ES2875949T3 - Procedimiento y aparato para proporcionar aplicaciones de medición de aire en tiempo real en el hormigón húmedo - Google Patents

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Abstract

Aparato (10, 100) que comprende: una sonda de aire de base acústica (101, 50) que tiene: una fuente acústica (102, 56) configurada para proporcionar una señal acústica en una mezcla de hormigón; un receptor acústico (104, 58) configurado para ser sustancialmente coplanar con la fuente acústica, para responder a la señal acústica y para proporcionar señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón, y un procesador de señales (10a) configurado para recibir la señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón; y determinar una medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basada, al menos en parte, en una técnica de doble frecuencia que depende de la relación entre la señal acústica inyectada y la señalización recibida, en el que la señal acústica inyectada es una señal de referencia; la señalización recibida es señalización detectada; y el procesador de señales está configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando un enfoque de bloqueo sensible a la fase.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para proporcionar aplicaciones de medición de aire en tiempo real en el hormigón húmedo
La presente invención se refiere a una técnica para la medición del aire en tiempo real en el hormigón húmedo; más particularmente relacionado con una técnica para la medición de aire en tiempo real en el hormigón húmedo con el fin de controlar la cantidad de aire en una mezcla de hormigón.
En la técnica anterior, el uso de un procedimiento para la determinación del caudal del medio a través de una medición de la velocidad de inestabilidades de presión en el vórtice de convección, y la composición de un flujo de dos fases a través de la determinación de la velocidad del sonido de el medio, son conocidos. Debido a que la composición del flujo varía entre los dos extremos del 100% de un fluido al 100% del otro, la velocidad del sonido varía de forma determinista entre los valores de la velocidad del sonido en los dos materiales respectivos. En las técnicas conocidas, la determinación de la velocidad del sonido se realizó mediante la escucha "pasiva" del sonido que se propaga en la corriente de flujo.
En la técnica anterior, se han desarrollado varias técnicas que se basan en medir la velocidad del sonido a través de un material que fluye a través de una tubería. Estas técnicas incluyen el uso de un medidor GVF (por sus siglas en inglés de "gas volume fraction"), un medidor de densidad y un medidor de fracción de masa potencial basados en SONAR conocidos. En estas técnicas, se utiliza un sistema de sensores pasivos basados en matrices para detectar la presencia y la velocidad de la acústica que viaja a través de los materiales contenidos dentro de una tubería. Estos materiales pueden variar desde fluidos homogéneos monofásicos hasta mezclas bifásicas o trifásicas de gases, líquidos y sólidos. Dado que el sistema de medición es pasivo, se basa en la acústica producida externamente para la medición. Esta acústica a menudo puede provenir de otros equipos dentro o conectados a la tubería, tales como bombas o válvulas.
Además, en estas técnicas conocidas, muchas veces se pueden añadir aditivos químicos, incluido un proceso de flotación conocido en el procesamiento de minerales, para ayudar en la separación del mineral. Los productos químicos, conocidos como espumadores, controlan la eficiencia del proceso de flotación mejorando las propiedades de las burbujas de aire. Un parámetro importante en la optimización de la flotación es la fracción de volumen de gas dentro de una celda de flotación. La patente de los Estados Unidos de América número 7,426,852 B1 describe enfoques para realizar esta medición y describe una técnica mediante la cual la velocidad del sonido en el fluido aireado se mide localmente usando una guía de ondas (tubería) junto con una matriz basada en SONAR. A partir de la velocidad de medición del sonido, se puede calcular la fracción de volumen de gas.
A modo de ejemplo, se pueden consultar otras técnicas relacionadas con el uso de esta tecnología basada en SONAR descritas, por ejemplo, en su totalidad o en parte en las patentes de los Estados Unidos de América números 7,165,464; 7,134,320; 7,363,800; 7,367,240; y 7,343,820.
Además, el aire es un componente muy importante de muchos materiales, como líquidos viscosos, lechadas o sólidos y mezclas de hormigón. En particular, el aire es un ingrediente crítico en la fabricación de hormigón porque mejora en gran medida la resistencia al daño del producto curado a los ciclos de congelación / descongelación. Los aditivos químicos se agregan típicamente durante la mezcla para crear, arrastrar y estabilizar miles de millones de pequeñas burbujas de aire dentro del hormigón. Sin embargo, el aire atrapado en el hormigón tiene la desventaja de reducir la resistencia, por lo que siempre hay una compensación para determinar la cantidad correcta de aire para una aplicación en particular. Para optimizar ciertas propiedades del hormigón, es importante controlar el aire atrapado presente en el hormigón húmedo (curado previamente). Los procedimientos actuales para medir el aire atrapado a veces pueden ser lentos y engorrosos y, además, pueden ser propensos a errores. Además, la durabilidad del hormigón se puede mejorar incorporando aire a la mezcla fresca. Esto se logra normalmente mediante la adición de mezclas químicas. La cantidad de mezcla generalmente se determina mediante datos empíricos mediante los cuales se determina una "receta". Muy poco aire atrapado reduce la durabilidad del hormigón y demasiado aire atrapado disminuye la resistencia. Normalmente, el rango nominal de aire atrapado es de aproximadamente 5% a 8% por volumen, y puede estar entre 4% y 6% de aire atrapado por volumen en muchas aplicaciones. Después de mezclarlo en la caja mezcladora, el hormigón se suministra al camión. El nivel de aire atrapado se mide posteriormente en la entrega de la mezcla en el sitio de trabajo. La desventaja del procedimiento actual es que la mezcla se carga en el camión sin verificar que el nivel de aire en la mezcla esté dentro de las especificaciones.
El número de serie de la solicitud de patente de los Estados Unidos de América antes mencionada con el número 13/583,062 describe técnicas para la medición del aire en tiempo real en el hormigón húmedo en concreto un mezclador de tambor rotatorio, incluida la implementación de tecnología de detección en una cubierta de escotilla, así como un mezclador de hormigón estacionario que utiliza una fuente de sonido integrada y dos receptores, utilizando tecnología basada en SONAR desarrollada y patentada por el titular de la presente solicitud de patente, así como de esa solicitud.
El documento US 2008/208483 A1 describe un aparato y procedimiento para identificar uno o más productos fluidos que fluyen dentro de una tubería que tienen un medidor de flujo montado en la tubería y una unidad de procesamiento. El caudalímetro tiene una pluralidad de sensores que funcionan para detectar perturbaciones en vórtice que fluyen con los productos fluidos y ondas acústicas que se propagan a través del fluido. Los sensores producen señales indicativas de perturbaciones vorticales y ondas acústicas. La unidad de procesamiento se puede hacer funcionar para determinar la velocidad del sonido y el caudal volumétrico de uno o más productos fluidos usando las señales del medidor de flujo.
El documento US 7426852 B1 describe un medidor sumergible que mide la velocidad del sonido que se propaga en un fluido aireado para determinar cualquiera de una pluralidad de parámetros del fluido. El medidor incluye una matriz espacial de sensores dispuestos en ubicaciones axiales predeterminadas axialmente a lo largo de un tubo. La matriz de sensores proporciona señales de presión acústica a un transmisor que determina la velocidad de propagación del sonido a través del fluido aireado en el tubo utilizando técnicas de procesamiento de señales de matriz espacial acústica. El medidor sumergible permite la medición en tiempo real del tamaño de la burbuja, el flujo del área de la superficie de la burbuja y la tasa de flotación constante, lo que permite monitorear en tiempo real la eficiencia y la tasa de recuperación de las máquinas de flotación. También se proporciona un sistema de control que utiliza el medidor sumergible para mejorar la eficiencia del procesamiento de minerales controlando los parámetros del proceso en respuesta al parámetro medido del fluido dentro de una máquina de flotación.
El documento US 6644 119 B1 describe un aparato para controlar de forma no invasiva el flujo y/o la composición de un líquido que fluye usando ultrasonidos. Una medición de ambos parámetros, posición de resonancia y espaciado de resonancia, una vez calibrados, permite la determinación simultánea del caudal y la composición utilizando el aparato y el procedimiento descritos en el mismo. [0011] En la publicación de Stencel JM et al: "Automated foam index test: Quantifying air entraining agent addition and interactions with fly ash-cement admixtures" ["Prueba de índice de espuma automatizada: cuantiUcación de la adición de agentes incorporadores de aire e interacciones con aditivos de cenizas volantes y cemento"], en CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, Pergamon Press, Elmsford, NY, US, vol. 39, no. 4, de 01 de abril de 2009, páginas 362-370, se describe la aplicación de una prueba automática del índice de espuma para controlar el contenido de aire en el hormigón con y sin cenizas volantes.
La presente invención se refiere a un aparato según las reivindicaciones adjuntas.
La presente invención proporciona nuevos dispositivos de medición que incluyen, o toman la forma de, sondas de aire de base acústica, por ejemplo, que pueden instalarse permanentemente en un orificio precortado en el costado o en la parte inferior de una mezcladora estacionaria, o alternativamente que pueden ser portátiles para tomando la medida en tiempo real. Se puede usar o aplicar la misma técnica de instalación o una técnica de instalación sustancialmente similar en el orificio precortado del mezclador estacionario para aplicaciones relacionadas con un mezclador de tambor giratorio, u otro tipo o clase de mezclador, consistente con lo que se describe en este documento. A modo de ejemplo, estos dispositivos de medición de acuerdo con la presente invención se pueden usar para la medición de aire en tiempo real en el mezclador estacionario (como por ejemplo uno de doble eje, contracorriente, planetario, bandeja, etc.) durante el proceso de mezcla. Con la medición del aire en tiempo real, un operario podrá mejorar el control de calidad de todo el hormigón producido. El nivel de aire atrapado en el hormigón se puede controlar con una tolerancia más estricta. Con un control de aire estricto, el diseño de la mezcla se puede optimizar reduciendo el cemento y reemplazándolo con arena, cenizas volantes u otro relleno, a la vez que se consigue el requisito de resistencia deseado.
Esto reducirá los costos, mejorará la trabajabilidad y reducirá los incidentes de "sangrado". Hay muchos tipos de hormigón que se fabrican en mezcladores estacionarios, incluidos los prefabricados, pretensados, arquitectónicos, de pavimentación, bloques, premezclado: mezcladores centrales principalmente en Europa, pero de forma limitada, etc. Es probable que todos estos tipos de hormigón se beneficien del control del aire en tiempo real, de acuerdo con la presente invención.
Con información del aire en tiempo real, el operario ahora tendrá la capacidad de ajustar los niveles de aire (manual o automáticamente (a través de un control de proceso)) mediante la adición de productos químicos antes de descargar el hormigón de la mezcladora. Se puede utilizar un sistema automático de circuito cerrado que incluya este tipo de dispositivos de medición con salida de información del aire en tiempo real a la sala de control o la bomba dosificadora, bombas dosificadoras de productos químicos, productos químicos relacionados con el aire y, usar la experiencia en ingeniería para unir todo lo anterior.
Sonda de aire de base acústica
La presente invención también puede incluir, o tomar la forma de, alguna combinación de las siguientes características:
La sonda de aire de base acústica puede incluir una superficie de sondeo plana que tiene una primera abertura moldeada en la misma y configurada para recibir parte de la fuente acústica, por ejemplo, un pistón rígido de acero endurecido. La superficie de sondeo plana puede incluir al menos una segunda abertura moldeada en ella y configurada para recibir parte del receptor acústico, por ejemplo, un relleno protector de caucho de poliuretano. La superficie de sondeo plana se puede configurar como una placa frontal de acero endurecido.
La sonda de aire de base acústica puede incluir el elemento protector de caucho de poliuretano dispuesto como parte en la al menos una segunda abertura.
El receptor acústico puede incluir un transductor de presión dinámica.
El receptor acústico puede configurarse para recibir señales acústicas que tienen una frecuencia en un rango de aproximadamente 100-500 Hz, incluidos 330 Hz.
La fuente acústica puede incluir o estar configurada como una masa flotante.
La fuente acústica puede incluir un conjunto de módulo de pistón que tiene el pistón de acero endurecido rígido configurado con un canal para recibir un eje de pistón. El aparato puede incluir un conjunto de bloque accionador aislado de vibración que tiene un conjunto de campo de accionador de bobina móvil estacionario en combinación con un conjunto de campo de accionador de bobina móvil que tiene un transductor acelerómetro, el conjunto de bloque de accionador aislado de vibración está configurado para impulsar el eje del pistón.
La sonda de aire de base acústica puede incluir un sensor de temperatura de fluido y del medio.
La sonda de aire de base acústica puede incluir un sensor de temperatura de bobina móvil.
La sonda de aire de base acústica puede incluir dos receptores acústicos, incluidos dos transductores de presión dinámica.
El aparato puede incluir un aparato de dosificación configurado para responder a la señalización y proporcionar una señal de control para controlar la dosificación de un producto químico que se añadirá o restará de la mezcla.
La presente invención también puede proporcionar nuevas técnicas para aplicaciones de medición de aire en tiempo real y técnicas para el hormigón húmedo, incluidas técnicas que utilizan, o se basan al menos en parte en la determinación de la fracción de volumen de gas (GVF por sus siglas en inglés de "gas volume fraction") para una mezcla de hormigón que está premezclado en una mezcladora estacionaria, una mezcladora de tambor giratorio, una bomba con brazos para el bombeo [tipo pluma], una hormigonera [camión] con canaleta [rampa de descarga], o unas aplicaciones de moldes [encofrados] realizados en una instalación de prefabricados, o una unidad portátil. Por ejemplo, el aparato puede incluir un mezclador estacionario que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en el mismo, incluso donde el mezclador estacionario está configurado con una ubicación central de dosificación de productos químicos que permiten una distribución más uniforme de los productos químicos en la mezcla.
El aparato puede incluir una bomba con brazos para el bombeo de hormigón que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en la misma.
El aparato puede incluir una forma prefabricada [encofrados] que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en la misma.
El aparato puede incluir un camión de premezclado con tambor giratorio de que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en la misma.
El aparato puede incluir una canaleta [rampa de descarga] para la hormigonera [camión] con la mezcla ya preparada que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en la misma.
El procesador de señales está configurado para recibir la señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón, y determina la medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en la técnica de doble frecuencia que depende de la relación entre el señal acústica inyectada y señalización recibida.
La técnica de doble frecuencia incluye, o toma la forma de, que el procesador de señales esté configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en mezclar una señal de referencia con una señalización detectada utilizando un enfoque de bloqueo sensible a la fase.
De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el aparato puede formar parte de un dispositivo portátil, incluso cuando la sonda de aire de base acústica antes mencionada está configurada en un extremo del dispositivo de portátil y una empuñadura [asa] está configurado en el otro extremo del dispositivo portátil.
Sonda de aire de base acústica portátil
Según algunas realizaciones, el aparato también puede incluir, o tomar la forma de, una sonda de aire de base acústica portátil que presenta la fuente acústica y el receptor acústico.
La sonda de aire de base acústica portátil de base acústica puede incluir una o más de las siguientes características: La sonda de aire de base acústica portátil puede incluir al menos un puntal espaciador configurado para conectar la fuente acústica y el receptor acústico para formar un espacio para recibir una parte de la mezcla de hormigón cuando se sumerge la sonda de aire de base acústica portátil en la mezcla de hormigón y la señal acústica se transmite a través de la mezcla. El al menos un puntal espaciador puede incluir, o tomar la forma de, tres puntales espaciadores que están dispuestos triangularmente y espaciados equitativamente para conectar la fuente acústica y el receptor acústico para formar el espacio intermedio. El al menos un montante espaciador puede incluir un canal de cableado para proporcionar un cable desde el receptor acústico.
La sonda de aire de base acústica portátil puede incluir un conjunto de cubierta de extremo sellada y configurado para contener el receptor acústico de manera sellada.
La sonda de aire de base acústica portátil puede incluir un conjunto sellado configurado para contener la fuente acústica de manera sellada. El conjunto sellado puede incluir un bloque accionador aislado de vibraciones configurado para activar la fuente del pistón. El bloque accionador aislado de vibración puede incluir un conjunto de bobina móvil de accionador de bobina móvil con un transductor acelerómetro y un conjunto de campo accionador de bobina móvil estacionario. El conjunto sellado puede incluir montajes de vibración hemisféricos configurados entre una cubierta de alineación y el bloque accionador aislado de vibraciones y también configurados entre el bloque accionador aislado de vibraciones y la fuente acústica. El conjunto sellado puede incluir un sello [cierre] de resorte, que incluye un sello de resorte de uretano fundido, configurado entre la fuente acústica y un elemento de retención de la fuente acústica, y una flexión fotograbada configurada entre la fuente acústica y el elemento de retención de la fuente acústica. El conjunto sellado puede incluir un sensor de temperatura configurado para responder a la temperatura de la mezcla.
La sonda de aire de base acústica portátil puede incluir un segundo receptor acústico configurado para responder a la señal acústica y proporcionar una señalización adicional que contenga información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón.
El segundo receptor acústico se puede configurar en el conjunto sellado para recibir la señal acústica que se refleja de la mezcla de hormigón.
La fuente acústica y el receptor acústico se pueden configurar en un extremo de la sonda de aire de base acústica portátil de base acústica. La sonda de aire de base acústica portátil puede incluir otro extremo configurado con alguna combinación de empuñaduras de dispositivo, un conector de sensor de presión normal, un conector de acelerómetro y un conector de temperatura y accionamiento.
Según algunas realizaciones, el aparato también puede incluir un aparato de sonda acústica que tiene dos fuentes acústicas configuradas para proporcionar dos señales de referencia, de acuerdo con lo expuesto en este documento.
CCS-0067: Medición de bloqueo de frecuencia dual sensible a fase para contenido de aire en hormigón con factor de calidad
La técnica de doble frecuencia incluye que la señal acústica inyectada sea una señal de referencia; la señalización recibida es una señalización detectada; y el procesador de señales está configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando un enfoque de bloqueo sensible a la fase.
Según alguna realización de la presente invención, el procesador de señales se puede configurar para determinar una señal resultante basándose, al menos en parte, en la mezcla de la señal de referencia con la señalización detectada; filtrar la señal resultante, incluso con un filtro de paso bajo, para obtener un componente de CC (DC en inglés)); y determinar un valor que sea proporcional a los componentes de amplitud y fase de la señalización detectada a la frecuencia de la señal de referencia. El procesador de señales también se puede configurar para determinar un valor correspondiente que es proporcional a los componentes correspondientes de amplitud y fase de la señalización detectada con la frecuencia de la señal de referencia desplazada en 90 grados. El procesador de señales también se puede configurar para determinar una diferencia de fase de la señal basándose en parte en lo siguiente: utilizar 0ref como fase de referencia, 0det como fase detectada, Adet como amplitud de señal detectada a una frecuencia de interés; y determinar la amplitud de la señal y la diferencia de fase de la señal usando el siguiente conjunto de ecuaciones:
© = 0 det - 0ref,
X - Adet cos(G),
Y ~ Adet cos(0 90deg) = Adet s¡n(0),
Amplitud de señal = Adet = Adet = (X2 * Y2)1/2,
y
Diferencia de fase de la señal = 0 = tan'1(Y/X).
El procesador de señales se puede configurar para determinar un tiempo de propagación de la señal de referencia en la mezcla de hormigón y luego una velocidad de medición del sonido, basándose al menos en parte en la diferencia de fase de la señal determinada junto con la frecuencia.
De acuerdo con alguna realización de la presente invención, la señalización puede contener información sobre dos señales de referencia que se inyectan en la mezcla de hormigón a diferentes frecuencias para corregir o compensar la ambigüedad que de otro modo podría existir una vez que la señalización detectada haya pasado por un tiempo de propagación igual a 2*pi de una sola señal acústica inyectada, incluido cualquier múltiplo de la misma; y el procesador de señales está configurado para determinar una fase relativa entre las dos señales de referencia para corregir o compensar la ambigüedad.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el procesador de señales se puede configurar para determinar una métrica [medición] de calidad basada, al menos en parte, en la amplitud de la señal y la diferencia de fase de la señal determinada. Por ejemplo, el procesador de señales se puede configurar para tomar la amplitud de señal de una señal de interés en Asig; tomar una muestra de otras cuatro señales de comparación espaciadas adyacentes a las mismas de A0, A1, A2 y A3; promediar otras cuatro señales de comparación para obtener un ruido adyacente Anoise = (A0 A1 A2 A3)/4; y tomar una diferencia sobre una normalización de suma para determinar una señal de calidad, Q, que varía entre -1 a 1 basándose, al menos en parte, en el uso de la siguiente ecuación:
Q = (Asig - Anoise) / (Asig Anoise),
con una proporción de "1" que representa una buena calidad, una proporción de "0" que indica la misma intensidad de señal en la frecuencia de interés que otras frecuencias, y una proporción de "-1" como una señal de interés muy débil.
CCS-0104
Según la invención, la técnica de doble frecuencia incluye el procesador de señales configurado para determinar la medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón en base al menos en parte a la correlación de la señal acústica inyectada y la señalización recibida.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el procesador de señales se puede configurar para determinar un retardo de fase debido a un tránsito de la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón en base a la correlación de la señal acústica inyectada y la señalización recibida. El procesador de señales se puede configurar para determinar la velocidad del sonido en función del retardo de fase. La señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón se puede basar, al menos en parte, en utilizar un simple barrido de una frecuencia de excitación a un accionador acústico, lo que aumenta la sensibilidad de un proceso de correlación. El barrido simple se puede basar en la siguiente ecuación:
Figure imgf000007_0001
Según algunas realizaciones de la presente invención, la señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón se puede basar al menos en parte en una o más técnicas de pulsación codificada que se utilizan para mejorar alternativamente la relación señal-ruido de una señal acústica detectada. La pulsación codificada se puede basar al menos en parte en una secuencia pseudoaleatoria (PRBS), donde la PRBS se define como una secuencia de N bits donde una autocorrelación de la secuencia da un número proporcional al número de bits "en" multiplicado por el longitud de secuencia cuando no hay desalineación y un número bajo proporcional solo al número de bits en cuando está desalineado. El PRBS en el caso de mediciones acústicas en el espacio libre se puede basar, al menos en parte, en la excitación PRBS que puede crearse activando y desactivando una onda acústica de excitación de acuerdo con la secuencia PRBS, o modulando la frecuencia de la señal acústica mediante la secuencia PRBS. La señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón se puede basar, al menos en parte, en la codificación de frecuencia, incluidos códigos de secuencia m- o enfoques de manipulación por desplazamiento de frecuencia.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Los dibujos incluyen las figuras 1 a 6c, que no están necesariamente hechas a escala, de la siguiente manera:
La figura 1a es una vista en perspectiva de una sonda acústica que puede implementar algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 1b es una vista axial de un extremo de la sonda acústica mostrada en la figura 1a.
La figura 1c es una vista axial de otro extremo de la sonda acústica mostrada en la figura 1a.
La figura 1d es una vista en sección del extremo de la sonda acústica mostrada en la figura 1c a lo largo de las líneas de sección A-A.
La figura 1e es una vista en sección del extremo de la sonda acústica mostrada en la figura 1c a lo largo de las líneas de sección B-B.
La figura 2a es un diagrama de un mezclador estacionario que tiene una nueva ubicación de dosificación en el centro del mezclador para permitir una distribución uniforme de los productos químicos durante el mezclado, según alguna realización de la presente invención.
La Figura 2b es un diagrama de un medidor GVF instalado en una bomba con brazos para el bombeo para obtener información del aire en tiempo real en el hormigón mientras se bombea.
La figura 3a es un diagrama de una sonda acústica portátil, según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 3b es una vista axial de la sonda acústica portátil mostrada en la figura 3a, según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 3c es una vista en sección transversal de la sonda acústica portátil mostrada en la figura 3b a lo largo de las líneas de sección A-A, según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 3d es una vista ampliada de una parte de la sonda acústica portátil mostrada en la figura 3c y etiquetada como B, según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 4 es un diagrama de bloques de un aparato que tiene un procesador de señales útil para comprender la presente invención.
La figura 5a es un gráfico de una sola frecuencia que se inyecta en una mezcla de hormigón, según alguna realización de la presente invención.
La figura 5b es un gráfico de dos frecuencias que tienen una diferencia de frecuencia que se inyecta en una mezcla de hormigón, según alguna realización de la presente invención.
La figura 6a es un gráfico de un ejemplo de una función de correlación si hay un fuerte ruido del sistema presente y algo de ese ruido coincide con una frecuencia de actuación.
La figura 6b es un gráfico de un ejemplo de una función de correlación si hay un fuerte ruido del sistema presente y se proporciona un barrido de la frecuencia de excitación a un accionador.
La figura 6c es un gráfico de un ejemplo de una función de correlación adicional cuando se usa una oscilación codificada en PRBS en presencia de un sistema de ruido grande, proporcionado a un accionador.
DESCRIPCION DETALLADA DEL MEJOR MODO DE LA INVENCION
CCS-0075: Figuras 1a-2b.
Aplicaciones de medición de aire en tiempo real en el hormigón húmedo
Las figuras 1a a 1e muestran la presente invención en forma de un aparato generalmente indicado con el número de referencia 100 que incluye un elemento 101 similar a una sonda de aire de base acústica. La sonda de aire de base acústica 101 incluye una fuente acústica indicada generalmente como 102 (véase la figura 1d) configurada para proporcionar una señal acústica en una mezcla de hormigón; y un receptor acústico generalmente indicado como 104 (véase la figura 1e) configurado para ser sustancialmente coplanar con la fuente acústica 102, para responder a la señal acústica y para proporcionar señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón. A modo de ejemplo, la fuente acústica 102 consta de una disposición de piezas y componentes y se muestra mejor en detalle en la figura 1d. A modo de ejemplo, el receptor acústico 104 consta de al menos una disposición de uno o más transductores y rellenos y se muestra mejor en la figura 1e.
La sonda de aire de base acústica 101 incluye una superficie de sondeo plana 106 que tiene una primera abertura 106a moldeada en ella y configurada para recibir parte de la fuente acústica 102, que incluye un pistón de acero endurecido 122, como se muestra mejor en la figura 1d. En la interfaz con la superficie de sondeo plana 106, el pistón de acero endurecido 122 está rodeado por un canal circunferencial 122a, para no estar en contacto físico con la superficie de sondeo plana 106. La superficie de sondeo plana 106 puede incluir al menos una segunda abertura 106b, 106c moldeada en el mismo y configurado para recibir al menos una parte 104', 104" del receptor acústico 104. La parte 104', 104" se muestra como un elemento protector de caucho de poliuretano en la figura 1e. La superficie de sondeo plana 106 se puede configurar como una placa frontal de acero endurecido, aunque se pretende que el alcance de la invención incluya el uso de otro tipo o tipos de materiales conocidos ahora o desarrollados posteriormente en el futuro. Los receptores acústicos 104 están configurados en relación con el centro del pistón de acero endurecido 122 de la fuente acústica 102 y definidos por un radio R, como se muestra mejor en la figura 1c, de modo que los receptores acústicos 104 están dispuestos y configurados sustancialmente en la circunferencia de un círculo definido por el radio R desde el centro del pistón de acero endurecido 122.
El receptor acústico 104 puede incluir, o tomar la forma de, un transductor de presión dinámica, como se muestra mejor en la figura 1e.
En funcionamiento, y a modo de ejemplo, el receptor acústico 104 está configurado para recibir señales acústicas, por ejemplo, que tiene una frecuencia en un rango de aproximadamente 100-500 Hz, incluidos 330 Hz, aunque el alcance de la invención pretende incluir el uso de otras frecuencias y otros rangos ya conocidos o desarrollados posteriormente en el futuro.
A modo de ejemplo, la fuente acústica 102 incluye, o toma la forma de, o está configurada como, una masa flotante, consistente con la mostrada en la figura 1d.
En la figura 1d, la fuente acústica 102 se muestra en forma de un conjunto de módulo de pistón 120 que tiene el pistón de acero endurecido rígido 122 configurado con un canal 124 para recibir, o acoplarse a, un eje de pistón 126. La sonda de aire de base acústica 101 tiene un disco de placa base 125 que contiene el conjunto de módulo de pistón 120, así como otros componentes de la figura 1d. El pistón de acero endurecido rígido 122 está encerrado, rodeado y configurado para moverse en relación con un caucho de silicona fundido de bajo durómetro 123 y flexiones fotograbadas 127, para proporcionar el aspecto de masa flotante de la fuente acústica 102. La silicona fundida de bajo durómetro el caucho 123 también se puede configurar para realizar la función de sellado [cierre] en relación con la mezcla del hormigón. La fuente acústica 102 también puede incluir un conjunto 128 de bloque accionador aislado de vibración, mejor identificado en la figura 1b, que tiene un conjunto 130 de campo accionador de bobina móvil estacionario en combinación con un conjunto 132 de campo accionador de bobina móvil que tiene una configuración de transductor acelerómetro. El conjunto de bloque accionador aislado de vibración 128 puede configurarse para impulsar y hacer vibrar el eje del pistón 126, de acuerdo con lo que se muestra en la figura 1d, para proporcionar la señal acústica a la mezcla del hormigón cuando la sonda de aire de base acústica se inserta en la mezcla. El aparato 100 también se puede configurar con tecnología de procesamiento de señales (no mostrada) para activar la fuente acústica 102, tal y como lo apreciaría un experto en la materia.
La sonda de aire de base acústica 101 puede incluir un sensor 134 de temperatura de fluido / medio, consistente con el mostrado en la figura 1d, y configurado para proporcionar una lectura de temperatura de la mezcla.
La sonda 101 de aire de base acústica puede incluir un sensor 136 de temperatura de bobina móvil, consistente con el mostrado en la figura 1d, configurado para proporcionar una lectura de temperatura del conjunto 130 de campo accionador de bobina móvil estacionario.
La sonda de aire de base acústica 101 puede incluir dos receptores acústicos 104, 104', que pueden tomar la forma de los dos transductores de presión dinámica, de acuerdo con lo que se muestra en la figura 1e.
La sonda de aire de base acústica 101 puede incluir alguna combinación de un conector / placa de cubierta de cableado 140 y varios conectores configurados en relación con el mismo, incluido un sensor de presión número 1 conector 142 para proporcionar la señalización en relación con un sensor de presión, un sensor de presión número 2 conector 144 para proporcionar la señalización en relación con el otro sensor de presión, un conector de accionamiento de bobina móvil 146 para proporcionar la señalización en relación con el accionamiento de bobina móvil 130 (figura 1d), un conector de sensor de temperatura 148 para proporcionar la señalización en relación con una temperatura, y un conector de acelerómetro 150 para proporcionar la señalización en relación con el conjunto 132 de bobina móvil del accionador de la bobina móvil (figura 1d), todos mostrados en la figura 1b.
Aplicaciones
El aparato 100 puede incluir, o tomar la forma de, un mezclador estacionario 20 que tiene una pared 20a con una o más sondas de aire de base acústica 101 dispuestas en el mismo, incluyendo en el que el mezclador estacionario 20 está configurado con una ubicación central de dosificación química 20b para permiten una distribución más uniforme de los productos químicos en la mezcla. En la figura 2a, la sonda de aire de base acústica o el dispositivo de medición 101 de acuerdo con la presente invención se muestra dispuesto en un orificio precortado 20c del mezclador estacionario 20. Instrumentación del mezclador estacionario 20 con más de un medidor de aire o sonda de aire de base acústica 101 (por ejemplo: una en el lado izquierdo y otra en el lado derecho) ayudará a comprender la eficiencia de mezcla y el rendimiento de un mezclador en particular. Con esta información se pueden implementar diferentes técnicas para mejorar la homogeneidad de todo el lote mezclado. Es posible que sea necesario esparcir (rociar) la adición de los productos químicos de la mezcla de manera más uniforme por toda el área de mezcla en lugar de esparcirlos en un solo lugar. O la ubicación de dosificación más centralizada 20b también puede ser una mejora de la metodología actual.
El aparato 100 también puede incluir un aparato de dosificación (no mostrado) configurado para responder a la señalización y proporcionar una señal de control para controlar la dosificación de un producto químico que se añadirá o restará de la mezcla, por ejemplo, incluido en el lugar de dosificación 20a mostrado en figura 2a.
El aparato 100 puede incluir una bomba con brazos para el bombeo de hormigón que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica dispuesta en el mismo, de acuerdo con lo que se muestra en la figura 2b.
Aplicaciones prefabricadas [encofrados]:
Aplicación de moldes [encofrados]: los moldes [encofrados] utilizados en una instalación de elementos prefabricados se beneficiarían de ser instrumentados con capacidad de medición del aire atrapado. Esto permitiría a un productor de hormigón medir los niveles de aire atrapado en el hormigón a medida que se llena el encofrado. Esto también les dará una idea de cuánto aire se pierde desde la hormigonera hasta que se vierte en el encofrado y permitirá una mejor planificación para cumplir con las especificaciones de aire. Según algunas realizaciones de la presente invención, el aparato 100 puede incluir, o tomar la forma de, una forma o molde prefabricado (no mostrados) que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica 101 dispuesta en la misma.
Aplicaciones de premezclado [ready mix]:
Aplicación de bombeo - Bomba con brazos para el bombeo premezclado: esta aplicación puede utilizar el conocido medidor SOS GVF basado en SONAR desarrollado por el titular de la presente solicitud de patente y también se puede usar para obtener información de aire atrapado en tiempo real en el hormigón cuando se bombea a fin de controlar y comprender los niveles de aire en el hormigón húmedo, lo cual es muy importante. Demasiado aire afectará la resistencia y muy poco aire afectará la durabilidad (congelación / descongelación) del hormigón. Dado que una gran cantidad de hormigón premezclado que se bombea todos los días para su colocación en los sitios de trabajo, es importante saber cómo el bombeo de hormigón con aire atrapado puede afectar el contenido de aire en el hormigón. Una vez que se entiende el nivel de aire en el hormigón en el momento de la colocación, se pueden realizar los ajustes apropiados corriente arriba para compensar la pérdida de aire durante el bombeo. Las teorías sobre las pérdidas de aire dentro de la mezcla de hormigón durante el bombeo incluyen: una gran caída al estar dentro de los brazos de bombeo [pluma], la alta presión dentro de las tuberías, las configuraciones y accesorios de la bomba y los materiales utilizados en la mezcla de hormigón.
Mezclador central estacionario de premezclado: La conocida tecnología SOS basada en SONAR desarrollada por el titular de la presente solicitud de patente también se puede utilizar para obtener información de aire en tiempo real en mezcladores centrales estacionarios de premezclado. En muchas áreas del mundo (especialmente en Europa), el procesamiento por lotes húmedos utiliza mezcladores estacionarios.
Camión de premezclado con tambor giratorio: La conocida tecnología SOS basada en SONAR desarrollada por el titular de la presente solicitud de patente también se puede utilizar para un camión de premezclado con tambor giratorio o mezcladores estacionarios. La principal diferencia será que esta unidad puede funcionar con baterías y transmitirá los datos del aire en tiempo real de forma inalámbrica. Esta información permitirá que cada lote de hormigón premezclado llegue al lugar de trabajo con las especificaciones de aire dadas. Según algunas realizaciones de la presente invención, el aparato 100 puede incluir, o tomar la forma de, un camión de premezclado con tambor giratorio (no mostrado) que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica 101 dispuesta en el mismo.
El nivel de aire se controlará durante todo el tiempo del trayecto y se puede ajustar si es necesario mediante la adición de productos químicos.
Mezclador central de premezclado con tambor giratorio: Estos mezcladores centrales son muy similares a los camiones mezcladores, solo que generalmente un poco más grandes. Los mezcladores centrales de tambor giratorio suelen tener un tamaño de 10 a 12 yardas [de 9,14 a 10,97 metros]. La información del aire en tiempo real permitirá un control preciso del aire antes de que el lote se descargue en el camión. [0069] Aplicación para hormigonera [camión] de premezclado con canaleta [rampa de descarga]: hormigonera de premezclados con canaleta para descarga para obtener información del aire en tiempo real. Esta se instalaría de tal manera que se realizaría una medición de aire a medida que el hormigón pasa sobre ella al salir del camión. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el aparato 100 puede incluir, o tomar la forma de, una canaleta o rampa de un camión [hormigonera] con mezcla ya preparada (no mostrada) que tiene una pared con la sonda de aire de base acústica 101 dispuesta en la misma.
Aplicación de moldes [encofrados], incluidos los moldes de premezclado: esta aplicación puede tomar la forma de un dispositivo desechable que podría realizar una medición del aire del hormigón húmedo después de que se haya llenado el molde [encofrado].
Figuras 3a a 3d: Unidad portátil o sonda de aire de base acústica:
Las figuras 3a a 3d muestran la presente invención como un aparato en forma de un unidad portátil o sonda de aire de base acústica 50 de base acústica, según algunas realizaciones de la presente invención. La sonda de aire de base acústica 50 se puede configurar con una parte de sonda 52 y una parte de la empuñadura 54. La unidad portátil o sonda acústica 50 se puede utilizar tanto en moldes prefabricados como en mezclas ya preparadas una vez que el hormigón se vierte en cualquier molde [encofrado]. La parte de sonda 52 de la unidad portátil 50 se puede sumergir o hundir en el hormigón, y activar una fuente de ruido en la misma y realizar una medición de la velocidad del sonido, de acuerdo con lo que se describe en el presente documento. Esta técnica puede potencialmente reemplazar, aumentar o complementar, una cápsula de presión de tipo B ya conocida y que se utiliza actualmente en y por la industria.
La parte de sonda 52 se puede configurarse con una fuente acústica 56 configurada para proporcionar una señal acústica inyectada en una mezcla de hormigón; y un receptor acústico 58 configurado para responder a la señal acústica y proporcionar señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón. En la figura 3d, la fuente acústica 56 se muestra en forma de fuente acústica de pistón, y el receptor acústico 58 se muestra en forma de transductor de presión dinámica, aunque el alcance de la invención pretende incluir otros tipos o clases de fuentes acústicas y receptores acústicos ya conocidos o desarrollados posteriormente en el futuro.
La parte de sonda 52 también puede estar configurada con al menos un puntal espaciador 60 configurado para conectar un elemento 62 de la parte de sonda 52 que tiene la fuente acústica 56 al otro elemento 64 de la parte de sonda 52 que tiene el receptor acústico, para formar un espacio intermedio configurado para recibir una parte de la mezcla de hormigón cuando el primer y segundo elementos 62, 64 de la parte de sonda 52 se sumergen en la mezcla de hormigón y la señal acústica se transmite a través de la mezcla. El al menos un puntal espaciador 60 puede incluir tres puntales espaciadores que están dispuestos triangularmente y espaciados equitativamente para conectar la fuente acústica y el receptor acústico para formar el espacio intermedio, tal y como se muestra en las figuras 3c y 3d, aunque el alcance de la invención está destinada a incluir el uso de un puntal, dos puntales, cuatro puntales, etc. El alcance de la invención no pretende limitarse al número de puntales que se utilizan, o la disposición física de los puntales en relación con unos y otros. El al menos un puntal espaciador 60 puede estar configurado con un canal de cableado 60a para proporcionar un cable desde el receptor acústico 58, tal y como se muestra mejor en la figura 3c.
El elemento 64 de la parte de sonda 52 puede incluir un conjunto de cubierta de extremo sellada 60a configurado para contener el receptor acústico de manera sellada [estanca]. El elemento 62 de la parte de sonda 52 puede incluir un conjunto sellado 62a configurado para contener la fuente acústica 56 de manera sellada. El conjunto sellado 62a puede incluir un bloque accionador aislado de vibraciones 62b configurado para activar la fuente acústica de pistón 56. El bloque accionador aislado de vibraciones 62b puede incluir un conjunto de bobina móvil de accionador de bobina móvil 62c con un transductor acelerómetro y un conjunto de campo accionador de bobina móvil estacionario 62d. El conjunto sellado 62a puede incluir montajes de vibración hemisférica 60e configurados entre una cubierta de alineación 60f y el bloque accionador aislado de vibración 62b y también configurado entre el bloque accionador aislado de vibración 62b y la fuente acústica 56, tal y como se muestra mejor en la figura 3d. El conjunto sellado 62a puede incluir un sello [cierre] de resorte 62g, que incluye un sello de resorte de uretano fundido, configurado entre la fuente acústica 56 y un elemento de retención de la fuente acústica 62h, y una flexión 62i fotograbada configurada entre la fuente acústica 56 y la fuente del elemento retención acústica 62h.
El elemento 62 de la parte de sonda 52 puede incluir un segundo receptor acústico 60j configurado para responder a la señal acústica, y proporcionar señalización adicional que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón. El segundo receptor acústico 60j puede estar configurado en el conjunto sellado 62a para recibir la señal acústica que se refleja de la mezcla de hormigón. Por el contrario, el receptor acústico 58 puede estar configurado para recibir la señal acústica que se transmite directamente a través de la mezcla de hormigón.
El conjunto sellado también puede incluir un sensor de temperatura 60k configurado para responder a la temperatura de la mezcla.
La parte de la empuñadura 54 en el otro extremo de la sonda de aire de base acústica portátil se puede configurar con alguna combinación de empuñaduras del dispositivo 54a, un conector 54b de sensor de presión normal, un conector de acelerómetro 54c y un conector de temperatura 54d y un conector de impulso [accionamiento], tal y como se muestra mejor en figura 3a y 3b.
El procesador de señales está configurado para recibir señales que contienen información sobre una señal acústica inyectada en una mezcla de hormigón, por ejemplo, desde el receptor acústico 58 (véase la figura 3c); y determinar una medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basada, al menos en parte, en una técnica de doble frecuencia que depende de una relación entre la señal acústica inyectada, por ejemplo, por la fuente acústica 56, y la señalización recibida, consistente con lo aquí divulgado.
La señal acústica inyectada es una señal de referencia; la señalización recibida es señalización detectada; y el procesador de señales está configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose al menos en parte en mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando un enfoque de bloqueo sensible a la fase, consistente con lo que se describe en este documento.
El alcance de la invención está destinado a limitarse a la forma o técnica en que el procesador de señales en la sonda de aire de base acústica portátil determina la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón. A modo de ejemplo, el procesador de señales se puede configurar o disponer en una parte intermedia 55 de la unidad portátil 50, aunque el alcance de la invención pretende incluir la configuración del procesador de señales en algún otro lugar de la sonda 50.
De acuerdo con algunas realizaciones, la sonda de aire portátil 50 de base acústica puede proporcionar la señalización que contiene información sobre una señal acústica inyectada en una mezcla de hormigón, por ejemplo, desde el receptor acústico 58, a un procesador de señales que es externo y no forman parte de la sonda de aire de base acústica portátil 50, que determina la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en una o más de las técnicas de procesamiento de señales aquí descritas.
Para no saturar las figuras 3a a 3d, cada figura no incluye todos los números de referencia utilizados para identificar todos los elementos mostrados en las mismas.
] Además, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el recipiente de tipo B conocido en la técnica u otro recipiente con forma similar se puede configurar instrumentar con la capacidad de medir la velocidad del sonido. Este sería un procedimiento de muestreo que permitiría medir el aire en segundos en lugar de minutos.
CCS-0067 y 0104, Figura 4:
El procesador de señales de las técnicas de doble frecuencia
La figura 4 muestra un aparato generalmente indicado como 10 útil para comprender la presente invención. El aparato 10 incluye un procesador de señales 10a que recibe señales que contienen información sobre una señal acústica inyectada en una mezcla de hormigón; y determina una medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basada al menos en parte en una técnica de doble frecuencia que depende de una relación entre la señal acústica inyectada y la señalización recibida.
A modo de ejemplo, y de acuerdo con lo que se describe en este documento, la funcionalidad del procesador de señales 10a se puede implementar utilizando hardware, software, firmware o una combinación de los mismos, sin embargo el alcance de la invención no pretende limitarse a ninguna realización en particular del mismo. En una implementación de software típica, el procesador de señales sería una o más arquitecturas basadas en microprocesadores que tienen un microprocesador, una memoria de acceso aleatorio (RAM por sus siglas en inglés de "random access memory"), una memoria de solo lectura (ROM por sus siglas en inglés de "read only memory"), dispositivos de entrada / salida y buses de control [bus o canal, que es un dispositivo compuesto por un conjunto de hilos físicos utilizados para la transmisión de datos entre los diferentes componentes de un sistema informático, datos y direcciones interconectados entre sí. Un experto en la materia podría programar dicha implementación basada en microprocesador para realizar la funcionalidad establecida en el bloque de procesamiento de señales 10a, tal y como determinar la fracción de volumen de gas del fluido aireado basándose al menos en parte en la medición de la velocidad del sonido de la señal acústica que viaja a través del fluido aireado en el recipiente, así como otras funciones descritas en este documento sin experimentación indebida. No se pretende que el alcance de la invención se limite a ninguna implementación particular que utilice tecnología ahora conocida o desarrollada posteriormente en el futuro. Además, el alcance de la invención pretende incluir que el procesador de señales sea un módulo autónomo, como se muestra, o en combinación con otros circuitos para implementar otro módulo.
También se entiende que el aparato 10 puede incluir uno o más módulos, componentes, circuitos o circuitería 10b para implementar otra funcionalidad asociada con el aparato que no forma parte de la invención subyacente y, por lo tanto, no se describe en detalle en este documento. A modo de ejemplo, el uno o más módulos, componentes, circuitos o circuitos 10b pueden incluir memoria de acceso aleatorio, memoria de sólo lectura, circuitos de entrada o salida y buses de datos y direcciones para su uso en relación con la implementación de la funcionalidad de procesamiento de señales del procesador de señales 10a, o dispositivos o componentes relacionados con mezclar o verter hormigón en un camión [hormigonera] de hormigón premezclado o agregar aditivos químicos, etc.
De acuerdo con lo expuesto en relación con las figuras 5a-5b, la señal acústica inyectada es una señal de referencia; la señalización recibida es señalización detectada; y el procesador de señales está configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando un enfoque de bloqueo sensible a la fase.
CCS-0067: Figuras 5a-5b, medición de bloqueo de frecuencia dual sensible a la fase para el contenido de aire del hormigón con factor de calidad
Un procedimiento para medir el porcentaje de aire en el hormigón es medir la velocidad del sonido (SOS) en la mezcla y luego mediante el uso del
Ecuación de Wood para calcular la cantidad de gas presente. Varias medidas de velocidad acústica de sonido utilizadas en relación con la tecnología basada en SONAR, así como otras tecnologías de recepción de sonido, se establecen a continuación con numerosas patentes que divulgan esta tecnología. Esta medición del porcentaje de aire en el hormigón puede ser muy difícil en materiales como el hormigón, donde las ondas acústicas se extinguirán rápidamente debido a los componentes del material junto con otros factores. Esto puede superarse inyectando una fuerte señal acústica en la mezcla en un punto y luego cronometrando la propagación de la señal a través de una sección representativa del material. Sin embargo, este enfoque requiere cantidades importantes de energía para producir una gran onda de compresión en el hormigón.
De acuerdo con la invención, se implementa una variación de este enfoque que requeriría inyectar una señal acústica modesta pero una técnica de detección muy sensible que puede sacar la señal inyectada del otro "ruido" acústico que está presente en el sistema. Una técnica de detección que es adecuada para esto es un enfoque de bloqueo sensible a la fase.
En un enfoque de bloqueo, se puede inyectar una señal de referencia en la mezcla y esa misma señal se puede mezclar con una señal detectada resultante de la mezcla. Después de que se utiliza un filtro de paso bajo para obtener el componente de CC [en inglés DC] del resultado, se puede obtener un valor que sea proporcional a la amplitud y fase de la señal detectada en la frecuencia de referencia. Si se realiza el mismo cálculo con la referencia desplazada en 90 grados, los componentes de fase y amplitud se pueden determinar por separado. Si se toma 0ref como la fase de referencia, 0det como la fase detectada, Adet como la amplitud de la señal detectada a la frecuencia de interés, entonces la amplitud de la señal y la diferencia de fase de la señal se pueden determinar utilizando el siguiente conjunto de ecuaciones:
© = 0 det - 0ref,
X - Adet cos(G),
Y ~ Adet cos(0 90deg) = Adet s¡n(0),
Amplitud de señal = Adet = Adet = (X2 * Y2)1/2,
y
Diferencia de fase de la señal = 0 = tan'1(Y/X).
[0092] La diferencia de fase de la señal calculada junto con la frecuencia se puede utilizar para determinar el tiempo de propagación de la señal en el material y luego el SOS.
Ambigüedad en la señal acústica detectada
Sin embargo, existe una ambigüedad una vez que la señal detectada ha pasado por un tiempo de propagación igual a 2*pi de la señal inyectada (o cualquier múltiplo). Esto se puede evitar de alguna manera asegurándose de que la frecuencia utilizada para la inyección sea lo suficientemente baja como para que el retardo de tiempo no pueda introducir la ambigüedad, sin embargo esto restringirá severamente el rango operativo de la medición. Las variaciones en el contenido de aire junto con la característica de atenuación de los materiales pueden obligar al sistema a operar en una región donde existirá la ambigüedad. Esto se puede prevenir inyectando dos frecuencias ligeramente diferentes en el material y luego detectando cada una para determinar la fase relativa entre las dos señales inyectadas, por ejemplo, usando la sonda acústica mostrada en las figuras 1a a 1e que incluye dos transductores dinámicos mostrados en la figura 1e. Todavía puede existir una ambigüedad, pero será una función de la diferencia de las dos señales inyectadas en lugar de solo la frecuencia inyectada única. Esto se puede ver a través de las ilustraciones de las figuras 5a y 5b. En la figura 5a, se ve que el período de la frecuencia única es de aproximadamente 10 recuentos, esta es la "distancia" que se puede medir con este sistema sin ambigüedad. En la figura 5b, donde hay 2 señales con una diferencia de frecuencia del 10%, ahora la frecuencia de "latido" predominante determina el punto en el que la distancia se vuelve ambigua. Esto se puede ver en aproximadamente 325 recuentos, una gran extensión del rango del sistema.
Un problema adicional con un sistema como este que calcula un SOS es la confiabilidad del cálculo. El esquema de bloqueo anterior siempre dará un número para el retardo de fase y, por lo tanto, el SOS, pero se necesita una indicación o factor de calidad para poder medir la confiabilidad de ese cálculo. Dado que a partir del cálculo de fase también se puede obtener la amplitud de la señal, esto se puede utilizar para calcular una medición de calidad. Si uno toma la amplitud de la señal a la frecuencia inyectada y la compara con varias amplitudes de señales alrededor de esa frecuencia, entonces puede obtener una indicación de cómo la señal de interés es, o se relaciona, con el "ruido" circundante. Si se toma la amplitud de la señal de interés en Asig y también se toma una muestra de otras cuatro señales espaciadas adyacentes al original de A0, A1, A2 y A3, entonces se puede promediar las cuatro señales de comparación y considerar esto como el ruido adyacente Anoise = (A0 A1 A2 A3)/4. Una diferencia sobre la normalización de la suma le dará a uno una señal de calidad, Q, que varía entre -1 a 1. Con 1 representando una buena calidad, un 0 indicando la misma fuerza de señal en la frecuencia de interés que otras frecuencias y un -1 como una seña de interés muy débil.
CCS-104: Figuras 6a-6c, hormigón adicional y acústica de espacio libre
Técnicas de medición para mejorar el rango de la señal y la relación entre la señal y el ruido
La presente invención, de acuerdo con algunas realizaciones, también proporciona técnicas adicionales que se basan en la divulgación antes mencionada que describe el procedimiento de frecuencia dual para extender el rango inequívoco así como la sensibilidad de la detección de señal concreta (acústica de espacio libre). Tal y como se ha comentado, se pueden utilizar varias técnicas además del enfoque de bloqueo para aumentar la sensibilidad y precisión de la velocidad de detección del sonido más allá de las técnicas actuales de correlación de onda única.
Si se observa la técnica básica, se introduce una onda acústica de frecuencia única en la mezcla a medir mediante un accionador. Un detector está situado a una distancia conocida y detectará la onda acústica introducida junto con todo el ruido acústico de fondo en el sistema. En muchas situaciones, el ruido acústico de fondo puede ser mucho mayor que la señal activada, lo que dificulta la detección. Sin embargo, al correlacionar la señal detectada con la señal activada, se puede determinar cualquier retardo de fase debido al tiempo de tránsito de la onda acústica en el material y se puede calcular la velocidad subsiguiente del sonido. El uso de la correlación ayuda a detectar solo la señal de interés y funciona bien siempre que el ruido del sistema no sea demasiado fuerte y no tenga un contenido de frecuencia significativo en la frecuencia de actuación. La figura 6a muestra cómo podría verse la función de correlación si hay un fuerte ruido del sistema presente y algo de ese ruido coincide con la frecuencia de actuación.
Una forma de mitigar la distorsión y los errores asociados con el ruido del sistema es utilizar varias frecuencias en la excitación. La técnica de bloqueo de frecuencia dual proporcionó beneficios relacionados con la excitación de frecuencia dual, pero este concepto puede extenderse aún más al uso de un continuo de frecuencias. Un simple barrido de la frecuencia de excitación alimentada al accionador puede aumentar en gran medida la sensibilidad del proceso de correlación al reducir los efectos del ruido del sistema y reducir específicamente la degradación causada por los tonos acústicos del sistema que pueden estar presentes. Tal barrido se puede describir mediante:
Figure imgf000014_0001
El mismo procesamiento de correlación se puede utilizar con el barrido de frecuencia, y la figura 6b muestra una función de correlación obtenida con un fuerte ruido del sistema presente.
Se pueden utilizar técnicas adicionales como la pulsación codificada para mejorar alternativamente la relación señalruido de la señal acústica detectada. Una de esas codificaciones es mediante el uso de una secuencia pseudoaleatoria (PRBS). Un PRBS se define como una secuencia de N bits donde la autocorrelación de la secuencia da un número proporcional al número de "bits on" [bits en marcha] multiplicado por la longitud de la secuencia cuando hay un 0 de desalineación y un número bajo proporcional solo al número de bits cuando está desalineado. Esta propiedad lo hace especialmente adecuado para su uso cuando se utiliza una correlación para detectar una señal de bajo nivel. Debido a la naturaleza aleatoria de la codificación de la señal, la probabilidad de que el ruido acústico del sistema imite la señal codificada es prácticamente nula y se verá una correlación muy fuerte. La figura 6c muestra la función de correlación mejorada adicionalmente cuando se usa una oscilación codificada en PRBS en presencia de un gran ruido del sistema.
Tal y como se puede ver con las técnicas codificadas, se puede lograr una muy buena relación señal-ruido.
En el caso de las mediciones acústicas en el espacio libre, la excitación PRBS se puede crear de diversas formas, como encender y apagar la onda acústica de excitación de acuerdo con la secuencia PRBS, o modulando la frecuencia de la señal acústica mediante la secuencia PRBS. Se pueden utilizar otros tipos de codificación de frecuencia, tales como códigos de secuencia m o enfoques de modulación por desplazamiento de frecuencia.
Tecnología basada en SONAR
Las nuevas técnicas para el impacto y las fuentes de ruido coherentes para la velocidad acústica de las mediciones del sonido, incluida la velocidad acústica de las mediciones del sonido utilizadas en relación con la tecnología basada en SONAR, así como otras tecnologías de recepción de sonido, se muestran y describen en el presente documento. A modo de ejemplo, el medidor de aire atrapado basado en SONAR puede adoptar la forma de medidor y tecnología de medición basados en SONAR descritos, por ejemplo, en su totalidad o en parte, en las patentes de los Estados Unidos de América con los números 7,165,464; 7,134,320; 7,363,800; 7,367,240; y 7,343,820.
A. Introducción
La tecnología conocida basada en SONAR incluye un medidor de fracción de volumen de gas (conocido en la industria como medidor GVF-100) que mide directamente la velocidad sónica de baja frecuencia (SOS) del líquido o lodo que fluye a través de una tubería. A modo de ejemplo, el medidor de aire atrapado basado en SONAR puede adoptar la forma de medidor y tecnología de medición basados en SONAR descritos, por ejemplo, en su totalidad o en parte, en las patentes de los Estados Unidos América con los números 7,165,464; 7,134,320; 7,363,800; 7,367,240; y 7,343,820. Usando la ecuación de Wood, el porcentaje en volumen de cualquier burbuja de gas o la fracción vacía de gas (GVF) se determina a partir del s Os medido. La ecuación de Wood requiere varias otras entradas además del SOS medido de la mezcla líquido / gas. Una de las entradas adicionales en particular, la presión estática de la mezcla de líquido / gas, puede ser muy importante para un cálculo preciso del GVF. En primer lugar, si la presión estática utilizada para el cálculo de GVF difiere de la presión estática real de la mezcla de líquido / gas, entonces el GVF calculado puede diferir típicamente del GVF real en un 1% también. Por ejemplo:
Presión estática utilizada para el cálculo de GVF = 20 psia
GVF calculado = 2%
Presión estática real = 22 psia
Error de presión estática = 22 / 20-1 = 0,1 = 10%
GVF real = 2% * (1 0,1) = 2,2% (error del 10%)
En muchos casos, la presión estática de la mezcla de líquido / gas está disponible a través de la instrumentación de la planta de proceso existente. En este caso, la presión estática medida se puede ingresar directamente al cálculo de GVF a través de, por ejemplo, una entrada analógica de 4-20 mA en el transmisor de fracción de volumen de gas basado en SONAR (por ejemplo, medidor GVF-100). Alternativamente, se puede hacer una corrección al GVF calculado en el DCS del cliente para cualquier variación de la presión fija que se utilizó para calcular originalmente el GVF.
En otros casos, se puede agregar un transmisor de presión estática a la planta de proceso específicamente para medir la presión estática utilizada para el cálculo de GVF. La presión medida puede ingresarse en el transmisor de fracción de volumen de gas basado en SONAR (por ejemplo, GVF-1200) o corregirse en el DCS tal y como se describió anteriormente.
Ocasionalmente, se puede instalar un medidor de fracción de volumen de gas basado en SONAR (por ejemplo, GVF-100) en una ubicación del proceso que aún no tiene un manómetro estático instalado y no es práctico agregar uno. Lo anterior podría ser una ubicación donde no existe una penetración de la tubería para detectar la presión y sería difícil o costoso agregar una. En el caso de que no se disponga de un manómetro tradicional y sea deseable tener una medición de presión estática, se podría utilizar la siguiente descripción de una medición de presión estática no intrusiva (con abrazadera).
B. descripción
Por ejemplo, se puede detectar una medición de presión estática no intrusiva utilizando medidores de tensión tradicionales integrados en la banda del sensor de la tecnología de detección de fracción de volumen de gas basada en SONAR (por ejemplo, el medidor GVF-100 conocido). A medida que cambia la presión estática dentro de la tubería, también cambia la tensión estática en el exterior de la tubería. Usando un supuesto de pared delgada para simplificar (t/R<10, donde t es el espesor de la pared y R es el radio), la deformación tangencial debida a la presión e = £ *
estática interna es: E t i donde s es la deformación tangencial (pulgada / pulgada), R es el radio (pulgada), E es el módulo de elasticidad (lb / pulgada2) y t es el espesor de la pared (pulgada). El radio, el espesor de la pared y el módulo son generalmente conocidos, o al menos constantes, por lo que si se mide la deformación tangencial, se puede determinar la presión estática interna.
A modo de ejemplo, se podrían colocar cuatro galgas extensométricas en la banda del sensor de la tecnología de detección de fracción de volumen de gas basada en SONAR (por ejemplo, el conocido medidor GVF-100) en una configuración de puente de Wheatstone para maximizar la sensibilidad a la deformación y minimizar los efectos de la temperatura. En este caso, la sensibilidad asumiendo un factor de galga extensométrica de 2, la sensibilidad es aproximadamente 13 pV/ps, donde V es voltios. Suponiendo un esquema de una tubería de acero al carbono 40 de 4 pulgadas, un cambio de presión de un psi causaría un cambio de 4 pV en la salida del puente de Wheatstone. Esta sensibilidad aumentaría para tuberías de mayor diámetro que generalmente tienen una menor t/R.
El manómetro integrado podría calibrarse in situ para obtener la mejor precisión, pero puede ser suficiente para normalizar la salida de presión a un cierto estado conocido y luego usar la fórmula de deformación tangencial anterior con los parámetros de tubería conocidos para calcular la presión a partir de la deformación medida.
El medidor de aire atrapado basado en SONAR y la tecnología de medición son conocidos en la técnica y pueden tener la forma de un medidor basado en SONAR descrito, por ejemplo, en su totalidad o en parte en las Patentes de los Estados Unidos América con los números 7,165,464; 7,134,320; 7,363,800; 7,367,240; y 7,343,820. El medidor de aire atrapado basado en SONAR y la tecnología de medición es capaz de proporcionar una variedad de información, incluida la densidad de fase pura y la velocidad del sonido líquido en fase pura conocida, de modo que el GVF se puede determinar midiendo la velocidad del sonido y luego aplicando la ecuación de Woods.
Determinar el GVF midiendo la velocidad del sonido puede proporcionar datos rápidos y precisos. Además, el sistema de medición SOS puede ser muy flexible y se puede configurar fácilmente para trabajar con diferentes contenedores de hormigón y muestrear volúmenes particulares.
De acuerdo con lo descrito anteriormente, el medidor de aire atrapado basado en SONAR y la tecnología de medición son conocidos en la técnica y pueden tener la forma de un medidor basado en SONAR descrito, por ejemplo, en su totalidad o en parte en las Patentes de los Estados Unidos América con los números 7,165,464; 7,134,320; 7,363,800; 7,367,240; y 7,343,820.
Otra tecnología conocida
El transmisor acústico, el receptor acústico o la sonda receptora y/o los transpondedores son dispositivos que se conocen en la técnica, y el alcance de la invención no está destinado a limitarse a ningún tipo o clase en particular, ya sea conocido ahora o desarrollado posteriormente en el futuro.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Aparato (10, 100) que comprende:
una sonda de aire de base acústica (101, 50) que tiene:
una fuente acústica (102, 56) configurada para proporcionar una señal acústica en una mezcla de hormigón;
un receptor acústico (104, 58) configurado para ser sustancialmente coplanar con la fuente acústica, para responder a la señal acústica y para proporcionar señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón, y
un procesador de señales (10a) configurado para
recibir la señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón; y
determinar una medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basada, al menos en parte, en una técnica de doble frecuencia que depende de la relación entre la señal acústica inyectada y la señalización recibida,
en el que la señal acústica inyectada es una señal de referencia;
la señalización recibida es señalización detectada; y
el procesador de señales está configurado para determinar la medición del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose, al menos en parte, en mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando un enfoque de bloqueo sensible a la fase.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el procesador de señales (10a) está configurado para mezclar la señal de referencia con la señalización detectada usando el enfoque de bloqueo sensible a la fase, incluyendo donde
el procesador de señales (10a) está configurado para
determinar una señal resultante basándose en la mezcla de la señal de referencia con la señalización detectada;
filtrar la señal resultante; y
determinar un valor que sea proporcional a los componentes de amplitud y fase de la señalización detectada a la frecuencia de la señal de referencia, y
el procesador de señales (10a) también está configurado para determinar un valor correspondiente que es proporcional a los componentes correspondientes de amplitud y fase de la señalización detectada con la frecuencia de la señal de referencia desplazada en 90 grados, y el procesador de señales (10a) está configurado para determinar una diferencia de fase de la señal basada en parte en lo siguiente:
utilizar 0ref como fase de referencia, 0det como fase detectada, Adet como amplitud de señal detectada a una frecuencia de interés; y
determinar la amplitud de la señal y la diferencia de fase de la señal utilizando el siguiente conjunto de ecuaciones:
© = © det - ©reft
X ~ Adet co$(©),
Y ~ Adet cos(0 90deg) = Adet sin(0),
Amplitud de señal = Adet = Adet = (X2 * Y2)1/2,
y
Diferencia de fase de la señal = 0 = tan'1(Y/X).
en donde
la señalización contiene información sobre dos señales de referencia que se inyectan en la mezcla de hormigón a diferentes frecuencias para corregir o compensar la ambigüedad que de otro modo podría existir una vez que la señalización detectada ha pasado por un tiempo de propagación igual a 2*pi de una única señal acústica inyectada,
incluyendo cualquier múltiplo de la misma, y el procesador de señales (10a) está configurado para determinar una fase relativa entre las dos señales de referencia para corregir o compensar la ambigüedad, o donde
el procesador de señales (10a) está configurado para determinar una medición de calidad basada al menos en parte en la amplitud de la señal y la diferencia de fase de la señal determinada, incluyendo donde
el procesador de señales (10a) está configurado para
tomar la amplitud de la señal de una señal de interés en Asig;
tomar una muestra de otras cuatro señales de comparación espaciadas adyacentes a las mismas de A0, A1, A2 y A3;
promediar otras cuatro señales de comparación para obtener un ruido adyacente Anoise = (A0 A1 A2 A3)/4; y
tomar una diferencia sobre una normalización de suma para determinar una señal de calidad, Q, que varía entre -1 a 1 basándose, al menos en parte, en el uso de la siguiente ecuación:
Q = (Asig - Anoise) / (Asig Anoise),
con una proporción de "1" que representa una buena calidad, una proporción de "0" que indica la misma intensidad de señal en la frecuencia de interés que otras frecuencias, y una proporción de "-1" como una señal de interés muy débil.
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que el procesador de señales (10a) está configurado para determinar un tiempo de propagación de la señal de referencia en la mezcla de hormigón y luego una velocidad de medición del sonido, basado al menos en parte en la diferencia de fase de la señal determinada junto con la frecuencia.
4. Aparato según la reivindicación 1, en el que el procesador de señales (10a) está configurado para determinar la medida del porcentaje de aire en la mezcla de hormigón basándose al menos en parte en correlacionar la señal acústica inyectada y la señalización recibida, incluyendo donde
el procesador de señales (10a) está configurado para determinar un retardo de fase debido a un tránsito de la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón en base a la correlación de la señal acústica inyectada y la señalización recibida.
5. Aparato según la reivindicación 1, que comprende además un aparato de dosificación configurado para responder a la señalización y proporcionar una señal de control para controlar la dosificación de un producto químico que se añadirá o restará de la mezcla,
en el que el procesador de señales (10a) está configurado para proporcionar la correspondiente señalización que contiene información para controlar la cantidad de aire en la mezcla de hormigón provocando una adición o sustracción de algún tipo o clase de material o sustancia para modificar el porcentaje de aire en la mezcla de hormigón.
6. Aparato según la reivindicación 1, en el que la sonda de aire de base acústica (101, 50) comprende una superficie de sondeo plana que tiene una primera abertura moldeada en la misma y configurada para recibir parte de la fuente acústica (102, 56).
7. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el receptor acústico (104, 58) comprende un transductor de presión dinámica; o
el receptor acústico (104, 58) está configurado para recibir señales acústicas que tienen una frecuencia en un rango de aproximadamente 100-500 Hz, incluyendo 330 Hz.
8. Aparato según la reivindicación 1, en el que la fuente acústica (102, 56) comprende una masa flotante.
9. Aparato según la reivindicación 1, en el que la sonda de aire de base acústica (101, 50) comprende dos receptores acústicos (104), que incluyen dos transductores de presión dinámica.
10. Aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato (10, 100) comprende un aparato de dosificación configurado para responder a la señalización y proporcionar una señal de control para controlar la dosificación de un producto químico que se añadirá o restará de la mezcla.
11. Aparato según la reivindicación 1, en el que el procesador de señales (10a) está configurado para correlacionar la señal acústica inyectada y la señalización recibida.
12. Aparato según la reivindicación 1, en el que la sonda de aire de base acústica es una sonda de aire de base acústica portátil (50) configurada con la fuente acústica (56) y el receptor acústico (58).
13. Aparato según la reivindicación 12, en el que la sonda de aire de base acústica portátil (50) comprende al menos unos puntales espaciadores (60) configurados para conectar un primer elemento (62) de la sonda de aire de base acústica portátil
que tiene la fuente acústica (56) a un segundo elemento (64) de la sonda de aire de base acústica portátil que tiene el receptor acústico (58),
para formar un espacio intermedio configurado para recibir una parte de la mezcla de hormigón cuando los primeros y segundos elementos (62 , 64) de la sonda de aire de base acústica portátil (50) se sumergen en la mezcla de hormigón y la señal acústica se transmite a través de la mezcla.
14. Aparato según la reivindicación 12, en el que
la sonda de aire de base acústica portátil (50) comprende un segundo receptor acústico (60j) configurado para responder a la señal acústica y proporcionar señalización adicional que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón.
15. Aparato según la reivindicación 4, en el que la señalización que contiene información sobre la señal acústica inyectada en la mezcla de hormigón se basa al menos en parte en una o más técnicas de pulsación codificada que se utilizan para mejorar alternativamente la relación señal-ruido de una señal acústica detectada,
en el que el pulso codificado se basa al menos en parte en una secuencia pseudoaleatoria (PRBS), donde la PRBS se define como una secuencia de N bits donde una autocorrelación de la secuencia
da un número proporcional al número de "bits on" [bits en marcha] multiplicados por la longitud de la secuencia cuando no hay desalineación y un número bajo proporcional solo al número de bits en cuando está desalineado.
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