Contadores de caudal ultrasónicos

Caudalímetros ultrasónicos: Descripción general, principios y aplicaciones

Descripción general

Los caudalímetros ultrasónicos miden la velocidad del fluido analizando cómo se propagan las ondas ultrasónicas a través de los medios en movimiento. Dependiendo del método de detección, se clasifican en:

Métodos de tiempo de vuelo (TOF) (diferencia de tiempo directa, diferencia de fase, diferencia de frecuencia)

Método Doppler

Método de deflexión del haz

Método de correlación de ruido

Con los avances en los circuitos integrados, los caudalímetros ultrasónicos se han adoptado ampliamente en aplicaciones industriales durante las últimas décadas.

Ventajas

Medición no intrusiva

Sin partes móviles → sin caída de presión ni perturbación del flujo

Adecuado para tuberías grandes, canales abiertos y fluidos de difícil acceso

Puede medir fluidos corrosivos, no conductores, radiactivos e inflamables

Amplia aplicabilidad

Rango de diámetro de tubería: 2 cm a 5 m

Puede medir líquidos y gases

Modelos portátiles disponibles para mediciones temporales (por ejemplo, toma de agua de turbinas en centrales eléctricas)

Rentable para tuberías grandes

La instalación no se escala con el tamaño de la tubería (a diferencia de los caudalímetros mecánicos)

Sin deriva de calibración debido a cambios de temperatura, presión o viscosidad

Versatilidad en medios desafiantes

El método Doppler puede medir lodos, aguas residuales y flujos bifásicos

Los métodos de tiempo de vuelo ofrecen alta precisión para líquidos limpios

 

Desventajas

Limitaciones de temperatura

Limitado por el material del transductor y los adhesivos de acoplamiento (típicamente <200°C)

La falta de datos de velocidad acústica a alta temperatura afecta la precisión

Procesamiento de señal complejo

La velocidad del fluido (~m/s) es minúscula en comparación con la velocidad del sonido (~1500 m/s)

Requiere electrónica de alta precisión (precisión de 10⁻⁵ a 10⁻⁶)

Dependencia del fluido

El método Doppler requiere reflectores (por ejemplo, burbujas, partículas)

Los métodos de tiempo de vuelo necesitan fluidos limpios y homogéneos

Requisitos de instalación

Se necesitan tramos de tubería rectos para evitar distorsiones del perfil de flujo

Problemas de acoplamiento en tuberías corroídas o revestidas

 

Principios básicos

Un caudalímetro ultrasónico consta de:

Transductores – Convierten la energía eléctrica en ondas ultrasónicas (y viceversa) utilizando elementos piezoeléctricos (por ejemplo, PZT).

Circuitería de procesamiento de señales – Mide las diferencias de tiempo (TOF) o los cambios de frecuencia (Doppler).

Unidad de visualización/salida – Muestra el flujo instantáneo y acumulativo.

Tecnologías clave

Transductores piezoeléctricos: Discos delgados (relación diámetro-espesor de 10:1) hechos de titanato de circonato de plomo (PZT).

Cuñas acústicas: Hechas de PMMA (acrílico) o caucho para dirigir las ondas hacia el fluido de manera eficiente.

Modos de medición:

Configuraciones Z/V/X: Optimizan la trayectoria de la señal para el tamaño de la tubería.

Sensores de abrazadera vs. humedecidos: Compensaciones entre conveniencia y precisión.

 

Usos industriales

Agua y aguas residuales: Flujo de ríos, tratamiento de aguas residuales.

Petróleo y gas: Agua producida, inyección química.

Energía: Agua de refrigeración, sistemas de vapor.

HVAC: Agua helada, monitoreo de refrigerante.

 

Tendencias futuras

Sensores de alta temperatura: Expandiendo más allá de los límites de 200°C.

Procesamiento de señales asistido por IA: Compensación de errores de perfil de flujo.

Sistemas híbridos: Combinación de Doppler y TOF para una mayor compatibilidad de fluidos.

Los caudalímetros ultrasónicos son ideales para mediciones energéticamente eficientes y no invasivas, pero la selección adecuada (Doppler vs. TOF) y la instalación son fundamentales para un rendimiento óptimo.