Vortex y Ultrasonico

 MEDIDORES DE CAUDAL CAUDAL Y FLUJO  __________________  __________________________ _________________ _________________ ________________ _________________ _________________ _________________ __________________ ________________ ________________ __________________ _________________ __________ __

MEDIDORES DE CAUDAL Y FLUJO MEDIDORES DE ULTRASONIDO Y VÓRTEX Gualpa Leandro; Revelo Jefferson; Santos Víctor *Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Ecuador

Resumen: Con frecuencia en procesos industriales es necesario determinar la velocidad del flujo de aire o líquidos con la ayuda de sensores de caudal. Los sensores de caudal recogen las velocidades del flujo de aire o líquidos. Los sensores de caudal usan diferentes principios de medición. Los sensores de caudal para líquidos funcionan por ejemplo sobre la base de ultrasonidos. Esta medición sin contacto tiene la ventaja que los sensores no están expuestos a golpes de ariete y medios sólidos. Por otro lado, los sensores de caudal son utilizados en el sector de calefacción, ventilación y climatización para el análisis de la velocidad del aire. Palabras clave: Caudal, Medición, Líquidos, Sensor, Ultrasonido, Vortex, Doppler, Tránsito 1. INTRODUCCION Medición de flujo es esencial en muchas industrias, tales como las industrias del petróleo, energía, químicos, alimentos, agua y tratamiento de residuos. Estas industrias requieren la determinación de la cantidad de un fluido, ya sea gas, líquido o vapor, que pasa a través de un punto de control, ya sea de un conducto cerrado o un canal abierto, en su procesamiento diario o en funcionamiento. La cantidad a ser determinada  puede ser ser tasa de volumen volumen de flujo, velocidad de flujo de masa, masa, velocidad de flujo, o de otras cantidades relacionadas con los tres anteriores. El instrumento para llevar a cabo la medición del flujo se llama medidor de caudal. El desarrollo de un medidor de flujo comprende una amplia variedad de disciplinas, incluyendo los sensores de flujo, el sensor y las interacciones fluido a través del uso de técnicas de computación, los transductores y sus unidades de procesamiento de señales asociadas, y la evaluación de todo el sistema bajo ideales, perturbado, duro o condiciones potencialmente explosivas, tanto en el laboratorio como en campo. Para seleccionar un medidor de flujo que se adapte a la aplicación de uno, muchos factores deben ser considerados. Los más importantes son fase de fluido (gas, líquido, vapor, etc.) y la condición de flujo (viscoso abrasivo canal limpio, sucio, abierto, etc.). Los segundos factores más importantes son el tamaño ta maño de línea y caudal (Están estrechamente relacionadas). Otras propiedades de los fluidos que pueden afectar la selección de medidores de flujo incluyen la densidad (peso específico), presión, temperatura, viscosidad y conductividad electrónica. En la parte de flujo, hay que prestar atención al estado de líquido (pura o mixta) y el estado de flujo (constante,  pulsante, o variable).

Por otra parte, la temperatura ambiente, las disposiciones (por ejemplo, corrosivos, explosivos, interior, exterior), el método de instalación (inserción, sujeta-en, o en línea), y la ubicación del medidor de flujo también deben tenerse en cuenta, junto con otros factores que incluyen la caída de presión máxima  permitida, la precisión requerida, repetibilidad, y el coste (configuración inicial, el mantenimiento y la formación). A continuación se explica el funcionamiento de dos sensores de flujo como son: Sensores Ultrasónicos y Vortex.

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2. SENSORES ULTRASÓNICOS

Un medidor de flujo ultrasónico es un tipo de medidor de flujo que mide la velocidad de un fluido con ultrasonido para calcular el flujo de volumen. El uso de transductores ultrasónicos, el medidor de flujo puede medir la velocidad media a lo largo de la trayectoria de un haz emitido de ultrasonido, promediando la diferencia en el tiempo de tránsito medido entre los pulsos de ultrasonidos se propagan en y contra la dirección del flujo o midiendo el desplazamiento de frecuencia del efecto Doppler. Medidores de flujo ultrasónicos son afectados por las  propiedades acústicas del fluido y pueden verse afectados por la temperatura, densidad, viscosidad y las partículas suspendidas. Varían mucho en el precio de compra, pero a menudo son de bajo costo para el uso y mantenimiento, ya que no utilizan partes móviles, a diferencia de medidores de flujo mecánicos.

Artículo entregado el VI enero de 2015 Esta investigación es realizada por estudiantes de la Escuela Politécnica Nacional que están cursando la materia de Instrumentación Electrónica a cargo del Ing. Luis Morales, materia que pertenece a la carrera de Ingeniería Electrónica y Control. Artículo entregado el VI enero de 2015

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Gualpa L.; Revelo J.; Santos V.

Figura 2. Vista esquemática de un sensor de flujo ultrasónico de tiempo de tránsito.

Las ecuaciones que definen esto son:  = Figura 1. Vista esquemática de un sensor de flujo.

 =

El principio de los medidores de flujo ultrasónicos; miden la diferencia de tiempo de tránsito de impulsos ultrasónicos que se propagan en y contra la dirección de flujo. Esta diferencia de tiempo es una medida para la velocidad promedio del fluido a lo largo de la trayectoria del haz de ultrasonidos. Mediante el uso de los tiempos de tránsito absolutos tanto la velocidad del fluido y un promedio de la velocidad del sonido se pueden calcular. El uso de los dos tiempos de tránsito  y    y la distancia entre la recepción y la transmisión de transductores  y el ángulo de inclinación α se  puede escribir las ecuaciones: =



+   − 

 : Frecuencia de la onda viajando aguas abajo  : Frecuencia de la onda viajando aguas arriba :  Velocidad del Sonido : Distancia que recorre la onda desde un transductor al otro

Restando las dos expresiones: =

(  −  ) 2

Se observa entonces que la velocidad es directamente  proporcional a la diferencia de frecuencias ya que la velocidad del sonido se cancela

  − 

2 sin()   ∙ 

Existen varios tipos de flujo ultrasónico por tiempo de tránsito:

   + 

Medidor de transmisión axial:   El flujo va paralelo a las ondas ultrasónicas, tal como en la figura 2. Medidor de doble rayo:  Este puede ser de rayos cruzados o de rayos paralelos. Medidor de multirayo: Se utilizan varios transductores alineados con la circunferencia de la tubería. Medidor de rayo reflejado:   Se utilizan dos transductores. Uno, actúa como un emisor enviando un rayo hacia la pared de la tubería donde se refleja y se dirige hacia el otro transductor, el cual actúa como receptor

=

2   ∙ 

Donde   es la velocidad promedio del fluido a lo largo de la trayectoria del sonido y  es la velocidad del sonido 3

2.1 MEDIDOR ULTRASONICO DE TIEMPO DE TRANSITO En este tipo de medidor se introduce una onda sónica en la trayectoria del fluido de tal forma que dicha onda viaje alternativamente en el sentido del flujo en una dirección y se refleje en el sentido contrario a la dirección del flujo. La diferencia de tiempo de ir y venir de la onda es proporcional a la rata de flujo, debido a que la onda de sonido es frenada cuando viaja contra el flujo y acelerada cuando viaja en la dirección de éste.

Figura 3. Tipos de flujo ultrasónico por tiempo de tránsito.

Dicho de otra forma, la frecuencia de los pulsos sónicos viajando aguas abajo es mayor que la frecuencia de pulsos sónicos viajando aguas arriba, la diferencia entre las dos frecuencias es función directa de la velocidad del flujo y es independiente de la velocidad del sonido.

De acuerdo a su instalación en la tubería del cristal del transductor piezoeléctrico, existen dos tipos de transductores: 1. Transductor embebido, estos se instalan en la tubería y a ras de ella en contacto con el fluido, por lo cual son mojados por el fluido. 2. Transductor grapado, montado por fuera de la tubería, y  por lo cual la onda ultrasónica atraviesa la pared de éste.

Artículo entregado el VI enero de 2015 Esta investigación es realizada por estudiantes de la Escuela Politécnica Nacional que están cursando la materia de Instrumentación Electrónica a cargo del Ing. Luis Morales, materia que pertenece a la carrera de Ingeniería Electrónica y Control.

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En los transductores grapados son más fáciles de montar ya que no es necesario perforar la tubería mientras que en los transductores embebidos sí.

también se conoce como la velocimetría Doppler acústico. Una ventaja de los medidores de flujo ultrasónicos es que  pueden medir de manera eficaz las velocidades de flujo para una amplia variedad de fluidos, siempre y cuando se conoce la velocidad del sonido a través de ese fluido. Por ejemplo, medidores de flujo ultrasónicos se utilizan para la medición de tan diversos fluidos un gas natural licuado (GNL) y la sangre.

La medición de flujo con transductores embebidos es más exacta que con transductores grapados.

También se puede calcular la velocidad esperada de sonido  para un fluido dado. Esto puede ser comparado a la velocidad del sonido medido empíricamente por un medidor de flujo ultrasónico para los fines de la vigilancia de la calidad de las mediciones del medidor de flujo. Una caída en la calidad (cambio en la velocidad medida del sonido) es una indicación de que el medidor necesita servicio.

Figura 4. Instalación de Transductores.

La configuración del medidor de flujo por efecto Doppler más común es la grapada a la tubería, como se muestra en la figura. La principal ventaja de este tipo de configuración es que los transductores se pueden instalar o remover sin causar disturbios en el proceso. Se puede utilizar un solo receptor/transductor o un receptor dual en el mismo lado de la tubería o en lados opuestos .

Características de los medidores de flujo por tiempo de transito:

Exactitud: La exactitud usualmente se expresa como un  porcentaje del flujo. Típicamente, ésta es de 1 a 2.5% del flujo dependiendo del fabricante, la velocidad y el tamaño de tubería. A fin de mejorar la exactitud para tamaños grandes de tubería, algunos fabricantes ofrecen medidores con dos, cuatro o más  pares de transductores dispuestos en múltiples trayectorias acústicas. Repetibilidad: Usualmente se expresa como un porcentaje del flujo, típicamente ésta es mejor de 0.5 % dependiendo del rango de velocidad y del fabricante. Salida: La salida es usualmente en corriente de 4 a 20 mA. En forma opcional se puede obtener en voltaje, tren de pulsos u otro tipo de salida digital, dependiendo del fabricante. Dirección del flujo: Estos medidores son bidireccionales, es decir, pueden medir el flujo en las dos direcciones

Figura 5. Transductor grapada a la tubería.

 Diferencias básicas entre el medidor por Efecto Doppler y el medidor por tiempo de transito: 

2.2 MEDIDOR ULTRASONICO DE EFECTO DOPPLER

Otro método de medición de flujo ultrasónico es el uso del Desplazamiento Doppler que resulta de la reflexión de un haz de ultrasonidos de materiales sónicamente reflectantes, tales como partículas sólidas o las burbujas de aire arrastradas en un fluido que fluye, o la turbulencia del propio fluido, si el líquido es limpio.



Medidores de flujo Doppler se utilizan para lodos, líquidos con  burbujas, los gases con partículas que reflejan el sonido. La frecuencia del haz transmitido se ve afectada por el movimiento de las partículas; este cambio de frecuencia puede ser utilizado para calcular la velocidad del fluido. Para el  principio Doppler para trabajar debe haber una alta densidad suficiente de materiales sónicamente reflectantes tales como  partículas sólidas o las burbujas de aire suspendidas en el fluido. Esto está en contraste directo con un medidor de flujo de tiempo de tránsito de ultrasonidos, donde las burbujas y  partículas sólidas reducen la precisión de la medición. Debido a la dependencia de estas partículas existen aplicaciones limitadas para medidores de flujo Doppler. Esta tecnología

En un medidor de flujo por efecto Doppler tipo grapado, el transductor transmite una onda ultrasónica continua a través de la pared de la tubería y dentro del fluido, en contraste con el medidor por tiempo de tránsito en el cual se transmiten pulsos discretos aguas arriba y aguas abajo en una secuencia de tiempo. El ángulo de transmisión, para el caso de los medidores  por efecto Doppler es menos crítico que el ángulo de transmisión para el caso de los medidores por tiempo de tránsito.

Características de los medidores de flujo por Efecto Doppler:

Repetibilidad: La repetibilidad es típicamente del orden del 1% dependiendo del tipo, la velocidad, el diámetro de la tubería y las condiciones del proceso. Dirección del flujo: estos son medidores bidireccionales ya que miden el flujo en una u otra dirección, pero solamente miden la magnitud del flujo y no la dirección. Integradores de flujo:  Se dispone de integradores, en forma opcional, los cuales integran el flujo para obtener el volumen consumido

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Gualpa L.; Revelo J.; Santos V.

3. VORTEX

6. CONCLUSIONES

De acuerdo al principio de Von Karman, si en una cañería  ponemos una obstrucción y medimos la frecuencia a la que se desprenden los remolinos o vórtices podemos determinar la velocidad y en consecuencia el caudal. Los sensores de flujo vortex constan básicamente de un obstáculo que se opone al avance de un fluido, un sensor que determina la frecuencia de desprendimiento de los vórtices, y una electrónica que da una señal en pulsos o convierte esta frecuencia en una señal normalizada.

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



Estos tipos medidor de flujo está controlado por un microprocesador y garantiza alta precisión y fiabilidad. Tiempos de respuesta cortos así como, en algunos modelos, carcasas protegidas contra el polvo y las salpicaduras de agua adecúan estos medidores para el empleo industrial o para la investigación y el desarrollo. El medidor de flujo tipo vortex es apropiado para mediciones de todo tipo de líquidos, gases y vapores (vapores saturados y vapores a altas temperaturas).Su desempeño esta entre el nivel medio-alto. El precio del medidor de flujo tipo vortex y sus costos de operación y mantenimiento son relativamente bajos. Los medidores ultrasónicos de efecto Doppler es usado esencialmente para la medición de velocidad de las  partículas, ya sean sólidos en suspensión o burbujas de aire, que se desplazan en un fluido en movimiento. REFERENCIAS

[1] https://www.mathesongas.com/pdfs/products/flowmeter product-line-overview.pdf [2]http://www.efunda.com/designstandards/sensors/flowmete rs/flowmeter_intro.cfm [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_flow_meter [4] http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/djean/index_archivos/ INST_Flujo/medidoresflujovolumetrico/ultrasonido%20III.ht ml [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Flow_measurement [6] http://www.icenta.co.uk/Flow-Principle/Vortex [7] https://www.instrumart.com/pages/230/vortex-sheddingflow-meters [8] http://www.booccaflow.es/1-vortex-flow-meter-6.html

Figura 7. Bluff Body (Objeto de obstrucción)

La frecuencia se mide y la velocidad de flujo se calcula por la electrónica del sensor de flujo, utilizando la ecuación:   =   : Frecuencia de los vórtices.

 

d: Longitud característica del cuerpo de obstrucción.  : Es la velocidad del flujo sobre el Bluff. : Numero de Strouhal, que es esencialmente una constante  para una forma de cuerpo dada dentro de sus límites de funcionamiento. Los vórtices no se arrojan regularmente en medio de fluidos de alta viscosidad. Típicamente, se requiere un número mínimo de Reynolds de 10.000 para obtener un rendimiento óptimo de un medidor de flujo de vórtice.

Figura 7. Vortex.

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