BRPI0614772A2

BRPI0614772A2 - medição de fluxo ultra-sÈnico de baixa potência

Info

Publication number: BRPI0614772A2
Application number: BRPI0614772-0A
Authority: BR
Inventors: Simon John Rhodes
Original assignee: Flownetix Ltd
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-04-12
Also published as: GB2429063B; CN100585346C; JP4954210B2; RU2423673C2; GB0516752D0; BRPI0614772B1; GB0615120D0; CN101248331A; KR101269284B1; IL189349A0; IL189349A; GB2429063A; JP2009505054A; RU2008109489A; KR20080039494A; US20080250870A1; US7775125B2

Abstract

MEDIçAO DE FLUXO ULTRA-SóNICO DE BAIXA POTENCIA é descrito um método de medição de fluxo ultra- sónico para medir uma velocidade de fluxo de um fluido em um conduto, o método compreendendo: prover um fluxímetro ultra- sónico compreendendo um microprocessador, um relógio e um par de transdutores ultra-sónicos operáveis para transmitir sinais através do fluido e para receber os sinais transmitidos, alternar o fiuximetro ultra-sânico de um estado passivo para um estado ativo em intervalos de tempo medidos pelo relógio, uma quantidade de potência usada pelo fluximetro ultra-sónico no estado passivo sendo menor do que uma quantidade de potência usada pelo fluxímetro ultra-sónico no estado ativo, executar um ciclo de medição do fluxo ultra-sónicoe alternar o fiuxímetro ultra-sónico do estado ativo para o estado passivo seguinte à conclusão de um ciclo de medição do fluxo ultra-sónico. Também é descrito um fluxímetro ultra-sónico para medir uma velocidade de fluxo de um fluido em um conduto.

Description

"MEDIÇÃO DE FLUXO ULTRA-SÔNICO DE BAIXA POTÊNCIA"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um método de medi-ção de fluxo ultra-sônico para medir uma velocidade de fluxode um fluido em um conduto e a um fluximetro ultra-sônicopara medir uma velocidade de fluxo de um fluido em um conduto.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Fluximetros ultra-sônicos são bem conhecidos e ge-ralmente se situam em duas categorias, a saber, fluximetrosultra-sônicos com tempo de trânsito e fluximetros ultra-sônicos, de Doppler.

A figura 1 ilustra a operação de um fluximetro ul-tra-sônico com tempo de trânsito tipico para medir o fluxode um fluido através de um cano 10. A direção de fluxo dofluido é mostrada pela seta X. 0 fluximetro ultra-sônico u-tiliza um par de transdutores ultra-sônicos 12 e 14 presosem uma superfície externa 16 do cano 10. Os transdutores 12e 14 são colocados em lados opostos do cano 10 separados poruma distância Lr com o primeiro transdutor 12 em uma posiçãoa montante e o segundo transdutor 14 em uma posição a jusante.

Para fazer uma medição do fluxo a jusante, um si-nal ultra-sônico a jusante Y é emitido do transdutor a mon-tante 12 para o transdutor a jusante 14 em um ângulo θ à di-reção de fluxo X. Um tempo de trânsito td para o sinal a ju-sante Y alcançar o transdutor a jusante 14 é medido.

Similarmente, para fazer uma medição de fluxo atransmitir um sinal de um transdutor ultra-sônicopara o outro através do fluido em um ângulo diferente de 90graus para uma direção predominante do fluxo, o sinal trans-mitido tendo uma freqüência de transmissão,

terminar a transmissão do sinal tal que o sinaltransmitido tenha uma duração finita, a dita duração sendomenor do que um tempo de trânsito mínimo esperado do sinaldo dito um transdutor ultra-sônico para o dito outro; e

receber o sinal transmitido no dito outro transdu-tor ultra-sônico, um tempo de trânsito do sinal sendo o tem-po gasto para o sinal percorrer do dito um transdutor ultra-sônico para o dito outro.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3,CARACTERIZADO pelo fato de que o dito um transdutor ultra-sônico fica localizado a montante do dito outro transdutorultra-sônico tal que a medição de fluxo ultra-sônico é umamedição de fluxo ultra-sônico a jusante.

5. Método, de acordo com a reivindicação 3,CARACTERIZADO pelo fato de que o dito um transdutor ultra-sônico fica localizado a jusante do dito outro transdutorultra-sônico tal que a medição de fluxo ultra-sônico é umamedição de fluxo ultra-sônico a montante.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende prover um relógio rápido, a etapa de fazer uma medi-ção de fluxo ultra-sônico também compreendendo:

medir o tempo de trânsito com um contador cronome-trado pelo relógio rápido ecalcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente no tempo de trânsito medido.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma me-dição de fluxo ultra-sônico também compreende uma etapa deamplificar pelo menos uma parte do sinal recebido, uma fasedo sinal amplificado sendo a mesma que uma fase do sinal re-cebido.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma me-dição de fluxo ultra-sônico também compreende as etapas de:comparar as fases dos sinais transmitidos e rece-bidos e

calcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente em um resultado da comparação de fase.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de que a fase do sinal transmitido éajustada antes da etapa de comparação de fase, tal que umresultado da etapa de comparação de fase é aproximadamente-180° em taxa de fluxo zero.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma medição de fluxoultra-sônico também compreende uma etapa de prover um sinalde pulsação tendo uma largura de pulso que varia dependendode um resultado da etapa de comparação de fase.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10,CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma medição de fluxoultra-sônico também compreende uma etapa de carregar um ca-pacitor usando o sinal de pulsação.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11,CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma medição de fluxoultra-sônico também compreende uma etapa de medir uma volta-gem no capacitor.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12,CARACTERIZADO pelo fato de que a taxa de fluxo é calculadacom base pelo menos parcialmente na voltagem medida.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 11 a 13, CARACTERIZADO pelo fato de que fazer umamedição de fluxo ultra-sônico também compreende uma etapa dedescarregar o capacitor.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 14, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico também compreende:

calcular uma velocidade do som no fluido com basepelo menos parcialmente em uma média de pelo menos um par demedições de fluxo ultra-sônico e

calcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente na velocidade do som calculada.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico compreende:

fazer uma pluralidade de pares de medições de flu-xo ultra-sônico,

fazer a média da pluralidade de medições de fluxoultra-sônico a montante para prover uma medição de fluxo ul-tra-sônico a montante média; efazer a média da pluralidade de medições de fluxoultra-sônico a jusante para prover uma medição de fluxo ul-tra-sônico a jusante média.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico compreende:

fazer uma pluralidade de pares de medições de flu-xo ultra-sônico,

calcular uma pluralidade de taxas de fluxo, cadataxa de fluxo calculada sendo baseada pelo menos parcialmen-te em um par respectivo das medições de fluxo ultra-sônico; e

fazer a média da pluralidade de taxas de fluxocalculadas para prover uma taxa de fluxo média.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 17, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende uma etapa de medição de teste na qual uma versão defase desviada do sinal transmitido é usada como o sinal re-cebido.

19. Método, de acordo com a reivindicação 6 ouqualquer uma das reivindicações 7 a 18 quando dependentes dareivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende uma etapa de teste de relógio rápido.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 19, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende as etapas de:

medir uma amplitude do sinal recebido eaumentar um comprimento do dito intervalo de tempose a amplitude medida está abaixo de um limiar predetermina-descrita por meio de exemplo com referência aos desenhos a-companhantes nos quais:

A figura 1 ilustra a operação de um fluximetro ul-tra-sônico de tempo de trânsito típico para medir o fluxo deum fluido através de um cano,

A figura 2 é uma representação esquemática de umfluximetro ultra-sônico de acordo com uma modalidade da pre-sente invenção,

A figura 3 mostra as regulações de parte de um ci-cio de medição do fluxo ultra-sônico e

As figuras 4a e 4b mostram sinais transmitidos erecebidos bem como um sinal de saída de um comparador de fa-se.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA MODALIDADE PREFERIDA

A figura 2 é uma representação esquemática de umfluximetro ultra-sônico 20 de acordo com uma modalidade dapresente invenção. O fluximetro ultra-sônico 20 pode ser u-sado para medir uma taxa de fluxo de um fluido em um conduto.

O fluximetro ultra-sônico 20 compreende um micro-processador de baixa potência 22 que tem um relógio interno24. O circuito do relógio interno usa um oscilador de cris-tal de baixa freqüência externo para garantir a estabilidadeatravés do tempo e temperatura, um cristal de relógio de-32kHz é tipicamente usado. Em modalidades alternativas, orelógio 24 não precisa ser interno ao microprocessador. Ofluximetro ultra-sônico também compreende um relógio rá-pido26, um divisor de relógio 28, um comutador de fase 30, uma23. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 22, CARACTERIZADO pelo fato de que um transdutorultra-sônico é operável para transmitir um sinal através dofluido em um ângulo diferente de 90 graus para uma direçãopredominante de fluxo, o sinal transmitido tendo uma duraçãofinita, o outro transdutor ultra-sônico sendo operável parareceber o sinal transmitido, um tempo de trânsito do sinalsendo o tempo gasto para o sinal percorrer do dito um trans-dutor ultra-sônico para o dito outro.

24. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que o microproces-sador é operável para controlar a regulação e a duração dosinal transmitido tal que a dita duração é menor do que odito tempo de trânsito.

25. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 23 ou 24, CARACTERIZADO pelo fato de que tambémcompreende:

um relógio rápido conectado no microprocessador, orelógio rápido sendo operável no estado ativo do fluximetroultra-sônico e inoperável no estado passivo; e

um contador operável para medir o dito tempo detrânsito, o contador sendo cronometrado pelo relógio rápido,o contador sendo operável no estado ativo do fluximetro ul-tra-sônico e inoperável no estado passivo.

26. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que o microproces-sador é operável para calcular a taxa de fluxo com base pelomenos parcialmente no tempo de trânsito medido.momento em qualquer combinação.

Em uso, o fluxímetro ultra-sônico 20 tem dois es-tados de operação: um estado ativo no qual os ciclos de me-dição do fluxo ultra-sônico são executados e um estado pas-sivo. 0 fluximetro ultra-sônico usa muito pouca potência noestado passivo tal que a quantidade de potência usada pelofluximetro ultra-sônico no estado passivo é menor do que aquantidade de potência usada no estado ativo. De preferên-cia, a quantidade de potência usada pelo fluximetro ultra-sônico no estado passivo é pelo menos uma ordem de magnitudemenor do que a quantidade de potência usada no estado ativo.

Mais preferivelmente, a quantidade de potência usada pelofluximetro ultra-sônico no estado passivo é pelo menos duasordens de magnitude menor do que a quantidade de potênciausada no estado ativo. Mais preferivelmente, a quantidade depotência usada pelo fluximetro ultra-sônico no estado passi-vo é pelo menos três ordens de magnitude menor do que aquantidade de potência usada no estado ativo.

Para a maior parte do tempo, o fluximetro ultra-sônico 20 está no estado passivo no qual vários componentes(incluindo o relógio rápido 26, amplificador 36 e o disposi-tivo de leitura 46) foram desativados por um sinal de desa-tivação do microprocessador 22. Esses vários componentes sãopreferivelmente escolhidos tal que eles puxam muito poucacorrente quando desativados. O relógio interno 24 corre empotência ultra baixa em ambos os estados ativo e passivo dofluximetro ultra-sônico 20.

Em intervalos de tempo TI, o relógio interno 24envia um sinal de interrupção para o microprocessador 22. Narecepção do sinal de interrupção no tempo t1, o microproces-sador 22 alterna o fluximetro ultra-sônico 20 do estado pas-sivo para o estado ativo para executar um ciclo de mediçãodo fluxo ultra-sônico.

Como mostrado na figura 3, no inicio do ciclo demedição do fluxo ultra-sônico, o microprocessador 22 enviaum sinal de ativação Sl para o relógio rápido 26 no tempot1. Na recepção do sinal de ativação Sl no tempo ti, o reló-gio rápido 26 começa a produzir um sinal de relógio rápidoS2 tendo uma freqüência e período do relógio rápido 26. Afreqüência do relógio rápido 26 é mais alta do que a fre-qüência ressonante dos transdutores na formação 32.

Existe então um retardo de estabilização T2 parapermitir que o microprocessador 22 e o relógio rápido 26 es-tabilizem. De preferência, o microprocessador 22 e o relógiorápido 26 iniciam em menos do que 10 με, que é consideravel-mente mais rápido do que um período de partida do osciladorde cristal típico entre 100 ms e 10 :s. Depois do retardo deestabilização T2, o microprocessador 22 envia um sinal delivre S3 cronometrado pelo relógio rápido 26. O sinal de li-vre S3 tem uma série de efeitos no tempo t2.

Em primeiro lugar, o sinal de livre S3 do micro-processador restaura e ativa o divisor de relógio 28 no tem-po t2. Assim, o divisor de relógio 28 começa a obter um si-nal de entrada S2 do relógio rápido 26 na freqüência do re-lógio rápido. 0 divisor de relógio 28 age para dividir o si-nal de entrada de modo a começar a prover um sinal de saídadigital S4 na freqüência ressonante (inferior) dos transdu-tores na formação 32.

Em segundo lugar, o sinal de livre do microproces-sador S3 restaura e ativa o comutador de fase 30 no tempoÜ2. Em particular, o desvio de fase do comutador de fase 30é ajustado para zero e o sinal de saida S4 do divisor de re-lógio 28 é passado através do comutador de fase 30 para aformação de transdutor 32. Desde que o desvio de fase é ze-ro, será verificado que o comutador de fase 30 é somente op-cional nesse estágio. No lugar disso, no tempo o sinalde saida S4 do divisor do relógio 28 poderia ser passado di-retamente para a formação de transdutor 32.

Em terceiro lugar, no tempo t2, o microprocessador22 ativa um transdutor transmissor na formação 32 paratransmitir o sinal S4 recebido do comutador de fase 30 paraseu transdutor receptor correspondente. O sinal S4 é trans-mitido na freqüência do transdutor. Opcionalmente, múltiplospares de transdutores podem ficar em uso dependendo da apli-cação. Assim, o sinal transmitido S4 pode ser simultaneamen-te transmitido por mais do que um transdutor transmissor emalgumas aplicações.

Finalmente, o sinal de livre do microprocessadorS3 restaura e inicia o contador 38 no tempo t2. Uma contagemS5 do contador 38 é cronometrada pelo relógio rápido 26.

No tempo Ü3, o microprocessador 22 envia um sinalpara a formação de transdutor 32 para terminar a transmissãodo sinal S4 pelo transdutor· transmissor. Assim, o sinaltransmitido S4 tem uma duração infinita T3 dada por T3=t3~t2. A duração finita T3 é calculada pelo microprocessadortal que ela é mais curta do que um tempo de trânsito espera-do mínimo do sinal do transdutor transmissor para o transdu-tor receptor.

Um pouco antes do sinal transmitido S4 estar parachegar no transdutor receptor com base na velocidade do somdo fluido mais rápida esperada, o microprocessador 22 enviaum sinal S6 para a formação de transdutor 32 para ativar otransdutor receptor. 0 sinal S6 é simultaneamente enviado domicroprocessador 22 para o amplificador 36 de modo a ativaro amplificador 36 nesse tempo.

O sinal recebido S7 é composto de uma parte inici-al compreendendo sinais falsos S8 e uma parte posterior com-preendendo uma versão recebida S9 do sinal transmitido S4 nafreqüência do transdutor. O sinal recebido S7 é passado paraum amplificador 36. O amplificador 36 inclui um filtro (nãomostrado) que permite que somente os sinais na freqüência dotransdutor passem. Esse sinal filtrado é então amplificadopelo amplificador 36 para produzir um sinal amplificado. Oamplificador 36 é projetado para operar sobre uma ampla fai-xa de níveis de sinal enquanto preservando a fase e freqüên-cia corretas do sinal que chega S9.

Os sinais falsos S8 são devido à energização dacadeia receptora. Portanto, a fim de remover os sinais S8, osinal recebido é passado através de um portão 34 depois deser passado através do amplificador 36. O portão 34 age comouma chave usando uma função de portão simples para impedirque sinais precoces no ciclo de recepção disparem uma medi-ção. Assim, sob o controle do microprocessador 22, o portão34 inibe a parte inicial do sinal recebido S7 e a saida dosinal pelo portão 34 é simplesmente uma versão amplificadado sinal S9 (a versão recebida do sinal transmitido S4).

0 sinal em portão amplificado SlO é a seguir pas-sado através de um comparador 37 para produzir uma versãodigital Sll do sinal amplificado S10. 0 sinal digital Sll éusado em uma série de maneiras, como descrito abaixo.

Em primeiro lugar, o sinal digital Sll é usado pa-ra parar o contador 38. Em particular, a primeira borda (su-bida ou queda) do sinal digital Sll pára o contador 38 notempo t4. Assim, o contador 38 provê uma medição do tempo detrânsito do sinal transmitido S4 entre os transdutorestransmissor e receptor. Desde que o contador 38 é cronome-trado pelo relógio rápido 26, o contador 38 mede o tempo detrânsito para o período mais próximo do relógio rápido. 0tempo de trânsito medido T4 é dado por T4=t4-t2.

Além disso, o sinal digital Sll é usado como umadas entradas no comparador de fase 40. A outra entrada nocomparador de fase 40 é uma versão de referência não termi-nada do sinal transmitido digital S4. Como mostrado na figu-ra 4, o comparador de fase 40 age para comparar as fases dosdois sinais de entrada S4 e Sll de modo a prover um sinal desaída de pulsação S12.

Observando a figura 4, uma diferença de fase entreos sinais transmitido e recebido é relativamente pequena nafigura 4a e é maio-r na figura 4b. O sinal de saída de pulsa-ção S12 se eleva em uma borda de subida ou queda do sinaltransmitido digital S4 e cai em uma borda de subida ou quedado sinal digital (recebido) Sll. Uma largura de pulso w dosinal de saida de pulsação S12 varia dependendo da diferençade fase entre o sinal transmitido digital S4 e o sinal digi-tal (recebido) Sll. Assim, a largura de pulso w é menor nafigura 4a e maior na figura 4b.

Em uma modalidade preferida (não mostrada na figu-ra 4), o sinal de pulsação S12 para uma primeira medição defluxo ultra-sônico é criado com base nas bordas de subidados sinais S4 e Sll e a seguir, para a próxima medição defluxo ultra-sônico, o sinal de pulsação S12 é criado com ba-se nas bordas de queda dos sinais S4 e Sll. Essa abordagemde uso de bordas alternadas de subida e queda permite o can-celamento dos efeitos causados por quaisquer mudanças ligei-ras na forma, qualidade ou freqüência do sinal recebido S9,enquanto que existe a possibilidade de um erro de desloca-mento se somente uma borda é usada.

O sinal de pulsação S12 é usado para colocar noportão a fonte da corrente 42 que provê uma corrente cons-tante com a .qual carregar o capacitor 44. À medida que o ca-pacitor 44 é carregado, uma voltagem S13 se forma no capaci-tor 44. A voltagem S13 está relacionada com a diferença defase entre os dois sinais S4 e Sll.

No tempo t5, o microprocessador 22 desativa ostransdutores na formação 32. Similarmente, todos os outroscomponentes -(exceto o relógio interno 24, o capacitor 44 e odispositivo :de leitura 46) são desativados pelo microproces-sador 22 nesse tempo.Depois que o capacitor 44 terminou o carregamento,o microprocessador instrui o dispositivo de leitura 46 a lera voltagem. 0 dispositivo de leitura 46 pode ser um conver-sor de analógico para digital (ADC) tal como um ADC de 16bits. Isso fornece uma · medição com resolução muito alta davoltagem, que está relacionada com a diferença de fase.

Para melhorar ainda mais a técnica de medição dedesvio de fase descrita acima, um desvio de fase extra podeser incluído ajustando a fase do sinal transmitido S4. Essedesvio de fase extra é introduzido por um comutador de fase(não mostrado) antes do sinal transmitido S4 ser alimentadopara o comparador de fase 40. A idéia desse desvio de faseextra é ajustar aproximadamente o desvio de fase tal que e-xiste um desvio de fase de aproximadamente 180° em fluxo ze-ro onde a diferença de fase é zero. Isso significa que, emfluxo zero, a voltagem medida fica aproximadamente no centroda faixa de voltagem que seria produzida pelo carregamentodo capacitor. À medida que o fluxo aumenta, a voltagem obti-da em; uma direção de fluxo aumentará e a voltagem obtida naoutra, direção do fluxo diminuirá por aproximadamente a mesmaquantidade. Com base nas taxas de fluxo esperadas, o sistemaé projetado tal que as medições da diferença de fase perma-necem distantes de 0o e 360° para evitar problemas de reini-cio cíclico.

Depois que a voltagem foi lida, o capacitor 44 édescarregado no tempo t6. O dispositivo de leitura 4 6 é tam-bém desligado nesse momento. Todos os outros componentes(exceto o microprocessador 22 e o relógio interno 22) foramdesligados previamente. O microprocessador continua a operarpor um curto período para executar funções matemáticas usan-do os valores medidos. Em particular, a medição da voltageme a medição do tempo de trânsito do contador são então com-binadas para produzir uma medição mais precisa do tempo detrânsito do sinal.

Isso completa uma medição. Entretanto, como des-crito na seção de antecedentes, pelo menos um par de medi-ções (uma medição a montante e uma medição a jusante) é re-querido para determinar a velocidade do fluxo. A figura 3mostra somente a primeira medição em um par de medições. En-tretanto, será verificado que a segunda medição pode serfeita substancialmente da mesma maneira com os transdutoresreceptor e transmissor permutados em círculos.

Além do mais, um único par de medições é imprová-vel de fornecer um resultado preciso por si próprio. Em ge-ral, o curto tempo da amostra e a presença de partículase/ou bolhas de ar no fluido significam que uma história es-tatística das medições prévias é requerida a fim de filtrar,corrigir e refrear os resultados para produzir precisão euma saída utilizável. Tipicamente uma medição terá sua médiafeita com as prévias para enfraquecer as mudanças. Além dis-so, uma medição que difere significativamente dessas ao re-dor dela serão rejeitadas, como será uma medição onde o si-nal recebido difere na regulação ou amplitude dessas ao re-dor dela. Na prática, isso resulta em uma média muito está-vel mesmo quando as condições de entrada não são ideais.

Depois que as leituras requeridas foram tiradas eo microprocessador executou as funções matemáticas requeri-das, um ciclo de medição de fluxo ultra-sônico está comple-to. Portanto, o microprocessador 20 alterna o fluximetro ul-tra-sônico 20 do estado ativo para o estado passivo de baixapotência.

De preferência, um período de tempo T6 consumidopara completar um ciclo de medição do fluxo ultra-sônico émenor do que metade do intervalo de tempo TI. Portanto, ofluximetro ultra-sônico está no estado ativo por menos dametade do tempo, e, portanto, absorve menos potência.

De preferência, o intervalo Tl é menor do que umaescala de tempo esperada para uma mudança significativa nataxa de fluxo. Assim, o fluximetro ultra-sônico 20 forneceoperação aparentemente contínua.

De preferência, o período de tempo T6 consumidopara completar um ciclo de medição de fluxo ultra-sônico fi-ca entre aproximadamente 20 με e 200 με e o intervalo detempo Tl fica entre aproximadamente 1 ms e 100 ms.

Nas modalidades preferidas, o intervalo de tempoTl é 2,5, 7,5, 15 ou 30 ms. Entretanto, valores alternativospodem ser usados dependendo do consumo de potência médio de-sejado do fluximetro ultra-sônico 20.

As regulações descritas nessa modalidade são típi-cas para um sistema usando transdutores de 2 MHz através de50 mm de água. Entretanto, será verificado que essa modali-dade é puramente ilustrativa e as regulações e funções lógi-cas digitais podem ser facilmente ajustadas para qualquerfreqüência ou tamanho de cano e tipo de fluido requerido.De preferência, a quantidade de potência usada pe-lo fluxímetro ultra-sônico no estado passivo é pelo menosuma centena de vezes menor do que a quantidade de potênciausada no estado ativo. Mais preferivelmente, a quantidade depotência usada pelo fluxímetro ultra-sônico no estado passi-vo é menor do que aproximadamente 100 μΐ/ί e a quantidade depotência usada no estado ativo fica entre aproximadamente 10mW e 100 mW.

Em uma modalidade preferida do fluxímetro ultra-sônico 20, um consumo médio de corrente de 60 μΑ ou menos épossível, proporcionando 10 anos de operação de uma célulade lítio C típica. Por exemplo, para um fluxímetro ultra-sônico 20 tendo um intervalo Tl de 30 ms e um período de me-dição T6 de 65 μΞ, com uma corrente estática de 12 μΑ ou me-nos durante o estado passivo do fluxímetro ultra-sônico 20 euma corrente de operação de 20 mA durante o estado ativo dofluxímetro ultra-sônico 20, uma corrente de operação média é55 μΑ. Um medidor típico operará em ± 2% de precisão sobreuma faixa de temperatura de O0C a 85°C.

Um fluxímetro ultra-sônico de acordo com uma moda-lidade da presente invenção pode ser usado com a base paraum sistema de medição de fluxo ultra-sônico que, pela modi-ficação dos parâmetros de software, pode ser usado para umaampla faixa de temperaturas, para uma ampla faixa de taxasde fluxo a despeito do tamanho do cano, para uma ampla faixade tamanhos de cano a despeito da taxa de fluxo e através dequalquer número de fluidos sonicamente condutores.

Uma série de questões de aplicação precisa sertratada a fim de garantir a precisão continuada do fluxíme-tro ultra-sônico através da faixa de aplicações prováveis deserem encontradas.

A primeira dessas questões de aplicação é a capa-cidade de corrigir mudanças no fluido do processo, tempera-tura ou viscosidade. Na prática, devido ao método do tempode trânsito usado, o único efeito físico no tempo de trânsi-to medido é devido às mudanças na velocidade do som do flui-do (que pode ser afetada por qualquer uma das mudanças físi-cas previamente mencionadas). Portanto, a velocidade do somdo fluido pode ser calculada tirando a média de pelo menosum par de medições de regulação a montante e a jusante pararemover o efeito devido ao fluxo como na equação (7) . Por-tanto, uma velocidade de fluxo calculada de acordo com a e-quação (8) é independente das mudanças no fluido do proces-so, temperatura e viscosidade.

Uma outra questão de aplicação refere-se ao uso docapacitor 44 na determinação da diferença de fase. Os compo-nentes analógicos, tal como o capacitor 44, podem ser parti-cularmente sensíveis à tolerância do componente, desvio detemperatura e envelhecimento. A fim de impedir que isso afe-te o resultado da medição, o fluxímetro ultra-sônico 20 épreferivelmente capaz de ser colocado em funcionamento em ummodo de teste. Nesse modo de teste, o comutador de fase 30 éusado para criar dois sinais: um sinal transmitido de refe-rência e uma versão de fase desviada desse sinal de referên-cia. Esses dois sinais são então usados como as entradas pa-ra o comparador de fase 40. Em outras palavras, uma versãode fase desviada do sinal transmitido de referência é usadacomo o sinal recebido. 0 comparador de fase 40, fonte decorrente 42, capacitor 44 e dispositivo de leitura 46 sãoentão usados para medir a voltagem no capacitor 44, do qualé possível calcular uma diferença de fase medida. Essa dife-rença de fase medida pode então ser comparada com a diferen-ça de fase conhecida real imposta pelo comutador de fase 30.Qualquer diferença nos valores medido e real da diferença defase pode então ser usada para corrigir as mudanças no cir-cuito analógico.

O fluxímetro ultra-sônico 20 pode operar uma auto-verificação completa encaminhando o sinal transmitido dire-tamente para o transdutor receptor. Esse encaminhamento podeser feito, por exemplo, usando o multiplexador. Usando o mé-todo de teste de componente analógico descrito acima, o flu-xímetro ultra-sônico 20 é capaz de determinar seu própriodesempenho sem usar o fluido fluente. Na eventualidade dedesvios dos resultados esperados, um fator de correção podeser aplicado. De preferência, na eventualidade de desviosmaiores do que um nível aceitável especificado, o fluxímetroultra-sônico 20 pode informar um usuário e desligar para e-vitar as medições incorretas.

Uma questão de aplicação adicional refere-se aoproblema de gás em um tubo de líquido (ou líquido em um tubode gás). Em um tal caso, o sinal ultra-sônico pode ser ate-nuado enquanto percorrendo do transdutor transmissor para otransdutor receptor. Para diminuir esse problema, o fluxíme-tro ultra-sônico pode ser operável para medir uma amplitudedo sinal recebido, e, se a amplitude medida está abaixo deum limiar predeterminado para um número predeterminado demedições, então a duração do intervalo de tempo pode ser au-mentada. Isso resulta em economia de potência por longos pe-riodos de sinal atenuado.

Ainda uma outra questão de aplicação refere-se aorelógio rápido 26. 0 circuito do relógio rápido usa um osci-lador de partida rápida, de temperatura e tempo estáveis pa-ra garantir a precisão continuada. Periodicamente, o desem-penho desse oscilador pode ser testado em uma etapa de testede relógio rápido na qual o contador 38 é usado para medir onúmero de períodos do relógio rápido para um número especí-fico de períodos de relógio do relógio interno 24. Como men-cionado previamente, o circuito do relógio interno usa umoscilador de cristal de baixa freqüência externo, tal comoum cristal de relógio de 32kHz, para garantir a estabilidadeatravés do tempo e temperatura. Desvios da condição calibra-da podem então ser corrigidos.

Para precisão melhorada, pares adicionais detransdutores ultra-sônicos operáveis para transmitir os si-nais através do fluido e para receber os sinais transmitidospodem ser providos. Em uma tal modalidade, múltiplas medi-ções de par de transdutores podem ser processadas e pondera-das para oferecer informação de fluxo melhorada, ou múlti-pios pares de transdutores podem ser operados em freqüênciasdiferentes para fornecer desempenho melhorado em fluxos me-nores ou transmissão ultra-sônica melhorada. Um exemplo tí-pico disso seria para um fluxímetro ultra-sônico para mediro fluxo em um grande furo onde o uso de dia é provável deser maior, mas mais variável, mas uma faixa de operação me-nor é requerida para o uso noturno onde os fluxos são maisestáveis, porém muito baixos. Nesse caso, um conjunto detransdutores seria usado para determinar o fluxo para 10-100% da faixa projetada com um segundo conjunto com melhorsensibilidade quando o fluxo está abaixo de 10% da faixa es-perada.

Embora uma modalidade preferida da invenção tenhasido descrita, é para ser entendido que essa é por meio deexemplo somente e que várias modificações podem ser conside-radas.

Claims

1. Método de medição de fluxo ultra-sônico paramedir uma velocidade de fluxo de um fluido em um conduto, ométodo sendo CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:prover um fluximetro ultra-sônico compreendendo ummicroprocessador, um relógio e um par de transdutores ultra-sônicos operáveis para transmitir sinais através do fluido epara receber os sinais transmitidos,alternar o fluximetro ultra-sônico de um estadopassivo para um estado ativo em intervalos de tempo medidospelo relógio, uma quantidade de potência usada pelo fluxime-tro ultra-sônico no estado passivo sendo menor do que umaquantidade de potência usada pelo fluximetro ultra-sônico noestado ativo,executar um ciclo de medição de fluxo ultra-sônicoealternar o fluximetro ultra-sônico do estado ativopara o estado passivo seguinte à conclusão de um ciclo demedição do fluxo ultra-sônico.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que executar um ciclo de mediçãode fluxo ultra-sônico compreende fazer pelo menos um par demedições de fluxo ultra-sônico, um par de medições de fluxoultra-sônico compreendendo uma medição de fluxo ultra-sônicoa montante e uma medição de fluxo ultra-sônico a jusante.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma medição de fluxoultra-sônico compreende:transmitir um sinal de um transdutor ultra-sônicopara o outro através do fluido em um ângulo diferente de 90graus para uma direção predominante do fluxo, o sinal trans-mitido tendo uma freqüência de transmissão,terminar a transmissão do sinal tal que o sinaltransmitido tem uma duração finita, a dita duração sendo me-nor do que um tempo de trânsito mínimo esperado do sinal dodito um transdutor ultra-sônico para o dito outro ereceber o sinal transmitido no dito outro transdu-tor ultra-sônico, um tempo de trânsito do sinal sendo o tem-po gasto para o sinal percorrer do dito um transdutor ultra-sônico para o dito outro.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende prover um relógio rápido, a etapa de fazer uma medi-ção de fluxo ultra-sônico também compreendendo:medir o tempo de trânsito com um contador cronome-trado pelo relógio rápido ecalcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente no tempo de trânsito medido.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que fazer uma me-dição de fluxo ultra-sônico também compreende as etapas de:comparar as fases dos sinais transmitido e recebi-do ecalcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente em um resultado da comparação de fase.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de que a fase do sinal transmitido éajustada antes da etapa de comparação de fase, tal que umresultado da etapa de comparação de fase é aproximadamente 180° em taxa de fluxo zero.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 14, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico também compreende:calcular uma velocidade do som no fluido com basepelo menos parcialmente em uma média de pelo menos um par demedições de fluxo ultra-sônico ecalcular a taxa de fluxo com base pelo menos par-cialmente na velocidade do som calculada.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico compreende:fazer uma pluralidade de pares de medições de flu-xo ultra-sônico,fazer a média da pluralidade de medições de fluxoultra-sônico a montante para prover uma medição de fluxo ul-tra-sônico a montante efazer a média da pluralidade de medições de fluxoultra-sônico a jusante para prover uma medição de fluxo ul-tra-sônico a jusante média.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 2 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que executar umciclo de medição de fluxo ultra-sônico compreende:fazer uma pluralidade de pares de medições de flu-xo ultra-sônico,calcular uma pluralidade de taxas de fluxo, cadataxa de fluxo calculada sendo baseada pelo menos parcialmen-te em um par respectivo.das medições de fluxo ultra-sônico efazer a média da pluralidade de taxas de fluxocalculadas para prover uma taxa de fluxo média.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-15 dicações 3 a 17, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende uma etapa de medição de teste na qual uma versão defase desviada do sinal transmitido é usada como o sinal re-cebido.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 3 a 19, CARACTERIZADO pelo fato de que também com-preende as etapas de:medir uma amplitude do sinal recebido eaumentar um comprimento do dito intervalo de tempose a amplitude medida está abaixo de um limiar predetermina-do para um número predeterminado de medições.

21. Método, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreendeprover pares adicionais de transdutores ultra-sônicos operá-veis para transmitir sinais através do fluido e para receberos sinais transmitidos.

22. Fluximetro ultra-sônico para medir uma veloci-dade de fluxo de um fluido em um conduto, o fluximetro ul-tra-sônico tendo um estado ativo no qual os ciclos de medi-ção do fluxo ultra-sônico são executados e um estado passi-vo, o fluximetro ultra-sônico sendo CARACTERIZADO pelo fatode que compreende:um par de transdutores ultra-sônicos operáveis pa-ra transmitir sinais através do fluido e para receber os si-nais transmitidos, os transdutores ultra-sônicos sendo ope-ráveis no estado ativo do fluximetro ultra-sônico e inoperá-veis no estado passivo,um relógio operável em ambos os estados ativo epassivo do fluximetro ultra-sônico eum microprocessador operável para alternar o flu-ximetro ultra-sônico do estado passivo para o estado ativoem intervalos de tempos medidos pelo relógio, o microproces-sador também sendo operável para alternar o fluximetro ul-tra-sônico do estado ativo para o estado passivo seguinte àconclusão de um ciclo de medição de fluxo ultra-sônico,uma quantidade de potência usada pelo fluximetroultra-sônico no estado passivo sendo menor do que uma quan-tidade de potência usada no estado ativo.

23. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 22, CARACTERIZADO pelo fato de que um transdutorultra-sônico é operável para transmitir um sinal através dofluido em um ângulo diferente de 90 graus para uma direçãopredominante de fluxo, o sinal transmitido tendo uma duraçãofinita, o outro transdutor ultra-sônico sendo operável parareceber o sinal transmitido, um tempo de trânsito do sinalsendo o tempo gasto para o sinal percorrer do dito um trans-dutor ultra-sônico para o dito outro.

24. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que o microproces-sador é operável para controlar a regulação e a duração dosinal transmitido tal que a dita duração é menor do que odito tempo de trânsito.

25. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 23 ou 24, CARACTERIZADO pelo fato de que tambémcompreende:um relógio rápido conectado no microprocessador, orelógio rápido sendo operável no estado ativo do fluxímetroultra-sônico e inoperável no estado passivo eum contador operável para medir o dito tempo detrânsito, o contador sendo cronometrado pelo relógio rápido,o contador sendo operável no estado ativo do fluxímetro ul-tra-sônico e inoperável no estado passivo.

26. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que o microproces-sador é operável para calcular a taxa de fluxo com base pelomenos parcialmente no tempo de trânsito medido.

27. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com qual-quer uma das reivindicações 23 a 26, CARACTERIZADO pelo fatode que também compreende um amplificador operável para am-plificar pelo menos uma parte do sinal recebido pelo ditooutro transdutor, uma fase do sinal amplificado sendo a mes-ma que uma fase do sinal recebido, o amplificador sendo ope-rável no estado ativo do fluximetro ultra-sônico e inoperá-vel no estado passivo.

28. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com qual-quer uma das reivindicações 23 a 27, CARACTERIZADO pelo fatode que também compreende um comparador de fase operável paraprover uma saida que varia dependendo de uma diferença defase entre o sinal transmitido e o sinal recebido, o compa-rador de fase sendo operável no estado ativo do fluximetroultra-sônico e inoperável no estado passivo.

29. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 28, CARACTERIZADO pelo fato de que também compre-ende um comutador de fase para ajustar a fase do sinaltransmitido antes do sinal transmitido ser inserido no com-parador de fase, o comutador de fase sendo operável no esta-do ativó do fluximetro ultra-sônico e inoperável no estadopassivo.

30. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 28 ou 29, CARACTERIZADO pelo fato de que a saidado comparador de fase é um sinal de pulsação tendo uma lar-gura de pulso que varia dependendo da diferença de fase.

31. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com qual-quer uma das reivindicações 28 a 30, CARACTERIZADO pelo fatode que a saída do comparador de fase é operável para carre-gar um capacitor.

32. Fluximetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 31, CARACTERIZADO pelo fato de que também compre-ende um dispositivo de leitura conectado no capacitor, odispositivo de leitura sendo operável para ler uma voltagemno capacitor, o dispositivo de leitura sendo operável no es-tado ativo do fluxímetro ultra-sônico e inoperável no estadopassivo.

33. Fluxímetro ultra-sônico, de acordo com a rei-vindicação 32, CARACTERIZADO pelo fato de que o microproces-sador é operável para calcular a taxa de fluxo com base pelomenos parcialmente na voltagem de leitura.

34. Invenção, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADA pelo fato de que um período detempo gasto para completar um ciclo de medição do fluxo ul-tra-sônico é menor do que metade do dito intervalo de tempo.

35. Invenção, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADA pelo fato de que o período de tem-po gasto para completar um ciclo de medição de fluxo ultra-sônico fica entre aproximadamente 20 με e 200 με e o ditointervalo de tempo fica entre aproximadamente 1 ms e 100 ms.

36. Invenção, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito intervaloé menor do que uma escala de tempo esperada para uma mudançasignificativa na taxa de fluxo.

37. Invenção, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADA pelo fato de que a quantidade depotência usada pelo fluxímetro ultra-sônico no estado passi-vo é pelo menos uma centena de vezes menor do que a quanti-dade de potência usada no estado ativo.

38. Invenção, de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, CARACTERIZADA pelo fato de que a quantidade depotência usada pelo fluxímetro ultra-sônico no estado passi-vo é menor do que aproximadamente 100 μW e a quantidade depotência usada no estado ativo fica entre aproximadamente 10mW e 100 mW.