Para descrever o modo de funcionamento destas duas medidas utilizadas são necessários três modos distintos de funcionamento: dois para transitores de tempo e um para Doppler. Os ultrassónicos transitores de tempo estão divididos nestas operações em domínio de tempo e em domínio de frequência. Ambas transmitem por vibração, a partir de um tradutor de transmissão. As diferenças entre os tempos de chegada de vibrações propagadas numa direcção contra-corrente e propagadas em direcção da corrente (com o fluxo) são usadas para calcular a velocidade do fluxo em ambos os tipos. Medidas Doppler transmitem uma onda contínua inclinada fazendo um ângulo com o fluxo. A batida da frequência entre o sinal transmitido e aquela dispersão de partículas movíveis no fluxo, proporciona informação da velocidade do fluxo. Mais pormenorizadamente podemos descrever cada uma destes modos distintos de funcionamento. Assim temos:
Transitores de tempo em domínio de tempo
Transitores de tempo em domínio de tempo, como mostra a fig.1, transmitem uma vibração em uma dada direcção e registam o tempo de chegada da vibração no local oposto ao caminho inicialmente tomado. Então transmitem uma vibração na direcção oposta e tornam a registar esse tempo de chegada. A diferença entre as duas medidas de tempo providencia a informação do movimento do fluido no caminho do fluxo.
A configuração na figura mostra a parte essencial do campo de acção de um transitor de tempo. Há muitas maneiras de implementar esta configuração, mas todas elas contêm esta parte essencial. Uma equação típica da velocidade do fluxo no domínio de tempo é dada por:
Onde
Figura 1 - Transitor de tempo
Nota: De notar que esta expressão é sensível à velocidade do som no meio. Ter a certeza que o algoritmo de cálculo do fluxo usado toma a velocidade do som em conta, para evitar erro significante dependente de temperatura. Limites frequentes de ultrassónicos em domínio de tempo e a habilidade de resolver as diferenças de tempo estão relacionados com o tamanho dos canos. Assumindo que as diferenças de tempo podem ser resolvidas em 10 nanosegundos (100 Mhz relógio). Se for desejado, para medir o fluxo em 0,5 metros de diâmetro do cano, a mínima mudança mensurável na medida da velocidade do fluxo (assumindo 1500 m/s como velocidade do som) é cerca de 0,02 metros por segundo. Numa medida frequente, uma resolução de cerca de 0,07 m/s pode ser esperada, que representa um fluxo de cerca de 0,14 m/s. Abaixo deste ponto a habilidade do medidor para ler aceitavelmente, torna-se questionável.
Transitores de tempo em domínio de frequência
Ultrassónicos em domínio de frequências usam o mesmo sensor que ultrassónicos em domínio e tempo. A única diferença é no processamento de sinais. Em vez de ler o tempo directamente esta implementação converte a informação de tempo em frequência. Na forma mais simples como se mostra na figura, tão rápido quanto uma vibração sónica é recebida, é imediatamente retransmitido para formar uma taxa de repetição de vibração (frequência) proporcional ao tempo de transmissão da vibração. Se dois destes caminhos, um em cada direcção do fluxo são usados, duas frequências são geradas. A diferença nestas duas é proporcional à velocidade do fluxo. A configuração da fig.2 serve apenas como explicação. Nenhum fabricante usa caminhos independentes para medidas contra e a favor do fluxo. Na prática uma amostra de tempo do caminho do som é usada e em vez de ganchos de fase complexos são geralmente utilizados para obter dois tipos de frequências independentes. A velocidade do fluxo para ultrassónicos em domínio de frequência é dada por:
Onde
O caminho prático mais rápido não pode ser calculado tão simplesmente como ultrassónicos em domínio de tempo. Tradutor de diâmetro, geometria de montagem e outras considerações subjectivas proporcionam um caminho prático de extensão cerca de 0,075 metros.
Método Doppler
Flutuadores Doppler industriais geralmente fazem uso de transmissão contínua de uma única frequência em vez de vibrações. O feixe de som é propagado no meio seguinte com um certo ângulo em relação ao fluxo. Pequenas inclusões de bolhas sólidos ou refluxos de corrente no meio seguinte reflecte ou espalha o som de volta ao receptor. Se houver algum movimento nessas inclusões haverá uma mudança na frequência no sinal retornado. Cada partícula reflecte som enquanto está no campo sónico do transmissor. Estas partículas têm uma distribuição física ao acaso e uma distribuição ao acaso nas velocidades. O sinal composto reflectido è uma distribuição casual de frequências que se adicionam ao que parece ser uma forma de onda simples. A diferença entre as frequências transmitidas e as recebidas é proporcional ao movimento do fluxo. A velocidade teórica do fluxo dada pela frequência Doppler é :
Onde:
A maior parte dos sistemas Doppler determina a frequência Doppler contando cada ciclo na forma de onda Doppler. Esta técnica não dá a frequência Doppler teórica, mas por vezes fica perto do espectro Doppler. Outros sistemas tomam a distribuição espectral do sinal em consideração e prevêem a frequência teórica. Esta técnica tardia dá melhor performance na presença de concentração variável de partículas movíveis.