Medidor ultrasónico por efecto Doppler.
Figura F37. Caudalímetro Doppler grapado a la tubería
Diseño de los medidores por efecto Doppler
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Diseño de un transductor: Tanto el cristal emisor como el de recepción están contenidos en un solo transductor el cual se monta exterior a la tubería. Aquí la alineación de los cristales es controlada por el fabricante.
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Diseño de transductores duales: El cristal del emisor y el cristal del receptor se montan separadamente, exterior a la tubería. Aquí la alineación se mantiene por un ensamblaje entre los transductores, tal como se muestra en la figura F38.
(F53)
Donde:
Qv: Flujo (m^3/s).
Δf: variación de frecuencia (1/s).
K: Constante que depende del Angulo de incidencia/reflexión, posición de la partícula reflejante, sección transversal, entre otros.
Esto implica que para minimizar el error en la indicación de flujo volumétrico, el diámetro de la tubería debe ser cuidadosamente medido.
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Repetibilidad: La repetibilidad es típicamente del orden del 1% dependiendo de la velocidad, el diámetro de la tubería y las condiciones del proceso.
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Rangoabilidad de 20:1.
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Dirección del flujo: estos son medidores bidireccionales ya que miden el flujo en una u otra dirección, pero solamente miden la magnitud del flujo y no la dirección.
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Integradores de flujo: Se dispone de integradores, en forma opcional, los cuales integran el flujo para obtener el volumen consumido.
Aplicaciones
Los caudalímetros ultrasónicos son versátiles. Permiten medir gases, vapor y líquidos.
Diferencias básicas entre el medidor por efecto Doppler y el medidor por tiempo de tránsito.
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En un medidor de flujo por efecto Doppler tipo grapado, el transductor transmite una onda ultrasónica continua a través de la pared de la tubería y dentro del fluido, en contraste con el medidor por tiempo de tránsito en el cual se transmiten pulsos discretos aguas arriba y aguas abajo en una secuencia de tiempo.
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El ángulo de transmisión, para el caso de los medidores por efecto Doppler es menos crítico que el ángulo de transmisión para el caso de los medidores por tiempo de tránsito.
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Para que el medidor Doppler opere bien, requiere suficientes partículas o burbujas para reflejar las señales hacia el sensor. La mínima cantidad de partículas debe ser de 0,005% a 0,1% del volumen dependiendo del fluido y del tipo de partículas presentes. En cambio en el medidor de tiempo de tránsito, el fluido debe ser limpio.
Cuando un haz ultrasónico se proyecta en un líquido homogéneo, parte de la energía acústica regresa de nuevo al transductor. Dado que el fluido está en movimiento relativo al transductor fijo, la transmisión de la onda sónica que se mueve por el fluido es recibida por el transductor a una frecuencia diferente de la que fue enviada. Esta diferencia de frecuencia se conoce como frecuencia de corrimiento Doppler y la diferencia entre la frecuencia enviada y la recibida es directamente proporcional a la velocidad de flujo.
La configuración del medidor de flujo por efecto Doppler más común es la grapada a la tubería, como se muestra en la figura F37. La principal ventaja de este tipo de configuración es que los transductores se pueden instalar o remover sin causar disturbios en el proceso. Se puede utilizar un solo receptor/transductor o un receptor dual en el mismo lado de la tubería o en lados opuestos.
Figura F38. Montaje y alineación de transductores duales
Consideraciones de aplicación de los medidores por efecto Doppler
A fin de obtener una indicación apropiada del flujo volumétrico, se deben cumplir los siguientes requisitos:
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La tubería debe estar siempre llena. Sin embargo, un Doppler puede indicar la velocidad en una tubería parcialmente llena siempre y cuando el transductor esté montado por debajo del líquido en la tubería
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Se pueden emplear con diámetros nominales muy pequeños.
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Un medidor de flujo tipo Doppler requiere de burbujas o partículas en la corriente de flujo para reflejar la energía ultrasónica. Muchos fabricantes especifican el límite más bajo de la concentración y el tamaño mínimo de los sólidos y burbujas en el líquido para poder realizar una operación precisa.
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El flujo debe ser suficientemente rápido para mantener los sólidos en suspensión, típicamente 6 pies/seg (1,8 m/seg) mínimo para sólidos y 2,5 pies/seg (0,75 m/seg) para burbujas pequeñas.
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En tuberías horizontales, el mejor lugar para localizar el transductor alrededor de la tubería no es especificado para todas las aplicaciones. El usuario deberá confiar en las pruebas hechas por el fabricante.
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Dado que la energía no necesita atravesar la tubería completa, el Doppler con un solo transductor puede trabajar con gran variación y altos niveles de concentración de sólidos. En el Doppler con dos transductores, la energía ultrasónica debe atravesar la tubería, luego pueden ocurrir algunos efectos sobre el medidor debidos a grandes variaciones y alto nivel de concentración de sólidos.
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El Doppler funciona independientemente del material de la tubería siempre que ésta sea sónicamente conductiva.
Características de los medidores de flujo por efecto Doppler
El valor del flujo viene dado por la expresión F53: