Principios de medición de Flujometros Ultrasonicos: efecto doppler y tiempo de transito de la señal

24 Octubre 2010

 

El ámbito de la medición por ultrasonidos abarca muchos modelos y tipos de caudalímetros muy distintos. El término "ultrasónicos" no es una característica inequívoca de un tipo de caudalímetros. "Ultrasónicos" indica solamente que la velocidad del caudal se mide por medio de ultrasonidos. El caudal se mide en realidad por alguno de los dos métodos siguientes:

- El método por efecto Doppler

- El método por tiempo de tránsito de señal

 

 

El método del efecto Doppler

 

Un caudalímetro de efecto Doppler se sirve del efecto Doppler (conocido también como corrimiento Doppler) para medir caudales. Este fenómeno físico nos resulta familiar porque pertenece al ámbito de nuestra experiencia cotidiana. Es el efecto que se produce cuando un frente de ondas se refleja en un objeto en movimiento. La frecuencia de las señales acústicas de, digamos, una ambulancia que se aproxima a nosotros se reduce sensiblemente una vez que nos ha sobrepasado. El efecto Doppler es, pues, un incremento (o una disminución) de la frecuencia de las ondas sonoras a medida que la distancia entre una fuente sonora y un receptor aumenta o disminuye.

 

 

Una condición previa para que el caudalímetro de efecto Doppler funcione es que el fluido contenga partículas, burbujas de gas u otras inhomogeneidades similares, que reflejen las ondas de sonido. Con este propósito, un caudalímetro de efecto Doppler requiere dos sensores. El primero emite por el fluido una onda de ultrasonidos a una frecuencia determinada y el segundo recibe la onda reflejada (Fig. siguiente).

 

 

Fig.: Medición de caudal por efecto Doppler con ultrasonidos. La frecuencia de las ondas emitidas (f1) y reflejadas (f2) varía en función de la velocidad del caudal de las partículas/burbujas transportadas

 

 

La variación producida en la frecuencia del haz de ondas sonoras reflejadas es directamente proporcional a la velocidad de las partículas o burbujas del flujo en movimiento. Se asume que la velocidad de las partículas o burbujas de gas es la misma que la velocidad del fluido. Entonces, el cálculo del caudal viene dado por la expresión siguiente:

 

Q = K * Δf

 

Δf: Variación de la frecuencia (f1 - f2)

K : K = Constante = f (ángulo de incidencia/reflexión, posición de la partícula reflejante, sección transversal)

 

El método del efecto Doppler es simple y bastante exacto cuando se mide la velocidad de una sola partícula. Pensemos en un agente de la policía de tráfico con su radar que circula por la carretera. Cada vez puede determinar la velocidad de un único vehículo, pero no puede medir la velocidad promedio del flujo de tráfico.

 

La situación es parecida en el caso de querer medir un caudal de fluido. En este caso también es necesario medir la velocidad de muchas partículas. Pero la velocidad de cada partícula es distinta según su orientación y su posición en el perfil de velocidades del fluido. Calcular el caudal exige hacer un promedio ponderado de los resultados de cada medición en función de la posición de cada partícula en el fluido. Además, hay que tener en cuenta que una señal reflejada puede verse afectada por más partículas/burbujas en su camino de vuelta.

 

 

 

Fig.: Medición del caudal por ultrasonidos a partir de! tiempo de tránsito de la señal La velocidad a la cual se propagan las ondas sonoras varía según la velocidad del fluido y su dirección

 

 

Método del tiempo de tránsito de la señal

 

Este método se basa en el hecho de que la velocidad del fluido influye directamente en la velocidad de propagación de las ondas sonoras en dicho fluido.

 

Este fenómeno se puede entender en términos sencillos a partir de una analogía: nadar contra corriente requiere más esfuerzo y tiempo que nadar en el sentido de la corriente. El método de medición de caudales por ultrasonidos a partir del tiempo de tránsito de la señal se basa en esta evidencia física (véase la anterior).

 

Dos sensores instalados en la tubería emiten y reciben impulsos de ultrasonidos simultáneamente. A "caudal cero", ambos sensores reciben las ondas sonoras transmitidas al mismo tiempo, es decir, sin ningún retardo en los tiempos de tránsito de la señal. Pero con un fluido en circulación, las ondas sonoras procedentes de cada sensor necesitan intervalos de tiempo distintos (dependencia en el caudal) para llegar al otro sensor. Si la distancia entre los dos sensores es conocida, la diferencia en los tiempos de tránsito de la señal es directamente proporcional a la velocidad del fluido.

 

Ambos sensores están conectados a un transmisor. El transmisor induce a los sensores a generar ondas sonoras y medir el tiempo de tránsito de estas ondas que se propagan de uno a otro sensor.

 

Q = K * (t1 - t2) / (t1 * t2)

 

t1: Tiempo de tránsito de la señal t1 (en el sentido de la corriente)

t2: Tiempo de tránsito de la señal t2 (contra corriente)

K : K = Constante = f (longitud del camino acústico, razón entre las distancias radiales y axiales de los sensores, distribución de velocidades (perfil de velocidades de flujo), sección transversal)

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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