En 1928, un alemán llamado Rutten experimentó con una transmisión acústica contrapropagante (corriente arriba-corriente abajo) con el propósito de medir el flujo.

Años después, en 1954, H.P. Kalmus midió la velocidad del flujo en una tubería utilizando un transductor montado externamente para generar y detectar ondas contrapropagantes.

En el año 1966 el duo Yamamoto e Ito patento el primer sistema clamp on de medidores de flujo ultrasónico por tiempo de transito

Tomó hasta finales de los años 70 para que el flujometro ultrasónico fuera introducido exitosamente en la industria.

Ya en los años 1980 la empresa Controlotron diseño un sistema de haz ancho ultrasónico.

En este tipo de medidor se introduce una onda sónica en la trayectoria del fluido de tal forma que dicha onda viaje alternativamente en el sentido del flujo en una dirección y se refleje en el sentido contrario a la dirección del flujo

La diferencia de tiempo de ir y venir de la onda es proporcional al flujo, debido a que la onda de sonido es frenada cuando viaja contra el flujo y acelerada cuando viaja en la dirección de este

Las ecuaciones que definen este proceso son:

Donde:

Fd = frecuencia de la onda viajando aguas abajo

Fu = frecuencia de la onda viajando aguas arriba

C = velocidad del sonido

L = distancia que recorre la onda desde un transductor al otro

Restando las dos expresiones anteriores se obtiene:

Se observa entonces que la velocidad es directamente proporcional a la diferencia de frecuencias ya que la velocidad del sonido se cancela.

Diagrama de un flujometro de tiempo de transito

El tiempo Tab esta dado por:

El tiempo Tba esta dado por:

Donde C= velocidad del sonido en el fluido L= distancia que recorre la onda desde un transductor al otro Θ= ángulo de la trayectoria respecto al eje del tubo

Combinando términos y simplificando , asumiendo V<< C obtenemos que:

Se demuestra que:

Donde Ta es el tiempo medio de tránsito entre los transductores

Este método utiliza 2 transductores en contacto con el medio (insertados) los cuales son emisores y receptores a la vez

Primero se transmite un haz ultrasónico en sentido de aguas abajo y se mide el tiempo de transito entre emisor y receptor ,por parte de la unidad electrónica conectada a los transductores.

Posteriormente se efectúa el proceso inverso es decir aguas arriba lo que resulta en la medición de un intervalo de tiempo superior al primero debido a que la velocidad de propagación es mas rápida en el primer sentido

El caudal es proporcional a la diferencia de los tiempos de transito (∆t)

La ecuación de la figura muestra que este sistema es independiente de las características sónicas del liquido ,aunque si que depende del ángulo de incidencia del haz de ultrasonidos

El tramo donde están ubicados los sensores suele tener una cavidad ,lo que en la practica provoca una distorsión en el perfil del caudal.

En la vecindad a esta cavidad el ángulo ᴓ2 de incidencia entre el haz de ultrasonido y el flujo principal del medio es distinto al Angulo ᴓ1 entre el haz y el eje principal del tubo

El ángulo ᴓ2 no es tan solo desconocido sino que puede variar mucho en función de la viscosidad del medio y su velocidad

Los sensores son intrusivos

Con este método los sensores se sitúan en la pared exterior del tubo de forma parecida al montaje de un Doppler .

Pero el modo de funcionamiento es en tiempo de transito

Una ventaja es que el sistema ya no tiene las cavidades que alojan a los sensores por lo que se evitan los errores de distorsión comentados.

Uno de los inconvenientes potenciales que se pueden presentar es la refracción del haz que cambia el ángulo de emisión respecto al sentido del flujo, en función de variaciones que registren en la velocidad sónica en los distintos medios.

La velocidad sónica en el liquido esta en función a datos relativos al proceso, como la temperatura o las propias características químicas asociadas al liquido

El cambio de ángulo presenta 2 problemas principales por un lado como el haz es estrecho ,puede desviarse suficientemente como para quedar fuera del alcance del receptor

Por otro la calibración depende de dos valores independientes del caudal como son la velocidad de propagación sónica del transductor (Vc) y la del liquido (Vs) los cuales varían a la vez con las características químicas del medio y la temperatura

Esta técnica de medida supera la mayoría de las limitaciones encontradas en anteriores propuestas, el punto esencial de la misma reside en que los transceptores anclados externamente al tubo inducen una propagación sónica natural en la dirección del eje principal del tubo

No se trata de un haz estrecho que penetra en el liquido sino que es radiado de forma continua por el tubo alejándose del transductor emisor, este haz ancho siempre alcanzara al transductor receptor independiente del ángulo de refracción del haz. Dicho de otro modo el tubo entra en resonancia y el área mas cercano al sensor se comporta como una membrana mas eficiente y de mayor tamaño que la del propio sensor

No se altera las condiciones del perfil o del flujo en el medio

Las prestaciones son independiente de las propiedades sónicas del liquido requiriendo una señal de poca amplitud y de baja tensión.

Si la señal recibida se considera insuficiente en términos de amplitud en el momento de efectuar la puesta en marcha y calibración ,el sistema automáticamente busca una frecuencia mas apropiada para las características intrínsecas y su entorno

El hecho de que se trabaje con señales de muy baja tensión (15 voltios) permite disponer de sistemas que puedan ser certificados con seguridad intrínseca para trabajar en áreas peligrosas con riesgo de incendio o explosión.

El caudalimetro ttwb consta de una pareja de transceptores y un sofisticado y compacto instrumento electrónico de medida ,portátil o fijo.

Los sensores se montan externamente a la tubería (clamp on) por la que pasa el liquido que se desea medir

Los sensores se acoplan mediante una cadena de sujeción y un ingenioso espaciador (entre ambos transceptores)

La operación de montaje se realiza sin efectuar cortes ni inserciones en la línea

Existen distintos tipos de sensores cada uno de ellos cubriendo un diámetro de tubería bastante amplio, pues la frecuencia y potencia requerida varían sensiblemente en función del tamaño del tubo

Los sensores pueden ser montados en modo de haz reflejado (ambos están en un mismo lado de la pared del tubo) o en modo directo (montado en puntos opuestos)

El primer método resulta ser la forma preferida pues la magnitud del tiempo de transito es el doble que en el modo directo siendo la medida mas precisa

No intrusivo

Fácilmente de instalar o sujetar a la línea (asido con grapas)

No hay pérdida de presión

Existen diseños bi - direccionales

Salida lineal

No es afectado por la viscosidad, la densidad, la temperatura, ni la presión.

Los líquidos tienen que estar relativamente libres de sólidos o de burbujas.

La exactitud es de ±1% a ± 2.5% de la Razón.