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Principios técnicos y ventajas de ingeniería de los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito y los detectores ultrasónicos de burbujas

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Partiendo del principio de medición, comprender los límites de capacidad de los caudalímetros ultrasónicos y los detectores de burbujas

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En la ingeniería de fluidos moderna, a medida que los procesos exigen mayores niveles de esterilidad y resistencia a la corrosión, así como menores costes de mantenimiento, las tecnologías de detección no invasivas han pasado gradualmente de la investigación en laboratorio a la aplicación industrial a gran escala. Entre los diversos métodos de medición de caudal, la detección por ultrasonidos destaca por sus favorables características físicas. Permite tanto la medición básica del caudal como la monitorización en tiempo real de las condiciones del fluido, como la presencia de burbujas, lo que protege los sistemas de tuberías desde dos perspectivas: la medición del caudal y la detección de anomalías en el fluido. Un conocimiento sólido de los principios subyacentes de la medición del caudal por tiempo de tránsito y la detección de burbujas proporciona a los ingenieros de equipos una orientación importante a la hora de integrar y seleccionar sensores para condiciones de funcionamiento complejas.

1. Principio de funcionamiento de los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito

El principio de medición de un caudalímetro ultrasónico no es complicado. En el método de tiempo de tránsito, se monta un par de transductores ultrasónicos en la tubería, uno aguas arriba y otro aguas abajo, que transmiten y reciben pulsos ultrasónicos de forma alterna. Cuando el fluido está en movimiento, el pulso ultrasónico que se desplaza aguas abajo se propaga más rápido, mientras que el pulso que se desplaza aguas arriba se propaga más lentamente, lo que crea una diferencia de tiempo entre ambas direcciones. Esta diferencia de tiempo es proporcional a la velocidad media del flujo, y el caudal puede calcularse midiéndola.

En la práctica de la ingeniería, el método del tiempo de tránsito no depende de la conductividad eléctrica ni de la concentración del fluido. Siempre que el medio pueda transmitir ondas acústicas, se puede lograr una medición estable para agua desionizada, disolventes orgánicos o medios de cultivo utilizados en la producción biofarmacéutica. La ventaja más importante del método del tiempo de tránsito es que ningún componente se interpone en el recorrido del fluido, lo que provoca una pérdida de presión y un desgaste mecánico mínimos. Para fluidos limpios, medios corrosivos o procesos en los que la contaminación es inaceptable, este enfoque no intrusivo ofrece una clara ventaja.

2. Principio de la detección ultrasónica de burbujas

El principio de la detección de burbujas es más sencillo. Un transductor emite un pulso ultrasónico y otro transductor recibe la señal transmitida. Cuando la tubería está llena de líquido, las ondas ultrasónicas se propagan a través del líquido con una atenuación relativamente baja, y la señal recibida es intensa. Cuando entran burbujas o aire en la tubería, las ondas ultrasónicas sufren una fuerte reflexión y dispersión en la interfaz gas-líquido, y la señal recibida se atenúa significativamente. Al supervisar el cambio en la amplitud de la señal recibida, es posible determinar si hay burbujas, gas o una tubería vacía en la línea.

Hay varias cuestiones prácticas que requieren atención. El tamaño y la densidad de distribución de las burbujas, así como las propiedades acústicas del propio líquido, afectan al grado de atenuación de la señal, por lo que el umbral de detección debe ajustarse en función del medio específico. Además, debe tenerse en cuenta el efecto del material de la tubería en la atenuación ultrasónica; los diferentes materiales de las tuberías requieren frecuencias de transductor y ganancia de señal adecuadas. El valor técnico de la detección ultrasónica de burbujas radica en su capacidad para supervisar en tiempo real los cambios en el medio dentro de la tubería sin entrar en contacto con el fluido. Para aplicaciones que requieren la protección de bombas, la prevención de la entrada de gas en los procesos posteriores o la verificación del estado de llenado de la tubería, este método ofrece una solución sencilla y eficaz.

3. Ventajas de la detección ultrasónica frente a otros principios de medición

Cada principio de medición de caudal tiene sus propios límites de aplicación. Las ventajas de la tecnología ultrasónica se reflejan principalmente en los siguientes aspectos.

→ En comparación con los caudalímetros mecánicos, como los de turbina y los de engranajes, los caudalímetros ultrasónicos no tienen piezas móviles. Tras un funcionamiento prolongado, el desgaste de los cojinetes y la acumulación de residuos en el impulsor provocan desviaciones en la medición de los caudalímetros mecánicos, lo que requiere un mantenimiento y una recalibración periódicos. Por el contrario, los sensores de los caudalímetros ultrasónicos no tienen contacto mecánico con el fluido, por lo que no se produce desgaste, lo que se traduce en una mayor estabilidad a largo plazo y unos requisitos de mantenimiento significativamente menores.

→ En comparación con la detección óptica por burbujas, la detección ultrasónica no se ve limitada por el color o la transparencia del líquido. En aplicaciones biofarmacéuticas y de química fina, muchos fluidos son de color oscuro o contienen partículas sólidas, lo que puede provocar fácilmente fallos en la detección óptica. Las soluciones ultrasónicas no se ven afectadas por la transparencia óptica, aunque los medios con una atenuación acústica extremadamente alta pueden seguir presentando limitaciones.

→ En comparación con los caudalímetros electromagnéticos, los caudalímetros ultrasónicos no requieren que el fluido sea eléctricamente conductor. Los caudalímetros electromagnéticos solo pueden medir líquidos conductores y no son aptos para medios no conductores, como el agua desionizada, los disolventes orgánicos y los aceites. Los caudalímetros ultrasónicos pueden aplicarse a la mayoría de los medios que transmiten ondas acústicas, lo que ofrece un rango de aplicabilidad más amplio, salvo en el caso de medios altamente atenuantes o que dispersan fuertemente las ondas.

→ Además, los sensores ultrasónicos de fijación por abrazadera no requieren ninguna modificación de la estructura de tuberías existente durante la instalación. Esto supone una ventaja práctica para los proyectos de modernización. No es necesario detener la línea para cortar o volver a soldar la tubería; el sensor simplemente se fija mediante abrazaderas a la pared exterior de la tubería.

En la gama de productos de XY-TEK, los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito abarcan diversos tipos de instalación, desde los de fijación con abrazaderas hasta los en línea. Los sensores de fijación por abrazadera son adecuados para la modernización de tuberías existentes, ya que no entran en contacto con el fluido y son fáciles de instalar y mantener. Los sensores en línea son adecuados para su integración en equipos nuevos, ya que ofrecen una mayor estabilidad de medición y un precio más competitivo. La detección de burbujas también puede integrarse en la lógica de procesamiento de señales del sensor, lo que permite la medición simultánea del caudal y la alarma de burbujas en un único dispositivo.

Comprender los principios de los sensores consiste, esencialmente, en comprender los límites de la medición. Solo cuando los ingenieros tienen claro el ámbito de aplicación, las condiciones de funcionamiento fiables y los modos de fallo de una tecnología de detección pueden tomar decisiones acertadas y utilizar el equipo de forma coherente. La detección ultrasónica no es adecuada para todas las condiciones de funcionamiento. Sin embargo, gracias a su medición no invasiva, a la ausencia de desgaste mecánico y a su amplia compatibilidad con distintos medios, ocupa un lugar destacado en la monitorización de fluidos industriales —un lugar difícil de sustituir en muchos entornos de proceso limpios y resistentes a la corrosión—.