Medidor ultrasónico.
(F50)
(F51)
Donde:
Fd = frecuencia de la onda viajando aguas abajo (Hz).
Fu = frecuencia de la onda viajando aguas arriba (Hz).
C = velocidad del sonido (m/s).
L = distancia que recorre la onda desde un transductor al otro (m)
Restando las dos expresiones anteriores, se obtiene la expresión F52:
(F52)
Se observa entonces que la velocidad es directamente proporcional a la diferencia de frecuencias ya que la velocidad del sonido se cancela.
Es posible enviar un pulso sónico de un transductor a otro y obtener la velocidad del fluido en función del tiempo de tránsito, Δt, pero en este caso se llega a una expresión cuadrática de la velocidad del fluido (V), en función de la velocidad del sonido (C), con términos que contienen a C al cuadrado.
En consecuencia, los medidores de flujo ultrasónicos utilizan un esquema de frecuencia continua.
Para medir las frecuencias a las que viajan las ondas de sonido en el fluido, se utiliza un contador regresivo de frecuencia. Este es un dispositivo electrónico que cuenta la frecuencia de los pulsos de onda sónica que viajan aguas arriba en un lapso de tiempo y la frecuencia de los pulsos que viajan aguas abajo en un lapso de tiempo similar y luego efectúa la diferencia entre las dos frecuencias.
Existen varios tipos de medidores de flujo ultrasónicos por tiempo de tránsito:
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Medidor de transmisión axial: El flujo va paralelo a las ondas ultrasónicas.
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Medidor de doble rayo: Este puede ser de rayos cruzados o de rayos paralelos.
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Medidor de multirayo: Se utilizan varios transductores alineados con la circunferencia de la tubería.
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Medidor de rayo reflejado: Se utilizan dos transductores. Uno, actúa como un emisor enviando un rayo hacia la pared de la tubería donde se refleja y se dirige hacia el otro transductor, el cual actúa como receptor.
En la figura F35 se muestra el funcionamiento de los diferentes tipos de medidores ultrasónicos por tiempo de tránsito.
Figura F35. Medidores de flujo ultrasónicos por tiempo de tránsito
Existen dos tipos de transductores dependiendo de la instalación del cristal piezoeléctrico en la tubería.
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Transductor embebido, estos se instalan en la tubería y a ras de ella en contacto con el fluido, por lo cual son mojados por el fluido.
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Transductor grapado, montado por fuera de la tubería, y por lo cual la onda ultrasónica atraviesa la pared de ésta.
Ventajas relativas entre los transductores grapados y embebidos:
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Los transductores grapados son más fáciles de montar ya que no es necesario perforar la tubería mientras que en los transductores embebidos si se debe perforar la tubería.
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La medición de flujo con transductores embebidos es más exacta que con transductores grapados.
La razón es la siguiente: En el arreglo de transductor embebido se escoge (generalmente) un ángulo de transmisión de 45°, para utilizar la amplitud del vector velocidad a lo largo de la trayectoria del sonido. Para el arreglo de transductores grapados, el ángulo de transmisión es considerablemente mayor que para los transductores embebidos cuando la pared de la tubería es de acero. Por ejemplo, un ángulo de transmisión puede ser de 60 a 75° dependiendo del ángulo de refracción de la onda sónica entre el acero y el líquido. El cos75° es 0,259 en comparación con el coseno de 45° que vale 0,707 del ángulo de transmisión. Por lo tanto, la amplitud del vector velocidad es mayor para los transductores embebidos y la medición de flujo será más exacta.
Los medidores normalmente consisten de una caja con los componentes electrónicos, los transductores y una sección de tubería. Las opciones de diseño son:
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Un carrete con los transductores integrados. El fabricante monta los transductores sobre un carrete con bridas y usualmente calibra la unidad con las especificaciones del cliente. Con esto el carrete se constituye en una parte de la tubería y no es fácil adaptarlo a otro sistema existente.
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Transductores montados externamente a la tubería. Este diseño permite remover los transductores sin necesidad de interrumpir el flujo y puede ser calibrado por el fabricante una vez que el usuario defina el diámetro de la tubería, el espesor de la pared de la tubería, el tipo de fluido, el porcentaje de concentración de sólidos y la temperatura del fluido.
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Los transductores y el resto de los componentes vienen en partes separadas y el usuario los instala en la tubería. Este puede taladrar orificios en la tubería e introducir los transductores, los cuales se montarán con su base bien sea soldados o por cualquier otro medio apropiado.
En la figura F36 se muestran los tipos de montaje de los transductores ultrasónicos por tiempo de tránsito.
Figura F36. Montajes de los transductores ultrasónicos por tiempo de tránsito
Consideraciones de aplicación de los medidores por tiempo de tránsito:
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El carrete o sección de tubería debe estar siempre llena de líquido.
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Se debe obtener del fabricante la distancia mínima para codos, tees, válvulas, bombas y todo accesorio instalado cerca del medidor. Típicamente se requieren de 10 a 20 diámetros aguas arriba y 5 diámetros aguas abajo.
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El líquido debe estar relativamente libre de sólidos y burbujas de aire. Las burbujas en la corriente de flujo parecen causar más atenuación a la señal acústica que los sólidos. El medidor puede tolerar un pequeño porcentaje de sólidos pero solo una fracción muy pequeña de burbujas.
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Dependiendo del fluido del proceso, se debe seleccionar el material apropiado para el transductor a fin de evitar daños por acción química. También se deben considerar las limitaciones por temperatura del proceso.
Características de los medidores de flujo por tiempo de tránsito:
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Exactitud: La exactitud usualmente se expresa como un porcentaje del flujo. Típicamente, ésta es de 1 a 2,5% del flujo dependiendo del fabricante, la velocidad y el tamaño de tubería.
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Rangoabilidad de 20:1.
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Repetibilidad: Usualmente se expresa como un porcentaje del flujo, típicamente ésta es mejor de 0,5 % dependiendo del rango de velocidad y del fabricante.
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Salida: La salida es usualmente en corriente de 4 a 20 mA. En forma opcional, se puede obtener en voltaje, tren de pulsos u otro tipo de salida digital, dependiendo del fabricante.
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Dirección del flujo: Estos medidores son bidireccionales, es decir, pueden medir el flujo en las dos direcciones.
A fin de mejorar la exactitud para tamaños grandes de tubería, algunos fabricantes ofrecen medidores con dos, cuatro o más pares de transductores dispuestos en múltiples trayectorias acústicas.
Los medidores de flujo ultrasónicos miden la velocidad del flujo por la diferencia de velocidad del sonido, al propagarse éste en el sentido del flujo y en sentido contrario.
Los componentes básicos de un medidor ultrasónico de flujo son:
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La unidad sensora, compuesta por uno o más transductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción de las ondas ultrasónicas.
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La unidad electrónica, la cual realiza funciones de acondicionamiento de señales y calibración del instrumento.
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El herraje, constituido por varias piezas metálicas que sirven para fijar los transductores a la tubería.
Existen principalmente dos tipos de medidores de flujo ultrasónicos:
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El medidor por tiempo de tránsito.
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El medidor basado en el efecto Doppler.
Medidores ultrasónicos de tiempo tránsito
En este tipo de medidor se introduce una onda sónica en la trayectoria del fluido de tal forma que dicha onda viaje alternativamente en el sentido del flujo en una dirección y se refleje en el sentido contrario a la dirección del flujo.
La diferencia de tiempo de ir y venir de la onda es proporcional a la rata de flujo, debido a que la onda de sonido es frenada cuando viaja contra el flujo y acelerada cuando viaja en la dirección de éste.
Dicho de otra forma, la frecuencia de los pulsos sónicos viajando aguas abajo es mayor que la frecuencia de pulsos sónicos viajando aguas arriba, la diferencia entre las dos frecuencias es función directa de la velocidad del flujo y es independiente de la velocidad del sonido.
Este proceso está definido por las ecuaciones F50 y F51: