El empleo de sondas de ultrasonidos para la obtención de perfiles de velocidades y descargas en canales abiertos

Abstract

[EN] The present work is focused on the study of the behaviour of some ultrasonic commercial probes used in the measurement of rate flows in pipes, flumes and open channels. The application of ultrasonic technics to obtain the flow field and discharge profiles in high-pressure systems or free water surface, presents several advantages. It is a non-intrusive system, without any load looses or moving parts, so these both aspects extend highly the service life. The maintenance is simple and economic. The measurement range is wide and its functional principle is independent to the physical properties of the fluid, if this one is homogeneous.

The finality of this project is dual, on the one hand to recover data in order to know in a more extended way the behaviour of these devices. On the other hand, to determine the reliability of the ultrasonic probes as a method to obtain the discharge and velocity values of water flow. To reach these goals a first experimental phase has been developed, consisted on the measurement of flow rates on a big capacity channel in Vienna, and a second phase of analysis of the results and study of the capacities of each device and the own facility.

The experimental phase has been developed in the research facilities of the University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU), built in 2014. Specifically the measurement procedures have been carried out in a 120 meters long channel, with a rectangular section of 5 meters wide and a maximum capacity up to 10 m3/s. The research channel connects the main course of the Danube to the Danube Canal, which crosses the city of Vienna. Three gates are arranged along the channel for discharge and water depth control. By combining the different flow rates and water depths, a wide operating range with various flow characteristics is available. It is important to know the distribution of the flow field at the inlet and outlet cross section of the measurement section over the entire operating range.

The three ultrasonic probes analysed are the following ones described below:

a) NivuFlow750: a fixed transmitter for continuous flow measurement, flow control as well as for storage of measurement values. It is designed for use in open channels, closed and part full pipes with various shapes and dimensions. Its latest integrated numeric discharge models enable more accurate, more stable and more reliable determination of flow rates even under very difficult measurement conditions. b) OTT SLD: a static device for continuous velocity and water depth measurement. Its functional principle is based on the acoustic Doppler effect, giving accurate results even in flood cases or with a high load of waste. With a rapid economic maintenance, the system only needs a fixation on the canal bank. Equipped with two horizontal ultrasonic converters, an intelligent sign processor analyses the measured values obtained through these ones, providing a data recording or a calculated discharge, allowing to the SLD (Side Looking Doppler) device converts into a flexible and continuous measurement system, with multiple possibilities of use. C) FlowTracker: a single-point Doppler current meter designed for field velocity measurements. It uses the proven Doppler technology of the Acoustic Doppler Velocimeter (ADV), allowing several advantages such as the accurate velocity measurements in a remote sample volume, 2D or 3D velocity measurements or a rapid response time. Its applicability extends into rivers, open channels, long pipes or water treatment facilities.

The particular goals of this work are the following:

1. to study and domain the handling and operation of both hardware and software for each device used. 2. to explore the operating range of the research channel (RC) as a function of the opening of the inlet and outlet gates. 3. to measure the mean velocity field at the inlet and outlet cross sections for selected operating points a. to implement the velocity

[ES] El presente trabajo trata de estudiar el comportamiento de varios sensores comerciales de ultrasonidos utilizados para la medición de caudales tanto en sistemas de agua a presión como sistemas en lámina libre. La utilización de sistemas de medición por ultrasonidos presenta numerosas ventajas de cara a la obtención de perfiles de velocidad y caudales tanto en instalaciones a presión como en lámina libre. Se trata de sistemas no intrusivos, que no producen pérdidas de carga ni disponen de partes móviles, por lo que vida útil es elevada, con un mantenimiento simple y económico. Su rango de medición es muy amplio y su principio de funcionamiento es independiente de las propiedades físicas del fluido, si éste es homogéneo.

La finalidad de este proyecto es dual, por un lado recopilar datos que permitan conocer de una manera más extensa el comportamiento de estos dispositivos, y por otro, determinar la fiabilidad de las sondas de ultrasonidos como método de obtención de caudales y velocidades. Para lograr estos objetivos, se ha desarrollado una primera parte experimental, que ha consistido en la medición de caudales en un canal de gran capacidad en Viena, y una segunda fase de análisis de los resultados y estudio de las capacidades de cada equipo y las propias de la instalación.

La fase experimental se ha desarrollado en las instalaciones de investigación de la Universidad de Recursos Naturales y Ciencias de la Vida (BOKU) de Viena, durante el año 2014. Concretamente se ha medido en un canal de 120 metros de longitud, de sección rectangular de 5 metros de ancho y con capacidad máxima de hasta 10 m3/s, que conecta el curso principal del río Danubio con el Canal del Danubio, que atraviesa el centro de la ciudad de Viene. El canal dispone de tres compuertas a lo largo de éste, cuya función es la de controlar los niveles de descarga y de calado. Mediante la combinación de diferentes caudales y calados es posible trabajar en un amplio rango operacional con varias características del flujo. Es importante conocer la distribución del campo de flujo en la sección transversal de entrada y de salida de la sección de medición en todo el rango de funcionamiento.

Las tres sondas de ultrasonidos analizadas son las que se describen a continuación:

a) NivuFlow750: transmisor fijo para la medición de caudales continuos, control de caudales y almacenamiento de valores de medición recopilados. Está diseñado para el empleo en canales abiertos, cerrados y tuberías con diversas formas y dimensiones. Su modelo numérico de descarga integrado permite una determinación del caudal de manera más precisa, estable y fiable bajo condiciones de medición difíciles.

b) OTT SLD: dispositivo estático para la medición continua de la velocidad y el nivel del flujo. Su principio de funcionamiento se basa en el efecto acústico Doppler, proporcionando unos resultados fiables incluso en caso de inundación o con una gran carga de flotantes. Con un mantenimiento rápido y económico, el sistema necesita únicamente una fijación en una orilla. Equipado con dos convertidores ultrasónicos horizontales, un procesador de señales inteligente analiza los valores de medición obtenidos a través de éstos, proporcionando un registrado de datos o un caudal calculado, permitiendo al SLD (Side Looking Doppler) convertirse en un sistema de medición flexible y continuo con múltiples posibilidades de uso.

c) FlowTracker: caudalímetro de efecto Doppler de punto único diseñado para la medición de campos de velocidades. La tecnología se basa en el principio de ADV (Acoustic Doppler Velocimeter), permitiendo ventajas varias como una medición de la velocidad precisa en un volumen de muestra remoto, mediciones en dos o tres dimensiones o tiempos de respuesta rápidos. Su aplicabilidad se extiende a ríos, canales abiertos, tuberías alargadas o a instalaciones de tratamientos de aguas.

Con todo ello, los objetivo