Los sensores ultrasónicos de flujo de gas, también conocidos como medidores ultrasónicos de flujo de gas, representan una tecnología de medición avanzada para medios gaseosos (incluido gas natural, aire comprimido y gases de proceso). Estos dispositivos no-invasivos utilizan ondas ultrasónicas para medir el flujo de gas sin contacto físico con el medio fluido, lo que proporciona una precisión y confiabilidad excelentes en diversas aplicaciones industriales. Esta guía explora los principios de funcionamiento, el diseño estructural y las aplicaciones prácticas de los sensores ultrasónicos de flujo de gas.
Principio de funcionamiento del sensor de flujo de gas ultrasónico:
El núcleo de los sensores ultrasónicos de flujo de gas es el uso de ondas sonoras para medir la velocidad del gas. El método principal es el principio del tiempo de tránsito-, donde los transductores ultrasónicos (sensores) emiten pulsos que viajan a través de la corriente de gas. Se colocan dos transductores de manera que uno envía señales aguas abajo (con el flujo) y el otro envía señales aguas arriba (contra el flujo). La diferencia de tiempo (Δt) entre estos caminos es proporcional a la velocidad del gas (V), calculada mediante la siguiente fórmula:
donde L es la longitud del camino y t0 es el tiempo de tránsito promedio. Luego, el caudal volumétrico se calcula multiplicando por el área de la sección transversal-de la tubería. Otra variante es laefecto doppler, donde las ondas se reflejan en las burbujas o partículas del gas y el cambio de frecuencia indica la velocidad-ideal para gases que contienen impurezas. Los modelos avanzados emplean ondas de corte para transmisión directa u ondas Lamb, que hacen que la pared de la tubería resuene para amplificar las señales en gases atenuantes o de baja-presión. Las configuraciones de múltiples-rutas (como 4 o 6 rutas) promedian las mediciones a lo largo de la tubería para manejar flujos turbulentos o asimétricos, lo que mejora la precisión. Este diagrama ilustra laconfiguración de tiempo de tránsito-, que muestra cómo las señales ascendentes y descendentes difieren según el flujo.
Estructura del sensor de flujo de gas ultrasónico multi-canal
La composición de los medidores de flujo ultrasónicos de gas multi-canal incluye principalmente cuatro partes: cuerpo principal del medidor de flujo ultrasónico, transmisor de presión, transmisor de temperatura inteligente y computadora de flujo. El medidor de flujo ultrasónico se compone principalmente de dos componentes principales: uno es la sección de tubería de medición equipada con múltiples pares de transductores ultrasónicos (también conocido como instrumento principal); La otra es la unidad de procesamiento de señales (SPU) con medición, visualización del caudal instantáneo y funciones de comunicación, comúnmente conocida como instrumento secundario. El siguiente diagrama muestra el diagrama de bloques de un ultrasonido multi-canal.
caudalímetro.
El instrumento secundario puede conectarse directamente a los sensores de presión y temperatura del gas en la tubería y, a través de la conversión de señal interna y el cálculo de compensación, completar el efecto de compensación de la temperatura y la presión en la tubería sobre el caudal volumétrico del gas, completando de forma independiente la medición del caudal volumétrico sin depender de la computadora de flujo. Además, a través del transmisor de temperatura inteligente y el transmisor de presión, las señales digitales de temperatura y presión en la tubería también se pueden transmitir a la computadora de flujo para compensar la velocidad del flujo instantáneo y los valores del caudal volumétrico medidos por el instrumento secundario.
La parte del sensor del medidor de flujo ultrasónico de gas multi-canal se refiere principalmente a la parte de la tubería de medición, y el análisis estructural del sensor de flujo se refiere principalmente a la conexión de la tubería de medición y las posiciones de distribución de instalación de cada transductor ultrasónico. La tubería de medición de flujo está diseñada y fabricada con extremos de brida, conectados en una tubería de transporte recta. En el documento AGA No. 9 "Medidores de flujo ultrasónicos multi-canales para medir el flujo de gas natural" formulado por la Asociación Estadounidense de Gas en 1998, el trabajo de investigación ya ha señalado que la distribución asimétrica de la velocidad persiste desde el punto de ocurrencia hasta 50D o aguas abajo, y pueden existir perfiles de velocidad con vórtices a 200D o más (D es el diámetro interior de la tubería de medición).
Por lo tanto, en sitios de medición de flujo de gas industrial general, la posición de instalación del medidor de flujo debe considerar la influencia de estados de flujo complejos en la medición de la velocidad del flujo. De acuerdo con el estándar GB/T 18604-2023, se proponen las siguientes recomendaciones para la posición de instalación de medidores de flujo ultrasónicos de gas multi-canales: La longitud mínima de tubería recta aguas arriba es 10D y la longitud mínima de tubería recta aguas abajo es 5D. Esta recomendación sólo puede establecerse cuando las condiciones aguas arriba son relativamente ideales (como una intensidad de vórtice muy pequeña y una distribución de velocidad ligeramente asimétrica) y debe considerarse como el requisito mínimo para satisfacer las necesidades de medición. Como se muestra en la figura siguiente, los medidores de flujo ultrasónicos de gas multicanal deben considerar la eficiencia de propagación de las ondas ultrasónicas, adoptando transductores ultrasónicos integrados e instalados en la tubería de medición.
La siguiente figura muestra un diagrama esquemático del diseño del canal para un sensor de caudalímetro de gas ultrasónico multi-canal, que ilustra la estructura de la tubería en forma de anillo-medida por un caudalímetro de gas ultrasónico cruzado de cuatro-canales.
Los 4 canales están dispuestos respectivamente en diferentes capas de flujo, y los canales se cruzan entre sí cuando se ven en la dirección y y son paralelos entre sí cuando se ven en la dirección z. La tubería de medición consta de un sensor compuesto de 4 canales formado por pares de transductores ultrasónicos con una frecuencia de funcionamiento de 200-250 kHz. El diámetro de la tubería D=300 mm y el ángulo φ entre cada canal y la dirección axial es de 60 grados.
Escenarios de aplicación de la estructura del sensor de flujo de gas ultrasónico multi-canal
Los sensores de flujo de gas ultrasónicos multi-son cruciales en industrias que requieren una medición precisa del gas:
Industria del Petróleo y Gas: Transferencia de custodia, monitoreo de ductos, estaciones compresoras y detección de fugas en sistemas de gas natural.
Química y Petroquímica: Medición de gases de proceso en ambientes hostiles.
Generación y fabricación de energía: monitoreo de emisiones, control de inventario y optimización de la eficiencia.
HVAC y Servicios Públicos: Flujo de aire comprimido y biogás en edificios o tratamiento de aguas residuales.
Preguntas frecuentes
P: ¿Con qué frecuencia es necesario calibrar los sensores ultrasónicos de flujo de gas?
R: Los sensores ultrasónicos de flujo de gas requieren una calibración inicial en el momento de la puesta en servicio; normalmente se recomienda una recalibración cada 2 a 5 años, según la criticidad de la aplicación. Para aplicaciones de transferencia de custodia, AGA-9 recomienda la calibración a siete caudales: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % y 2,5 % del flujo máximo, con cada punto de prueba promediado durante 90-300 segundos. Las variaciones de fabricación y las diferencias en la instalación de tuberías pueden afectar la precisión, lo que hace que la calibración sea esencial para un rendimiento óptimo. A diferencia de los medidores mecánicos que se desvían significativamente, los medidores ultrasónicos mantienen una precisión estable a lo largo del tiempo debido a que no tienen partes móviles, lo que permite intervalos de recalibración menos frecuentes.
P: ¿Cuál es el costo inicial versus el costo total de propiedad-a largo plazo?
R: Si bien la inversión inicial en medidores de flujo ultrasónicos puede exceder a los medidores tradicionales, el costo total de propiedad a menudo resulta menor debido al mantenimiento reducido, el tiempo de inactividad mínimo y la vida útil prolongada. Un único medidor de gas ultrasónico puede reemplazar dos medidores de turbina paralelos (rieles de carga principales y pequeños), lo que reduce los costos de infraestructura. Los medidores ultrasónicos tienen costos iniciales elevados pero costos de instalación más bajos que algunas alternativas, con un mantenimiento mínimo debido a que no tienen piezas móviles. La detección de señal optimizada elimina la costosa infraestructura de atenuación del ruido y los costos reducidos de mantenimiento y reparación en los puntos de medición compensan una mayor inversión inicial. Para aplicaciones de gran-diámetro, las versiones con abrazadera-proporcionan importantes ahorros en los costos de instalación.
P: ¿Qué mantenimiento de rutina se requiere y con qué frecuencia?
R: Los sensores ultrasónicos de flujo de gas están diseñados para un funcionamiento de bajo-mantenimiento; el mantenimiento típico incluye la limpieza de la cara de la sonda en intervalos de 1-6 meses dependiendo de las condiciones del sitio, la verificación del sistema de purga y los filtros de aire, y la recalibración ocasional si es necesario. En entornos polvorientos, como aplicaciones de gases de combustión, los sistemas de purga automatizados que utilizan aire limpio para instrumentos a 0,1-0,6 MPa a 3-6 L/min mantienen las caras del sensor limpias y evitan la desviación de las mediciones. Los sensores se pueden reemplazar en el sitio y bajo presión mediante una configuración plug-and-play, y el funcionamiento del medidor no se ve directamente afectado por las impurezas en las paredes de la tubería.
P: ¿Cuáles son los límites de presión y temperatura de funcionamiento de los sensores ultrasónicos de flujo de gas?
R: Los transductores se han desarrollado para soportar temperaturas desde -260 grados F para medición de GNL hasta 500 grados F para aplicaciones de plantas de energía. Los sensores modernos normalmente manejan -40 grados a +170 grados (-40 grados F a +338 grados F) para aplicaciones estándar, con versiones especializadas de alta temperatura capaces de 150 grados a 550 grados (+302 grados F a +1022 grados F). Los rangos de presión se extienden desde 1 bar a 300 bar (14,5 a 4350 psi), con sensores que funcionan a frecuencias estándar de 120 o 200 kHz. Para aplicaciones de baja presión, la transmisión de sonido requiere una densidad mínima del gas y la tecnología de ondas Lamb permite medir hasta una presión casi atmosférica.
