BR112019027733A2

BR112019027733A2 - método para medir uma velocidade de um fluido

Info

Publication number: BR112019027733A2
Application number: BR112019027733-1A
Authority: BR
Inventors: Henri TEBOULLE
Original assignee: Sagemcom Energy & Telecom Sas
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2020-09-15
Also published as: US11199429B2; CA3067467C; EP3645981A1; CN110799810A; FR3068126A1; CN110799810B; US20200141777A1; CA3067467A1; FR3068126B1; EP3645981B1; WO2019002145A1; PL3645981T3

Abstract

Método de medição de uma velocidade de um fluido, compreendendo as etapas de: - transmitir um sinal ultrassônico de medição (Se); - adquirir e digitalizar uma porção de medição (25, 26) de um sinal ultrassônico de medição recebido (Sr, Sr1, Sr2) após o sinal ultrassônico de medição (Se) percorrer um trajeto de comprimento definido (L), para obter amostras de medição; - estimar, a partir das amostras de medição, uma amplitude da porção de medição; - acessar amostras de referência de uma tabela de referência previamente preenchida e armazenada em uma memória, as amostras de referência formando uma curva de referência que constitui uma interpolação das amostras de medição;, - produzir amostras de medição ajustadas multiplicando as amostras de medição por uma razão entre uma amplitude da curva de referência e a amplitude da porção de medição; - para cada amostra de medição ajustada, determinar um deslocamento de tempo unitário entre a amostra de medição ajustada e a curva de referência; - para cada amostra de medição ajustada, estimar um instante de passagem pelo zero da porção de medição a partir do deslocamento de tempo unitário e das amostras de referência; - estimar, a partir de uma média dos instantes de passagem pelo zero, uma medição do tempo de trajeto do sinal ultrassônico de medição para percorrer o trajeto de comprimento definido; - estimar a velocidade do fluido a partir da medição de tempo de trajeto.

Description

“MÉTODO PARA MEDIR UMA VELOCIDADE DE UM FLUIDO"

[0001] A invenção refere-se ao campo de métodos de medição de uma velocidade de um fluido.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Um medidor de fluido ultrassônico usa convencionalmente, para medir a vazão de um fluido que circula em um tubo, um dispositivo de medição da velocidade do fluido por envio e recebimento de sinais ultrassônicos de medição.

[0003] O dispositivo de medição compreende uma tubulação, conectada ao tubo, na qual o fluido circula. Para medir a velocidade do fluido, um sinal ultrassônico de medição é transmitido na tubulação percorrendo um trajeto de comprimento definido, sendo medidos os tempos de trajeto utilizado pelo sinal ultrassônico de medição para percorrer o trajeto de comprimento definido de montante a jusante e de jusante a montante, e a velocidade do fluido é estimada, em particular, pelo comprimento definido e pela diferença entre os tempos de trajeto.

[0004] Tal dispositivo de medição 1, às vezes designado pelos termos ingleses tubo clássico, pode ser visto na figura 1. O dispositivo de medição 1 compreende um primeiro transdutor 2a, um segundo transdutor 2b, e um módulo de medição 3 conectado ao primeiro transdutor 2a e ao segundo transdutor 2b.

[0005] O primeiro transdutor 2a e o segundo transdutor 2b estão emparelhados em frequência e em nível de emissão. O primeiro transdutor 2a e o segundo transdutor 2b são, por exemplo, transdutores piezoelétricos.

[0006] O trajeto de comprimento definido é, portanto, um trajeto reto de comprimento L entre o primeiro transdutor 2a e o segundo transdutor 2b.

[0007] O primeiro transdutor 2a transmite um sinal ultrassônico de medição Se. O sinal ultrassônico de medição Se é, por exemplo, gerado a partir de um sinal retangular

4. O segundo transdutor 2b recebe um sinal ultrassônico de medição recebido Sr resultante da propagação no fluido do sinal ultrassônico de medição Se.

[0008] O módulo de medição 3 mede o tempo de trajeto utilizado pelo sinal ultrassônico de medição Se para percorrer o trajeto de comprimento definido de montante a jusante.

[0009] O módulo de medição 3 mede realmente um tempo de transferência global Tag do primeiro transdutor 2a para o segundo transdutor 2b.

[0010] O tempo de transferência global Tag é tal que:

[0011] Tas=TAatToFastTReg, onde: - TA« é um tempo de ignição do primeiro transdutor 2a; - ToFas corresponde ao tempo de voo ("Temps de Vol", em francês) definido pelo sinal ultrassônico de medição Se para percorrer o trajeto de comprimento definido entre o primeiro transdutor 2a e o segundo transdutor 2b;

[0012] TRs é um tempo de recepção do segundo transdutor 2b.

[0013] Da mesma forma, o segundo transdutor 2b transmite um sinal ultrassônico de medição que é recebido pelo primeiro transdutor 2a.

[0014] O tempo de transferência global Tea é tal que:

[0015] Tea=TAg+ToFea+TRa, onde: - TAg é um tempo de ignição do segundo transdutor 2b; - ToFga corresponde ao tempo de voo definido pelo sinal ultrassônico de medição para percorrer o trajeto de comprimento definido entre o segundo transdutor 2b e o primeiro transdutor 2a; - TRA é um tempo de recepção do primeiro transdutor 2a.

[0016] Supondo que:

[0017] TAA=TAsg et TRA=TRe, obtém-se: AT=Tea-Tag=ToFea-ToFag=DToF

[0018] onde DToF é o Tempo Diferencial de Voo.

[0019] No entanto, o DToF é proporcional à velocidade média V do fluido, e o módulo de medição 3 calcula a velocidade média V do fluido usando a fórmula: DToF=2L.V(C?-V?),

[0020] onde C é a velocidade de uma onda ultrassônica no fluido. Por exemplo, a velocidade de uma onda ultrassônica na água é de aproximadamente 1500m/s e depende da temperatura da água.

[0021] O módulo de medição 3 deduz então, a partir da velocidade média V sinalizada, a vazão do fluido que circula no tubo.

[0022] A faixa de medição de vazão especificada para um medidor de fluido ultrassônico é muito ampla e pode se estender entre um fluxo inicial de medição de 1L/h e um fluxo máximo de 2500L/h. Essa faixa de medição de vazão corresponde aos DToF sinalizados, cujo valor absoluto é incluído em um faixa de medição de tempo que se estende, na temperatura da água de 20 ºC, entre 315ps e 393,5ns. São necessárias medições DToF particularmente precisas em toda a faixa de medição de tempo para obter a precisão necessária em todo a faixa de medição de vazão.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[0023] A invenção tem como objetivo melhorar a precisão das medições de vazão realizadas por um medidor de fluido ultrassônico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0024] Para atingir esse objetivo, é proposto um método de medição de uma velocidade de um fluido, compreendendo as etapas de: - transmitir um sinal ultrassônico de medição; - adquirir e digitalizar uma porção de medição de um sinal ultrassônico de medição recebido após o sinal ultrassônico de medição percorrer um trajeto de comprimento definido, para obter amostras de medição; - acessar as amostras de referência a partir de uma tabela de referência previamente preenchida armazenada em uma memória, as amostras de referência formando uma curva de referência que constitui uma interpolação das amostras de medição; - produzir, a partir das amostras de medição e das amostras de referência, uma medição do tempo de trajeto do sinal ultrassônico de medição para percorrer o trajeto de comprimento definido; - estimar a velocidade do fluido a partir da medição do tempo de trajeto.

[0025] A digitalização da porção de medição do sinal ultrassônico de medição recebido permite obter amostras de medição sobre as quais é possível realizar vários tratamentos. Esses tratamentos fornecem uma estimativa muito precisa da velocidade do fluido e, portanto, da vazão.

[0026] Também é proposto um medidor de fluido ultrassônico compreendendo um primeiro transdutor, um segundo transdutor, e um módulo de medição compreendendo um microcontrolador mestre, um microcontrolador escravo e um FPGA no qual um bloco de geração de atraso é programado, o medidor de fluido ultrassônico sendo disposto para implementar o método de medição que acaba de ser descrito.

[0027] Também é proposto um programa de computador que compreende instruções para implementar, por um microcontrolador de um medidor de fluido ultrassônico, o método de medição que acaba de ser descrito.

[0028] Também são propostos meios de armazenamento que armazenam um programa de computador que compreende instruções para implementar, por um microcontrolador de um medidor de fluido ultrassônico, o método de medição que acaba de ser descrito.

[0029] Outras características e vantagens da invenção surgirão a partir da leitura da descrição a seguir de modalidades particulares não limitativas da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] Será feita referência aos desenhos anexos, entre os quais: - a figura 1 representa um medidor de fluido ultrassônico de acordo com o estado da técnica; - a figura 2 representa um medidor de fluido ultrassônico no qual é implementado um método de medição de acordo com uma primeira modalidade da invenção; - a figura 3 representa um microcontrolador mestre, um microcontrolador escravo e um FPGA de um módulo de medição do medidor de fluido ultrassônico; - a figura 4 representa um sinal ultrassônico de medição recebido depois de percorrer um trajeto de comprimento definido de montante a jusante e um sinal ultrassônico de medição recebido após percorrer um trajeto de comprimento definido de jusante a montante; - a figura 5 representa as curvas de referência;

- a figura 6 é um gráfico no qual são representados pontos de medição do tempo de trajeto.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0031] Com referência à figura 2, o método para medir uma velocidade de um fluido de acordo com uma primeira modalidade da invenção é aqui implementado em um medidor de água ultrassônico 10.

[0032] O medidor de água ultrassônico 10 compreende uma tubulação na qual circula a água fornecida por uma rede de distribuição para uma instalação, bem como um dispositivo de medição da velocidade da água 11.

[0033] A água circula na tubulação de montante a jusante, como indicado pela direção das setas 14, mas poderia também facilmente fluir de jusante a montante.

[0034] O dispositivo de medição 11 compreende um primeiro transdutor 12a, um segundo transdutor 12b e um módulo de medição 13 conectado ao primeiro transdutor 12a e ao segundo transdutor 12b.

[0035] O primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b estão emparelhados. O primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b são aqui transdutores piezoelétricos.

[0036] O módulo de medição 13 controla o primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b.

[0037] Com referência à figura 3, o módulo de medição 13 compreende um microcontrolador mestre 15, um microcontrolador escravo 16, um FPGA 17 e uma memória 18.

[0038] O microcontrolador mestre 15 inclui um bloco de medição de temperatura 20, que adquire medições de temperatura do fluido feitas por um sensor de temperatura localizado na tubulação ou próximo à tubulação.

[0039] O microcontrolador escravo 16 compreende um conversor analógico-digital de 12 bits 21.

[0040] O microcontrolador mestre 15 e o microcontrolador escravo 16 são conectados por um canal de comunicação 22, que é aqui um barramento SPI (para interface periférica serial).

[0041] O microcontrolador mestre 15 está conectado ao FPGA 17.

[0042] O primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b cumprem sucessivamente a função de um transmissor de sinais ultrassônicos de medição Se, e a função de um receptor de sinais ultrassônicos de medição recebidos Sr.

[0043] O módulo de medição 13 fornece ao transmissor, assim, sinais elétricos que ele transforma em sinais ultrassônicos de medição Se. Os sinais elétricos aqui são sinais retangulares 24. O módulo de medição 13 adquire os sinais ultrassônicos de medição recebidos Sr, que são recebidos pelo receptor.

[0044] O transmissor transmite os sinais ultrassônicos de medição Se a uma frequência de transmissão fus. A frequência fus é convencionalmente entre 900 kHz e 4 MHz e aqui é igual a 1 MHz.

[0045] Os sinais ultrassônicos de medição percorrem, assim, entre o primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b, um trajeto de comprimento definido L de montante a jusante e de jusante a montante. O trajeto de comprimento definido aqui é um trajeto reto entre o primeiro transdutor 12a e o segundo transdutor 12b.

[0046] Na figura 2, é representado o primeiro transdutor 12a cumprindo a função de um transmissor e o segundo transdutor 12b cumprindo a função de um receptor. O sinal ultrassônico de medição Se percorre, portanto, o trajeto de comprimento definido de montante a jusante. O sinal ultrassônico de medição Se é transmitido pelo transmissor com um nível NE. O sinal ultrassônico de medição recebido Sr é recebido pelo receptor com um nível NR inferior ao nível NE.

[0047] O módulo de medição 13 produz uma medição do tempo de trajeto representativa de um tempo gasto pelo sinal ultrassônico de medição Se para percorrer o trajeto de comprimento definido L de montante a jusante e, em seguida, produz uma medição do tempo de trajeto representativo de um tempo gasto pelo sinal ultrassônico de medição Se para percorrer o trajeto de comprimento definido L de jusante a montante, e então finalmente avalia a velocidade da água em função dessas medições de tempo de trajeto.

[0048] A figura 4 representa em primeiro lugar um sinal ultrassônico de medição recebido Sri que é recebido pelo módulo de medição 13 depois de percorrer o trajeto de comprimento definido L de montante a jusante.

[0049] O receptor ativa a recepção em um tempo TO, sincronizado com a transmissão do sinal ultrassônico de medição. O emparelhamento do transmissor e receptor possibilita essa sincronização.

[0050] A medição do tempo de trajeto de montante a jusante é obtida a partir da determinação de um tempo de ocorrência T1 de um lóbulo predeterminado do sinal ultrassônico de medição recebido Sr1.

[0051] O tempo de ocorrência T1 é aqui o instante em que ocorre uma dianteira descendente do lóbulo predeterminado. O tempo de ocorrência TI é um instante de passagem pelo zero, medido por um método do tipo “Zero Crossing”.

[0052] O lóbulo predeterminado é um jésimº lóbulo do sinal ultrassônico de medição recebido Sr1 depois que uma amplitude do sinal ultrassônico de medição recebido Sr1 excedeu, no tempo T2, um limiar de amplitude predeterminado Sa. O jésimo lóbulo aqui é o quarto lóbulo 25.

[0053] A figura 4 também representa um sinal ultrassônico de medição recebido Sr2, que é recebido pelo módulo de medição 13 depois de percorrer o trajeto de comprimento definido L de jusante a montante.

[0054] A medição do tempo de trajeto de jusante a montante é obtida a partir da determinação de um tempo de ocorrência T'1 do quarto lóbulo 26 do sinal ultrassônico de medição recebido Sr2.

[0055] A velocidade da água é então avaliada pelo módulo de medição 13 como uma função da medição do tempo de trajeto de montante a jusante e da medição do tempo de trajeto de montante a jusante.

[0056] A velocidade da água é proporcional à diferença entre a medição do tempo de trajeto de jusante a montante e a medição do tempo de trajeto de montante a jusante.

[0057] Nota-se que a velocidade da água medida é uma velocidade média da água no diâmetro da tubulação, a velocidade das massas de água sendo diferente no centro da tubulação e perto das paredes da tubulação.

[0058] Um dos objetivos do método de medição é obter uma medida muito precisa dos tempos de ocorrência Tl e T'1.

[0059] Cada sinal ultrassônico de medição recebido Sr é adquirido pelo microcontrolador escravo 16 do módulo de medição 13.

[0060] O conversor analógico-digital 21 do microcontrolador escravo 16 digitaliza uma porção de medição do sinal ultrassônico de medição recebido Sr.

[0061] A porção de medição corresponde ao quarto lóbulo definido acima. O módulo de medição 13 controla o momento de transmissão do sinal ultrassônico de medição. Se e pode, portanto, estimar um intervalo de tempo durante o qual o quarto lóbulo é adquirido.

[0062] O conversor analógico-digital 21 coleta a 4 MHz o sinal ultrassônico de medição recebido Sr.

[0063] O microcontrolador escravo 16 produz aqui quatro amostras de medição, cada uma espaçada do período de amostragem Te = 250ns. As quatro amostras de medição estão localizadas no quarto lóbulo.

[0064] Então, o microcontrolador escravo 16 estima um desvio das quatro amostras de medição calculando uma média das quatro amostras de medição. O desvio é subtraído de cada amostra de medição. Como variante, o desvio pode ser determinado sobre a média aritmética de todas as amostras na medição anterior.

[0065] O microcontrolador escravo 16 estima então uma amplitude da porção de medição, isto é, do quarto lóbulo, a partir das amostras de medição.

[0066] Cada amostra de medição Arx (Kk varia aqui entre 1 e 4) pode ser estimada pela fórmula:

[0067] Axk=ames.sen(2T1.fus.n.[etq)= ames.sen(n./2+9), onde a fase q é fixada para as amostras de medição Ar.

[0068] A estimativa da amplitude do quarto lóbulo consiste, portanto, no cálculo do valor ames.

[0069] O microcontrolador escravo 16, em seguida, acessa as amostras de referência contidas em uma tabela de referência previamente preenchida e armazenada na memória 18. As amostras de referência formam uma curva de referência.

[0070] Com referência à figura 5, a curva de referência é aqui um período de uma senóide de referência 30 de frequência 1 MHz, que corresponde à frequência fus do sinal ultrassônico de medição Se e, portanto, do sinal ultrassônico de medição recebido Sr. Duas amostras de referência estão aqui temporalmente espaçadas por 50ps, de modo que 20000 amostras de referência sejam armazenadas na memória

18.

[0071] O microcontrolador escravo 16 calcula uma razão entre a amplitude da senóide de referência 30 e a amplitude do quarto lóbulo e ajusta as amostras de medição Ax« multiplicando-as pela referida razão.

[0072] O microcontrolador escravo 16, portanto, produz amostras de medição ajustadas.

[0073] A senóide de referência 30 constitui uma interpolação senoidal das amostras de medição ajustadas e, portanto, das amostras de medição, exceto que existe um deslocamento de tempo unitário entre cada amostra de medição ajustada e a senóide de referência 30. No caso em que a senóide de referência 30 tem uma fase nula, o deslocamento de tempo unitário corresponde à fase de cada amostra de medição ajustada, ou seja, à fase q mencionada anteriormente.

[0074] O deslocamento de tempo unitário é diferente de acordo com as amostras de medição ajustadas e depende, em particular, de uma instabilidade cadencia da amostragem.

[0075] Para cada amostra de medição ajustada, o deslocamento de tempo unitário é estimado da seguinte maneira.

[0076] O valor da amostra de medição ajustada está necessariamente localizado entre os valores de duas amostras de referência. O microcontrolador escravo 16, portanto, realiza uma interpolação linear ou uma interpolação quadrática de ordem n qualquer, para obter um tempo de referência, sobre a senóide de referência, ao qual o valor da amostra de medição ajustada está associado. O deslocamento de tempo unitário corresponde à diferença entre o tempo de referência e o tempo de medição no qual a amostra de medição foi adquirida, da qual resulta a amostra de medição ajustada.

[0077] Então, para cada amostra de medição ajustada, é estimado um instante de passagem pelo zero do quarto lóbulo. Esta estimativa usa o deslocamento de tempo unitário e as amostras de referência da senóide de referência 30. O deslocamento de tempo unitário torna possível calibrar a senóide de referência 30 na amostra de medição ajustada. O microcontrolador escravo 16 usa, portanto, as amostras de referência deslocadas por um atraso igual ao deslocamento de tempo unitário para determinar o instante de passagem pelo zero. A determinação do instante de passagem pelo zero usa, portanto, amostras de referência “ideais” que não foram submetidas a distúrbios do tipo jitter.

[0078] Assim, obtém-se aqui quatro estimativas do instante de passagem pelo zero do quarto lóbulo (uma estimativa para cada amostra de medição ajustada).

[0079] Uma estimativa final do instante de passagem pelo zero é obtida pela média dos quatro instantes de passagem pelo zero.

[0080] O módulo de medição 13 calcula, em seguida, uma média dos deslocamentos de tempo unitário para obter um deslocamento de tempo global, correspondente a um deslocamento entre a porção de medição e a senóide de referência 30.

[0081] O método de medição consiste em seguida em deslocar, para as aquisições seguintes, a amostragem da porção de medição do sinal ultrassônico de medição recebido Sr por um atraso de amostragem igual ao deslocamento de tempo global. Assim, para as aquisições seguintes, as amostras de medição ajustadas coincidirão com as amostras de referência "ideais" da senóide de referência 30.

[0082] O deslocamento de amostragem consiste em mudar o sinal de relógio CLK que cadencia ao conversor analógico-digital 21 do microcontrolador escravo 16.

[0083] Um bloco de controle 32 e um bloco de geração de atraso 33 são programados para esse fim no FPGA 17. O bloco de geração de atraso 33 compreende uma cadeia 35 de N estágios de atraso e um multiplexador 36.

[0084] Cada estágio de atraso compreende dois inversores montados em série. Cada um dos N estágios de atraso é designado por sua posição da esquerda para a direita na cadeia. A saída de cada Kºsimº estágio de atraso é conectada à entrada do

K+16simo estágio de atraso.

[0085] O FPGA 17 recebe o sinal do relógio CLK. O sinal de relógio CLK é aplicado na entrada do primeiro estágio de atraso, ou seja, na entrada da cadeia 35 dos N estágios de atraso.

[0086] O multiplexador 36 possui N entradas El...EN, cada uma conectada à saída de um dos estágios de atraso, e uma saída S. O multiplexador 36 também recebe N sinais de controle 38. Cada sinal de controle 38 está associado a um estágio de atraso. Todos os sinais de controle estão em 1, exceto um dos sinais de controle 38 que está em O. A saída do estágio de atraso associado ao sinal de controle 38 que está em O é aplicada à saída S do multiplexador 36. A saída S do multiplexador 36 está conectada ao microcontrolador escravo 16.

[0087] A saída de cada estágio de atraso está associada a um atraso determinado diferente aplicado ao sinal de relógio CLK. Os atrasos determinados foram calibrados de fábrica e são memorizados pelo microcontrolador mestre 15.

[0088] O microcontrolador escravo 16 adquire, portanto, a porção de medição do sinal ultrassônico recebido Sr, que é digitalizada pelo conversor analógico-digital 21.

[0089] O microcontrolador escravo 16 define o deslocamento de tempo global e transmite ao microcontrolador mestre 15 o valor do deslocamento de tempo global através do canal de comunicação 22.

[0090] O microcontrolador mestre 15 aplica então ao sinal de relógio CLK um atraso de amostragem igual ao deslocamento de tempo global programando o bloco de controle 32 que produz os sinais de controle 38. Os sinais de controle 38 controlam o multiplexador 36 de modo que a saída do estágio de atraso aplicado à saída S do multiplexador 36 seja associada a um atraso determinado igual ao deslocamento de tempo global.

[0091] —Omicrocontrolador mestre 15 então reinicia o microcontrolador escravo 16, graças a um sinal RESET. O microcontrolador escravo 16 usa então, para a próxima amostragem, um sinal de relógio deslocado CLK'. O sinal de relógio deslocado CLK' corresponde ao sinal de relógio CLK atrasado por um atraso de amostragem igual ao deslocamento de tempo global.

[0092] O microcontrolador escravo 16 determina então diretamente, para cada amostra de medição ajustada, um instante de passagem pelo zero a partir das amostras de referência. Uma estimativa final do instante de passagem pelo zero é obtida pela média dos quatro instantes de passagem pelo zero.

[0093] Um deslocamento oposto ao deslocamento de tempo global é então adicionado à estimativa final do instante de passagem pelo zero para compensar o atraso da amostragem.

[0094] O tempo de trajeto é então estimado a partir do instante de passagem pelo zero.

[0095] Então, com referência à figura 6, o microcontrolador escravo 16 melhora ainda mais a precisão das medições de tempo de trajeto. A melhoria na precisão das medições de tempo de trajeto consiste, antes de tudo, no cálculo de um M' médio de um número n de medições de tempo de trajeto. O número n é aqui igual a 80.

[0096] Determinam-se em seguida medições de tempo de trajeto imprecisas 40 localizadas fora de uma faixa [M'-X; M'+ X]. X é uma porcentagem predeterminada da média M'. X está vantajosamente compreendido entre 3% e 30% de M'. X é aqui igual a 20% de M'.

[0097] Em seguida, eliminam-se as medições de tempo de trajeto imprecisas 40 e calcula-se M, que é a média das medições de tempo de trajeto 41 dentro da faixa [M'- 20%; M'+ 20%].

[0098] Isso melhora ainda mais a precisão da medição do tempo de trajeto. À precisão final obtida é convencionalmente entre 10ps e 20ps.

[0099] Obviamente, as operações que acabamos de descrever são realizadas para o trajeto de jusante a montante e de montante a jusante.

[0100] A velocidade do fluido é então obtida a partir da diferença entre o tempo de trajeto de montante a jusante e o tempo de trajeto de montante a jusante.

[0101] A utilização da senóide de referência 30 e das amostras de referência permite eliminar quaisquer distorções no tempo de trajeto que distorcem as medições. Isso melhora o desempenho metrológico.

[0102] Observa-se também que a curva de referência não inclui necessariamente um período de senóide: um quarto de período seria suficiente.

[0103] A curva de referência também pode ter uma forma diferente da senoidal. Com referência novamente à figura 5, a memória 18 pode, por exemplo, conter amostras de referência de curvas pseudo-senoidais, como a curva pseudo-senoidal

43. Cada curva pseudo-senoidal 43 é coletada a 50ps.

[0104] Cada curva pseudo-senoidal 43 é obtida adicionando à senóide 30 uma ou mais curvas adicionais 44. Uma curva adicional 44 é, neste caso, uma curva do harmônico de posto 3 de frequência 1 MHz (isto é, a frequência do sinal ultrassônico de medição).

[0105] A escolha da curva de referência pode depender da temperatura do fluido. O microcontrolador principal 15 adquire, através do bloco de medição de temperatura 20, a temperatura do fluido. O microcontrolador mestre 15, então, seleciona na memória 18 a curva de referência cujo perfil corresponde ao perfil da porção de medição do sinal ultrassônico de medição recebido na referida temperatura do fluido.

[0106] Nota-se aqui que é possível, para melhorar a precisão do método de medição, realizar todas as operações descritas não apenas no quarto lóbulo, mas também sobre um ou mais outros lóbulos. Assim, por exemplo, é realizada uma amostragem do quinto lóbulo e do sexto lóbulo, são determinados os instantes de passagem pelo zero do quinto lóbulo e do sexto lóbulo, e as medições de tempo de trajeto são refinadas usando os diferentes instantes de passagem pelo zero.

[0107] O método de medição de uma velocidade de um fluido de acordo com uma segunda modalidade, desta vez, utiliza um único microcontrolador. O método de medição é então puramente digital, e não consiste em aplicar um atraso de amostragem ao sinal do relógio do conversor analógico-digital.

[0108] Na segunda modalidade, em cada aquisição de um sinal ultrassônico de medição recebido, o microcontrolador do módulo de medição avalia novamente um deslocamento de tempo unitário entre cada amostra de medição ajustada e a curva de referência. O deslocamento de tempo unitário é avaliado por interpolação linear ou por interpolação quadrática de ordem n.

[0109] Para cada amostra de medição ajustada, o microcontrolador "calibra" então a curva de referência na amostra de medição ajustada, estima o instante de passagem pelo zero, e desloca o instante de passagem pelo zero do deslocamento de tempo unitário. Uma estimativa final do instante de passagem pelo zero é obtida pela média dos quatro instantes de passagem pelo zero. A velocidade do fluido é gerada a partir da estimativa final do instante de passagem pelo zero, e essas operações são reproduzidas para cada sinal ultrassônico de medição recebido.

[0110] O método de medição de acordo com a segunda modalidade requer menos componentes materiais (hardware) do que o método de medição de acordo com a primeira modalidade. O método de medição de acordo com a segunda modalidade, no entanto, requer a realização de interpolações lineares ou quadráticas da ordem n em cada nova aquisição de uma porção de medição de um sinal ultrassônico de medição recebido.

[0111] O método de medição de uma velocidade de um fluido de acordo com uma terceira modalidade utiliza novamente um único microcontrolador. O processo de medição é novamente puramente digital.

[0112] O método de medição consiste em adquirir e digitalizar um primeiro sinal ultrassônico de medição recebido, adquirido pelo módulo de medição depois de percorrer o trajeto de comprimento definido de montante a jusante.

[0113] Em seguida, realiza-se uma interpolação senoidal lóbulo por lóbulo, possibilitando a superamostragem de sinal recebido.

[0114] A interpolação senoidal utiliza novamente amostras de referência contidas em uma tabela de referência previamente preenchida e armazenadas na memória.

[0115] Assim, obtém-se um número p de primeiras amostras de medição ali (i varia aqui entre 1 e p). As primeiras amostras de medição são temporalmente espaçadas por 50ps.

[0116] O método de medição consiste em adquirir e digitalizar um segundo sinal ultrassônico de medição recebido, adquirido pelo módulo de medição após percorrer o trajeto de comprimento definido, de jusante a montante.

[0117] Assim, obtém-se, após interpolação senoidal, um número p de segundas amostras de medição a2; (i varia aqui entre 1 e p). As segundas amostras de medição são temporalmente espaçadas por 50ps.

[0118] Então, calcula-se em seguida, para diferentes valores de m positivos, negativos e nulos, a função de correlação cruzada Km: i=p Km = > al; adi+m i=0

[0119] As primeiras amostras ali são, portanto, atrasadas no caso em que m>0 (e avançadas no caso em que m<0), nesta fórmula, em mx50ps em relação às segundas amostras a2im.

[0120] Quando a função de correlação cruzada Km é máxima, o primeiro sinal ultrassônico de medição recebido, que é atrasado em mx50ps, e o segundo sinal ultrassônico de medição recebido, estão em fase.

[0121] O valor de m que maximiza a função de correlação cruzada fornece, portanto, um deslocamento de tempo entre o primeiro sinal ultrassônico de medição recebido e o segundo sinal ultrassônico de medição recebido. O deslocamento de tempo corresponde ao DToF, pelo qual a velocidade média do fluido é estimada.

[0122] Obviamente, a invenção não se limita às modalidades descritas, mas abrange qualquer variante que se enquadre no escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações.

[0123] Embora uma certa arquitetura material do módulo de medição tenha sido apresentada, ela pode ser diferente. Os componentes elétricos do módulo de medição também podem ser diferentes. O conversor analógico-digital pode, por exemplo, ser um conversor diferente, por exemplo, um conversor Sigma Delta de 16 bits. Da mesma forma, em vez de incluir dois inversores conectados em série, cada estágio de atraso pode incluir um flip-flop D assíncrono.

[0124] A invenção obviamente se aplica independentemente do posicionamento e configuração do primeiro transdutor e do segundo transdutor. Os sinais ultrassônicos de medição podem ser transmitidos com uma orientação de qualquer ângulo em relação a um eixo longitudinal da tubulação. Os sinais ultrassônicos de medição podem ser refletidos por refletores, por exemplo, por espelhos orientados a 45º.

Claims

REIVINDICAÇÕES 1 Método de medição de uma velocidade de um fluido caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: - transmitir um sinal ultrassônico de medição (Se); - adquirir e digitalizar uma porção de medição (25, 26) de um sinal ultrassônico de medição recebido (Sr, Sr1, Sr2) depois que o sinal ultrassônico de medição (Se) tenha percorrido um trajeto de comprimento definido (L), para obter amostras de medição; - estimar, a partir das amostras de medição, uma amplitude da porção de medição; - acessar amostras de referência de uma tabela de referência previamente preenchida e armazenada em uma memória, as amostras de referência formando uma curva de referência que constitui uma interpolação das amostras de medição; - produzir amostras de medição ajustadas multiplicando as amostras de medição por uma razão entre uma amplitude da curva de referência (30, 43) e a amplitude da porção de medição; - para cada amostra de medição ajustada, determinar um deslocamento de tempo unitário entre a amostra de medição ajustada e a curva de referência; - para cada amostra de medição ajustada, estimar um instante de passagem pelo zero da porção de medição a partir do deslocamento de tempo unitário e das amostras de referência; - estimar, a partir de uma média dos instantes de passagem pelo zero, uma medição do tempo de trajeto do sinal ultrassônico de medição para percorrer o trajeto de comprimento definido; - estimar a velocidade do fluido a partir da medição de tempo de trajeto.
2. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o deslocamento de tempo unitário é determinado realizando uma interpolação linear ou uma interpolação quadrática de ordem n a partir das amostras de referência.
3. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de medir uma temperatura do fluido e de selecionar, em função da temperatura do fluido, a curva de referência entre uma pluralidade de curvas de referência memorizadas.
4. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa preliminar que consiste em estimar e subtrair das amostras de medição um desvio das referidas amostras de medição.
5. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de aplicar a uma amostragem da porção de medição um atraso de amostragem igual a uma média dos deslocamentos de tempo unitário.
6. Método de medição, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a aplicação do atraso de amostragem consiste em atrasar um sinal de relógio (CLK) que cadencia um conversor analógico-digital (21) que digitaliza a porção de medição.
7. Método de medição, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas, para atrasar o sinal do relógio, de: - aplicar o sinal de relógio na entrada de uma cadeia (35) formada por uma pluralidade de estágios de atraso, a saída de cada estágio de atraso sendo associada a um determinado atraso; - selecionar a saída do estágio de atraso cujo atraso determinado corresponde ao atraso de amostragem.
8. Método de medição, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que um multiplexador (36) bem como a cadeia (35) formada pela pluralidade de estágios de atraso são programados em um FPGA (17), o multiplexador (36) sendo usado para realizar a seleção da saída de estágio de atraso.
9. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de: - realizar uma pluralidade de medições de tempo de trajeto;

- calcular a média M' das medições de tempo de trajeto; - eliminar medições de tempo de trajeto imprecisas (40) situadas fora de uma faixa [M'-X; M'+X]; - calcular uma média M das medições de tempo de trajeto (41) dentro da faixa [M'-X; M'+ X]; - estimar a velocidade do fluido a partir da média M.
10. Método de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: - transmitir um primeiro sinal ultrassônico de medição e um segundo sinal ultrassônico de medição; - adquirir e digitalizar uma primeira porção de medição de um primeiro sinal ultrassônico de medição recebido após o primeiro sinal ultrassônico de medição percorrer um trajeto de comprimento definido de montante a jusante, para obter as primeiras amostras de medição; - adquirir e digitalizar uma segunda porção de medição de um segundo sinal ultrassônico de medição recebido após o segundo sinal ultrassônico de medição percorrer o trajeto de comprimento definido de jusante a montante, para obter as segundas amostras de medição; - maximizar uma função de correlação cruzada entre as primeiras amostras de medição e as segundas amostras de medição para obter uma diferença de tempo de trajeto; - estimar a velocidade do fluido a partir da diferença de tempo de trajeto.
11. Medidor de fluido ultrassônico caracterizado pelo fato de que compreende um primeiro transdutor (12a), um segundo transdutor (12b) e um módulo de medição (13) compreendendo um microcontrolador mestre (15) um microcontrolador escravo (16) e um FPGA (17) no qual é programado um bloco de geração de atraso (33), o medidor de fluido ultrassônico sendo disposto para implementar o método de medição como definido em qualquer uma das reivindicações 1a10.
12. Medidor de fluido ultrassônico, de acordo com a reivindicação

11, caracterizado pelo fato de que o bloco de geração de atraso compreende um multiplexador (36) e uma cadeia (35) formada por uma pluralidade de estágios de atraso, a saída de cada estágio de atraso estando associada a um atraso determinado e estando conectada a uma entrada do multiplexador.
13. Medidor de fluido ultrassônico, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o microcontrolador escravo compreende um conversor analógico-digital que digitaliza a porção de medição, no qual um sinal de relógio é aplicado na entrada da cadeia, no qual o microcontrolador mestre controla o multiplexador, e no qual um sinal de relógio deslocado (CLK') se encontra na saída do multiplexador e é usado para cadenciar o conversor analógico-digital.
14. Programa de computador caracterizado pelo fato de que compreende instruções para implementar, por um microcontrolador de um medidor de fluido ultrassônico, o método de medição como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.
15. Meios de armazenamento caracterizados pelo fato de que armazenam um programa de computador que compreende instruções para implementar, por um microcontrolador de um medidor de fluido ultrassônico, o método de medição como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

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