha determinado que las aplicaciones del medidor de tiempo de tránsito están aumentando a un ritmo más rápido que son Doppler. En la actualidad, las instalaciones se dividen aproximadamente 60/40 a favor de los tipos de tránsito. Los avances en la tecnología, sin embargo, pueden afectar en gran medida la imagen y sólo el tiempo dirá.

 


Aldo Zaffalon
Aldo Zaffalon

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