Medición por Ultrasonido

15/03/2010
Caudalimetría
Medición Ultrasónica de Caudales
Efecto Doppler
Ejemplo. El número de pulsaciones por segundo es proporcional a
la velocidad del coche
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15/03/2010
Caudalímetros que utilizan el
efecto Doppler:
Trasmisor y receptor alojados en el mismo transductor
Señal inyectada o
transmitida a través de la
tubería. Esta se refleja en
una burbuja de aire o
partícula
Frecuencia aumenta o
disminuye, en función de
la dirección, con la
velocidad de la corriente
Caudalímetros que utilizan el
efecto Doppler
Desventajas:
j
Necesidad de que existan burbujas o impurezas en el
flujo a monitorear (Contaminación)
Solo se controla un segmento del flujo en las cercanías
de las paredes del tubo debajo del transductor. La
velocidad en esta área es muy reducida (30% del
promedio dependiendo del perfil de flujo)
Conociendo el perfil del flujo se puede corregir estos
errores, pero al cambiar el flujo se introducen errores
nuevamente.
La variación de temperatura también puede modificar la
lectura de caudal en un 0,14 % / ºC
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15/03/2010
Caudalímetros que utilizan el
efecto Doppler
Desventajas: Cont.
Se mide velocidad media a lo largo de un diámetro , y no
es lo mismo que la velocidad media de la tubería, que
una media ponderada (mas influencia de las velocidades
más cercanas a las paredes el tubo)
En caso de líquidos sucios la ubicación de la señal
reflejada es impredecible porque las partículas se
encuentran distribuidas en forma aleatoria y en
concentraciones variables.
Cuanto más opaco el líquido, mayor son las reflexiones
cerca de las paredes de la tubería.
Un método para minimizar los problemas del instrumento
Doppler consiste en utilizar elementos separados de
transmisión y recepción.
Elementos separados de
transmisión y recepción
Se inyecta una señal que atraviesa las paredes de
la tubería y luego se refracta en el líquido.
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Elementos separados de
transmisión y recepción
El haz reflejado entrará en el receptor. La frecuencia de la
señal reflejada
j
sufrirá un corrimiento.
Este corrimiento es directamente proporcional a la velocidad
del flujo:
Elementos separados de
transmisión y recepción
Parte de la señal va por un camino directo a
través de la cañería y llega al receptor sin sufrir
corrimiento de frecuencia.
Ambas señales llegan al receptor donde se
combinan y generan una señal de pulsaciones
modulada en amplitud.
p
Se demodula para obtener la información de la
velocidad del flujo.
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¿Por qué no es tan fácil medir
con dos transductores?
Inconvenientes que afectan a los instrumentos Doppler:
Inestabilidad de la modulación: Solución: control automático
d l ió
modulación.
Baja sensibilidad a la reflexión: La reflectividad del líquido
depende de la longitud de onda en relación al tamaño de
partícula. Solución: Control automático de longitud de onda de
transmisión.
Inestabilidad del umbral de detección: Solución: control
automático ganancia.
ganancia
Dependencia exacta del perfil de flujo y reflectividad
Calibración en función de las propiedades del transductor:
materiales cuya velocidad sonica es impredecible y muy
dependiente de la temperatura.
Líquidos apropiados para el
efecto Doppler
Se necesita una reflexión en una burbuja de aire o una
p
j
partícula q
que se mueva con al velocidad del flujo.
Las partículas deben ser, como mínimo, mayor a la
décima parte de la longitud de onda del sonido y tener
una impedancia sónica distinta a la de la fase líquida.
Ej. En el agua el sonido tiene una longitud de 1,5 mm de
modo que las partículas deben ser mayores a 0,15 mm.
En el caso de líquidos con burbuja se plantea la
necesidad de un porcentaje mínimo de aireación.
Porcentaje máximo: se puede operar sin dificultad con
20% de aireación y en concentraciones de sólidos de
hasta 30% y 40%.
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Diferencial de tiempo de transito
Los caudalímetros de diferencial de tiempo de transito transmiten
alternativamente corriente arriba y abajo, calculando luego la
diferencia de tiempo.
ΔT diferencial de tiempo de transito dependerá de la velocidad del
líquido.
Si se invierte la dirección, también se invierte el signo de la
diferencia.
Diferencial de tiempo de
transito
Se puede calcular el caudal como:
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Diferencial de tiempo de
transito
Se fabrican en función de las p
propiedades
p
sónicas del material de la tubería y del espesor
de su pared.
Sin importar el diámetro, la configuración de
transmisión y le ángulo a la pared se elige de
modo de producir,
producir dentro de la tubería
tubería, una
onda perpendicular a la pared del tubo.
Se pueden alcanzar resoluciones de hasta
0,0003 m/seg.
Diferencial de tiempo de transito
Ventaja:
Ventaja:
Se controla el área transversal completa de la
tubería,
t b í eso significa
i ifi que la
l señal
ñ l está
tá
atravesando regiones de alta y baja velocidad.
Perfiles de flujo predecible, se puede aplicar una
corrección.
No es sensible a la temperatura.
No depende de burbujas o tamaños de
tí l para medir
di o para una b
partículas
buena
exactitud.
Desventaja::
Desventaja
Concentraciones elevadas de burbujas o sólidos
causan perdidas de medición.
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Condiciones que pueden llevar a una
disminución de la conductividad sónica:
Aireación: gases no disueltos atenúan y
dispersan la onda
onda.
Sólidos no disueltos: atenúan la conductividad
sónica del líquido, pero menos que la aireación.
Hasta 60% de contenido sólido
Depende del tamaño de la partícula, de las
propiedades sónicas del sólido y del líquido
líquido.
Líquidos no homogéneos: provocan dispersión
del haz, pero menos que el aire o los sólidos.
Haz angosto
El transductor de haz
angosto debe ser
colocado exactamente
en el lugar donde se
recibe la señal
Los dispositivos de
haz angosto en modo
cortante se basan en
un conocimiento
exacto de las
propiedades sónicas
del líquido. Cualquier
cambio necesita una
recalibración del
sistema.
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Haz ancho
Las ondas de un haz ancho se propagan longitudinalmente a
lo largo de la tubería. No hay ecos que puedan enmascarar
las lecturas y el posicionamiento del receptor no es crítico.
Caudalímetro Ultrasónico
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Conclusiones
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