Principio de medición de caudal por ultrasonidos

Este método se utiliza para medir líquidos y gases y se basa en el hecho de que la velocidad del fluido influye directamente en la velocidad de propagación de las ondas de sonido 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 caudal por ultrasonidos a partir del tiempo de tránsito de la señal se basa en esta evidencia física (véase la Fig. 1).

En él, los sensores trabajan en pares. Se instalan uno o varios pares de sensores en la tubería, los cuales emiten y reciben pulsos ultrasónicos de forma secuencial (representados como señales t₁ y t₂ en la figura siguiente). En condiciones de “caudal cero”, la señal t₁ es similar a t.₂, es decir, no se produce un retardo en el tiempo de tránsito. Pero con un fluido en circulación, las ondas de sonido procedentes de cada sensor necesitan intervalos de tiempo distintos (que dependen del caudal) para llegar al otro sensor. Esto genera un tiempo de tránsito determinado por la diferencia t₂ – t₁. Si se conoce la distancia entre los dos sensores, la diferencia de tiempo de tránsito medida de la señal es directamente proporcional a la velocidad de flujo. Ambos sensores están conectados a un transmisor. El transmisor excita a los sensores para generar ondas de sonido y medir el tiempo de tránsito de estas ondas que se propagan de uno a otro sensor:

Un caudalímetro Doppler utiliza el efecto Doppler, también conocido como desplazamiento 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 de sonido a medida que la distancia entre una fuente sonora y un receptor aumenta o disminuye.

Los caudalímetros Doppler solo funcionan si el fluido contiene partículas, burbujas de gas o similares, que reflejen las ondas de sonido. Un caudalímetro Doppler necesita un sensor que funcione simultáneamente como transmisor y receptor. (Fig. 2).

Además del método Doppler y del diferencial de tiempo de tránsito, también es posible medir el caudal con la ayuda de un método de correlación cruzada. Este método mide el caudal al identificar el paso de una perturbación o un patrón en el perfil del caudal en un punto específico de medición y calcula el tiempo (tiempo de tránsito) que dicha perturbación tarda en llegar al siguiente punto de medición. Dado que se conoce la distancia entre los dos puntos de medición (Δx), se mide el tiempo necesario para recorrerla. En base a estos datos es posible calcular la velocidad de flujo y el caudal volumétrico.

Este método es adecuado para realizar mediciones en condiciones de velocidades de flujo extremadamente altas y/o cuando el fluido contiene un elevado número de burbujas o partículas de gas en suspensión. Es necesario contar con un hardware avanzado y un procesamiento de señales de alta potencia para llevar a cabo los numerosos cálculos y comparaciones requeridos para analizar las perturbaciones y/o patrones.