Flussometri a ultrasuoni, che sono un tipo di misuratore di portata volumetrico, sono sensori di flusso non intrusivi che utilizzano vibrazioni acustiche per misurare la portata di un liquido. Ne esistono di due tipi: Doppler e a tempo di transito.
I misuratori a ultrasuoni sono ideali per applicazioni automatizzate di acque reflue o qualsiasi liquido sporco che sia conduttivo o a base acquosa, ma generalmente non funzionano con acqua distillata o potabile. Questi flussimetri sono ideali anche per applicazioni in cui sono richiesti bassa caduta di pressione, compatibilità chimica e bassa manutenzione.
Nel 1842, Christian Doppler scoprì che un osservatore fermo percepisce un suono con lunghezze d'onda più corte man mano che la sua fonte si avvicina e con lunghezze d'onda più lunghe man mano che la sua fonte si allontana.
Questo fenomeno è noto come effetto Doppler e spiega perché si sente un aumento di tonalità nel clacson di un'auto in avvicinamento. In caso l'auto si allontani, la tonalità sembra diminuire. I flussometri a ultrasuoni sfruttano questo spostamento di frequenza nei cosiddetti liquidi sporchi contenenti discontinuità acustiche, ovvero particelle sospese, bolle di gas intrappolate o vortici di turbolenza.
Come funziona un misuratore di portata a ultrasuoni?
La tecnologia dei misuratori di portata a ultrasuoni è un metodo senza contatto per misurare la velocità di un fluido. Si tratta di dispositivi Clamp-on che si fissano all'esterno del tubo (e si adattano a tubi di varie dimensioni) e consentono di misurare liquidi corrosivi senza danneggiare il sensore a ultrasuoni. Sono disponibili flussometri a ultrasuoni portatili per facilitare l'applicazione industriale.
I due tipi di flussometri a ultrasuoni, Doppler e tempo di transito, funzionano ciascuno con due tecnologie diverse. Il flussometro a ultrasuoni Doppler deve avere particelle o bolle per riflettere i segnali ultrasonici. È necessario tenere in considerazione i limiti inferiori per le concentrazioni e le dimensioni dei solidi o delle bolle, e il liquido deve scorrere a una frequenza sufficientemente elevata da mantenere i solidi in sospensione.
In un tubo che contiene liquido in movimento con tali discontinuità, un impulso o un fascio ultrasonico viene riflesso da esse con una variazione di frequenza direttamente proporzionale alla portata del liquido. Pertanto, il flussometro a ultrasuoni calcola la portata del liquido dalla velocità delle discontinuità, piuttosto che dalla velocità del liquido.
Principi di funzionamento degli ultrasuoni
Il principio di funzionamento di base sfrutta lo spostamento di frequenza (effetto Doppler) di un segnale ultrasonico quando viene riflesso da particelle sospese o bolle di gas (discontinuità) in movimento. Questa tecnica di misurazione utilizza il fenomeno fisico di un'onda sonora che cambia frequenza quando viene riflessa da discontinuità in movimento in un liquido in flusso. Il suono degli ultrasuoni viene trasmesso in un tubo con liquidi in movimento e le discontinuità riflettono l'onda degli ultrasuoni con una frequenza leggermente diversa, direttamente proporzionale alla velocità di flusso del liquido. La tecnologia attuale richiede che il liquido contenga almeno 100 parti per milione (PPM) di particelle sospese o bolle di dimensioni pari o superiori a 100 micron.
Il flussometro a ultrasuoni Doppler funziona secondo il principio dell'effetto Doppler, che è il fenomeno fisico di una onda sonora che cambia frequenza. Nel caso dei flussometri a ultrasuoni, la frequenza di un segnale ultrasonico cambia (effetto Doppler) in proporzione diretta alla frequenza di flusso del liquido quando viene riflessa da particelle sospese o bolle di gas (discontinuità) in movimento.
In genere, un misuratore di portata Doppler a ultrasuoni è composto da un trasmettitore/indicatore/totalizzatore e da un trasduttore. L'utente seleziona una configurazione adeguata all'applicazione, tenendo conto del liquido, delle dimensioni e della concentrazione dei solidi o delle bolle, delle dimensioni del tubo e del rivestimento interno dello stesso. La soglia del segnale del trasmettitore di solito si regola per filtrare i rumori meccanici ed elettrici.
Un oscillatore ad alta frequenza nel trasmettitore aziona il trasduttore che, nel popolare design Clamp-on, viene montato all'esterno del tubo. Il trasduttore genera un segnale ultrasonico che attraversa la parete del tubo e raggiunge il liquido in movimento; il trasmettitore converte la differenza tra le frequenze di uscita e di ingresso in impulsi elettronici. Una volta elaborati, scalati e totalizzati, gli impulsi forniscono una misurazione della portata.
I flussometri a ultrasuoni che si agganciano all'esterno di un tubo funzionano in modo non invasivo, senza parti mobili. Non causano cadute di pressione, non rischiano di essere danneggiati dal liquido di processo e richiedono poca manutenzione. Se calibrati correttamente, possono avere una precisione del ±1%; tuttavia, la parete del tubo e lo spazio d'aria tra la parete e il liquido possono generare interferenze di segnale. Inoltre, la parete di un tubo in acciaio inossidabile potrebbe condurre il segnale trasmesso al punto che il segnale riflesso sembrerà subire uno spostamento significativo.
I flussometri a ultrasuoni a tempo di transito misurano la differenza di tempo tra il momento in cui un segnale ultrasonico viene trasmesso dal primo trasduttore e quello in cui viene ricevuto dal secondo trasduttore. Viene effettuato un confronto differenziale tra le misurazioni a monte e a valle. Se non c'è flusso, il tempo di percorrenza sarà lo stesso in entrambe le direzioni. Quando è presente un flusso, il suono si muove più velocemente se viaggia nella stessa direzione e più lentamente se si muove in direzione opposta.
Un terzo flussometro a ultrasuoni utilizza la correlazione incrociata tra coppie di trasduttori a monte e a valle per calcolare la portata. Alcuni flussimetri di questo tipo utilizzano microprocessori per passare automaticamente dalla modalità "pulita" a quella "sporca" in base a fattori di correlazione. Un singolo flussimetro ibrido a correlazione incrociata potrebbe, ad esempio, monitorare il flusso di fanghi attivati o digeriti. Applicazioni accuratamente progettate che utilizzano tali flussimetri hanno riportato una precisione installata entro lo 0,5% della lettura.
Choosing the Right Ultrasonic Flow Meter
I flussometri a ultrasuoni sono ideali anche per applicazioni che richiedono una bassa caduta di pressione e una manutenzione ridotta. Un flussometro a ultrasuoni è un flussometro volumetrico ideale per liquidi aerati come acque reflue o fanghi. I flussometri a ultrasuoni a tempo di transito sono ideali per applicazioni con liquidi puliti come acqua e olio.
Esistono tre tipi principali di flussometri a ultrasuoni. Fattori quali il tipo di uscita (analogica o digitale), le dimensioni del tubo, la temperatura minima e massima di processo, la pressione e la portata possono influire sulla scelta del misuratore di portata a ultrasuoni più adatto alla vostra applicazione.
Varianti di progettazione a ultrasuoni
I misuratori di portata a ultrasuoni clamp-on sono disponibili in versione a sensore singolo o doppio. Nella versione a sensore singolo, i cristalli di trasmissione e ricezione sono inseriti nello stesso corpo del sensore, che viene fissato su un unico punto della superficie del tubo. Per collegare il sensore al tubo tramite ultrasuoni viene utilizzato un composto di accoppiamento. Nella versione a doppio sensore, il cristallo di trasmissione si trova in un corpo del sensore, mentre il cristallo di ricezione si trova in un altro. I flussimetri Doppler Clamp-on sono soggetti a interferenze provenienti dalla parete del tubo stesso, nonché da qualsiasi spazio d'aria tra il sensore e la parete. Se la parete del tubo è in acciaio inossidabile, potrebbe condurre il segnale di trasmissione abbastanza lontano da spostare l'eco di ritorno in modo tale da interferire con la lettura. Esistono anche discontinuità acustiche intrinseche nei tubi in rame, rivestiti in cemento, rivestiti in plastica e rinforzati in fibra di vetro. Queste sono sufficientemente significative da disperdere completamente il segnale trasmesso o attenuare il segnale di ritorno. Ciò riduce drasticamente l'accuratezza del flussimetro (fino a solo ±20%) e, nella maggior parte dei casi, i flussimetri Clamp-on non funzionano affatto se il tubo è rivestito.
How to Install an Ultrasonic Flow Meter
Sia i flussometri Doppler che quelli a tempo di transito sono progettati per essere fissati all'esterno di un tubo senza interrompere la linea o il flusso. Ciò elimina anche le perdite di pressione e previene le perdite, comuni con i flussimetri in linea.
L'accuratezza di un flussometro a ultrasuoni dipende dal corretto montaggio. Grandi variazioni di temperatura nel tubo o vibrazioni significative possono influire sull'allineamento dei trasduttori e sull'accoppiamento acustico al tubo. Nella maggior parte dei casi, i flussometri a ultrasuoni non funzionano affatto se il tubo è rivestito con materiali come rame, cemento, plastica o fibra di vetro. Questi fattori devono essere presi in considerazione durante l'installazione. Inoltre, per fornire una portata volumetrica accurata, tutti i flussometri a ultrasuoni richiedono tubi pieni.
Applicazioni industriali degli ultrasuoni
I flussometri a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni industriali e sono ideali per molte applicazioni perché misurano la portata utilizzando il suono e sono non invasivi. Flussometri a ultrasuoni sono utilizzati principalmente nell'industria petrolifera e del gas. Sono utilizzati anche nell'industria chimica, farmaceutica, alimentare e delle bevande, metallurgica, mineraria, dell'industria cartaria e delle acque reflue.
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