Principio di misura della portata a ultrasuoni

Questo metodo viene utilizzato per misurare liquidi e gas e sfrutta il fatto che la velocità di propagazione delle onde sonore all'interno di un fluido è direttamente influenzata dalla velocità del fluido. In altre parole, nuotare controcorrente richiede più potenza e tempo che nuotare seguendo la corrente. La misura della portata a ultrasuoni che utilizza l'effetto del tempo di transito si basa su questo semplice fatto fisico (v. Fig. 1).

Con questo metodo i sensori lavorano in coppia. Sul tubo sono montate una o più coppie di sensori che emettono e ricevono impulsi ultrasonici in sequenza (indicati da t₁ e t₂ nella figura che segue). A "portata zero", il segnale t₁ è simile a t₂ ovvero non presenta ritardi nel tempo di transito. Ma con un fluido in movimento, le onde ultrasoniche richiedono tempi diversi (dipendenti dal flusso) per raggiungere l'altro sensore. Ciò si traduce in un tempo di transito (t₂ – t₁). Se è nota la distanza tra i due sensori, la differenza del tempo di transito misurata è direttamente proporzionale alla velocità del flusso. Entrambi i sensori sono collegati a un trasmettitore. Il trasmettitore eccita i sensori per generare onde sonore e misura il tempo di transito di queste onde che si propagano da un sensore all'altro:

Per misurare la portata, un misuratore di portata Doppler utilizza l'effetto Doppler (talvolta indicato come spostamento Doppler). Questo fenomeno della fisica è familiare a tutti nella vita quotidiana. Comporta la riflessione delle onde provenienti da oggetti in movimento. La frequenza audio della sirena di un'ambulanza, ad esempio, diminuisce notevolmente una volta che è passata. Pertanto, uno spostamento Doppler è un aumento (o una diminuzione) della frequenza delle onde sonore quando la distanza tra la sorgente audio e il recettore aumenta o diminuisce.

I misuratori Doppler funzionano solo se il fluido contiene particelle, bolle di gas o elementi simili che riflettono le onde sonore iniettate. Un misuratore Doppler richiede un sensore che funge sia da trasmettitore che da ricevitore (Fig. 2).

Oltre al metodo Doppler e al metodo del tempo di transito differenziale, la portata può essere misurata anche con il metodo della correlazione incrociata. Questo metodo misura la portata rilevando il passaggio di un disturbo o del modello del profilo del flusso in un punto di misura e rileva quanto tempo (tempo di transito) impiega tale disturbo per raggiungere il punto di misura successivo. La distanza dei due punti di misura (Δx) è nota e il tempo di percorrenza viene misurato. Sulla base di ciò, è possibile calcolare la velocità del flusso e la portata volumetrica.

Questo metodo può essere utilizzato per misure con velocità di flusso molto elevate e/o elevati contenuti di bolle o particelle di gas trascinate. Richiede un potente processore di segnale e un hardware adatto a elaborare i numerosi calcoli e i necessari confronti dei disturbi e/o modelli.