Principio de funcionamiento y calibración del medidor de caudal ultrasónico

Un medidor ultrasónico de caudal es un medidor de velocidad que utiliza pulsos ultrasónicos para medir el flujo de fluidos. Cuenta con operación sin contacto, un amplio rango de medición, facilidad de transporte e instalación, fuerte adaptabilidad a los diámetros de tubería, facilidad de uso y digitalización. Se utiliza ampliamente para mediciones en campo de la velocidad y caudal de gases y fluidos. Este artículo introduce los principios de diseño de los medidores ultrasónicos de caudal más utilizados, analiza y evalúa la incertidumbre de medición de sus errores y discute métodos para mejorar la precisión de las mediciones en campo.

I. Principio de medición de los medidores ultrasónicos de caudal

El principio de funcionamiento de un medidor ultrasónico de caudal se muestra en la Figura 1. Se instalan dos sondas ultrasónicas: el transductor A situado aguas abajo transmite señales de pulso ultrasónico, y el transductor B ubicado aguas arriba las recibe. Los transductores se montan mediante el método de sujeción externa Z, uno en cada lado de una tubería de fluido a una distancia determinada. El diámetro interior de la tubería es d, la velocidad ultrasónica aguas abajo es V, y el ángulo θ entre la dirección de propagación ultrasónica y la dirección del flujo del fluido es θ.

2. Análisis de incertidumbre de medición

La tasa de flujo del fluido según la fórmula (3) se compone de cuatro partes: el diámetro interior de la tubería d, la velocidad teórica del sonido C en el fluido medido, la tangente del ángulo de refracción de la onda sonora tanθ, y la diferencia de tiempo Δt entre el flujo hacia adelante y el flujo inverso del fluido al atravesar el transductor AB. Su análisis de incertidumbre de medición es el siguiente.

1. Evaluación de la incertidumbre introducida por la repetibilidad de la medición del diámetro interior de la tubería d

De acuerdo con el estándar **, el diámetro nominal de la tubería D y el espesor de la tubería s son solo dimensiones nominales aproximadas. El diámetro exterior de la tubería D y el espesor de la tubería s deben medirse cada vez. Por lo tanto, esta incertidumbre tiene dos componentes, a saber, la repetibilidad de la medición del objeto medido y la incertidumbre de medición del instrumento de medición utilizado en el lugar. Según nuestra experiencia real en mediciones en el sitio, la incertidumbre de medición del diámetro interior de la tubería d es generalmente Urel (d) = 0,5% (k = 2); por lo tanto, la incertidumbre estándar introducida por la medición del diámetro interior de la tubería d es:

urel(d) = urel(d) / k = 0,5% / 2 = 0,25%

2. Evaluación de la incertidumbre introducida por la medición de la velocidad del sonido del fluido C, urel(C)

De acuerdo con los datos técnicos, esta incertidumbre se evalúa como Clase B. La incertidumbre de la medición de la velocidad del sonido en el fluido medido es:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Esto puede citarse directamente:

urel (C) = Urel (C) / k = 0,6% / 2 = 0,3%

3. Incertidumbre introducida por la repetibilidad de la medición de la distancia l entre los transductores A y B

Evaluación de la incertidumbre de urel (l). La incertidumbre de medición de la distancia l entre el transductor aguas abajo A y el transductor aguas arriba B tiene dos componentes: la repetibilidad de la medición del objeto medido y la incertidumbre de medición del instrumento de medición utilizado en el lugar. Basado en nuestra experiencia real en mediciones de campo, la incertidumbre estándar introducida por la repetibilidad de la medición de la distancia l entre los transductores A y B es generalmente

Urel(l) = 0,6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0,5%/2 = 0,25%

4. Introducción al tiempo de diferencia Δt entre el flujo ascendente y descendente a través de los transductores AB

Evaluación de la incertidumbre u(Δt) La diferencia de tiempo Δt entre el flujo en sentido descendente y ascendente a través de los transductores AB en un medidor de caudal ultrasónico se mide restando el tiempo t1 del pulso transmitido desde el transductor A hacia B en la dirección del flujo descendente y t2 del pulso transmitido desde B hacia A en la dirección del flujo ascendente (véase la Figura 1). Según la fórmula (1), sus componentes de incertidumbre están determinados principalmente por la distancia l entre el transductor descendente A y el transductor ascendente B, el diámetro interior d de la tubería y la velocidad del sonido C en el fluido medido. La precisión de medición de tiempo y frecuencia es la más alta entre todas las disciplinas de medición. El error causado por la medición del temporizado de pulsos en el medidor de caudal ultrasónico puede ignorarse. La distancia l, el diámetro interior d de la tubería y la velocidad del sonido C en el fluido medido están incluidas en otros componentes de incertidumbre. Por lo tanto, la incertidumbre u(Δt) introducida por la diferencia de tiempo Δt entre los fluidos ascendente y descendente al pasar a través de los transductores AB puede ignorarse.

III. Métodos para mejorar la precisión de medición en campo de los medidores de caudal ultrasónicos

En las mediciones en campo, el primer paso es realizar un análisis completo de diversos factores. Todos estos factores tienen cierto impacto en los resultados finales de medición, como se muestra a continuación.

1. El impacto de la incertidumbre en la velocidad del sonido C y métodos empíricos para mejorar la precisión de medición en campo

Antes de que comiencen las mediciones en campo, se debe proporcionar el medio a medir. Si el medio es un gas, se debe suministrar la composición específica del gas, la temperatura de operación y la presión de operación. La velocidad del sonido ultrasónico se puede obtener consultando las normas correspondientes utilizando la información anterior. La influencia de la velocidad del sonido C del medio de trabajo sobre el medidor de caudal ultrasónico tendrá menor impacto en los resultados de medición. Si el medio es un líquido, se debe proporcionar el nombre específico del líquido, la presión de operación, la temperatura de operación, la presión de operación y la presencia de partículas suspendidas en el líquido. La configuración de la velocidad del sonido debe considerar los efectos de la temperatura. La velocidad del sonido en soluciones acuosas es mayor que en el agua, y para la mayoría de los fluidos, cuanto más alta es la temperatura, más rápida es la velocidad del sonido. Cuando hay muchas partículas en el fluido (pero dentro del rango de medición), existen dos enfoques: 1. Partículas distribuidas uniformemente. En este caso, la señal es relativamente estable, dificultando su detección mediante medición. El medio medido debe proporcionar la causa y el tipo de partículas. Una vez conocido el tipo de partículas, se puede ajustar adecuadamente la velocidad del sonido del fluido, y comparar la calidad de la señal para obtener resultados de medición más precisos. ② En el caso de partículas no uniformes, la intensidad de la señal fluctuará significativamente. En este caso, la mejor opción es realizar mediciones durante un período prolongado y promediar las lecturas en varios puntos con buena calidad de señal.

2. Distancia l entre los transductores A y B y diámetro interior de la tubería d

El impacto de la repetibilidad de las mediciones y los métodos para mejorar la precisión de las mediciones en el lugar: Al seleccionar la tubería de medición, elija una sección recta y estable del medio de trabajo, alejada de la válvula de la estación de bombeo. Si el medio en la tubería es líquido, seleccione también una sección de tubería que tenga menor probabilidad de causar sedimentación en el fondo y acumulación de aire en la parte superior. Realice inicialmente la medición con la sonda instalada verticalmente y luego horizontalmente. Si la diferencia entre las dos mediciones está dentro del error máximo permitido por el caudalímetro ultrasónico, y con los demás parámetros sin cambios, proceda a la medición siguiente tras ajustar los parámetros adicionales. De lo contrario, seleccione nuevamente la tubería para la medición (si la diferencia entre ambas mediciones excede el error permitido por el caudalímetro ultrasónico, esto indica que la sección de tubería no está completamente llena del medio de trabajo).

Al configurar los parámetros detallados para la próxima medición, los principales factores que afectan la precisión de la medición son la distancia l entre los transductores A y B y el diámetro interior d de la tubería. La distancia l generalmente se mide con una regla de acero o un calibrador vernier basado en la distancia l. Para medir el diámetro interior d de la tubería, se puede utilizar directamente un calibrador vernier cuando el diámetro exterior de la tubería es pequeño. Para tuberías más grandes, es mejor utilizar una regla de acero de precisión para medir la circunferencia y luego calcular el diámetro. Al medir tuberías con depósitos y suciedad internos severos, se puede aumentar el parámetro del espesor de la pared de la tubería s y disminuir la velocidad del sonido en la pared. Al medir tuberías con corrosión interna severa, el parámetro del espesor de la pared de la tubería s se puede disminuir, pero la velocidad del sonido en la pared permanece sin cambios.

Basado en el principio de los medidores de caudal ultrasónicos de tiempo de tránsito, este documento analiza y evalúa la incertidumbre de medición de los errores en medidores de caudal ultrasónicos. Con base en los años de experiencia de nuestro instituto en pruebas en campo de medidores de caudal ultrasónicos, proponemos y explicamos varios puntos clave para mejorar la precisión de medición en campo de estos dispositivos.