Los medidores de flujo ultrasónicos, que son un tipo de medidor de flujo volumétrico, son sensores de flujo no intrusivos que utilizan vibraciones acústicas para medir el caudal de un líquido. Hay dos tipos: Doppler y tiempo de tránsito ultrasónico de caudalímetros.
Los medidores ultrasónicos son ideales para aplicaciones automatizadas de aguas residuales o cualquier líquido contaminado que sea conductor o a base de agua, pero por lo general no funcionan con agua destilada o agua potable. Estos caudalímetros también son ideales para aplicaciones en las que se requieren baja caída de presión, compatibilidad química y bajo mantenimiento.
En 1842, Christian Doppler descubrió que un observador estacionario percibe un sonido con longitudes de onda más cortas a medida que su fuente se acerca, y con longitudes de onda más largas a medida que su fuente se aleja.
Esto se conoce como el efecto Doppler y explica por qué se oye un tono ascendente en la bocina de un coche que se aproxima. Cuando el coche se aleja, el tono parece descender. Los caudalímetros Doppler ultrasónicos aprovechan este cambio de frecuencia en los llamados líquidos contaminados que contienen discontinuidades acústicas, como partículas en suspensión, burbujas de gas arrastradas o vórtices de turbulencia.
¿Cómo funciona un medidor de flujo ultrasónico?
La tecnología de los medidores de flujo ultrasónicos es un medio sin contacto para medir la velocidad de un fluido. Son dispositivos de pinza que se fijan al exterior de la tubería (y se adaptan a una variedad de tamaños de tuberías) y habilitan la medición de líquidos corrosivos sin dañar el sensor ultrasónico. Los medidores de flujo ultrasónicos portátiles están disponibles para facilitar su aplicación industrial.
Los dos tipos de caudalímetros ultrasónicos, Doppler y tiempo de tránsito, funcionan mediante dos tecnologías diferentes. El medidor de flujo ultrasónico Doppler debe tener partículas o burbujas para reflejar las señales ultrasónicas. Se deben tener en cuenta los límites inferiores de concentración y tamaño de los sólidos o burbujas, y el líquido debe fluir a una tasa lo suficientemente alta como para mantener los sólidos en suspensión.
Cuando se transmite a una tubería que contiene líquido en movimiento con tales discontinuidades, un pulso o haz ultrasónico se refleja en ellas con un cambio de frecuencia que es directamente proporcional a la velocidad de flujo del líquido. Por lo tanto, el medidor de flujo Doppler ultrasónico calcula la velocidad de flujo del líquido a partir de la velocidad de las discontinuidades, en lugar de la velocidad del líquido.
Principios de funcionamiento ultrasónico
El principio básico de funcionamiento emplea el cambio de frecuencia (efecto Doppler) de una señal ultrasónica cuando se refleja en partículas suspendidas o burbujas de gas (discontinuidades) en movimiento. Esta técnica de medición utiliza el fenómeno físico de una onda sonora que cambia de frecuencia cuando se refleja en discontinuidades en movimiento en un líquido que fluye. El sonido ultrasónico se transmite a una tubería con líquidos en movimiento, y las discontinuidades reflejan la onda ultrasónica con una frecuencia ligeramente diferente que es directamente proporcional a la tasa de flujo del líquido. La tecnología actual requiere que el líquido contenga al menos 100 partes por millón (PPM) de partículas o burbujas suspendidas de 100 micras o más.
El medidor de flujo ultrasónico Doppler funciona según el principio del efecto Doppler, que es el fenómeno físico por el cual una onda sonora cambia de frecuencia. En el caso de los medidores de flujo ultrasónicos, la frecuencia de una señal ultrasónica cambia (efecto Doppler) en proporción directa a la tasa de flujo del líquido cuando se refleja en partículas en suspensión o burbujas de gas (discontinuidades) en movimiento.
Normalmente, un caudalímetro Doppler ultrasónico consta de un transmisor/indicador/totalizador y un transductor. El usuario selecciona una configuración adecuada para la aplicación, teniendo en cuenta el líquido, el tamaño y la concentración de sólidos o burbujas, las dimensiones de la tubería y el revestimiento de la misma. El umbral de señal del transmisor suele ajustarse para filtrar el ruido mecánico y eléctrico.
Un oscilador de alta frecuencia en el transmisor acciona el transductor, que, en el popular diseño de pinza, se monta en el exterior de la tubería. El transductor genera una señal ultrasónica que atraviesa la pared de la tubería y llega al líquido que fluye; el transmisor convierte la diferencia entre sus frecuencias de salida y entrada en impulsos electrónicos. Una vez procesados, escalados y totalizados, los impulsos proporcionan una medición del caudal.
Los caudalímetros ultrasónicos Doppler que se fijan al exterior de una tubería funcionan de forma no invasiva, sin piezas móviles. No provocan caídas de presión, no corren el riesgo de sufrir daños por el líquido del proceso y requieren poco mantenimiento. Si se calibran correctamente, pueden tener una precisión del ±1 %; sin embargo, la pared de la tubería y cualquier espacio de aire entre la pared y el líquido pueden generar interferencias en la señal. Además, la pared de una tubería de acero inoxidable puede conducir la señal transmitida hasta el punto de que la señal reflejada parezca sufrir un cambio importante.
Los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito miden la diferencia de tiempo entre el momento en que se transmite una señal ultrasónica desde el primer transductor y el momento en que la recibe el segundo transductor. Se realiza una comparación diferencial de las mediciones aguas arriba y aguas abajo. Si no hay flujo, el tiempo de recorrido será el mismo en ambas direcciones. Cuando hay flujo, el sonido se mueve más rápido si viaja en la misma dirección y más lento si se mueve en dirección contraria.
Un tercer caudalímetro ultrasónico emplea la correlación cruzada entre pares de transductores aguas arriba y aguas abajo para calcular el flujo. Algunos caudalímetros de este diseño utilizan microprocesadores para cambiar automáticamente entre los modos «limpio» y «contaminado» en función de factores de correlación. Un solo caudalímetro híbrido de correlación cruzada podría, por ejemplo, supervisar el flujo de lodos activados o digeridos. Las aplicaciones cuidadosamente diseñadas que utilizan estos caudalímetros han registrado una precisión instalada dentro del 0,5 % de la lectura.
Elegir el medidor de flujo ultrasónico adecuado
Los medidores de flujo ultrasónicos también son ideales para aplicaciones en las que se necesita una baja caída de presión y se requiere poco mantenimiento. Un medidor de flujo Doppler ultrasónico es un medidor de flujo volumétrico ideal para líquidos aireados, como aguas residuales o lodos. Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito son ideales para aplicaciones con líquidos limpios, como agua y aceite.
Existen tres tipos principales de medidores de flujo ultrasónicos. Factores como el tipo de salida (analógica o digital), el tamaño de la tubería, la temperatura mínima y máxima del proceso, la presión y el caudal pueden influir en la elección del medidor de flujo ultrasónico adecuado para su aplicación.
Variaciones en el diseño ultrasónico
Los medidores de flujo ultrasónicos con abrazadera están disponibles en versiones de sensor único o doble. En la versión de un solo sensor, los cristales de transmisión y recepción están encapsulados en el mismo cuerpo del sensor, que se fija en un solo punto de la superficie del tubo. Se utiliza un compuesto de acoplamiento para conectar ultrasónicamente el sensor al tubo. En la versión de doble sensor, el cristal de transmisión se encuentra en un cuerpo del sensor, mientras que el cristal de recepción se encuentra en otro. Los caudalímetros de flujo Doppler con pinza están sujetos a interferencias de la propia pared de la tubería, así como de cualquier espacio de aire entre el sensor y la pared. Si la pared de la tubería es de acero inoxidable, podría conducir la señal de transmisión lo suficientemente lejos como para que el eco de retorno se desplace lo suficiente como para interferir en la lectura. También hay discontinuidades acústicas incorporadas en tubos de cobre, revestidos de hormigón, revestidos de plástico y reforzados con fibra de vidrio. Estas son lo suficientemente significativas como para dispersar completamente la señal transmitida o atenuar la señal de retorno. Esto reduce drásticamente la precisión del caudalímetro (a solo ±20 %) y, en la mayoría de los casos, los medidores de pinza no funcionarán en absoluto si el tubo está revestido.
Cómo instalar un medidor de flujo ultrasónico
Tanto los medidores de flujo Doppler como los de tiempo de tránsito están diseñados para fijarse al exterior de una tubería sin romper la línea ni interrumpir el flujo. Esto también elimina las pérdidas de presión y evita las fugas, algo habitual con los medidores de flujo en línea.
La precisión de un medidor de flujo ultrasónico depende del montaje adecuado. Los grandes cambios de temperatura en la tubería o una cantidad significativa de vibraciones pueden afectar a la alineación de los transductores y al acoplamiento acústico con la tubería. En la mayoría de los casos, los caudalímetros ultrasónicos no funcionarán en absoluto si la tubería está revestida con materiales como cobre, hormigón, plástico o fibra de vidrio. Estos factores deben tenerse en cuenta durante la instalación. Además, para proporcionar un caudal volumétrico preciso, todos los caudalímetros ultrasónicos requieren tuberías llenas.
Aplicaciones industriales de los ultrasonidos
Los caudalímetros ultrasónicos se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones industriales, y son ideales para muchas aplicaciones porque miden el flujo utilizando el sonido y no son invasivos. Los caudalímetros ultrasónicos se utilizan principalmente en las industrias del petróleo y el gas. También se utilizan en las industrias química, farmacéutica, de alimentos y bebidas, metalúrgica, minera, de la pasta y el papel y de aguas residuales.
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