8. Resultados
8.1. Determinación de perfil de velocidades
8.1.3. Determinación de perfil de velocidades del fluido
El montaje en funcionamiento genera un flujo constante de la solución de agua/aceite. El flujo volumétrico y su velocidad nominal deben ser determinados para poder contrastar la información obtenidas por el método de UVP (Ultrasonic Velocity Profile). Es por ello, que se recurre a la técnica de “baldimetría” para la determinación del caudal, la cual consiste en llenar un recipiente con graduación de volumen y registrar el tiempo de llenado, con estos datos es posible determinar el caudal volumétrico del flujo. Los resultados se presentan en la Tabla 9 y se concluye que el caudal volumétrico del flujo obtenido con la bomba funcionando a 600 rpm es 0,136±0,001 [𝑙/𝑠].
91 Tabla 9: Resultados de medición de caudal por baldimetría.
Nº Medición Volumen de llenado [l] Tiempo de llenado [s] Caudal [l/s]
1 0,580 4,31 0,135
2 0,550 4,05 0,136
3 0,505 3,7 0,136
Con el caudal ya determinado, solo queda determinar las dimensiones de la sección transversal del flujo, de esta manera es posible calcular la velocidad nominal 𝑣 del mismo según,
𝑣 =𝑄
𝐴 (34)
Donde 𝑄=caudal volumétrico [𝑚 /𝑠] y 𝐴=área transversal [𝑚 ]. Luego, asumiendo que
por la geometría de la canaleta el área transversal del flujo es rectangular, con el pie de metro se miden las dimensiones y se calcula la velocidad nominal 𝑣 . Los resultados se muestran en la Tabla 10. Así, la velocidad nominal de las partículas del flujo es 0,536±0,004 [𝑚/𝑠].
Tabla 10: Datos y resultados del cálculo de velocidad nominal por baldimetría. Ancho del flujo [𝑐𝑚] 0,046
Alto del flujo [𝑐𝑚] 0,0055 Área transversal flujo (𝐴) [𝑐𝑚 ] 0,000253
Caudal (𝑄) [𝑙/𝑠] 0,136 Velocidad nominal (𝑣 ) [𝑚/𝑠] 0,536
Finalmente, desde el montaje final en funcionamiento, se realizan 3 experimentos bajo condiciones similares, en los cuales se captura la data necesaria para la determinación de sus perfiles de velocidades. Los experimentos se llevaron a cabo con la bomba peristáltica (descrita anteriormente) funcionando a 600 RPM (máximo permitido por la bomba) y con la solución de agua y aceite (20%[v/v] de aceite) antes mencionada. Además, se utilizaron los parámetros óptimos determinados para el módulo TDC1000 y el osciloscopio, los cuales son: 2 pulsos, Short TOF activado, 9 [dB] de ganancia, 500
92 [mV] para resolución de potencia y 5 [s] para resolución de tiempo (16 [GHz] de frecuencia de muestreo).
Para cada experimento de determinación de perfil se realizaron 20 mediciones ultrasónicas. Cada una de estas mediciones fue procesada, para así, obtener una media e incertidumbre asociada a cada perfil de velocidad. Las Figura 74 a Figura 76 y Tabla 11 a Tabla 13 muestran los resultados obtenidos para experimento. La zona de interés (determinada en el apartado anterior) se dividió en tramos, los cuales fueron procesados individualmente para encontrar la frecuencia de onda asociada.
Figura 74: Gráfico de resultados del experimento 1. Se muestra los puntos del perfil de velocidades obtenidos (puntos azules) y la velocidad nominal determinada por
baldimetría (línea roja). Tabla 11: Resultados experimento 1.
Tramo Posición [mm] Frecuencia [Hz] Velocidad estimada [m/s]
1 0,00 1.020.489±9.044 0,00
2 0,87 1.023.322±9.344 0,59±0,17 3 2,61 1.028.031±12.861 1,57±0,79 4 4,36 1.031.836±11.137 2,36±0,44
93 Figura 75: Gráfico de resultados del experimento 2. Se muestra los puntos del perfil
de velocidades obtenidos (puntos azules) y la velocidad nominal determinada por baldimetría (línea roja).
Tabla 12: Resultados experimento 2.
Tramo Posición [mm] Frecuencia [Hz] Velocidad estimada [m/s]
1 0,00 1.023.796±11.601 0,00
2 0,87 1.025.815±9.415 0,42±0,35 3 2,61 1.030.110±12.514 1,32±0,17 4 4,36 1.026.681±14.777 0,60±0,65
94 Figura 76: Gráfico de resultados del experimento 3. Se muestra los puntos del perfil
de velocidades obtenidos (puntos azules) y la velocidad nominal determinada por baldimetría (línea roja).
Tabla 13: Resultados experimento 3.
Tramo Posición [mm] Frecuencia [Hz] Velocidad estimada [m/s]
1 0,00 1.014.899±6.102 0,00
2 0,87 1.017.141±12.862 0,47±0,31 3 2,61 1.030.894±11.599 3,38±0,93 4 4,36 1.019.560±12.529 0,98±0,96
Los resultados obtenidos muestran mucha congruencia con la magnitud de velocidad nominal determinados por baldimetría (0,536[m/s]), lo que demuestra la efectividad del método. El experimento 1 (Figura 74 y Tabla 11) presenta un perfil de velocidades muy similar al teóricamente esperado [31], y que es representado por la velocidad nominal determinada por baldimetría. Sin embargo, los experimentos 2 y 3 (Figura 75 yFigura 76 y Tabla 12 Tabla 13) no muestran el mismo comportamiento, ya que los puntos correspondientes a los tramos 3 y 4 (más cercanos a la superficie del fluido) no muestran congruencia con lo esperado teóricamente [31]. En general, los puntos correspondientes a los tramos 1 y 2 representan datos similares entre sí para los tres experimentos y son congruentes con la velocidad nominal determinada.
95 Las observaciones anteriores permiten explicar por qué no existe el rebote característico de la superficie del fluido en la zona final de la onda (ver Figura 73). Bajo las condiciones del experimento, es posible determinar la velocidad de los dos primeros puntos correspondientes a los tramos 1 y 2 (los más cercanos al transductor), pero la información obtenida para los dos puntos restantes, de los tramos 3 y 4, no muestran coherencia. Lo anterior demuestra que la onda emitida solo entrega información de las zonas más cercanas al transductor, donde, pasado cierto punto (entre el tramo 2 y 3), la atenuación de la onda hace imposible la recepción del eco. Este problema de atenuación está relacionado con la amplitud de la onda emitida, la cual es fija y única para el controlador de ultrasonidos utilizado en estos experimentos (Placa TDC1000) la cual es de 1,5[V], donde por otro lado estudios similares se utilizan hasta 80[V] para compensar la atenuación.
Otro punto a considerar, es el error asociado a cada medición de frecuencia. Como se mencionó anteriormente, la determinación de las frecuencias para cada tramo se realizan mediante ajustes con curvas sinusoidales como la descrita por la Ecuación
𝐹(𝑡) = 𝐴 + 𝐵 ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝐶 ∗ 𝑡 + 𝐷) (32
), por lo que todos los resultados de frecuencias obtenidas están sujetos a la exactitud de los datos obtenidos, es decir, la exactitud y precisión del osciloscopio. A lo largo de los experimentos realizados, las señales ultrasónicas entregadas por el osciloscopio ocasionalmente no presentaron la suavidad característica de una onda ultrasónica, mostrando picos de alta frecuencias, ondas cuadras y ciclos incompletos, anomalías que repercuten en el ajuste sinusoidal aplicado a la data. Lo anterior se explica por la falta de profundidad de memoria (1[MS]), el ancho de banda y resolución vertical (8-bit). Así, el error de medición puede disminuirse en la medida que el osciloscopio utilizado mejore estas características, en estudios similares se han utilizado valores de memoria de 100[MS] y resolución vertical de 16-bits. [40]Finalmente, se comprueba la efectividad del método para zonas cercanas al transductor, entregando valores de velocidad muy cercanos a la velocidad nominal y que tienen congruencia con la literatura. Para solucionar el problema de atenuación, error en la medición y aumentar el alcance confiable de la onda, es necesario realizar experimentos con ondas de mayor intensidad, para lo cual es necesaria la utilización de un controlador de ultrasonidos con más potencia, además de utilizar un osciloscopio de mayor ancho de banda y profundidad de memoria.
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