Un caudalímetro ultrasónico de gas se refiere a un caudalímetro que se instala en una tubería con gas en flujo y mide el flujo de gas mediante el principio ultrasónico. Un caudalímetro ultrasónico de gas de una sola-vía se refiere a un dispositivo equipado con una sola vía acústica, mientras que un caudalímetro ultrasónico de gas con dos o más vías acústicas se denomina caudalímetro ultrasónico de gas de múltiples-vías.
¿Cómo funciona un medidor de flujo ultrasónico? El principio básico para medir la velocidad del flujo con un medidor de flujo ultrasónico de gas es calcular la velocidad del flujo, el caudal, la densidad y otros parámetros del fluido gaseoso midiendo el tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas en el medio gaseoso. Este capítulo analiza principalmente el principio operativo de la medición del flujo ultrasónico en tiempo de tránsito-y los factores que afectan la medición del flujo, y lleva a cabo estudios de simulación sobre cómo mejorar la precisión de la medición-del flujo, a fin de hacer preparativos para el estudio de los métodos de medición y el modelado de mecanismos del flujo ultrasónico de gas-de múltiples-vías múltiples.
Análisis del principio operativo de la medición ultrasónica del flujo de gas en tiempo de tránsito-
El método de medición del-tiempo de tránsito del flujo de gas ultrasónico-es un método de medición del flujo de gas-en el que, sobre la misma longitud de trayectoria del gas, la diferencia de tiempo de propagación-entre dos señales ultrasónicas que viajan aguas abajo y aguas arriba se utiliza para determinar la velocidad promedio del flujo de gas a lo largo de la trayectoria acústica. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en un medio gaseoso que fluye, su velocidad de propagación varía con la velocidad del flujo del gas.
Más específicamente, la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas cambia en la misma dirección que la velocidad del flujo de gas: cuando la velocidad del flujo de gas aumenta, la velocidad de la onda ultrasónica que se propaga en la misma dirección también aumenta en consecuencia; por el contrario, si la velocidad del flujo de gas aumenta mientras es opuesta a la dirección de propagación ultrasónica, la velocidad ultrasónica disminuirá en consecuencia.
Estructura básica de una tubería ultrasónica-Sensor de flujo
Como se muestra en la Fig. 2.1, dos transductores ultrasónicos capaces de transmitir y recibir pulsos ultrasónicos (denominados sondas o transductores) están integrados en un lado o en ambos lados de la tubería. El camino real de la señal ultrasónica entre los transductores transmisores y receptores se llama camino acústico; por tanto, un par de transductores forman un camino acústico. Una membrana transmisora de sonido-o una sección de pared de guía de ondas acústicas está dispuesta entre los transductores y el medio fluido. En un caudalímetro ultrasónico de trayectoria única-, la línea de guía de ondas entre los dos transductores ultrasónicos cruza el eje del instrumento.
Fig. 2.1 Diagrama esquemático del principio de medición del flujo ultrasónico en tiempo de tránsito-
Como se muestra en la Fig. 2.1, el diámetro de la tubería es D. La distancia en línea recta-entre las caras extremas de los transductores A y B incrustados en ambos lados de la tubería es la longitud del camino acústico-L (también llamada distancia acústica L), y su relación con el diámetro D es
Fig. 2.1 Relación geométrica entre-longitud del camino acústico y diámetro de la tubería-medidor de flujo ultrasónico de tiempo de tránsito
donde φ es el ángulo de inclinación del camino acústico, es decir, el ángulo entre el camino acústico y el eje de la tubería. El ángulo de inclinación de la trayectoria acústica es también el ángulo de incidencia de la onda ultrasónica. El ángulo de incidencia φ se ve afectado por la velocidad del sonido en el fluido, así como por la velocidad del sonido en la cuña y en el material de la pared de la tubería.
En general, la variación de la velocidad del sonido con la temperatura en materiales sólidos es menor que en materiales gaseosos. Cuando la variación de temperatura no es grande, se puede despreciar la influencia de los materiales de la cuña y de la pared-de la tubería en la precisión de la medición; sin embargo, cuando el rango de variación de temperatura es grande, se debe corregir el gran cambio en la velocidad del sonido en los materiales de la cuña y las paredes de la tubería.
Para un transductor con un ángulo de incidencia de 30 grados, el coeficiente de transmisión es relativamente alto, la pérdida de energía es pequeña y el voltaje de excitación requerido es bajo. Un transductor de este tipo es adecuado para caudalímetros ultrasónicos portátiles que no son convenientes para usar una fuente de alimentación de CA. Un transductor con un ángulo de incidencia de 45 grados tiene un coeficiente de transmisión relativamente bajo, pero puede adoptar un chip transductor más grande y un voltaje de excitación más alto y, por lo tanto, es adecuado para caudalímetros ultrasónicos fijos o aquellos que pueden usar una fuente de alimentación de CA.
Principio de funcionamiento de la medición ultrasónica del flujo de gas en tiempo de tránsito-
La tecnología de medición del-tiempo de tránsito del flujo de gas ultrasónico- determina la velocidad de flujo promedio axial Vz en el plano formado por la trayectoria acústica y el eje, midiendo la diferencia de tiempo entre las ondas ultrasónicas que se propagan aguas abajo y aguas arriba en el medio gaseoso. Los tiempos de tránsito de las ondas ultrasónicas difieren en la dirección descendente y ascendente. El tiempo de tránsito aguas abajo es:
Fig. 2.2 Ecuación de tiempo de tránsito ultrasónico-descendente
y el tiempo de tránsito aguas arriba es
Fig. 2.3 Ecuación de tiempo de tránsito ultrasónico-en sentido ascendente
donde C es la velocidad del sonido de las ondas ultrasónicas en el fluido medido estacionario, es decir, la velocidad del sonido; Vz es la velocidad de flujo promedio del fluido en la dirección axial en el plano formado por la trayectoria ultrasónica y el eje de la tubería, también llamada velocidad promedio de trayectoria-.
Cuando no se considera la influencia de la variación-de la velocidad del sonido debido al entorno interno de la tubería, la expresión para la velocidad-promediada de la trayectoria es
Fig. 2.4 Expresión para la trayectoria-velocidad axial promedio
Al medir el tiempo de tránsito descendente tD y el tiempo de tránsito ascendente tU de la onda ultrasónica, la diferencia de tiempo entre la propagación ascendente y descendente se obtiene como
Fig. 2.5 Definición de diferencia horaria entre tránsito ascendente y descendente-
Utilizando el método del-tiempo de tránsito, se puede obtener la velocidad-promediada de una trayectoria acústica. A partir de las velocidades medias de diferentes trayectorias acústicas y utilizando algoritmos adecuados, se puede calcular la velocidad media perpendicular a toda la sección transversal-, lo que se denomina velocidad-promediada en volumen V.
El método para medir la velocidad promedio V del fluido de la tubería (volumen) midiendo la diferencia-de tiempo de tránsito entre la propagación ultrasónica aguas arriba y aguas abajo se denomina método de medición de flujo-ultrasónico de tiempo de tránsito-. Un medidor de flujo que mide el flujo de fluido de la tubería utilizando el método ultrasónico de tiempo de tránsito-se conoce como medidor de flujo ultrasónico de tiempo de tránsito.
La relación entre la velocidad-promediada en la trayectoria acústica de un caudalímetro ultrasónico-de tiempo de tránsito y la velocidad promediada en volumen-en la tubería es
Fig. 2.6 Definición de flujo-factor de corrección de velocidad
donde K se denomina factor de corrección de velocidad-de flujo. El factor de corrección de la velocidad del flujo-se deriva del modelo matemático del perfil de distribución de velocidad en la sección de medición del caudalímetro. Según el régimen de flujo de gas en el gasoducto, se puede obtener el factor de corrección de la velocidad del flujo-. Por lo tanto, de las ecuaciones (2.4) y (2.6), la velocidad promedio del gas en el gasoducto es
Fig. 2.7 Relación entre la velocidad promedio de la tubería-y la velocidad promedio de la ruta-
El caudal volumétrico se puede obtener de la ecuación (2.7) como
Fig. 2.8 Ecuación de caudal-volumétrico
donde A es el área de la sección transversal-de la tubería.
Después de la compensación de presión y temperatura del caudal volumétrico, el caudal másico se puede obtener como
Fig. 2.9 Ecuación de tasa de flujo másico- con corrección de presión-temperatura-compresibilidad
donde Z es el factor de compresibilidad del gas; P0 y P son los parámetros de presión en condiciones estándar y condiciones reales, respectivamente; T0 y T son los valores de temperatura en condiciones estándar y condiciones reales, respectivamente; y ρ0 es la densidad del medio gaseoso en condiciones estándar.
Una vez obtenida la velocidad del flujo, se puede calcular el volumen de fluido que pasa a través de una tubería de un diámetro determinado durante un período determinado. El volumen de flujo F que pasa por la tubería en 1 h es 79:
Fig. 2.10 Volumen horario de fluido a través de la tubería según el principio de funcionamiento del medidor de flujo ultrasónico-medición del tiempo-tiempo de tránsito
Principio operativo básico de la medición ultrasónica del flujo de gas de múltiples-vías
Los caudalímetros ultrasónicos de gas se pueden dividir en tipos de trayectoria única-y de trayectoria múltiple, y ambos se basan en el principio de tiempo de tránsito-para la medición de flujo ultrasónico. Actualmente, entre productos similares en el extranjero, el número de vías acústicas puede llegar a seis. En un caudalímetro ultrasónico de múltiples-trayectorias, ViV_iVi representa la velocidad-promediada de la trayectoria en la iii-ésima trayectoria acústica. Se obtiene midiendo los tiempos de tránsito ultrasónico aguas abajo y aguas arriba, calculando la diferencia de tiempo entre ellos y luego calculando la velocidad promedio de la ruta-.
De acuerdo con la relación entre las velocidades-promediadas de cada trayectoria acústica y los factores de corrección de la velocidad-del flujo, la velocidad promediada en volumen-del gas en la tubería se puede estimar como
Fig. 2.11 Ecuación de velocidad promedio ponderada de múltiples-trayectos-cómo funciona el medidor de flujo ultrasónico
donde WiW_iWi es el coeficiente de ponderación de cada camino acústico, y su valor depende del algoritmo de integración adoptado.
Fig. 2.12 Flujo volumétrico-de trayectoria múltiple-ecuación de velocidad-medidor de flujo ultrasónico cómo funciona
En teoría, cuantos más caminos acústicos haya, mayor debería ser la precisión de la medición. Sin embargo, la experiencia práctica ha demostrado que cuando el número de caminos acústicos a través de la sección transversal-llega a cuatro, aumentar aún más el número de caminos contribuye muy poco a mejorar la precisión, al tiempo que aumenta significativamente el costo de fabricación.
Análisis de factores que afectan la medición del flujo de gas ultrasónico
De acuerdo con las fórmulas de cálculo de la velocidad del flujo-y del caudal-de los medidores de flujo ultrasónicos de gas, la velocidad del flujo o el caudal está relacionado con varios aspectos, como los parámetros geométricos de la tubería de medición, el factor de corrección de la velocidad del flujo-(o coeficiente de ponderación) y los valores medidos del tiempo de propagación ultrasónica. A partir de estos aspectos se realiza el siguiente análisis.
Corrección del factor de velocidad-de flujo y mejora de la precisión de la medición
En el caudalímetro ultrasónico de gas con tiempo de tránsito-antes mencionado, el estudio se basa en el estado ideal en el que la velocidad promedio de la trayectoria-se distribuye uniformemente sobre la sección transversal-de la tubería. En situaciones prácticas, debido a la distribución no-uniforme de la velocidad del fluido a través de la sección transversal-de la tubería, la velocidad obtenida mediante el cálculo es en realidad la velocidad de la trayectoria-promediada a lo largo de la dirección de propagación ultrasónica y la dirección axial, obtenida a partir de la diferencia de tiempo medida del tránsito ultrasónico-. El caudal volumétrico final calculado inevitablemente producirá errores. Para garantizar la precisión de la medición, es necesario determinar la relación entre ambos y corregir la velocidad real medida utilizando principios-de mecánica de fluidos; es decir, se introduce un factor de corrección de caudal-K cuando se mide con un caudalímetro volumétrico.
Debido a la complejidad de los estados de flujo-de los fluidos en las tuberías, las distribuciones de velocidad resultantes también son complejas. La investigación actual se limita principalmente a la distribución de velocidades en condiciones ideales, es decir, la distribución de velocidades bajo flujo laminar y flujo turbulento completamente desarrollado en tuberías lisas. El flujo laminar y el flujo turbulento son dos estados de flujo fundamentales de los fluidos en tuberías. El flujo laminar se refiere al estado en el que las partículas de fluido no tienen movimiento transversal y solo se considera el movimiento axial; El flujo turbulento se refiere al estado en el que las partículas de un fluido tienen movimiento axial y transversal. Debido a que las características del flujo difieren bajo diferentes estados de flujo de la tubería, se obtienen diferentes distribuciones de velocidad.
Las características de flujo de un fluido están influenciadas conjuntamente por la velocidad promedio en la tubería, la viscosidad cinemática y el diámetro de la tubería, mientras que el número de Reynolds ReReRe es un índice importante para evaluar el estado del flujo. cuando re<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300, el fluido comienza a pasar a un estado turbulento, y esta región de transición generalmente también se trata como flujo turbulento.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un caudalímetro de gas ultrasónico-de tiempo de tránsito?
Un caudalímetro de gas ultrasónico-de tiempo de tránsito mide el flujo de gas enviando pulsos ultrasónicos tanto aguas abajo como aguas arriba y calculando la velocidad del flujo a partir de la diferencia en sus tiempos de tránsito.
¿Cuál es la diferencia entre caudalímetros ultrasónicos de una sola-vía y de múltiples-vía?
Un caudalímetro de trayectoria única utiliza un par de transductores y una trayectoria acústica, mientras que un caudalímetro de trayectoria múltiple utiliza varias trayectorias acústicas a diferentes alturas o ángulos para capturar mejor el perfil de velocidad y mejorar la precisión.
¿Por qué se necesita un factor de corrección de velocidad de flujo-?
Debido a que la distribución de velocidad en una tubería no es perfectamente uniforme, la velocidad medida a lo largo de una única trayectoria acústica no es igual a la velocidad promedio de la sección transversal-. Un factor de corrección vincula los dos.
¿Qué factores afectan la precisión de la medición ultrasónica del flujo de gas?
Los factores clave incluyen la distorsión del perfil de velocidad, las condiciones de instalación, el número de Reynolds, la composición del gas y la velocidad del sonido, los cambios de temperatura y presión y los errores de procesamiento de señales.
