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Principio de funcionamiento
El sistema SITRANS F US es un caudalímetro ultrasónico de tiempo de propagación que ofrece un rendimiento excepcional usando un método no intrusivo. Los sensores ultrasónicos emiten y reciben señales acústicas directamente a través de la pared existente de la tubería, estando el ángulo de refracción del líquido sometido a la ley de Snell.
El ángulo de refracción se calcula de la siguiente manera:
sen = c / Vθ
c = velocidad del sonido en el fluido
Vθ = velocidad de fase (una constante en la pared del tubo)
El caudalímetro compensa automáticamente cualquier cambio en la velocidad de sonido del fluido (o el ángulo del haz) como respuesta a las variaciones en el tiempo de propagación medio entre los sensores A y B. Restando los tiempos fijos calculados (dentro de los sensores y la pared de tubo) del tiempo de propagación medio medido, el caudalímetro puede deducir el tiempo de propagación requerido en el fluido (TFluid).
Las ondas de sonido que se desplazan en la misma dirección que el flujo (TA,B) llegan antes que las ondas de sonido que se mueven en contra de la dirección del flujo (TB,A). Basándose en esta diferencia de tiempo (Δt) se calcula la velocidad de flujo (v) integrada en el cable, en base a la ecuación siguiente:
v = Vθ / 2 x Δt / Tfluido
Después de calcular la velocidad de flujo en bruto será necesario determinar el número de Reynolds (Re) del fluido para corregir adecuadamente el correspondiente perfil de flujo en régimen permanente. A este fin hay que indicar la viscosidad cinemática (visc) del fluido según las ecuaciones indicadas a continuación, con Q equivalente al caudal volumétrico definitivo con perfil corregido.
Re = Di x v / visc Q = K(Re) x ( π / 4 x Di² ) x v
v = velocidad de flujo
visc = μ / ρ = (viscosidad dinámica / densidad)
K(Re) = compensación del perfil de flujo según Reynolds
En todos los caudalímetros ultrasónicos invasivos humedecidos por el fluido se configuran las constantes de los medidores antes de que los aparatos salgan de la fábrica. Pero esto no es posible con los caudalímetros no intrusivos y por eso, estos aparatos han de ser ajustados por el cliente cuando se efectúe el montaje. Los valores de ajuste son, entre otros, el diámetro de tubo, el espesor de pared, la viscosidad del líquido etc.
La configuración de los caudalímetros SITRANS no intrusivos que incluyen la medición de temperatura permite deducir de forma dinámica las alteraciones de viscosidad del líquido para calcular la compensación del perfil de flujo con máxima precisión (KRe).
Tipos de sensores ultrasónicos
Es posible utilizar tres tipos básicos de sensores no intrusivos para su uso con el SITRANS F US. El sensor "universal", la solución a mejor precio y el más habitual de los tipos empleados en el sector industrial, es adecuado para la mayoría de las aplicaciones con un solo líquido sin variaciones intensas de la velocidad del sonido. Este tipo de sensores pueden usarse con todos los tubos de materiales que transmiten el sonido (acero incluido) y por eso son perfectamente adecuados para aplicaciones móviles de vigilancia. Los sensores universales se seleccionan exclusivamente basándose en la sección del diámetro de tubo, por lo que el espesor de pared no tiene ninguna importancia para el proceso de selección.
El segundo tipo de sensor es el grupo de los sensores patentados WideBeam (o sensores de precisión), donde la pared del tubo se usa como una especie de altavoz para optimizar la relación entre la señal y el ruido y para obtener un mayor rango de oscilaciones. Los sensores de este tipo son menos sensibles en su reacción a las modificaciones del fluido.
Aunque el sensor WideBeam haya sido diseñado para tubos de acero, también es posible usarlo con tubos de aluminio, titanio y plástico. Este sensor se utiliza preferentemente en aplicaciones con hidrocarburos y con gas. Tenga en cuenta que, a diferencia del tipo universal, la selección de este sensor depende sólo del espesor de la pared del tubo.
Corrección automática de la deriva del cero (ZeroMatic Path)
Si los sensores WideBeam se instalan con configuración de modo de reflexión (véase la siguiente ilustración), la señal acústica se mueve por dos vías distintas entre los sensores A y B. Mientras que la vía "ACB" corre a través de la pared del tubo y el fluido, la otra vía "AB" no llega a entrar en el líquido.
Esta segunda vía suministra al instrumento de medición una señal de referencia totalmente independiente del caudal, la que por lo tanto puede utilizarse como medida para la "adaptación errónea" de los sensores. El análisis permanente de esta señal de la pared del tubo hace posible que el instrumento de medición
SITRANS FUS1010 corrija dinámicamente los errores de caudal causados por la deriva del cero.
Caudalímetro multicanal
Para obtener un mejor promediado del perfil de flujo, redundancia, o para reducir los costes por cada medición, se ofrecen los caudalímetros no intrusivos con sistemas de medición de 2, 3 ó 4 vías.
En los sistemas estándar de las series FUS, FUP y FUE, estos canales pueden instalarse tanto en líneas individuales separadas como con disposición de varias vías (véase la siguiente ilustración). La selección se hará durante la puesta a punto del instrumento de medición, donde es posible seleccionar entre las opciones de la instalación de varias vías (dos vías en la misma línea) y la instalación multicanal.
Modo Doppler (Reflexor)
La técnica de medición Doppler se basa en que la energía acústica es reflejada por partículas flotantes o por burbujas de gas de tamaño mínimo, lo que produce un desplazamiento por efecto Doppler en la señal de emisión acústica con frecuencia fija (véase la siguiente ilustración).
Tras la demodulación por medio del procesamiento de señales FFT, esta frecuencia desplazada por efecto Doppler (Δf) puede utilizarse para medir el caudal tal como se describe en las ecuaciones de Doppler indicadas a continuación.
Aunque el sistema de medición estándar con tiempo de propagación presenta una baja sensibilidad a las fuertes inclusiones de aire en el líquido y el elevado contenido en sólidos, existen casos, en los que no está disponible ninguna señal suficientemente intensa para la operación con tiempo de propagación.
Para estos casos se pueden pedir los caudalímetros del tipo FUS, FUP y FUE con la funcionalidad Doppler opcional, lo que requiere un sensor Doppler adicional.
Indiscutiblemente los medidores de flujo no intrusivo, son la mejor opción cuando deseamos intervenir la tubería, ya que no se requiere detener el proceso, realizar cortes, adiciones o soldaduras, sin embargo su costo-beneficio, se evidenciara mucho mejor cuando se propone esta opción para tuberías de gran tamaño.
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