ES2292178T3 - Caudalimetro de vortice ultrasonico que tiene carcasa de fijacion. - Google Patents
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Abstract
UN MEDIDOR DE CAUDAL DE TORBELLINOS ULTRASONICO MEJORADO (10) QUE COMPRENDE UN RECEPTACULO (12) CON UNA BRIDA LOCA (16) QUE COINCIDE DE FORMA EXTRAIBLE CON UN CONECTOR DE CONDUCTOS DE CUERPO CORTADO A PICO (18) INSTALADO PERMANENTEMENTE EN UN CONDUCTO DE FLUIDOS A CONTROLAR. HAY UN TRANSMISOR ULTRASONICO (40) Y UN RECEPTOR (42) COLOCADOS RESPECTIVAMENTE DENTRO DE LAS PATILLAS DE LA BRIDA DE MODO QUE PUEDA PASAR UNA ONDA ULTRASONICA A TRAVES DE LOS TORBELLINOS (43) FORMADOS POR EL FLUIDO CONFORME FLUYE POR EL CUERPO CORTADO EN PICO (28). LA BRIDA LOCA ELIMINA LA NECESIDAD TANTO DE CORTAR LA CIRCULACION DE LOS FLUIDOS MIENTRAS ACTUA EL MEDIDOR COMO EL POTENCIAL DE QUE ENTREN CONTAMINANTES EXTERNOS EN EL FLUIDO. EL MEDIDOR DE CAUDAL HACE USO ADEMAS DE UN DETECTOR DE UNA SOLA FASE FORMADO A PARTIR DE UNA COMPUERTA O EXCLUSIVO (44) EN COMBINACION CON UN ELEMENTO DE DETECCION DE LA GAMA DE FASE OPTIMA (108). EL ELEMENTO DE DETECCION DE LA GAMA DE FASE OPTIMA DISPARA UN DESFASE DE 90 GRADOS SIEMPRE QUE LA DIFERENCIA DE FASE ENTRE LA ONDA TRANSMITIDA Y LA ONDA RECIBIDA SE ACERQUE A 0 O A 180 GRADOS.
Description
Caudalímetro de vórtice ultrasónico que tiene
carcasa de fijación.
La presente invención se refiere a mejoras en
caudalímetros para fluido, y más particularmente a caudalímetros de
vórtice del tipo que usa un circuito de detección ultrasónico junto
con un cuerpo achatado dispuesto en un conducto de flujo.
Los caudalímetros de vórtice ultrasónicos
generalmente se conocen bien, y funcionan sobre la teoría de que
una obstrucción, tal como un cuerpo achatado, puesto en un flujo
lineal de fluido produce una pluralidad de vórtices esparcidos
aguas abajo de la obstrucción. Los vórtices crean variaciones
oscilatorias localizadas en parámetros de flujo observables tales
como presión o velocidad. Cuando las ondas ultrasónicas se
transmiten a través de los vórtices, los vórtices producen una
diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda recibida que
depende de la fuerza y velocidad de los vórtices. Estas diferencias
de fase se detectan posteriormente y se utilizan para calcular el
caudal de fluido.
Sin embargo, las diferencias de fase pueden
estar provocadas también por otros fenómenos externos, tales como
cambios de temperatura en el fluido, que pueden producir
desviaciones en la fase entre las ondas transmitidas y las
recibidas que superan el intervalo óptimo del detector de fase. Como
resultado, los caudalímetros de vórtice ultrasónicos conocidos han
utilizado típicamente circuitos de detección de fase complejos y
caros que intentan forzar la diferencia de fase para que permanezca
en un intervalo de detección óptimo.
Por ejemplo, una disposición conocida utiliza un
bucle de cierre de fase (PLL) para ajustar lentamente la frecuencia
de la señal transmitida para mantener el ángulo de fase óptimo, o la
frecuencia del oscilador para ajustarse a la señal recibida. Además
del coste y la complejidad, las desventajas de las disposiciones PLL
son su falibilidad para manejar grandes cambios en la frecuencia
transmitida provocados por grandes cambios de temperatura en el
fluido, y la pérdida potencial de bloqueo y el tiempo de
readquisición correspondiente si la onda transmitida se interrumpe
tal como por encontrarse con una burbuja de aire en el fluido. El
tiempo de readquisición puede ser especialmente problemático para
caudalímetros grandes, porque la constante temporal de bloqueo de
fase debe ser mayor que la menor frecuencia de esparcimiento de
vórtice, por ejemplo, del orden de 1 Hz.
Otros caudalímetros de vórtice ultrasónicos
conocidos han intentado superar el problema de corrupción de fase
descrito anteriormente utilizando conjuntos múltiples de
transmisores y receptores. Sin embargo, estas disposiciones sólo
hacen al circuito de detección más complejo y costoso.
Además de los problemas con el circuito de
detección de fase, las disposiciones de caudalímetro conocidas han
sufrido también el inconveniente de que debido a los diseños de
carcasa, cualquier revisión del caudalímetro ha necesitado la
desconexión de la unidad del conducto de fluido. Dicha desconexión
es muy indeseable porque típicamente requiere un cierre temporal
del proceso de fabricación que depende del flujo de fluido de manera
que el flujo de fluido puede detenerse. Además, desacoplar el
caudalímetro del conducto puede permitir que entren al conducto
contaminantes externos, interrumpiendo así adicionalmente el proceso
de fabricación, o comprometiendo potencialmente la calidad de los
bienes fabricados.
Por ejemplo, el documento
GB-A-2 165 937 se refiere a un
sistema de acondicionamiento de aire que comprende un aparato de
acondicionamiento de aire que tiene una soplante de aire, al menos
una sala conectada al aparato de acondicionamiento de aire mediante
un conducto de aire, en el que un caudalímetro de fluido se dispone
en el conducto de aire, usando el caudalímetro de fluido un aparato
transmisor y receptor ultrasónico y una red para detectar los
vórtices de Karman generados periódicamente como una modulación del
periodo de fase de rayos ultrasónicos.
El documento
US-A-4 924 710 se refiere a un
caudalímetro de vórtice adaptado para detectar la modulación de
fase de ondas ultrasónicas propagadas en un fluido provocadas por
vórtices de Karman generados en el fluido por un generador de
vórtice y para medir el caudal del fluido detectando la generación
de los vórtices de Karman.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención
es proporcionar un caudalímetro de vórtice ultrasónico que puede
utilizar un detector de fase sencillo, barato y fiable.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un caudalímetro de vórtice ultrasónico que puede ser
revisado por un técnico sin desmontar el sistema de distribución de
fluido, y sin exponer potencialmente el fluido a contaminantes
externos.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un caudalímetro de vórtice ultrasónico que incluye una
carcasa dispuesta para permitir la retirada del componente detector
de flujo sin interrumpir el flujo de fluido en el sistema de
distribución de fluido.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un caudalímetro de vórtice ultrasónico que tiene una
carcasa hecha enteramente de material no corrosivo, y que se desliza
alrededor de un conducto o tubería de flujo de fluido.
De acuerdo con estos y otros objetos, la
presente invención proporciona un caudalímetro de vórtice
ultrasónico mejorado de fluido que tiene una carcasa que comprende
una horquilla de deslizamiento que coincide de forma retirable con
un conector del conducto del cuerpo achatado instalado
permanentemente en un conducto de fluido a controlar. Un transmisor
y receptor ultrasónicos se sitúan respectivamente dentro de las
patas de la horquilla para que pase una onda ultrasónica a través
de los vórtices esparcidos por el fluido según fluye por el cuerpo
achatado localizado dentro del conector del conducto del cuerpo
achatado. La horquilla de deslizamiento elimina la necesidad de
cortar el flujo de fluido durante la revisión del medidor, y el
potencial para contaminantes externos que entran al fluido. El
caudalímetro utiliza adicionalmente un detector de fase sencillo
formado a partir de una puerta O-exclusiva en
combinación con una disposición de detección del intervalo de fase
óptimo. La disposición de detección del intervalo de fase óptimo
acciona un medio de desplazamiento de fase 90 grados cuando la
diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda recibida se
aproxima a 0 o a 180 grados.
De esta manera, de acuerdo con un primer aspecto
de la presente invención, un caudalímetro de vórtice comprende una
carcasa conectada alrededor de un conducto de flujo de fluido,
medios dispuestos dentro del conducto para generar vórtices en el
flujo de fluido, un transmisor situado dentro de la carcasa para
propagar una onda ultrasónica a través de los vórtices, y un
receptor ultrasónico situado dentro de la carcasa para recibir la
onda propagada. Un medio detector de fase está conectado al
transmisor y receptor para producir una salida representativa de
cualquier diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda
recibida, y un medio procesador es sensible a la salida del medio
detector de fase para determinar el caudal de fluido como una
función de la diferencia de fase provocada por los vórtices. Un
medio detector del intervalo de fase óptimo está conectado al medio
detector de fase para detectar si la diferencia de fase es de
aproximadamente 0 grados o 180 grados, y un medio de cambio de fase
es sensible al medio detector del intervalo de fase óptimo para
cambiar la fase de la señal del transmisor suministrada al medio
detector de fase en sustancialmente 90 grados siempre que la
diferencia de fase sea de aproximadamente 0 o 180 grados.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, un caudalímetro de vórtice comprende una carcasa que
tiene una horquilla dimensionada para deslizarse alrededor de un
conector del conducto del cuerpo achatado separado acoplado a un
conducto de flujo de fluido. El cuerpo achatado se dispone de forma
que produce vórtices en el flujo de fluido. Un transmisor y
receptor ultrasónico se disponen dentro de la horquilla para
situarse respectivamente en lados opuestos del conector del
conducto del cuerpo achatado. El transmisor se sitúa para propagar
una onda ultrasónica a través de los vórtices para ser recibida por
el receptor. Un medio detector de fase se conecta al transmisor y
receptor para producir una salida representativa de cualquier
diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda recibida, y
un medio procesador es sensible a la salida del medio detector de
fase para determinar el caudal de fluido como una función de la
diferencia de fase provocada por los vórtices.
La presente invención se entenderá mejor después
de leer la siguiente descripción detallada de la realización
preferida junto con los dibujos adjuntos.
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un
caudalímetro de vórtice ultrasónico de acuerdo con la presente
invención;
La Figura 2 es una vista longitudinal frontal
del caudalímetro de la Figura 1;
La Figura 3 es una vista transversal tomada a lo
largo de la línea 3-3 de la Figura 2;
La Figura 4 es una vista transversal tomada a lo
largo de la línea 4-4 de la Figura 2;
La Figura 5 es un diagrama de bloques
esquemático para un circuito de procesamiento del caudalímetro de
acuerdo con la presente invención; y
Las Figuras 6(a)-(c) son representaciones
que ilustran las señales procesadas en diversos puntos en el
circuito de la Figura 5.
Haciendo referencia a las Figuras
1-4, se muestra un caudalímetro de vórtice
ultrasónico 10 de acuerdo con la presente invención que tiene una
carcasa 12 formada a partir de un cabezal medidor 14 montado de
forma giratoria en una horquilla de deslizamiento 16. La horquilla
16 se dispone para deslizarse y encajarse con un conector del
conducto del cuerpo achatado 18 separado, y se mantiene en su sitio
mediante un perno de leva de bloqueo 20. Además, un par de
cojinetes de goma 21 están situados respectivamente dentro de las
cavidades 23 y 25 formadas en lados opuestos del interior de la
horquilla 16, y están dispuestos para extenderse ligeramente hacia
fuera desde la superficie interna de la horquilla para proporcionar
un ajuste de fricción entre la horquilla 16 y el conector del
conducto del cuerpo achatado 18 una vez que la horquilla 16 se ha
deslizado en el mismo.
El conector del conducto del cuerpo achatado 18
se dispone para ajustarse a un conducto o tubería de fluido deseado
durante una instalación inicial, después de lo cual el fluido cuyo
caudal debe controlarse pasa a través de un primer extremo abierto
22 hacia un pasaje de flujo 24 del cuerpo achatado, y finalmente
fluye fuera mediante un segundo extremo abierto 26 localizado
opuesto al primer extremo 22. Al menos un cuerpo achatado 28 se
fija al conector del conducto 18 para estar situado para extenderse
internamente dentro del pasaje 24.
El cabezal medidor 14 se dispone de acuerdo con
la presente invención para proporcionar dos compartimentos de
circuito aislados 30 y 32. El primer compartimento 30 aloja el
circuito detector (descrito a continuación en este documento en
relación con la Figura 5) y se cierra por sellado después de la
instalación mediante la cubierta 36. El segundo compartimento 32
está cerrado con una cubierta amovible 38, y aloja diversas
conexiones de campo a las que típicamente se accede después de la
instalación del caudalímetro para permitir la conexión de la salida
del caudalímetro para monitorización externa y circuito de control.
Todos los componentes de la carcasa del caudalímetro están hechos
de materiales no corrosivos, tales como nylon, Teflon®, PVC, PVDF,
u otro plástico adecuado. El uso de plásticos permite que el
caudalímetro de la presente invención sea resistente a corrosión,
ácido, y la mayoría de los disolventes, y es por lo tanto muy
adecuado para usar en entornos de fabricación industrial
hostiles.
Situado adyacente a los cojinetes de goma 21
dentro de cada cavidad respectiva 23 y 25 hay un transmisor
ultrasónico 40 y un receptor 42. Como se observa mejor en la Figura
3, cuando la horquilla está montada apropiadamente al conector del
conducto del cuerpo achatado 18, el transmisor y receptor se
situarán de manera que pasa una señal ultrasónica a través de los
vórtices 43 esparcidos cuando el fluido que fluye dentro del pasaje
del cuerpo achatado 24 impacta con el cuerpo achatado 28, como
entiende bien un especialista habitual en la técnica. Los vórtices
43 crean una diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda
recibida que se detecta mediante un circuito detector de fase, tal
como una puerta O-exclusiva 44, que se describe más
completamente a continuación en este documento en el contexto con
un circuito de procesamiento del caudalímetro 100 mostrado en la
Figura 5.
Más específicamente, como se muestra en la
Figura 5, el circuito de procesamiento 100 incluye un oscilador 102
para producir una onda de referencia, que tiene una frecuencia de 2
MHz. La onda de referencia se divide después, tal como mediante un
divisor 103 que divide por 2, y se suministra al transmisor 40 para
generar la onda transmitida. La salida del oscilador 102 se
suministra también a una de las entradas de la puerta
O-exclusiva 44 mediante un segundo divisor (mostrado
como un divisor 105 que divide por 2), mientras que la salida del
receptor 42 se suministra a la otra entrada de la puerta
O-exclusiva 44. Como se muestra en la Figura
6(b), la puerta O-exclusiva 44 produce
posteriormente una salida 46 compuesta por una serie de pulsos que
tienen una anchura que es una función de la diferencia de fase entre
la onda transmitida y la onda recibida mostrada como "a" en la
Figura 6(a).
La salida de la puerta
O-exclusiva 44 se filtra mediante un filtro de paso
bajo 104 que tiene una frecuencia de corte menor que la frecuencia
de la onda portadora, pero mayor que la frecuencia del esparcimiento
de vórtice. El filtro de paso bajo 104 retira eficazmente la onda
portadora de la salida del detector de fase. De esta manera,
mediante una realización ejemplar mostrada en la Figura 6(c),
si se utiliza una puerta O-exclusiva convencional
de tipo CMOS, la salida del filtro de paso bajo 104 comprenderá un
componente de tensión DC que varía entre 0 y 5 V DC correspondiente
a la diferencia de fase variable, y un pequeño componente de tensión
AC cuya frecuencia es una función de la velocidad de flujo del
fluido. Un filtro de paso alto 106 separa el componente de tensión
AC para introducirlo en un procesador de control 108. El procesador
de control 108 procesa el componente AC para salir hacia un
convertidor de digital a analógico (DAC) 110. La salida del DAC 110
se suministra a una pantalla de caudal de fluido 112 adecuada u
otro equipo de monitorización externo.
De acuerdo con la presente invención, para
compensar la incapacidad de la puerta O-exclusiva 44
para producir una salida cuando la diferencia de fase entre la onda
transmitida y la onda recibida es sustancialmente 0 o 180 grados,
el procesador de control 108 controla la amplitud del componente DC
de la salida de la puerta O-exclusiva mediante un
convertidor de analógico a digital (A/D) 114 para determinar cuándo
la diferencia de fase es esencialmente 0 o 180 grados. Por ejemplo,
en la disposición ejemplar indicada anteriormente, cuando la
diferencia de fase está en un intervalo óptimo, la amplitud del
componente DC será be 2,5 V DC, y cuando la diferencia de fase es
sustancialmente 0 o 180 grados, la amplitud del componente DC será
respectivamente 0 o 5 V DC. Cuando el procesador 108 detecta la
diferencia de fase a o cerca de 0 o 180 grados, el procesador 108
activa un interruptor 116 para hacer que la entrada del
oscilador/transmisor a la puerta O-exclusiva sea
invertido por un invertidor 118. Debido al divisor 105, esta
disposición de interruptor produce eficazmente un cambio de 90
grados en la entrada del transmisor a la puerta
O-exclusiva 44, que a su vez mantiene la diferencia
de fase entre la onda transmitida y la recibida en el intervalo de
detección de fase óptimo.
De esta manera, el caudalímetro de vórtice
ultrasónico 10 de la presente invención consigue ventajas
significativas sobre los caudalímetros convencionales para fluido.
Específicamente, la horquilla de deslizamiento puede abrirse para
permitir una retirada rápida, sustitución, y revisión del
caudalímetro sin ni siquiera abrir el conducto de fluido,
eliminando de esta manera la posibilidad de que los contaminantes
externos entren al fluido cuando es necesario revisar el
caudalímetro. Adicionalmente, la monitorización de cualquier
desviación desde un intervalo de detección de diferencia de fase
óptimo y la posterior disposición de compensación para el cambio de
fase de 90 grados de la presente invención permite a la presente
invención utilizar una puerta O-exclusiva sencilla,
fiable, y barata como detector de fase. Y finalmente, como el
cabezal del caudalímetro está dispuesto para aislar los
compartimentos individuales para el circuito del caudalímetro y las
conexiones de campo, se elimina la necesidad de personal de campo
para acceder directamente y exponer el circuito del caudalímetro
después de la instalación simplemente para conectar la
monitorización externa u otro equipo de control.
Se entenderá que la descripción anterior de la
realización preferida de la presente invención es únicamente para
propósitos ilustrativos, y que las diversas características
estructurales y operativas descritas en este documento son
susceptibles de numerosas modificaciones, ninguna de las cuales se
aleja de la presente invención como se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (9)
1. Caudalímetro de vórtice (10) que
comprende:
una carcasa (12) conectada alrededor de un
conducto de flujo de fluido;
un medio dispuesto dentro de dicho conducto para
generar vórtices (43) en el flujo de fluido;
un transmisor (40) situado dentro de dicha
carcasa (12) para propagar una onda ultrasónica a través de dichos
vórtices (43);
un receptor ultrasónico (42) situado dentro de
dicha carcasa (12) para recibir dicha onda propagada;
un medio detector de fase conectado a dicho
transmisor (40) y receptor (42) para producir una salida
representativa de cualquier diferencia de fase entre la onda
transmitida y la onda recibida;
un medio procesador sensible a dicha salida de
dicho medio detector de fase para determinar el caudal de fluido
como una función de la diferencia de fase provocada por dichos
vórtices (43),
un medio detector del intervalo de fase óptimo
está conectado a dicho medio detector de fase para detectar si
dicha diferencia de fase es de aproximadamente 0 grados o 180
grados, en el que un medio de cambio de fase está conectado a dicho
medio detector del intervalo de fase óptimo para cambiar la fase de
la señal del transmisor suministrada a dicho medio detector de fase
en sustancialmente 90 grados, caracterizado porque
dicha carcasa (12) comprende una horquilla (16)
dimensionada para deslizarse alrededor de un conector del conducto
del cuerpo achatado (18) acoplado a dicho conducto de flujo de
fluido, y
en el que dicho receptor ultrasónico (42) y
transmisor (40) se disponen dentro de la horquilla para situarse
respectivamente en lados opuestos del conector del conducto del
cuerpo achatado (18).
2. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
la reivindicación 1 en el que dicha horquilla (16) está fijada de
forma retirable alrededor de dicho conector del conducto del cuerpo
achatado (18) mediante un mecanismo de bloqueo.
3. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
una o más de las reivindicaciones 1 a 2 en el que dicha carcasa
(12) comprende adicionalmente un compartimento de circuito (30, 32)
conectado de forma giratoria a dicha horquilla (16).
4. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
la reivindicación 3 en el que dicho compartimento de circuito (30,
32) comprende una primera porción (30) para alojar el circuito del
caudalímetro (100), y una segunda porción separada (32) para alojar
las conexiones de campo accesibles externamente.
5. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
una o más de las reivindicaciones anteriores en el que dicho medio
detector de fase comprende una puerta O-exclusiva
(44) que tiene una salida (46) conectada a un medio para filtra
dicha salida hacia un componente DC representativo de la diferencia
de fase entre las ondas transmitidas y las recibidas, y un
componente AC representativo de la frecuencia de dichos vórtices
(43).
6. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
la reivindicación 5 en el que dicho medio detector del intervalo de
fase óptimo es sensible a la amplitud de dicho componente DC para
determinar si dicha diferencia de fase es aproximadamente O o 180
grados.
7. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
una o más de las reivindicaciones anteriores en el que dicho medio
de cambio de fase comprende un medio para invertir dicha señal del
transmisor suministrada a dicho medio detector de fase, y un
divisor de frecuencia (105) para dividir dicha señal invertida por
2.
8. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
la reivindicación 1 en el que dicho conector del conducto del
cuerpo achatado (18) contiene un cuerpo achatado (28) dispuesto para
producir vórtices en el flujo de fluido.
9. Caudalímetro de vórtice (10) de acuerdo con
una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
carcasa (12) está construida enteramente de material no
corrosivo.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/662,037 US5728947A (en) | 1996-06-12 | 1996-06-12 | Ultrasonic vortex flowmeter having clamp-on housing |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES97109120T Expired - Lifetime ES2292178T3 (es) | 1996-06-12 | 1997-06-05 | Caudalimetro de vortice ultrasonico que tiene carcasa de fijacion. |
Country Status (9)
| Country | Link |
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