PT1565708E - Método de processamento de sinal ultra-sónico e suas aplicações - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"MÉTODO DE PROCESSAMENTO DE SINAL ULTRA-SÓNICO E SUAS APLICAÇÕES" A invenção refere-se a um método de processamento de sinal ultra-sónico, em particular para dispositivos ultra-sónicos de medição, tal como caudalimetros. Mais particularmente, é divulgada uma técnica de processamento de sinal para melhorar a relação sinal/ruido nos dispositivos ultra-sónicos de medição que funcionam num ambiente ruidoso, por exemplo, caudalimetros ultra-sónicos na vizinhança de uma válvula redutora de pressão.

Os caudalimetros ultra-sónicos de gás medem o caudal de gás por meio de sinais ultra-sónicos. Com esta finalidade, um caudalímetro ultra-sónico de gás tem um ou mais trajectos acústicos, sendo cada trajecto definido entre um par de transdutores ultra-sónicos. Cada transdutor desse par é capaz de transmitir sinais para, e receber sinais do outro transdutor. Em funcionamento, ambos os transdutores transmitem e recebem à vez, resultando num sinal acústico que se desloca ao longo do trajecto acústico - paralelamente ou segundo um ângulo - dentro do corpo do medidor, no sentido do fluxo (para jusante) e no sentido contrário ao do fluxo (para montante). A diferença no tempo de percurso em ambos os sentidos de transmissão, é proporcional à velocidade do gás. De forma a medir, com precisão, mesmo velocidades baixas de gás, o próprio tempo de percurso ou a diferença nos tempos de percurso necessitam de ser medidos com muito elevada precisão e resolução no tempo. 1

De uma forma típica, os caudalímetros ultra-sónicos de gás funcionam utilizando um número de rajadas curtas de sinais de alta-frequência (por exemplo, com a duração de 5 ciclos). De uma forma típica, a frequência de funcionamento dos transdutores ultra-sónicos está no intervalo entre 50 kHz e 500 kHz. Como nos caudalímetros ultra-sónicos de gás, as diferenças nos tempos de percurso necessitam de ser medidas com extrema precisão, é imperativa uma definição, ou resolução, muito elevada na medição do tempo de percurso. Isto não pode ser conseguido utilizando o envelope do sinal de rajada recebido, mesmo que este seja curto. De forma a obter uma resolução suficiente, é requerido o instante exacto da passagem por zero no sinal de rajada. Como, de uma forma típica, estão presentes múltiplas passagens por zero no sinal de rajada, isto cria o problema de identificar e localizar uma ou mais passagens pelo zero específicas, para serem utilizadas como ponto (s) de referência para a medição do tempo de percurso. Isto pode ser resolvido com o auxílio da forma do envelope do sinal de rajada.

Numa tubagem de gás, o ruído ultra-sónico pode ser emitido a partir de diversas outras fontes. O espectro de frequência deste ruído pode estender-se até ao intervalo de frequências em que funcionam os transdutores ultra-sónicos. Tal ruído pode ser ruído induzido pelo fluxo, ou ruído induzido pelo equipamento, tal como ruído emitido por válvulas redutoras de pressão. O último tipo de ruído interferente é mais sério, especialmente quando estas válvulas redutoras de pressão funcionam com elevados diferenciais de pressão, por exemplo acima de 10 ou 20 bar. Nestas circunstâncias, a quantidade de energia dissipada pode ser bastante substancial. Mesmo que apenas uma fracção muito pequena desta seja convertida em energia acústica, ainda 2 pode ser emitida uma quantidade importante de ruído. 0 ruído destas válvulas pode ser caracterizado por ter alguns picos dominantes em frequências discretas (baixas), mas é descrito mais apropriadamente como ruído de banda larga. 0 envelope do espectro de frequência tem, de uma forma típica, um máximo no intervalo entre 30 kHz e 80 kHz. Isto indica que, mesmo fora deste intervalo de frequência, podem estar presentes quantidades substanciais de energia ultra-sónica. O mesmo se aplica às válvulas que foram concebidas para serem, assim chamadas, "válvulas silenciosas". A palavra "silenciosa" aplica-se, de uma forma típica, ao ruído no intervalo audível. Por vezes, a redução do ruído no intervalo audível é conseguida por modificações da concepção que deslocam a emissão do ruído para frequências mais elevadas. Como este ruído é, por natureza, de banda larga, estende-se facilmente ao intervalo de frequência onde podem funcionar os transdutores ultra-sónicos para caudalímetros ultra-sónicos de gás.

Devido a limitações práticas, a potência dos sinais utilizados num caudalímetro ultra-sónico é restringida a determinados níveis. Levanta-se o problema de que, ou o ruído interfere com os sinais ultra-sónicos do caudalímetro, ou os sinais ultra-sónicos do caudalímetro podem mesmo ficar completamente ocultos ou mascarados pelo ruído. Em consequência disto, os sinais ultra-sónicos utilizados pelo caudalímetro podem tornar-se indetectáveis e, consequentemente, o medidor pode deixar de funcionar.

Até agora foram feitas, de várias formas, tentativas para resolver o problema do ruído acústico que interfere com os 3 sinais de um caudalimetro ultra-sónico.

Foram feitas tentativas de resolver o problema do ruído acústico que interfere com os sinais de um caudalimetro ultra-sónico, separando espacialmente o caudalimetro ultra-sónico de gás e a fonte de ruído. Isto significa separar os dois, aplicando um grande comprimento de tubagem, de um modo preferido, incluindo também joelhos e tés, entre o medidor e a fonte de ruído. Porque o espaço disponível nem sempre permite tal abordagem, este método pode, não apenas, ser caro, mas é também, frequentemente, pouco prático.

Também se tentou mover a frequência de funcionamento do caudalimetro, para fora do intervalo de frequência do ruído ultra-sónico. Devido ao aumento da atenuação do sinal ultra-sónico no fluido, com frequências crescentes, para aplicações práticas, o intervalo de frequências utilizável está limitado a um máximo de cerca de 300 a 500 kHz. Isto coloca um limite ao ganho que pode ser obtido desta forma.

Foram concebidos dispositivos silenciadores especiais para separar a fonte de ruído e o caudalimetro ultra-sónico, relativamente um ao outro. A eficácia de tais dispositivos está limitada, visto que estes dispositivos podem, eles próprios, gerar ruído (ruído induzido pelo fluxo) a velocidades do gás mais elevadas e, de novo, podem estar envolvidos custos consideráveis.

Também foram feitas tentativas para aplicar uma variedade de técnicas de processamento de sinal, de forma a melhorar a relação sinal/ruído, descritas como filtração, cálculo da média, empilhamento e correlação. 4 A aplicação de técnicas de filtração no domínio da frequência não proporciona muitas melhorias visto que, frequentemente, o espectro de frequência do ruído se sobrepõe à frequência de funcionamento do caudalímetro ultra-sónico. De uma forma típica, os transdutores ultra-sónicos também funcionam numa modalidade de ressonância, de forma a conseguir a mais elevada eficiência, consequentemente, os próprios transdutores actuam como dispositivos selectivos de frequência. Consequentemente, não será muito eficaz a utilização de circuitos electrónicos ou software adicionais para filtrar o sinal no domínio da frequência.

Pode ser conseguida a melhoria da relação sinal/ruído, aumentando a quantidade de energia ultra-sónica, através da extensão da duração do sinal de rajada. Isto apresenta o problema de ser tornar mais difícil identificar e localizar, de modo único, uma passagem por zero específica com o auxílio da forma do envelope, ou apresenta ambiguidade quando são utilizadas técnicas de detecção de fase, visto que o tempo de percurso a ser medido representa períodos múltiplos do sinal e o desvio de fase é múltiplas vezes 2n.

Um outro método conhecido para melhorar a relação sinal/ruído é referido como empilhamento. Isto significa calcular a média do sinal que é obtido, emitindo e recebendo, repetidamente, um sinal ultra-sónico. A suposição é que os sinais de rajada recebidos estão correlacionados de tal forma que, a adição de múltiplos sinais de rajada recebidos resulta num sinal aumentado, enquanto que o ruído não é correlacionado e, consequentemente, será reduzido quando são adicionados 5 múltiplos sinais recebidos. Os sinais recebidos são adicionados tomando o instante da emissão como um ponto de referência, de forma a sincronizar os sinais de rajada recebidos enquanto estes estão a ser adicionados.

Este método tem também limitações devido à turbulência natural no fluxo de gás. A turbulência resulta numa variabilidade do tempo de percurso (também conhecido como "jitter") em consequência do que os sinais de rajada recebidos se tornam não correlacionados. Isto significa que, utilizando o instante da emissão como um ponto de referência, os sinais recebidos não coincidem exactamente ao serem adicionados. A técnica de cálculo da média ou empilhamento é, consequentemente, eficaz apenas numa escala de tempo curta: uma escala de tempo suficientemente curta, em comparação com a periodicidade dos fenómenos de turbulência, para limitar as variações no tempo de percurso a valores da frequência no sinal de rajada substancialmente menores do que um período. Isto limita o número dos sinais de rajada recebidos que podem, efectivamente, ser adicionados de forma a aumentar a relação sinal/ruído.

Na descrição do método acima, assumiu-se que cada ciclo de emissão de um sinal de rajada ultra-sónico e de recepção do mesmo sinal é completado antes que o seguinte seja iniciado. Consequentemente, um novo ciclo apenas pode começar depois do sinal acústico ter percorrido o fluido, ao longo do seu trajecto acústico, o que pode levar até vários milissegundos, especialmente para um medidor de grande tamanho, que tem trajectos acústicos longos. Isto limita o número de impulsos ao número que pode ser emitido num intervalo de tempo específico, i. e. o tempo durante o qual os sinais acústicos, tal como 6 recebidos, podem ser considerados como estando correlacionados.

Como uma alternativa a este método, o processo de emitir e receber impulsos acústicos poderia ser intercalado ou sobreposto, significando que os impulsos acústicos (sinais de rajada) estão a ser disparados enquanto os impulsos acústicos anteriores ainda estão a deslocar-se através do gás. Em consequência disto, chegará ao receptor uma sequência de impulsos acústicos. 0 problema com este método alternativo, porém, é identificar cada um dos impulsos de uma sequência quando chegam, porque podem estar muito distorcidos pelo ruido acústico, ou mesmo ocultos ou mascarados pelo ruido acústico. 0 cálculo da média dos sinais de rajada individuais, dentro de uma sequência, utilizando a taxa de repetição conhecida de disparo dos impulsos, ajudará a recuperar o impulso, a partir do ruido, e a tornar os impulsos detectáveis, mas resulta em ambiguidade. Isto significa que o sinal de rajada pode ser recuperado em vários pontos no tempo, embora não se possa detectar qual representa, na realidade, o tempo de percurso.

As técnicas de correlação são ferramentas de processamento de sinal de utilização geral, que podem ser aplicadas a uma variedade de medições electrónicas. As utilizações principais são a detecção da presença e a localização dos sinais ocultos no ruido. É geralmente conhecida a forma de onda do sinal, por exemplo, o sinal transmitido por um transdutor ultra-sónico. 0 processo de correlação faz deslizar, de uma forma incremental, a forma da onda de referência sobre o sinal que está a ser processado, procurando um sinal correspondente. Sinais que não estão relacionados com a forma de onda de referência, resultam num valor de correlação de 0. Se for encontrado um sinal 7 correspondente, o valor da correlação aumenta até um valor máximo de 1 para uma correspondência perfeita, e -1 para uma forma de onda correspondente mas invertida. 0 valor máximo da função correlação serve ambas as finalidades. Se o valor máximo for próximo de 1, o sinal desejado está presente, e a localização do máximo é uma medida do atraso de propagação (ou tempo de percurso). A aplicação da função correlação à medição do tempo de percurso num medidor ultra-sónico apresenta diversos inconvenientes. É computacionalmente intensiva (i. e. requer uma grande quantidade de potência de processamento) e, considerando a muito elevada resolução no tempo que é requerida para a medição do tempo de percurso, requer taxas de amostragem muito elevadas. 0 documento US-A-5818735 descreve um método de processamento do sinal de um caudalimetro ultra-sónico.

Face aos inconvenientes acima da técnica anterior, é um objectivo da invenção proporcionar uma técnica de processamento de sinal ultra-sónico que melhore a relação sinal/ruido, em particular sob circunstâncias ruidosas.

Um objectivo adicional da invenção é proporcionar uma técnica de processamento de sinal ultra-sónico que permita a identificação inequívoca de um único sinal ultra-sónico de rajada, no interior de um sinal recebido representando uma série de sinais de rajada transmitidos subsequentemente.

Um outro objectivo da invenção é proporcionar uma medição exacta do tempo de percurso de um sinal ultra-sónico.

Ainda um outro objectivo é proporcionar um método exacto para a determinação de uma caracteristica de fluxo de um fluido, tal como um gás ou um liquido, por exemplo, velocidade do fluxo, utilizando uma técnica de medição ultra-sónica.

Um objectivo adicional da invenção é proporcionar um dispositivo, capaz de realizar tais métodos ou medições.

De acordo com um primeiro aspecto, a invenção refere-se a um método de processamento de sinal para melhorar a relação sinal/ruido em medições ultra-sónicas, compreendendo o método, transmissão de uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos num primeiro transdutor, onde os períodos de tempo entre os sinais de rajada subsequentemente transmitidos da referida sequência são estabelecidos de acordo com um padrão não uniforme, onde, pelo menos, um período de tempo difere de um outro período de tempo, e recepção de um sinal representando a referida sequência transmitida de sinais de rajada ultra-sónicos, num segundo transdutor, adição de múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido ao referido sinal original recebido, para obter uma soma do sinal recebido original e das suas cópias deslocadas no tempo, onde a deslocação no tempo de uma cópia está relacionada com o referido padrão predefinido, e reconstrução de um sinal de rajada original, tendo uma relação sinal/ruido melhorada, a partir da referida soma. 0 método de processamento de sinal de acordo com a invenção compreende a transmissão de uma sequência de sinais de rajada curtos, num intervalo de tempo relativamente curto. Nesta sequência, uma rajada seguinte pode ser transmitida antes que a 9 rajada precedente tenha chegado ao transdutor de recepção. Em consequência, o intervalo de tempo durante o qual é emitida toda a sequência de sinais de rajada, pode sobrepor-se ao intervalo de tempo durante o qual é recebida a sequência de sinais de rajada no transdutor de recepção. De acordo com a invenção, os sinais de rajada ultra-sónicos são transmitidos de uma forma correspondente a um padrão não uniforme. Isto significa que o período de tempo entre sinais de rajada ultra-sónicos transmitidos subsequentemente não é constante. Em vez disso, pelo menos, um período de tempo é diferente dos outros períodos de tempo.

Enquanto um transdutor, de um par de transdutores definindo um trajecto acústico, emite uma sequência de sinais de rajada, um sinal representando a sequência dos sinais de rajada recebidos no outro transdutor é digitalizado e armazenado numa memória para processamento posterior. Este sinal armazenado contém a série completa de sinais de rajada tal como emitida, embora à primeira vista os sinais de rajada individuais da sequência transmitida possam não ser reconhecíveis devido ao ruído que está presente. 0 método de processamento de sinal envolve criar múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido representando a sequência transmitida dos sinais de rajada. As deslocações no tempo entre as cópias do sinal recebido estão relacionadas com o padrão não uniforme, de tal modo que, de uma forma inequívoca, uma ou mais rajadas de sinais (mas, de um modo preferido, uma) tendo uma relação sinal/ruído melhorada, podem ser reconstruídas. Em consequência da adição, na soma resultante é obtido um sinal ampliado reconstruído, representando uma rajada 10 de sinais da sequência originalmente transmitida, enquanto a parte remanescente do sinal originalmente recebido, representando o ruido e as outras rajadas de sinais da sequência inicialmente transmitida, é atenuada ou cancelada. Desta forma, pode ser medido o tempo exacto de percurso deste sinal reconstruído, e utilizado e. g. para calcular a distância percorrida ou uma característica do fluxo.

Numa forma preferida de realização, todos os períodos de tempo entre sinais subsequentemente transmitidos da referida sequência são diferentes. Nesta forma de realização, nenhum dos períodos de tempo é o mesmo, mas são ajustados para valores diferentes. Por exemplo, os períodos de tempo aumentam de forma incremental relativamente ao período de tempo anterior. Isto apenas permite a reconstrução de um sinal de rajada a partir do sinal total recebido.

Numa outra forma preferida de realização, o número de cópias é igual ao número de sinais de rajada na referida sequência, menos um, de modo que o número de factores a serem adicionados, i. e., o sinal originalmente recebido e suas cópias, seja igual ao número total de sinais de rajada na sequência transmitida.

De um modo mais preferido, as deslocações no tempo são proporcionais, de um modo mais preferido idênticas, aos referidos períodos de tempo. Isto significa que o padrão não uniforme está seleccionado de uma tal forma que, em cada cópia deslocada no tempo do sinal recebido, apenas um sinal de rajada de toda a sequência coincide com um sinal específico dos originalmente recebidos. Adicionar as cópias deslocadas no tempo 11 da sequência resulta na redução ou mesmo no cancelamento do ruído, enquanto que o sinal de rajada seleccionado que coincide todas as vezes aumenta em amplitude. Desta forma, a relação sinal/ruído melhora e o sinal de rajada único original é reconstruído, sem ambiguidade. É vantajoso reconstruir a forma de um sinal de rajada original, porque isto permite definir, pelo menos, uma passagem por zero específica, como uma referência que pode ser utilizada, por exemplo para determinar o tempo de percurso do sinal acústico. 0 método do processamento de sinal de acordo com a invenção tem alguma similaridade com o método de "cálculo da média" ou "empilhamento" discutido acima. Porém, no método de acordo com a invenção, a sequência de sinais de rajada transmitida contém informação específica de sincronismo que permite reconstruir uma amostra específica a partir da sequência. 0 método tem também alguma similaridade com as técnicas de correlação, visto que o sinal recebido é reconstruído utilizando o sinal transmitido original. Porém, nas técnicas de correlação uma função de correlação é uma função de duas variáveis, e o resultado não necessita de ter qualquer similaridade com o sinal de rajada original, enquanto que, nesta invenção as múltiplas cópias deslocadas no tempo são utilizadas para reconstruir a forma original do sinal. 0 sinal reconstruído pode então ser utilizado para identificar uma passagem por zero específica como um ponto de referência para medir o tempo de percurso do sinal acústico, e. g., num caudalímetro ultra-sónico, para determinar uma característica de fluxo de um fluido, tal como o gás, numa tubagem. 12

Além dos caudalímetros, o método de processamento de sinal ultra-sónico de acordo com a invenção também pode ser utilizado em dispositivos ultra-sónicos de medição de distâncias. Num sistema ultra-sónico de medição de distâncias, o tempo de percurso da sequência de sinais de rajada lançados numa direcção por um primeiro transdutor e recebidos, posteriormente, pelo mesmo ou por um outro transdutor é suficiente para determinar a distância a ser medida.

De acordo com um segundo aspecto, a invenção refere-se a um método para determinar uma caracteristica de fluxo de um fluido numa tubagem, utilizando um dispositivo ultra-sónico de medição, compreendendo transmitir uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos num primeiro transdutor, de tal forma que os períodos de tempo entre sinais de rajada da referida sequência subsequentemente transmitidos sejam estabelecidos de acordo com um padrão não uniforme, e receber um sinal representando a referida sequência de sinais de rajada ultra-sónicos num segundo transdutor, adicionar múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido, para obter uma soma do sinal recebido original e das suas cópias deslocadas no tempo, onde as deslocações no tempo estão relacionadas com o referido padrão predefinido, reconstruir um sinal de rajada original, determinar o tempo de percurso do referido sinal de rajada original reconstruído, e calcular a caracteristica de fluxo utilizando o referido tempo de percurso. Porque neste método de acordo com a invenção, são aplicados os princípios do método de processamento de sinal ultra-sónico de acordo com a invenção como discutida acima, o sinal de rajada original pode ser reconstruído de forma exacta e inequívoca, com o resultado que o tempo de percurso pode ser calculado com exactidão, tal 13 como a característica do fluxo relacionada com este tempo de percurso. Exemplos desta característica do fluxo são a velocidade do fluxo e o caudal, o conteúdo energético de um gás combustível, tal como o gás natural, e similares.

As formas preferidas de realização acima identificadas do método de processamento de sinal de acordo com a invenção são, do mesmo modo, aplicáveis a este segundo aspecto da invenção.

Um aspecto adicional da invenção é dirigido a um dispositivo para determinar uma característica de fluxo de um fluido numa tubagem, compreendendo meios de transmissão ultra-sónicos para proporcionar uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos para injecção no fluido, meios de sincronismo para estabelecer o tempo de transmissão de cada sinal de rajada da referida sequência, de acordo com um padrão não uniforme predefinido, meios de recepção ultra-sónicos para receber um sinal que representa a referida sequência de sinais de rajada ultra-sónicos, e meios de processamento de sinal para processar o referido sinal, de forma a determinar a característica de fluxo a partir do referido sinal, onde os meios de processamento de sinal compreendem meios para proporcionar múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido, cópias estas que são deslocadas no tempo de acordo com um relacionamento predefinido com o referido padrão não uniforme, e para adicionar ao sinal recebido as múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido, e para reconstruir um sinal de rajada original, e para calcular a característica do fluxo utilizando o referido sinal de rajada original reconstruído. 14

Neste dispositivo de acordo com a invenção os meios de processamento de sinal são concebidos de tal maneira que é criado um número de cópias deslocadas no tempo do recebido. Estas cópias são adicionadas ao sinal originalmente recebido. A partir da soma é obtido um sinal de rajada originalmente disparado, a partir do qual, por sua vez, é calculada a caracteristica do fluxo desejada. Por exemplo, a velocidade do fluxo pode ser obtida a partir da diferença no tempo de percurso de uma sequência de sinais de rajada transmitidos no sentido do fluxo (para jusante) e de uma sequência de sinais de rajada transmitidos no sentido oposto (para montante).

De um modo preferido os meios estão concebidos de tal forma que permitam executar as formas preferidas de realização do método de acordo com a invenção, como descrito acima. A invenção é ilustrada, além disso, por meio dos desenhos anexos, em que: A Figura 1 mostra os elementos básicos de um caudalimetro ultra-sónico de trajecto único; A Figura 2 é um diagrama de blocos de um caudalimetro ultra-sónico de acordo com a invenção; A Figura 3 mostra as formas de onda transmitidas e recebidas de um caudalimetro ultra-sónico de acordo com a técnica anterior; A Figura 4 mostra as formas de onda transmitidas e recebidas de acordo com a invenção; e 15 A Figura 5 mostra as formas de onda processadas de acordo com a invenção. A Figura 1 mostra os elementos básicos de um exemplo de um sistema de medição de caudal para determinar o caudal de fluido numa tubagem 1 cilíndrica. A partir de um par de transdutores 2a, 2b, cada está ligado pelos cabos 4a e 4b eléctricos, respectivamente, a uma unidade de processamento de sinal identificada na sua totalidade pelo número 100 de referência. Os transdutores 2a, 2b estão posicionados de tal forma que definem um trajecto 3 de interrogação com dimensões geométricas definidas com precisão. O trajecto de interrogação mostrado na Figura 1 é um trajecto do tipo ressalto de linha central. Porém, são possíveis outras disposições dos transdutores e das conFigurações do trajecto, e. g. um triângulo inscrito (tendo dois ressaltos contra a parede da tubagem). A Figura 2 é um diagrama de blocos de um caudalímetro ultra-sónico de acordo com a presente invenção. Um par de transdutores 2a, 2b está montado numa tubagem 1, definindo um trajecto 3 de interrogação. Os transdutores 2a, 2b estão ligados pelos cabos 4a, 4b eléctricos a um gerador 5 de sinal e a um receptor 11 de sinal. 0 gerador 5 de sinal é controlado por um sincronismo e por uma unidade (TCU) 21 de controlo através do barramento 22 de controlo e de dados para proporcionar ao um ou mais transdutores 2a, 2b um sinal ultra-sónico em instantes definidos no tempo. 0 próprio sinal de transmissão é calculado por um processador (DSP) 23 de sinal digital e carregado na RAM 7 do gerador de sinal por meio do acesso (DMA) 6 directo à memória. Controlado pelo TCU 21, o gerador 5 de sinal desloca o sinal de transmissão armazenado na RAM 7 sequencialmente para o 16 conversor (DAC) 8 digital/analógico. A saída de DAC 8 é amplificada pelo amplificador 9 de potência. Um transmissor multiplexador 10 proporciona ao um ou mais transdutores 2a, 2b o sinal ultra-sónico a ser transmitido.

Os transdutores 2a, 2b estão também ligados ao receptor 11 de sinal. O receptor 11 de sinal consiste em memórias tampão/pré-amplificadores 12a, 12b e num multiplexador 13 de recepção. De forma similar ao gerador 5 de sinal, o receptor 11 de sinal é controlado pelo TCU 21 para proporcionar os sinais apropriados do transdutor a um amplificador 14 de sinal. O amplificador 14 de sinal é controlado por um controlador (AGC) 16 automático de ganho. O sinal amplificado é então digitalizado pelo conversor 17 de sinal. Controlado pelo TCU 21, o conversor (CAD) 18 digital/analógico escreve o sinal amostrado numa RAM 19. O conteúdo da RAM 19 pode ser acedido por meio do acesso (DMA) 20 directo à memória. A unidade DSP 23 de processamento de sinal digital processa os dados amostrados da RAM 19 de acordo com a invenção. Os dados em vários estágios de processamento podem ser tornados disponíveis na interface do utilizador por meio da unidade 24 de entrada/saída. A Figura 3 mostra as formas de onda transmitidas e recebidas de um caudalímetro ultra-sónico convencional. A Figura 3a mostra um exemplo de uma forma de onda transmitida de um transdutor ultra-sónico com uma frequência central de, aproximadamente, 200 kHz e uma largura de banda de, aproximadamente, 40 kHz. A resposta (eixo dos Y) de impulso de um transdutor 2a, 2b é mostrada em função do tempo (eixo dos X; segundos). 17 A Figura 3b mostra a forma de onda da Figura 3a, mas "ampliada" até, cerca de, 10 ciclos (dos 200 kHz de frequência do transdutor) antes (t < 0) e após (t > 0) disparar o transdutor. A Figura 3c mostra a forma de onda recebida numa relação sinal/ruido moderada. O tempo de propagação do sinal entre um par de transdutores é 1 milissegundo (ms). A Figura 3d mostra a forma de onda da Figura 3c, mas "ampliada" até, cerca de, 10 ciclos da frequência de 200 kHz do transdutor, antes e depois do atraso de propagação. A forma de onda recebida mostra boa conformidade com a forma de onda transmitida. São aplicáveis vários métodos à detecção da presença desta forma de onda e ao cálculo do atraso de propagação, incluindo os muito simples, como aplicar um limiar ao sinal. A Figura 3e mostra a forma de onda recebida em relações sinal/ruido muito baixas. Mais uma vez, o tempo de propagação do sinal é 1 milissegundo (ms) . É evidente que a forma da onda do sinal originalmente transmitido é completamente obscurecida pelo ruído. Deste modo, não é possível detectar a presença e o atraso na propagação do sinal transmitido. A Figura 4 mostra as formas de onda transmitidas e recebidas de acordo com a invenção. A Figura 4a mostra uma forma de onda transmitida por amostragem, consistindo em 8 rajadas individuais, tendo formas de onda similares à forma de onda de transmissão da Figura 3a e 3b. Por outras palavras, a sequência consiste em 8 sinais de 18 rajada ultra-sónicos. Neste exemplo da invenção o afastamento das formas de onda individuais não é uniforme, mas variável no tempo, i. e., todos os afastamentos são diferentes. A Figura 4b representa a forma de onda da Figura 4a, mas novamente "ampliada" para mostrar mais detalhadamente as ondulações individuais ou os sinais de rajada ultra-sónicos e os afastamentos associados. A Figura 4c mostra a forma da onda recebida numa relação sinal/ruido muito baixa (comparável à relação sinal/ruido conforme mostrada na Figura 3e) . 0 atraso na propagação é 1 milissegundo (ms). De forma muito semelhante à situação descrita na Figura 3e, no sinal tal como recebido, as ondulações individuais transmitidas são obscurecidas pelo ruido. A Figura 4d mostra a forma de onda da Figura 4c, mas "ampliada" até, cerca de, 10 ciclos (da frequência de 200 kHz do transdutor) antes e depois do atraso na propagação. A Figura 5 mostra as formas de onda, conforme processadas de acordo com a invenção.

Na Figura 5a o traço superior é idêntico à forma de onda recebida mostrada na Figura 4c. Os 7 traços abaixo do traço superior são cópias deslocadas no tempo da forma de onda recebida. As deslocações no tempo são idênticas aos afastamentos das ondulações individuais transmitidas (Figura 4a e 4b) . O traço inferior é a soma da forma de onda recebida original e das suas cópias deslocadas no tempo. A Figura 5b mostra a mesma forma de onda processada 19 mostrada pelo traço inferior da Figura 5a: a soma da forma de onda recebida original e das suas cópias deslocadas no tempo. Esta forma de onda "recebida" processada tem todas as caracteristicas da forma de onda recebida, resultando da transmissão de uma única ondulação, mas com uma relação sinal/ruido melhorada. A Figura 5c mostra a forma de onda da Figura 5b, mas "ampliada" até, cerca de, 10 ciclos (da frequência de 200 kHz do transdutor) antes e depois do atraso na propagação. É evidente que o método de processamento de sinal de acordo com a invenção resulta na reconstrução de um sinal de rajada a partir da série originalmente transmitida, que não é mascarado, oculto ou, de qualquer outra forma, obscurecido pelo ruido ou outros sinais de rajada transmitidos a partir da série. O tempo de percurso deste sinal reconstruído pode ser determinado com exactidão.

Lisboa, 3 de Abril de 2007 20

Claims (16)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Método de processamento de sinal para melhorar a relação sinal/ruído em medições ultra-sónicas, sendo o método caracterizado por compreender a transmissão de uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos num primeiro transdutor (2a), onde os periodos de tempo entre sinais de rajada subsequentemente transmitidos da referida sequência são estabelecidos de acordo com um padrão (5, 21) não uniforme, onde, pelo menos, um periodo de tempo difere de um outro período de tempo, e a recepção (2b, 11) de um sinal que representa a referida sequência transmitida dos sinais de rajada ultra-sónicos num segundo transdutor, a adição (23) de múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido ao referido sinal original recebido para obter uma soma do sinal original recebido e das suas cópias deslocadas no tempo, onde a deslocação no tempo de uma cópia está relacionada com o referido padrão predefinido, e a reconstrução, a partir da referida soma, de um sinal de rajada original tendo uma relação sinal/ruído melhorada.
2. 2. Método de processamento de sinal de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por todos os períodos de tempo entre sinais subsequentemente transmitidos da referida sequência serem diferentes.
3. 3. Método de processamento de sinal de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o número de cópias ser igual ao número de sinais de rajada na referida 1 sequencia, menos um.
4. 4. Método de processamento de sinal de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as deslocações no tempo serem proporcionais aos referidos períodos de tempo.
5. 5. Método de processamento de sinal de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser reconstruído um único sinal de rajada.
6. 6. Método de processamento de sinal de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser reconstruída a forma de um sinal de rajada original.
7. 7. Método de processamento de sinal de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser determinado o tempo de percurso do sinal de rajada original reconstruído.
8. 8. Método para determinar uma característica de fluxo de um fluido numa tubagem, utilizando um dispositivo ultra-sónico de medição, sendo o método caracterizado por compreender transmitir uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos num primeiro transdutor (2a), de tal forma que os períodos de tempo entre sinais de rajada subsequentemente transmitidos da referida sequência são estabelecidos de acordo com um padrão (5, 21) não uniforme, e receber um sinal que representa a referida sequência de sinais de rajada ultra-sónicos num segundo transdutor (2b, 11), adicionar (23) múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido para obter uma soma do 2 sinal original recebido e das suas cópias deslocadas no tempo, onde as deslocações no tempo estão relacionados com o referido padrão predefinido, reconstruir um sinal de rajada original, determinar o tempo de percurso do referido sinal de rajada original reconstruído, e calcular a característica do fluxo utilizando o referido tempo de percurso.
9. 9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por todos os períodos de tempo entre os sinais subsequentemente transmitidos da referida sequência serem diferentes.
10. 10. Método de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado por o número de cópias ser igual ao número de sinais de rajada na referida sequência, menos um.
11. 11. Método de acordo com uma das reivindicações 8-10 anteriores, caracterizado por as deslocações no tempo serem proporcionais aos referidos períodos de tempo.
12. 12. Método de acordo com uma das reivindicações 8-11 anteriores, caracterizado por ser reconstruído um único sinal de rajada.
13. 13. Método de acordo com uma das reivindicações 8-12 anteriores, caracterizado por ser reconstruída a forma de um sinal de rajada original.
14. 14. Método de acordo com uma das reivindicações 8-13 anteriores, caracterizado por uma passagem por zero do referido sinal de rajada reconstruído ser definida como uma referência para determinar o tempo de percurso do referido sinal de rajada reconstruído. 3
15. 15. Método de acordo com uma das reivindicações 8-14 anteriores, caracterizado por ser determinada a velocidade do fluxo do fluido.
16. 16. Dispositivo (2a, 2b, 100) para determinar uma caracteristica de fluxo de um fluido numa tubagem (1), sendo o dispositivo caracterizado por compreender meios (2a) de transmissão ultra-sónicos para fornecer uma sequência sincronizada predefinida de um número de sinais de rajada ultra-sónicos para injecção no fluido, meios (21) de sincronismo para estabelecer o instante de transmissão de cada sinal de rajada da referida sequência, de acordo com um padrão não uniforme predefinido, meios (2b) de recepção ultra-sónicos para receber um sinal, representando a referida sequência de sinais de rajada ultra-sónicos, e meios (23) de processamento de sinal para processar o referido sinal de forma a determinar a caracteristica de fluxo a partir do referido sinal, onde os meios de processamento de sinal compreendem meios para proporcionar múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido, cópias estas que são deslocadas no tempo de acordo com um relacionamento predefinido com o referido padrão não uniforme, e para adicionar as múltiplas cópias deslocadas no tempo do sinal recebido ao sinal recebido, e para reconstruir um sinal de rajada original, e para calcular a caracteristica de fluxo utilizando o referido sinal de rajada original reconstruído. Lisboa, 3 de Abril de 2007 4