ES3013670T3 - Non-invasive method and device to measure the flow rate of a river, open channel or fluid flowing in an underground pipe or channel - Google Patents

Non-invasive method and device to measure the flow rate of a river, open channel or fluid flowing in an underground pipe or channel Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un dispositivo de medición de velocidad de fluido por microondas no invasivo (01), comprendiendo el dispositivo (01): - un dispositivo de medición de velocidad de fluido por microondas no invasivo (03) que comprende una antena de parche o antena de bocina para generar una señal de microondas (14) que se transmite en un ángulo de elevación específico α hacia la superficie del fluido (16) y para recibir la señal de microondas reflejada (15) desde la superficie del fluido (16) con una frecuencia de desplazamiento Doppler; - un dron (02) al que está suspendido el dispositivo de medición (03) a través de un sistema de suspensión (04), eliminando dicho sistema de suspensión (04) el ruido de vibración generado por el dron (02); - al menos un sensor de vibración para eliminar las lecturas de velocidad de caída; - al menos un sensor de ángulo para compensar el cabeceo, balanceo y guiñada del dron (02) que influyen en la medición de la velocidad de la superficie del fluido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método no invasivo y dispositivo para medir el caudal de un río, canal abierto o líquido que fluye en una tubería o canal subterráneo
Campo de la invención
La invención se refiere a un método y dispositivo para medir la velocidad superficial en toda la sección transversal de un río, canal abierto o líquido que fluye por una tubería o canal subterráneo y calcular el caudal mediante la computación de la forma y nivel con el fin de calcular la superficie mojada y la utilización de la ecuación de continuidad Q=V*A.
Más específicamente, la presente invención se refiere a un método no invasivo y dispositivo con una antena de microondas que se vuela sobre el río o canal abierto, o agua que fluye en una tubería o canal subterráneo.
Antecedentes de la invención
Los métodos no invasivos para medir la velocidad de flujo del agua en un río o del líquido en un canal abierto o alcantarilla, es decir, métodos en los que no hay contacto entre el aparato de medición y el líquido, se están volviendo cada vez más populares. Entre las técnicas utilizadas para medir la velocidad del líquido de una manera no invasiva, se encuentran los métodos acústicos, los métodos ópticos, los métodos de láser y los métodos de microondas, en donde estos últimos son los más populares.
El perfilado de la velocidad para medir la velocidad fluida de un río o canal se ha utilizado desde hace mucho tiempo. Un primer método consiste en un sensor de velocidad unido a una vara de vadeo que desplaza un operador que cruza una sección de un río o canal. En el caso de que el nivel del agua y/o la velocidad del agua sea excesivamente alta para que el operador realice con seguridad el perfilado, el sensor de velocidad puede unirse a un sistema de grúa con cable para ríos que se extiende cruzando el río o canal. Cuando se utiliza el sistema de grúa con cable para ríos, es una aplicación estacionaria que solo puede utilizarse en un sitio particular y no puede utilizarse en el caso de que el río transporte residuos flotantes pesados.
Más recientemente, se ha utilizado el ADCP (por sus siglas en inglés, perfilador acústico de corrientes Doppler) para medir el caudal de ríos o canales abiertos. El ADPC se sitúa en una barca pequeña o dispositivo flotante que un operador ata a un puente o mediante un sistema de grúa con cable para ríos. Estos métodos adolecen de las desventajas de que requieren mucho tiempo y de que no pueden utilizarse en el caso de que el río o canal transporte piezas y dispositivos flotantes y los cauces estén inundados.
Con el fin de superar dicho problema, recientemente se han utilizado dispositivos no invasivos, principalmente dispositivos radar de microondas que son transportados por un operador desde un puente, realizando un perfil superficial de la velocidad. Este método adolece de las desventajas de que requiere mucho tiempo y presenta el problema de que los pilares del puente crean perturbaciones del flujo en ambos sentidos, corriente arriba y corriente abajo, especialmente en el caso de que los pilares retengan residuos flotantes transportados por el río o canal.
Los dispositivos de no contacto también se han transportado en un sistema de grúa con cable para ríos, pero este método adolece de la desventaja de que la estabilidad del sistema de grúa con cable para ríos no es suficientemente bueno para realizar mediciones exactas. Además, el sistema de grúa con cable para ríos sigue siendo muy caro e inflexible.
Los hidrólogos han estado intentando utilizar drones que portan dispositivos de medición de la velocidad sin contacto, sin que estos recojan resultados perfectos, ya que estos dispositivos de medición de la velocidad no han sido construidos específicamente para ser portados por drones.
A este respecto, el documento n.° US 2018/003531 describe un vehículo aéreo no tripulado para medir un parámetro de un líquido, de un líquido que fluye en un canal.
El documento n.° US 2005/0018882 describe un sistema para recoger información útil para derivar la velocidad de un flujo libre superficial de un líquido, en el que el sistema se incorpora en un helicóptero.
El documento n.° US 2019/0086247 describe un método para medir la velocidad y la profundidad de un flujo de líquido en un canal, que incluye transmitir energía dirigida que comprende un único haz de energía inclinado hacia la superficie del líquido, en donde el haz único permite reducir las inexactitudes durante el cálculo del flujo volumétrico.
Descripción resumida de la invención
La presente invención presenta el objetivo de proporcionar un método no invasivo y dispositivo para medir el caudal de un río, canal abierto o líquido que fluye por una tubería o canal subterráneo, en el caso de que, para este último, resulte difícil, imposible o peligroso para el operador el acceso al sitio de medición, o simplemente que es necesario evitar la entrada a un espacio confinado y complicado.
Se monta un dispositivo no invasivo espacial de velocidad de flujo en un dron que se hace volar con precisión sobre la superficie del líquido que se mide, recogiendo lecturas de velocidad. La información de la velocidad está asociada a la medición de la forma y nivel a fin de calcular la superficie mojada, y mediante la utilización de la ecuación de continuidad, Q = V * A, se calcula el caudal.
El dispositivo no invasivo preferente para medir la velocidad es el dispositivo radar de microondas, aunque podría ser cualquier otra tecnología no invasiva adecuada para medir la velocidad. Los drones resultan prácticos de utilizar, aunque inducen señales, ruido y errores en las mediciones.
Los dispositivos de medición de microondas utilizan la frecuencia de desplazamiento Doppler para medir la velocidad de la superficie del agua, tales como dispositivos láser o acústicos sin contacto. Las vibraciones inducidas por el dron en vuelo inducen picos de frecuencia que es necesario eliminar utilizando uno o más sensores de vibración a bordo para detectarlas. Con el fin de reducir las vibraciones globales inducidas por el dron en vuelo, que incrementan el nivel general de ruido, reduciendo la relación de señal a ruido, puede utilizarse un dispositivo de suspensión antivibraciones. La inclinación, balanceo y guiñada del dron también influyen sobre las mediciones, y necesitan medirse con sensores de ángulo para obtener mediciones exactas de la velocidad. Las mediciones de GPS y de altitud podrían resultar útiles, aunque no son obligatorias, ya que los drones pueden configurarse para volar siguiendo rutas precisas con elevada exactitud. Puede utilizarse un dispositivo de medición del viento, preferentemente un dispositivo de piezas no móviles de medición en 2 o 3 ejes, a fin de compensar la influencia del viento, aunque estas mediciones adicionales solo resultan útiles en el caso de que la velocidad del agua sea relativamente lenta.
Más específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo no invasivo de medición de microondas para calcular el caudal de un líquido, en donde el dispositivo comprende:
- un dispositivo no invasivo de microondas de medición de la velocidad de un líquido, que utiliza una antena de parche o antena de bocina para generar una señal de microondas que se transmite a un ángulo de elevación específico a hacia la superficie del líquido y para recibir la señal reflejada de microondas desde la superficie del líquido con una frecuencia de desplazamiento Doppler,
- un dron del que está suspendido el dispositivo de medición mediante un sistema de suspensión, en donde dicho sistema de suspensión reduce el ruido de vibraciones generado por el dron,
- por lo menos un sensor de vibración para identificar y eliminar las lecturas falsas de velocidad inducidas por el dron, - por lo menos un sensor de ángulo para compensar la inclinación, balanceo y guiñada del dron, que influyen en la medición de la velocidad en superficie del líquido y para determinar el ángulo final del dispositivo de medición (03) respecto a la superficie del líquido (16).
Según realizaciones preferentes de la invención, el dispositivo está adicionalmente limitado por una de las características siguientes, o por una combinación adecuada de las mismas:
- el dispositivo no invasivo de microondas de medición de la velocidad de un líquido comprende un sistema de control 3D con tres motores capaz de reposicionar automáticamente el dispositivo no invasivo de medición de microondas con el fin de compensar la inclinación, balanceo y guiñada del dron,
- el dispositivo no invasivo de medición de microondas de un líquido comprende GPS y sensores de altimetría, - el dispositivo no invasivo de medición de microondas de velocidad de un líquido comprende una interfaz para capturar datos de GPS y altimetría procedentes del dron,
- una cámara y luz para facilitar el pilotaje, especialmente en tuberías y canales subterráneos,
- el dispositivo no invasivo de medición de microondas de velocidad de un líquido comprende un dispositivo de grabación para grabar imágenes o vídeos registrados por el dron, junto con las mediciones de velocidad del líquido y/o datos de GPS y altimetría,
- el dispositivo no invasivo de medición de microondas de velocidad de un líquido comprende un dispositivo de medición de nivel o distancia y/o un dispositivo de medición de velocidad y dirección del viento,
- el dispositivo de suspensión comprende por lo menos tres tubos conectados entre sí mediante varillas, en donde los tubos conectan el dispositivo de medición de la velocidad al dron, en donde el dispositivo de medición de la velocidad está conectado al primer extremo de los tubos y el dron está conectado al segundo extremo de los tubos,
- los tres o más tubos presentan diferente longitud, para proporcionar un ángulo para el dispositivo de medición respecto al fluido agua y el plano horizontal del dron, ángulo que es medido por como mínimo un sensor de ángulo, - se proporcionan cuerdas elásticas en los tubos y se utilizan para suspender el dispositivo de medición, en donde el extremo superior de las cuerdas elásticas está conectado al sistema de suspensión, que está unido al dron, y el extremo inferior de las cuerdas elásticas está unido al dispositivo de medición, en donde el extremo inferior de las cuerdas elásticas está libre de los tubos y es ligeramente más largo que los mismos,
- se selecciona la elasticidad de las cuerdas elásticas a fin de que absorban las vibraciones no deseadas, de manera que los movimientos verticales del dispositivo de medición se mantengan insignificantes,
- el dispositivo de suspensión comprende una placa superior rígida conectad al dron y una placa inferior rígida conectada al dispositivo de medición no invasiva, en donde ambas placas están conectadas con amortiguadores de tipo “silent block”.
La presente invención se refiere, además, a un método no invasivo de medición de la velocidad y distribución de un líquido que fluye por una tubería o canal, o en un río o canal abierto, en donde el método utiliza un dispositivo de medición no invasiva de microondas de la velocidad del líquido, suspendido de un dron y que comprende por lo menos un sensor de vibraciones, en donde dicho método comprende las etapas siguientes:
- generar señales de microondas mediante la utilización de una antena de parche o antena de bocina,
- recibir las señales de microondas reflejadas a partir de la superficie del líquido fluyente,
- generar una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como función del tiempo a partir de las señales de microondas generadas y las señales de microondas reflejadas con desplazamientos de frecuencia Doppler, - transformar el espectro de datos expresado en el dominio temporal en un dominio de frecuencias mediante una transformada de Fourier para ajustarse a una primera curva gaussiana,
- determinar la velocidad medida global (media: p) y la distribución de velocidad global (desviación estándar: o) a partir de la primera curva gaussiana,
- medir las vibraciones mecánicas del dron durante las etapas (a) y (b) de generación y recepción de señales, a fin de determinar una secuencia de datos de vibraciones medidos por el sensor de vibraciones,
- generar, a partir de los datos de vibraciones, una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como función del tiempo,
- transformar el espectro de datos de vibraciones expresados en el dominio temporal en un dominio de frecuencias mediante una transformada de Fourier para ajustarse a una segunda curva gaussiana,
- determinar la velocidad inducida por vibración medida (media: p) y la distribución de velocidades inducidas por vibración (desviación estándar: o) a partir de la segunda curva gaussiana,
- aplicar una corrección a la velocidad medida global y a la distribución de velocidades global obtenidas en la etapa (e) mediante sustracción de la velocidad inducida por vibraciones medida y la distribución de velocidades inducidas por vibraciones obtenidas en la etapa (j), con el fin de eliminar las vibraciones del dron en el cálculo de la medida de velocidad y la distribución de velocidades del líquido.
Según realizaciones preferentes de la invención, el método se encuentra limitado adicionalmente por una de las etapas siguientes o por una combinación adecuada de las mismas:
- la velocidad superficial del líquido se determina a partir de las señales de microondas generadas y los desplazamientos de frecuencia Doppler de las señales de microondas reflejadas y se compensa para inclinación, balanceo y guiñada del dron mediante la consideración de los datos medidos por como mínimo un sensor de ángulo. Breve descripción de los dibujos
La FIG. 01 describe el sistema completo (01), incluyendo el dron (02), el sistema de suspensión (04), el dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (04) y accesorios opcionales (05), (06) y (07).
La FIG. 02 describe cómo el dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (03) está unido al dron (02) utilizando el sistema de suspensión (04).
La FIG. 03 A describe en detalle el sistema de suspensión (04) que une el dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (03) al dron (02).
La FIG. 03 B describe una suspensión alternativa (04) que une el dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (03) al dron (02).
La FIG. 04 describe la señal de microondas transmitida (14) y devuelta (15) del dispositivo de medición no invasiva (03) unido al dron (02).
La FIG. 05 describe la señal de vibración (17) inducida por el dron (02) y la señal de medición (18) de la señal de microondas reflejada.
La FIG. 06 describe la inclinación, balanceo y guiñada del dron.
La FIG. 07 describe el efecto de la inclinación sobre la señal medida.
La FIG. 08 describe el efecto de la guiñada sobre la señal medida.
La FIG. 09 describe un método para medir la velocidad superficial de un río o canal abierto.
La FIG. 10 describe el efecto del balanceo por una velocidad y dirección constantes del viento sobre dónde se realiza la medición de la velocidad.
La FIG. 11 describe el efecto del balanceo por el cambio de la velocidad y dirección del viento sobre dónde se realiza la medición de la velocidad.
La FIG. 12 describe un segundo método para medir la velocidad superficial de un río o canal abierto.
La FIG. 13 describe una medición realizada por el dispositivo (01) en una tubería o canal subterráneo (22).
La FIG. 14 describe dos métodos de registro de la velocidad superficial en una tubería o canal subterráneo (22). La FIG. 15 describe un método alternativo que consiste en ajustar continuamente en 3D el movimiento del dispositivo de medición no invasiva (3), utilizando motores de inclinación (19), balanceo (20) y guiñada (21).
Descripción de la invención
La invención se refiere a un método no invasivo y a un dispositivo para perfilar la velocidad superficial de un río, canal abierto o conducto subterráneo al que resulta difícil, peligroso o imposible de acceder a un operador. El equipo (01) comprende un dron (002) que porta un dispositivo de medición no invasiva de la velocidad, preferentemente un dispositivo de radar de microondas (03). Este dispositivo está suspendido del dron con un sistema de suspensión (4) que reduce drásticamente cualesquiera vibraciones generadas por el dron (02). El dron es pilotado por un operador desde la orilla del río o lateral de un canal abierto, o desde un puente o a distancia por internet o mediante control por satélite, o en modo autopiloto. El dron puede hacerse volar a suficiente distancia de los pilares que pueden inducir perturbaciones del flujo. Para medir el caudal de conductos subterráneos (22), el dron puede pilotarse desde un pozo de inspección u otro acceso para hacer que sobrevuele la superficie del líquido que va a medirse.
El dron preferentemente se vuela a una distancia constante específica sobre la superficie del líquido, de manera que no recibirá el impacto de residuos flotantes transportados por el líquido. La distancia puede ser cualquiera entre un valor próximo a 0,5 m y varios metros, dependiendo de la aplicación y los residuos flotantes.
El dron también podría llevar un dispositivo adicional de medición de la distancia (05), aunque normalmente la exactitud del GPS y el altímetro del dron es suficiente para situar al dron exactamente sobre la superficie del líquido. Las coordenadas de GPS y la altitud podrían recogerse del dron (02) por el dispositivo de medición (07) asociado al dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (03) por un enlace de comunicación apropiado, o podrían ser generadas por un receptor de GPS y altímetro opcionales incluidos en el dispositivo de medición (07) asociado al dispositivo de medición no invasiva de la velocidad (03). Los drones modernos normalmente pueden volar con exactitud a posiciones predefinidas que pueden repetirse durante el tiempo, evitando la manipulación de los datos de GPS y altímetro. A través del enlace de comunicación apropiado o mediante cualquier comando adecuado, el dispositivo (07) puede indicar al dron (02) que la medición de un punto definido de la superficie del líquido se ha terminado y que el dron (02) puede volar al siguiente punto de medición definido.
Opcionalmente, puede utilizarse un dispositivo de velocidad y dirección del viento (06) para validar los datos de velocidad o corregirlos en caso necesario. La información de velocidad del viento normalmente solo resulta interesante en el caso de que la velocidad superficie del agua sea lenta.
La FIG. 02 muestra el dron (02) con el dispositivo de medición de la velocidad (03) unido al dron utilizando un dispositivo de suspensión especial (04). Las patas de suspensión (08) pueden ser de igual longitud, tal como se muestra en la FIG. 02, o pueden presentar longitudes diferentes, tal como se muestra en la FIG. 03 A, en la que las patas frontales son más cortas que las traseras, a fin de proporcionar automáticamente un ángulo para el dispositivo de medición respecto a la superficie del agua y el plano horizontal del dron.
La FIG. 03 A muestra una vista detallada del sistema de suspensión, que está realizado en tubos y varillas livianas, rígidas y robustas. Normalmente resultan preferente los tubos y varillas de fibra de carbono. Pueden utilizarse tres o más tubos (08). Se encuentran firmemente unidos utilizando una estructura mecánica constituida de varillas (09). Dentro de los tubos (08) se utilizan cuerdas elásticas (10) para suspender el dispositivo de medición (03). Las cuerdas elásticas están fijas en el extremo superior al sistema de suspensión, que está unido al dron (02). En el extremo inferior, las cuerdas (10) están libres de los tubos (08) y son ligeramente más largas que los mismos. El dispositivo de medición se unirá a las cuerdas elásticas. La elasticidad de las cuerdas se selecciona de manera que las vibraciones no deseadas resulten absorbidas y los movimientos verticales se mantengan a niveles insignificantes.
La FIG. 03 B muestra una vista detallada de un sistema de suspensión alternativo que utiliza una placa superior rígida y liviana (11) que se une al dron y una placa rígida liviana inferior (12) que se une al dispositivo de medición no invasiva (03); ambas placas (11) y (12) se conectan con amortiguadores de tipo silent block (13) que presentan la elasticidad y características de suspensión requeridas para la aplicación.
Es importante que el dispositivo de medición utilizado que será llevado por los drones presente características adicionales específicas que permitan mediciones precisas. Entre esas características se requieren sensores de ángulo y sensores de vibraciones.
A pesar del sistema de suspensión elástica, las hélices del dron (02) pueden inducir vibraciones mecánicas. Estas vibraciones normalmente se producen a una frecuencia estable que puede ser interpretada por el sistema de medición como una frecuencia de desplazamiento Doppler que representa una medición de velocidad que debería descartarse, tal como se explica en mayor detalle posteriormente. El espectro de velocidades del agua se basa en la señal de microondas devuelta por el agua fluyente con un desplazamiento de frecuencia Doppler proporcional a la velocidad del agua. El sistema de radar de microondas puede utilizar una antena de bocina o parche, o antena de matriz de parches.
La FIG. 04 muestra el dispositivo de medición de microondas (03) suspendido del dron (02), que envía una señal de microondas (14) hacia la superficie del agua (16), en donde dicha superficie de agua refleja una señal de retorno (15).
En el documento n.° EP 3011 278 se describen etapas preferentes para convertir un espectro de velocidad en una velocidad superficial del líquido. Son las siguientes. Cada pulso reflejado genera unos datos de medición. El número de pulsos reflejados en una secuencia de mediciones generará una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como una función del tiempo. El espectro de datos expresado en el dominio temporal se transforma en un dominio de frecuencias mediante una transformada de Fourier discreta (TFD), y preferentemente, una transformada de Fourier rápida (TFR). A continuación, se ajusta una curva gaussiana al espectro de datos discretos expresados en el dominio de frecuencias y los parámetros de la curva gaussiana, es decir, la media p y la desviación estándar o, respectivamente, representan la velocidad medida y la distribución de velocidades.
En la FIG. 05 se ilustra el espectro de velocidades con su curva gaussiana ajustada (18), aunque también se representa la señal que resulta de las vibraciones inducidas por las hélices (17). El análisis de las frecuencias Doppler no puede diferenciar entre la señal generada por las vibraciones y la señal generada por el líquido fluyente; ambas son recibidas como señales de velocidad y el microprocesador no puede decidir qué señal tomar y saltará entre ambas señales. Si el dispositivo de medición está dotado de uno o más sensores de vibraciones, tal como en la presente invención, puede aplicarse una corrección al resultado. En efecto, el sensor de vibraciones es capaz de identificar y eliminar las lecturas falsas de velocidad inducidas por el dron (02) (asociadas a las vibraciones inducidas por las hélices). Tales vibraciones mecánicas pueden interpretarse como una o más lecturas de velocidad (17) que son más energéticas que la medición real de velocidad (18), tal como se muestra en la Fig. 05. Este sensor o sensores solo detectará las vibraciones mecánicas y solo aparecerá la curva gaussiana de puntos en los análisis del sensor o sensores de vibraciones. Se sigue el mismo enfoque de análisis de la señal. Cada muestra genera unos datos de medición. El número de muestras en una secuencia de mediciones generará una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como una función del tiempo. El espectro de datos expresados en el dominio temporal se transforma en un dominio de frecuencias a través de una transformada de Fourier discreta (TFD), y preferentemente, una transformada de Fourier rápida (TFR). A continuación, se ajusta una curva gaussiana al espectro de datos discretos expresados en el dominio de frecuencias y los parámetros de la curva gaussiana, es decir, la media p y la desviación estándar o, representan la velocidad inducida por las vibraciones medidas y la distribución de velocidades inducidas por vibraciones. A partir de únicamente p y o de la señal de vibración, puede eliminarse matemáticamente con facilidad de la señal combinada (denominada también “señal global” en la presente invención), dejando únicamente la información de velocidad del líquido (18).
El dron es un vehículo aéreo no tripulado que presentará inclinación, balanceo y guiñada al moverse o permanecer sobre la superficie del líquido, tal como se muestra en la FIG. 06.
Tal como se muestra en la FIG. 07, la inclinación modificará el ángulo de modificación a respecto al dispositivo de medición de microondas suspendido, y este ángulo a presenta una influencia directa sobre el cálculo resultante de la velocidad horizontal del líquido ya que la velocidad medida necesita dividirse por el coseno de ese ángulo a. Es muy importante que el dispositivo de medición de microondas que lleva el dron esté dotado de un dispositivo de medición adecuado para el ángulo de inclinación, ya que cambia con la velocidad y dirección del viento. El balanceo y la guiñada son menos importantes que la inclinación, ya que el balanceo no influye directamente sobre el resultado de medición de la velocidad del agua, sino que solo desplaza ligeramente la posición de la sección iluminada de la superficie del líquido. La guiñada influye directamente sobre la velocidad medida del líquido, aunque el ángulo de guiñada normalmente se mantiene pequeño y la corrección se mantiene pequeña.
La FIG. 08 muestra la influencia de la guiñada. En el caso de que el haz de microondas sea no paralelo a la flecha de dirección de flujo del líquido (DFL), sino que presente un ángulo B, la velocidad medida necesita dividirse por el coseno del ángulo de guiñada B.
La FIG. 09 muestra un ejemplo de una sección de río que necesita medirse. Se ha medido la forma del lecho del río (17) y se ha almacenado en el dispositivo de medición. El nivel del agua en combinación con la forma del lecho del río permite calcular la anchura total de la superficie a partir de la sección mojada W, la distancia transversal de una orilla a otra del río. Esta anchura total W se divide por el número n de secciones que presentan la misma anchura: wa, wb, ..., wn. Se calcula cada superficie para cada sección A, B, C, ..., N. En el ejemplo mostrado en la FIG. 09, la sección A se considerará que es un triángulo; las secciones B, C, E y F se considerarán trapecios; la sección D se considera la suma de dos trapecios y la sección G, la suma de un trapecio y un triángulo.
El dispositivo (01) (dron (02) y dispositivo de medición no invasiva de microondas (03)) se pilota de manera que el haz de microondas ilumina la parte central de cada sección A, B, C, ..., N, conduciendo el dispositivo a una distancia da, db, dc, ..., dn de una orilla del río.
Un método alternativo sería determinar las secciones A, B, C, ..., N que presentan la misma superficie en lugar de la misma anchura, y pilotar el dispositivo (01) hasta la posición que ilumine la parte central de cada sección de igual superficie con el haz de microondas.
La FIG. 10 muestra la influencia que presentaría un ángulo de balanceo constante sobre la posición del dispositivo (01), (distancia da, db, dc, ..., dn) para iluminar la parte central de cada sección con el haz de microondas (ángulo de balanceo constante debido a una velocidad y dirección constantes del viento).
La FIG. 11 muestra la influencia que presentaría un ángulo de balanceo variable sobre la posición del dispositivo (01) (distancia da, db, dc, ..., dn) para iluminar la parte central de cada sección con el haz de microondas (ángulo de balanceo variable debido a una velocidad y dirección variables del viento).
El caudal para cada sección N puede calcularse siguiendo la ecuación de continuidad QN=VNmedia * AN, donde QN es el caudal de la sección N; VNmedia es la velocidad media en la sección N y A<n>es la superficie de la sección N.
La velocidad media de la sección N, VNmedia, puede calcularse a partir de la velocidad superficial medida en la sección N, VNmedida, multiplicada por el factor de corrección de la sección N, Kn.
El factor de corrección Kn de la sección N se determina utilizando la anchura wn de la sección N, la profundidad media de líquido en la sección N y un modelo matemático que utiliza dichos datos para calcular el factor de corrección K<n>.
Para calcular el caudal total del río se obtiene la suma de todos los caudales individuales en cada sección: Qtot=Qa Qb Qc ... Qn.
Se describe un método alternativo en la FIG. 12 y consiste en desplazar el dispositivo (01) (dron (02) con sistema de medición no invasiva de microondas (03)) a velocidad constante sobre toda la anchura W del río, de una orilla a otra del mismo. La velocidad del dispositivo (01) en metros por segundo dividida por el tiempo requerido para una secuencia completa de mediciones proporciona la distancia d, en metros. La superficie bajo dicha distancia d (A, B, C, ..., N) puede calcularse conociendo la forma del lecho del río y el nivel del agua.
El caudal para cada sección N puede calcularse de acuerdo con la ecuación de continuidad: QN=VNmedia * AN, donde QN es el caudal en la sección N, VNmedia es la velocidad media en la sección N y AN es la superficie de la sección N.
La velocidad media de la sección N, VNmedia, puede calcularse a partir de la velocidad superficial medida en la sección N, VNmedida, multiplicada por el factor de corrección de la sección N, Kn.
El factor de corrección Kn de la sección N se determina utilizando la anchura d de la sección N, la profundidad media de líquido en la sección N y un modelo matemático que utiliza dichos datos para calcular el factor de corrección, K<n>.
El caudal total del río es la suma de todos los caudales individuales en cada sección: Qtot = Qa Qb Qc ... Qn.
Las FIG. 13 Y 14 muestran la aplicación en el caso de que el dispositivo (01) (dron (01) y dispositivo de medición no invasiva de microondas (03)) se utilice en canales o tuberías subterráneos (22). Dependiendo de las condiciones hidráulicas y especialmente el nivel del agua, el dispositivo puede pilotarse para realizar varias mediciones individuales en secciones individuales (A, B, C, ..., N) de igual anchura d, o para realizar una medición en el centro del conducto en una anchura D.
En el caso de que la medición se realice en secciones individuales, puede calcularse el caudal para cada sección N de acuerdo con la ecuación de continuidad: Qn = VNmedia * An, donde Qn es el caudal de la sección N, VNmedia es la velocidad media en la sección N y An es la superficie del a sección N.
La velocidad media de la sección N, VNmedia, puede calcularse a partir de la velocidad superficial medida en la sección N, VNmedida, multiplicada por el factor de corrección de la sección N, K<n>.
El factor de corrección Kn de la sección N se determina utilizando la anchura d de la sección D, la profundidad media de líquido en la sección N y un modelo matemático que utiliza dichos datos para calcular el factor de corrección, Kn.
Para obtener el caudal total en el canal se calcula la suma de todos los caudales individuales de cada sección: Q<tot>= Qa Qb Qc ... Qn.
En el caso de que solo se realice una medición en el centro del canal, se obtiene la Vmedida en la distancia D y se multiplica por un factor de corrección K para determinar la Vmedia.
Se determina el factor de corrección K utilizando la forma y dimensión del canal, la profundidad del agua y la distribución de la velocidad, representada por<o>. Un modelo matemático utiliza dichos datos y calcula el factor de corrección K.
Q = Vmedia * A, donde Q es el caudal, Vmedia es la velocidad media en la zona mojada y A es la superficie de la zona mojada.
En canales subterráneos, el dron (02) estará dotado de cámara y luz para facilitar el pilotaje.
La FIG. 15 describe un método alternativo que evita muchas correcciones realizadas en la velocidad superficial medida en bruto, que consiste en ajustar continuamente los desplazamientos en 3D del dispositivo de medición no invasiva (03), utilizando tres motores individuales, el motor de inclinación (19), el motor de balanceo (20) y el motor de guiñada (21), para contrarrestar los efectos de la inclinación, balanceo y guiñada del dron.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo (01) de medición no invasiva de microondas para calcular el caudal de un líquido, en donde el dispositivo (01) comprende:
- un dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido, que comprende una antena de parche o bocina para generar una señal (14) de microondas que se transmite en un ángulo a de elevación específico hacia la superficie (16) del líquido y para recibir la señal (15) de microondas reflejada de la superficie (16) del líquido con una frecuencia de desplazamiento Doppler, o cualquier otro dispositivo de medición no invasiva de la velocidad del líquido, tal como un dispositivo láser, óptico, acústico o de otro tipo,
- un dron (02) del que se suspende el dispositivo (03) de medición, caracterizado porque se suspende mediante un sistema (04) de suspensión,
en donde dicho sistema (04) de suspensión elimina el ruido de vibración generado por el dron (02),
y porque el dispositivo (01) de medición no invasiva de microondas comprende, además:
- por lo menos un sensor de vibraciones para identificar y eliminar lecturas falsas de velocidad inducidas por el dron (02),
- por lo menos un sensor de ángulo para compensar la inclinación, el balanceo y la guiñada del dron (02), que influyen en la medición de la velocidad superficial del líquido y determinan el ángulo final del dispositivo (03) de medición respecto a la superficie (16) del líquido.
2. Dispositivo (01) según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido comprende un sistema de control en 3D con tres motores ((19, 20 y 21) capaz de reposicionar automáticamente el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas con el fin de compensar la inclinación, el balanceo y la guiñada del dron (03).
3. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad del líquido está asociado a un dispositivo (07) de medición que comprende GPS y sensores de altímetro.
4. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido está asociado a una interfaz (07) para capturar datos de GPS y altimetría del dron (02).
5. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una cámara y luz para facilitar el pilotaje, especialmente en tuberías y canales subterráneos (22).
6. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido comprende un dispositivo de grabación para grabar imágenes y vídeos, junto con mediciones de velocidad del líquido y/o datos de GPS y altimetría.
7. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido comprende un dispositivo (05) de medición de nivel o distancia y/o un dispositivo (06) de medición de la velocidad y dirección del viento.
8. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (04) de suspensión comprende por lo menos tres tubos (08) conectados entre sí mediante varillas (09), en donde los tubos (08) conectan el dispositivo (03) de medición de la velocidad al dron (02), en donde el dispositivo (03) de medición de la velocidad está unido al primer extremo de los tubos (08) y en donde el dron (02) está unido al segundo extremo de los tubos (08).
9. Dispositivo (01) según la reivindicación 8, caracterizado porque los tres o más tubos (08) presentan diferentes longitudes, proporcionando un ángulo para el dispositivo (03) de medición respecto a la superficie (16) del líquido agua y el plano horizontal del dron (02), ángulo que es medido por el sensor o sensores de ángulo.
10. Dispositivo (01) según la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque las cuerdas elásticas (10) se proporcionan en los tubos (08) y se utilizan para suspender el dispositivo (03) de medición, en donde el extremo superior de las cuerdas elásticas (10) está conectado al sistema de suspensión (04), que está unido al dron (02), y en donde el extremo inferior de las cuerdas elásticas (10) está unido al dispositivo (03) de medición, en donde el extremo inferior de las cuerdas elásticas (10) está libre de los tubos (08) y es ligeramente más largo que los tubos (08).
11. Dispositivo (01) según la reivindicación 10, caracterizado porque la elasticidad de las cuerdas elásticas (10) se selecciona para absorber las vibraciones no deseadas, de manera que los movimientos verticales del dispositivo (03) de medición se mantienen a un nivel insignificante.
12. Dispositivo (01) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el dispositivo (04) de suspensión comprende una placa superior rígida (11) conectada al dron (02) y una placa inferior rígida (12) conectada al dispositivo (03) de medición no invasiva, en donde ambas placas (11) y (12) están conectadas con amortiguadores (13) de tipo silent block.
13. Método no invasivo para medir la velocidad y distribución de un líquido (16) que fluye por una tubería o canal (22) o en un río o canal abierto, en donde el método utiliza un dispositivo (03) de medición no invasiva de microondas de la velocidad de un líquido, suspendido de un dron (02) y que comprende por lo menos un sensor de vibración, en donde dicho método comprende las etapas siguientes:
a. generar señales (14) de microondas mediante la utilización de una antena de parche o una antena de bocina, b. recibir las señales (15) de microondas reflejadas a partir de la superficie (16) de líquido fluyente, c. generar una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como una función del tiempo a partir de las señales de microondas generadas y las señales de microondas reflejadas con desplazamientos de frecuencia Doppler, d. transformar el espectro de datos expresado en el dominio temporal en un dominio de frecuencia mediante una transformada de Fourier para ajustarse a una primera curva gaussiana,
e. determinar la velocidad medida global (media: g) y la distribución de velocidad global (desviación estándar: o) mediante la primera curva gaussiana,
f. medir las vibraciones mecánicas del dron durante las etapas (a) y (b) de generación y recepción de señales, a fin de determinar una secuencia de datos de vibraciones medidos por el sensor de vibraciones,
g. generar, a partir de los datos de vibraciones, una cantidad de datos discretos expresados en amplitud como función del tiempo,
h. transformar el espectro de datos de vibraciones expresados en el dominio temporal en un dominio de frecuencias mediante una transformada de Fourier para ajustarse a una segunda curva gaussiana,
i. determinar la velocidad inducida por vibración medida (media: g) y la distribución de velocidades inducidas por vibración (desviación estándar: o) a partir de la segunda curva gaussiana,
j. aplicar una corrección a la velocidad medida global y a la distribución de velocidades globales obtenidas en la etapa (e) mediante sustracción de las velocidades inducidas por vibraciones medida y la distribución de velocidades inducidas por vibraciones obtenidas en la etapa (j), con el fin de eliminar las vibraciones del dron en el cálculo de la medida de velocidad y la distribución de velocidades del líquido.
14. Método según la reivindicación 13, caracterizado porque la velocidad superficial del líquido se determina a partir de las señales de microondas generadas y las señales de microondas reflejadas con desplazamientos de frecuencia Doppler y se compensa para la inclinación, balanceo y guiñada del dron (02) mediante la consideración de los datos medidos por como mínimo un sensor de ángulo.
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