Comprensión de los medidores de flujo ultrasónicos y su principio de funcionamiento en la medición del flujo de agua

La medición de la tasa de flujo implica la determinación de la cantidad de fluido que pasa a través de un área de superficie específica de un recipiente en un momento particular. Como todas las formas de medición, tiene aplicaciones de la vida diaria que van desde su uso en el monitoreo del consumo de agua y gas para la estimación de facturas hasta aplicaciones industriales más críticas (por ejemplo, mezcla a gran escala de múltiples productos químicos) donde la medición del caudal juega un papel clave en el mantenimiento de la calidad del proceso / producto.

Para determinar la tasa de flujo, se emplean tipos especiales de medidores denominados medidores de flujo. Hay muchos tipos diferentes de caudalímetros, debido a los diversos requisitos en la medición de caudal (lineal / no lineal, masa / caudal volumétrico, etc.). Los medidores varían entre sí en función de diferentes factores que incluyen; la técnica de medición que aplican, los parámetros de flujo específicos que monitorean, el volumen de fluido que pueden rastrear y sus atributos físicos, por mencionar algunos. El YFS201 es un sensor de flujo de agua popular, que hemos utilizado anteriormente para medir el flujo de agua usando Arduino y la tasa de flujo calculada y el volumen disperso.

Algunos de los tipos / categorías de medidores de flujo incluyen; Medidores de flujo de turbina, vórtice, masa térmica, magnético, engranaje ovalado, rueda de paletas, Coriolis, flujo másico, flujo bajo y ultrasónico, que son el tema central de este artículo. Los medidores de flujo ultrasónicos proporcionan un medio no invasivo y muy confiable para determinar la cantidad de fluido que fluye a través de un recipiente y han encontrado aplicaciones en diferentes industrias, desde petróleo y gas hasta proveedores de servicios públicos.

Para este artículo, analizaremos todo lo relacionado con el medidor de flujo ultrasónico, cómo funcionan, ventajas y desventajas.

El medidor de flujo ultrasónico

Como su nombre lo indica, el caudalímetro ultrasónico, uno de los caudalímetros más utilizados, es un dispositivo no intrusivo que calcula el caudal volumétrico de fluido midiendo su velocidad con ultrasonido. Puede medir el flujo de fluido en prácticamente cualquier fluido donde las ondas sonoras puedan transmitir. Este tipo de medidor de flujo generalmente se considera como "híbrido", ya que puede usar el principio Doppler o el método del tiempo de tránsito para medir el flujo; discutiremos ambos principios más adelante en este artículo. Tenga en cuenta que estos medidores de flujo también se denominan medidor de flujo Doppler si funcionan utilizando el principio Doppler.

Los medidores de flujo ultrasónicos son ideales para aplicaciones de agua donde se requiere baja caída de presión, bajo mantenimiento y compatibilidad química. Por lo general, no funcionan con agua potable o destilada, pero son aptas para aplicaciones de aguas residuales o líquidos conductores sucios. Se utilizan con líquidos abrasivos y corrosivos, ya que no obstruyen el flujo de líquido por las tuberías.

Principio de funcionamiento del medidor de flujo ultrasónico

Los medidores de flujo ultrasónicos utilizan los principios del eco y la variación en la velocidad del sonido a través de diferentes medios para medir el flujo. Los medidores suelen contener dos transductores ultrasónicos, uno que actúa como transmisor y el otro como receptor. Los dos transductores podrían montarse uno al lado del otro o en un ángulo entre sí en lados opuestos del recipiente. El transductor transmisor emite pulsos de sonido desde la superficie del sensor al fluido y es recibido por el transductor designado como receptor. El tiempo que tarda el pulso de sonido en viajar desde el transmisor al receptor, conocido como tiempo de tránsito, se estima y se utiliza para determinar el caudal y otros parámetros.

Para la segunda configuración, con el transmisor y el receptor colocados uno al lado del otro, el transmisor emite el pulso de sonido mientras que el receptor monitorea el tiempo que tarda en recibir un eco de la transmisión.

Independientemente de la configuración del sensor, la medición con diferencia de tiempo de tránsito se basa en el hecho de que; Las ondas de sonido que se propagan en la dirección del flujo del medio se mueven más rápidamente que las ondas que se propagan en la dirección del flujo del medio. Por tanto, la diferencia en el tiempo de tránsito es directamente proporcional a la velocidad de flujo del medio y este principio se utiliza para medir con precisión el volumen de gases y líquidos y también para derivar densidad y viscosidad.

Si bien los dos métodos anteriores son los que se utilizan con mucha frecuencia, los diferentes caudalímetros ultrasónicos utilizan una versión modificada de este, según el tipo de líquido y la medición a realizar. La siguiente imagen del medidor de agua ultrasónico ilustra cómo los transductores aguas arriba y aguas abajo se colocan dentro de una tubería de sensor junto con algunos reflectores para un diseño de medidor de flujo de agua. La configuración de hardware real del mismo también se muestra con ambos transductores marcados.

Calcular la tasa de flujo usando sensores de flujo ultrasónicos

Para obtener una comprensión más clara de los aspectos técnicos detrás de esto, considere la imagen a continuación que presenta la primera configuración con los transductores del transmisor (TA) y del receptor (TB) montados en un ángulo opuesto entre sí;

Deje que el tiempo que tarda una onda acústica en viajar desde el transmisor al receptor, es decir, en la dirección de flujo del medio sea T _{A –B}, y el tiempo que tarda en moverse desde el transductor receptor al transductor transmisor, es decir, contra la dirección del flujo T _{B –A}.

La diferencia en los dos tiempos de tránsito es directamente proporcional a la velocidad de flujo promedio, v _m del medio, es decir;

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Ecuación 1

Dado que el tiempo de tránsito de la señal es la distancia entre el transductor de transmisión y el transmisor de recepción dividida por la velocidad que la señal acústica necesita para viajar de un transductor a otro, tenemos

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Ecuación 2

Y;

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Ecuación 3

Las ecuaciones 2 y 3 definen el caudal entre el transductor A aguas arriba y el transductor B aguas abajo. dónde;

v = velocidad de flujo del medio, L = longitud de la trayectoria acústica, c = velocidad del sonido en el medio, y alfa “α” es el ángulo de la tubería en el que el sonido ultrasónico viaja desde el transmisor al receptor.

Suponiendo que la velocidad del sonido en el medio es constante (es decir, sin cambios en parámetros como la densidad del fluido, la temperatura, etc.) tenemos;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

multiplicando la velocidad promedio por el área de la sección transversal de la tubería, obtenemos el caudal, Q como;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

El área de la sección transversal de la tubería es constante para un medidor de flujo ultrasónico en línea con el diámetro D.

La implementación de estas ecuaciones sin variables como densidad, temperatura, presión, velocidad del sonido y otras características definidas por fluidos / medios, muestra las razones detrás de la versatilidad y precisión de los caudalímetros ultrasónicos.

Ventajas / Importancia de los medidores ultrasónicos

Las principales ventajas de los medidores de flujo ultrasónicos tienen que ser su naturaleza no invasiva y su capacidad para trabajar con cualquier tipo de fluido (ya que la densidad y la velocidad del sonido en los fluidos no importan). Diversas sustancias (incluidos productos químicos, disolventes, aceites, etc.) con diferentes propiedades son transportadas y distribuidas por sistemas de tuberías todos los días con la necesidad de controlar su flujo. La naturaleza no invasiva de los medidores de flujo ultrasónicos los convierte en medidores goto en situaciones como esta. Es por eso que encuentran aplicaciones en diferentes sectores industriales, desde industrias relacionadas con productos químicos hasta procesamiento de alimentos, tratamiento de agua y el sector del petróleo y el gas.

Desventajas

La principal desventaja de los caudalímetros ultrasónicos tiene que ser su precio. Debido a la complejidad de su diseño, los medidores de flujo ultrasónicos suelen ser más costosos que los medidores mecánicos o de otro tipo, ya que requieren más esfuerzos y componentes.

Además de la complejidad y el costo del diseño, los caudalímetros ultrasónicos también requieren un nivel de experiencia en la instalación / manipulación en comparación con la mayoría de los otros tipos de medidores.

Los mejores medidores de flujo ultrasónicos del mercado

Si bien se espera que el mercado de medidores de flujo ultrasónicos globales alcance los USD $ 2 mil millones para 2024, el mercado ha experimentado un fuerte crecimiento en los últimos años, gracias a sus aplicaciones en numerosas industrias en la actualidad y la introducción de algunas variantes recientemente mejoradas. Muchos fabricantes han desarrollado medidores de flujo ultrasónicos con tecnología avanzada para mejorar la precisión de la medición. Dado que este medidor se adapta a soluciones específicas de la industria, se espera que los últimos desarrollos impulsen el mercado durante los períodos de pronóstico. Los mejores medidores de flujo ultrasónicos del mercado incluyen:

Medidores de flujo ultrasónicos Sonic-View: el sonic-view, una de las mejores soluciones para medir flujos de líquidos bajos, funciona según el principio del tiempo de tránsito. Los transductores no están en contacto con el medio y no se utilizan partes móviles dentro de los instrumentos. Características insuperables como bajos costos de propiedad, años de operación sin mantenimiento, transductores protegidos, un ciclo de vida de un medidor robusto y su naturaleza insensible contra picos de presión y partículas, todas contribuyen a por qué el medidor de flujo ultrasónico de Sonic-View es uno de los mejores soluciones en el mercado de medidores.

Medidores de agua ultrasónicos Shmeters: en diversas condiciones de flujo de tubería, este medidor de agua ultrasónico para fines industriales y comerciales es capaz de marcar mediciones de sección de diseño con la mayor precisión de medición posible. El medidor funciona con batería y puede funcionar ininterrumpidamente durante 10 años con una sola batería; su consumo de energía es inferior a 0,5 mW. Puede seguir funcionando durante mucho tiempo sin verse afectado por interferencias magnéticas. Mientras tanto, es altamente confiable y sensible, se puede detectar rápidamente una velocidad de flujo tan baja como 0.002 m / s.

Los medidores de flujo ultrasónicos Sitrans FS: brindan un rendimiento impresionante para una variedad de gases y líquidos porque pueden operar independientemente de la temperatura, viscosidad, conductividad, presión, densidad y en las condiciones más difíciles. El Sitrans FS220 se enorgullece de ser la mejor solución de su clase para medidas de flujo sencillas, ya que sus posibilidades parecen infinitas.

Especialmente en aplicaciones de consumo, los medidores ultrasónicos se están mejorando con tecnologías como LoRa, que permite a las autoridades municipales y relacionadas monitorear cosas como el consumo de gas y agua de forma remota. La naturaleza de baja potencia del medio de comunicación permite que estos medidores duren más de 5 años con una sola carga de batería, mucho más de lo que se puede lograr con medidores mecánicos.