Medidores de flujo ultrasónicos

Los medidores de este tipo utilizan sensores que se fijan al exterior de la tubería, es decir, que no se introducen en ella, lo cual los hace particularmente útiles para medir flujos multifásicos.

En otras palabras estos medidores utilizan unas sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa hecha de cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensión, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, esta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica.

El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que además necesita alimentación eléctrica.

Existen dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:

·         DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido. Tiene preferencia para fluidos sucios, como el fango y otros, que inhiben la transmisión de la señal ultrasónica. La onda de presión ultrasónica no atraviesa por completo la pared opuesta de la tubería. En vez de ello, se refleja en las partículas que hay en el fluido y regresa al receptor.

El principio Doppler establece que se produce un cambio en la frecuencia o longitud de onda cuando existe un movimiento relativo entre el transmisor y el receptor. En el medidor Doppler el movimiento relativo de las partículas en suspensión que posee el fluido, tienden a comprimir el sonido en una longitud de onda más corta (mayor frecuencia). Esta nueva frecuencia se mide en el elemento receptor y se compara electrónicamente con la frecuencia emitida.

 El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del flujo en la tubería. El medidor Doppler Clásico requiere un máximo de 25 ppm de sólidos suspendidos en la corriente del fluido, o burbujas de por lo menos 30 micrones. La exactitud de estos medidores generalmente es de 2% a 5% del valor medido. Debido a que las ondas ultrasónicas pierden energía cuando se transmiten a través de la pared de la tubería, estos medidores no deben ser utilizados con materiales como concretos que impiden que la onda atraviese la pared de la tubería.

·         TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido. Los transductores pueden estar incorporados en un tramo recto de tubería, o pueden colocarse exteriormente sobre la tubería existente. Este tipo de medidor se utiliza principalmente en fluidos limpios ya que es recomendable que el fluido libre de partículas que pueden producir la dispersión de las ondas de sonido. La exactitud de estos medidores está entre 1% y 5% del flujo. Burbujas de aire o turbulencia en la corriente de fluido, causada por conexiones o accesorios aguas arriba, pueden dispersar las ondas de sonido provocando inexactitud en la medición.

La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido. Tendremos dos señales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores.

Se puede hallar una relación diferencial del flujo con el tiempo transmitiendo la señal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las señales en viajar por el flujo.

Podemos mencionar ciertas características de este medidor de flujo:

·         Temperatura ambiente 0º, 55º

·         Temperatura de almacenamiento -20º, 150º

·         Humedad menor a 80%

·         Temperatura del líquido 20º, 150º

·         Máxima presión de conexión 25 bar

·         Las medidas no se ven afectadas por la presencia de sustancias químicas, partículas contaminantes

·         Tienen un alto rango dinámico

·         Diseño compacto y pequeño tamaño

·         Costes de instalación y mantenimiento pequeños

·         Las medidas son independientes de la presión y del líquido a medir

·         No se producen pérdidas de presión debido al medidor

·         No hay riesgos de corrosión en un medio agresivo

·         Aunque el precio no es bajo, sale rentable para aplicaciones en las que se necesite gran sensibilidad (flujos corporales) o en sistemas de alta presión.

·         Operan en un gran rango de temperaturas (-10º a 70º) (-30º a 180º) dependiendo del sensor y se ofrece la posibilidad de comprar sensores con características especiales para aplicaciones concretas

·         Las medidas son no invasivas (especialmente importantes cuando hablamos del cuerpo humano)

·         Ofrecen una alta fiabilidad y eficiencia

Este medidor de flujo hace referencia a las ondas sonoras a frecuencias más altas que las que quedan dentro del alcance del oído humano, es decir, a frecuencias superiores a los 18 Khz aproximadamente. Las fugas de agua generalmente se encuentran entre 120-800 hz.

Las ondas ultrasónicas obedecen a las mismas leyes básicas del movimiento ondulatorio de las ondas sonoras de frecuencias más bajas, sin embargo, tienen las siguientes ventajas.

Las ondas de frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, lo cual significa que la difracción en torno a un obstáculo de dimensiones determinadas se reduce en forma correspondiente. Por lo tanto es más fácil dirigir y enfocar un haz de ultrasonido.

Las ondas ultrasónicas pueden atravesar sin dificultad las paredes metálicas de tubo y recipientes. Esto quiere decir que el sistema de medición entero puede montarse por ejemplo en el exterior de un fluido, es decir, es no invasor. Esto es muy importante con fluidos hostiles, o sea, aquellos con propiedades corrosivas, radioactivas, explosivas o inflamables. Tampoco existe la posibilidad de que ocurra obstrucción con fluidos sucios o pastas aguadas.

El ultrasonido puede emitirse y propagarse a través del tejido biológico, lo que lo hace idóneo para aplicaciones de bioingeniería

Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo están basados en el principio de que el tiempo de tránsito de una señal acústica a lo largo de una trayectoria conocida es constante y solo puede ser alterado por la velocidad del fluido en que se desplaza.

Los medidores acústicos de flujo fueron desarrollados con base en dos principios:

• El tiempo de tránsito de una señal acústica es mayor en dirección agua arriba que en dirección aguas abajo
• Que estos tiempos de tránsito pueden ser medidos con precisión

Los medidores de flujo ultrasónico de tiempo en tránsito son instrumentos cuyo objetivo es la medición del caudal a través de la cuantificación de la velocidad de flujo. Se trata de un medidor indirecto del caudal y puede aplicarse tanto en conductos libres como a presión utilizando diferentes accesorios. Sin embargo, los equipos ultrasónicos se aplican principalmente en conductos bajo presión, aunque existen variantes para ser utilizados en superficie libre.

El equipo ultrasónico es sencillo y práctico, debido a que su instalación es sencilla y se puede aplicar en cualquier punto del sistema hidráulico, además, permite medir el flujo sin tener que detener la operación de la línea.

Mencionamos algunas principales ventajas de los medidores ultrasónicos:

• Son fáciles de transportar.
• Su instalación es rápida y sencilla.
• Se instalan en cualquier tipo de tubería.
• Son equipos de alta precisión, independientemente del perfil de velocidad, magnitud del flujo y temperatura del fluido.
• Son bidireccionales, capaces de medir el flujo en ambas direcciones.
• Son no-intrusivos, por lo que los transductores no deben estar en contacto con el flujo.
• La calibración de campo generalmente no es necesaria.
• Su costo es casi independiente del tamaño del conducto donde se instale.
• El equipo no utiliza pares móviles y es muy fácil de utilizar.

En el siguiente video se muestra el principio de este tipo de medidor: