BRPI0508637B1 - Method and apparatus for measuring parameters of a stratified flow - Google Patents

Abstract

método e aparelho para medição de parâmetros de um fluxo estratificado os vários métodos são descritos para parâmetros de medição de um fluxo estratificado usando ao menos uma disposição espacial dos sensores dispostos em posições axiais diferentes ao longo da tubulação. cada um dos sensores fornece um sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerente que conduzem calor com o fluxo. em um aspecto, um processador do sinal determina, dos sinais, velocidades de condução de calor das estruturas coerente que têm escalas do comprimento. o processador do sinal compara então as velocidades de condução de calor para determinar um nível do estratificação do fluxo. o nível do estratificação pode ser usado como a parte de um procedimento da calibração determinar a taxa de fluxo volumétrico do fluxo. em um outro aspecto, o nível do estratificação do fluxo é determinado comparando velocidades localmente medidas no alto e no fundo da tubulação. a relação das velocidades perto do alto e do fundo da tubulação correlaciona ao nível de estratificação do fluxo. as disposições adicionais do sensor podem fornecer um perfil da velocidade para o fluxo. em um outro aspecto, cada um dos sensores na disposição inclui um par das meia parcelas do sensor dispostas em oposição às superfícies laterais da tubulação, e o processador do sinal determina ma velocidade nominal do fluxo dentro da tubulação usando os sinais.

Description

MÉTODO E APARELHO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS DE UM FLUXO

ESTRATIFICADO

REFERÊNCIA CRUZADA A APLICAÇÕES DE PATENTE RELACIONADAS A presente aplicação reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos número 60/522.164, (Pasta CiDRA número CC-0732) requerida em 10 de março de 2004, que é aqui incorporada por referência em sua inteireza.

CAMPO TÉCNICO

Esta invenção relaciona-se a um método e aparelho para medir parâmetros como a velocidade, o nível de estratificação, e a velocidade de fluxo volumétrico de um fluxo estratifiçado dentro de um duto.

HISTÓRICO

Muitos processos de fluxo de fluidos industriais envolvem o transporte de uma elevada fração de massa alta de alta densidade e de materiais sólidos através de um duto. Por exemplo, o processo conhecido como hidro- transporte é utilizado em muitas indústrias para deslocar sólidos de um ponto para outro. Neste processo, água é acrescentada aos sólidos e a mistura resultante é bombeada tipicamente através de dutos de grande diâmetro. A operação de uma linha de hidro-transporte tipicamente envolve algum grau de estratificação, em que a velocidade de fluxo próxima da parte inferior do duto é inferior à velocidade de fluxo próxima do topo do duto. O nível de estratif icação neste fluxo (isto é, o grau de esconso no perfil de velocidade do topo do duto para a parte inferior do duto) é dependente de numerosos parâmetros de material e de processo, como a velocidade de fluxo, a densidade, a dimensão do duto, a dimensão das partículas, e assemelhados, Se o nível de estratificação se estende ao ponto em que a velocidade de deposição é atingida, os sólidos começam a assentar na parte inferior do duto, e se a condição não for detectada e persistir, o bloqueio completo do duto poderá ocorrer, resultando em altos custos associados ao tempo ocioso do processo, a liberação do bloqueio, e o reparo do equipamento danificado.

Para reduzir a chance de formação de bloqueios onerosos, a prática atual é de operar o duto a uma velocidade de fluxo significativamente acima da velocidade de deposição crítica. Entretanto, esta técnica tem duas restrições significativas devido a operação a velocidades mais altas: ela causa utilização de energia mais elevada devido a perdas de atrito mais altas, e ela causa o desgaste mais elevado do duto devido â abrasão entre os sólidos e a superfície interna do duto. Esta técnica também poderá ser indesejável devido ao elevado consumo de água. Um meio confiável de medir parâmetros como a velocidade, o nível de estratif icação, e a velocidade de fluxo volumétrico de um fluxo estratificado permitiría operar o duto a uma velocidade mais baixa, resultando em economias de energia e um desgaste mais baixo do duto.

Existem várias tecnologias para medir os parâmetros físicos de um processo de fluxo industrial. Esses parâmetros físicos, por exemplo, poderão incluir a velocidade de fluxo volumétrico, a composição, a consistência, a densidade, e a velocidade de fluxo da massa. Embora as tecnologias existentes poderão ser bem adequadas para fluxos agressivos de grandes diâmetros, essas tecnologias poderão ser inadequadas para os fluxos estratifiçados, que podem afetar adversamente a precisão da medição dos parâmetros físicos do fluxo. Várias técnicas não comerciais para determinar o início da deposição de sólidos em dutos semi-líquidos são descritas na literatura recente. Por exemplo, uma técnica utiliza um medidor de fluxo comercial de fixação, no modo de Doppler, com transmissões codificadas e detecção de correlação cruzada. 0 ponto de detecção para o medidor é fixado em um certo nível do duto, por exemplo, 10% acima da inversão do duto (isto ê, o fundo do duto para os dutos horizontais). A correlação cruzada de um sinal de retorno ultra-sônico portalizado por tempo permite a detecção de sinais refletidos apenas do ponto fixado. Uma diminuição na coerência entre os sinais transmitido e recebido indica condições de fluxo instáveis devido à deposição de sólidos.

Outra técnica não comercial existente mede a aparente resistividade elétrica do semi-líquido próximo da inversão do duto, com a mudança na resistividade indicando a formação de uma cama de sólidos. Esta técnica foi considerada como não sendo muito bem sucedida devido ã fraca repetitividade e por outros problemas.

Outra técnica não comercial utiliza sondas térmicas auto-aquecidas montadas no semi-líquido. 0 semi-líquido em movimento remove temperatura das sondas, enquanto uma cama de sólidos estacionária ao redor da sonda faz com que o calor se acumule. Assim, o aumento da temperatura é indicativo da deposição de sólidos. Embora esta técnica seja promissora, trata-se de uma técnica invasiva que exige que as sondas térmicas sejam colocadas no duto. Essas técnicas invasivas possuem restrições, pois elas exigem que o processo seja interrompido para permitir a instalação e a manutenção das sondas.

Outra técnica envolve a instalação de um duto curto com diâmetro interno ligeiramente maior, onde se permite a formação de uma cama de sólidos estacionária e sua manutenção como um controle enquanto o duto principal é operado sem qualquer cama de sólidos, A cama de sólidos de controle é então monitorada por uma ou mais das técnicas descritas acima. Um aumento na altura da cama de controle então indica a provável formação de uma cama deslizante no duto principal, que é o precursor de uma cama estacionária e o eventual bloqueio. Quando a altura da cama de sólidos de controle aumenta além de determinado limite, a velocidade de fluxo poderá ser aumentada para evitar a deposição dos sólidos.

Assim, permanece a necessidade de um método e aparelho para medir parâmetros como a velocidade, o nível de estratificação, e a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo estratifiçado.

SINOPSE DA INVENÇÃO

As necessidades descritas acima e outras necessidades são satisfeitas por um aparelho e método da presente invenção, em que uma malha espacial de sensores é disposta em diferentes locais axiais ao longo do duto. Cada um dos sensores fornece um sinal indicativo da pressão instável criada por estruturas coerentes que conduzem calor com o fluxo, Um processador de sinais determina, dos sinais, as velocidades de convecção das estruturas coerentes tendo escalas de comprimento diferentes. 0 processador de sinais então compara as velocidades de convecção para determinar o nível de estratificação do fluxo. Em uma versão, o processador de sinais compara as velocidades de convecção ao construir um gráfico das velocidades de convecção como uma função das escalas de comprimento, e determinar a inclinação de uma linha de melhor adequação através do gráfico. A inclinação da linha indica o nível de estratificação do fluxo.

Em uma versão, a inclinação é utilizada como parte de um procedimento de calibragem para determinar a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo. Por exemplo, a calibragem poderá incluir determinar a faixa de freqüência sobre a qual uma borda de convecção é analisada para determinar a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo.

Em uma versão, construir um gráfico da velocidade de convecção das estruturas coerentes como uma função da freqüência inclui: construir, a partir dos sinais, pelo menos uma parcela de um gráfico k-w; identificar uma borda de convecção no gráfico k-w sobre uma primeira faixa de freqüência; determinar a primeira inclinação da borda de convecção, a primeira inclinação sendo indicativa da velocidade nominal do fluxo; identificar uma pluralidade de partes da borda de convecção sobre a pluralidade de segundas faixas de freqüência, cada segunda faixa de freqüência sendo menor que a primeira faixa de freqüência e tendo um respectivo ponto médio; determinar uma segunda inclinação para cada uma das partes da borda de convecção, cada segunda inclinação sendo indicativa de uma velocidade de convecção nominal das estruturas coerentes que têm uma faixa de escalas de comprimento correspondentes a uma segunda faixa de frequência associada; normalizar as velocidades de convecção nominais das estruturas coerentes que utilizam a velocidade nominal do fluxo para fornecer velocidades de convecção normalizadas; e desenhar cada velocidade de convecção normalizada como uma função do respectivo ponto médio não dimensionalizado pela velocidade nominal do fluxo e do diâmetro do duto para fornecer o gráfico. Nesta versão, a primeira faixa de freqüência poderá ser ajustada com base na inclinação. Por exemplo, uma escala de comprimento não dimensional que é pelo menos sensível â estratificação é utilizada para determinar o ponto médio da primeira faixa de freqüência, em que a escala de comprimento não dimensional que é menos sensível a estratificação é utilizado para determinar o ponto médio da primeira faixa de freqüência, em que a escala do comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação é determinada ao comparar uma pluralidade de gráficos de dispersão para diferentes níveis de estratificação e identificar o ponto central dos gráficos de dispersão de um gráfico de dispersão para outro.

Em outro aspecto da invenção, a primeira e a segunda malhas espaciais possuem, cada uma, pelo menos dois sensores dispostos em locais axiais diferentes ao longo do duto. Cada um dos sensores na primeira malha fornece um primeiro sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes que conduzem calor com uma parte do fluxo que passa através da parte superior do duto, e cada um dos sensores na segunda malha fornece um segundo sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes que conduzem calor com uma parte do fluxo que passa através da parte inferior do duto. Uma primeira velocidade do fluxo na parte superior do duto é determinada utilizando os primeiros sinais, e a segunda velocidade do fluxo na parte inferior do duto é determinada utilizando os segundos sinais. A primeira e a segunda velocidades são comparadas para determinar o parâmetro do fluxo. 0 parâmetro do fluxo poderá incluir pelo menos um de: nível de estratif icação do fluxo e a velocidade de fluxo volumétrica do fluxo. O microprocessador poderá normalizar a primeira e a segunda velocidades antes de comparar a primeira e a segunda velocidades. A primeira malha espacial poderá ser alinhada axialmente ao longo do topo do duto e a segunda malha espacial poderá ser alinhada axialmente ao longo do fundo do duto.

Em uma versão, pelo menos uma malha espacial adicional é alinhada axialmente ao longo do duto e posicionada entre a primeira e a segunda malhas espaciais. Cada um dos sensores na pelo menos uma malha adicional fornece um terceiro sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes que conduzem calor com uma parte do fluxo próximo do sensor. Para cada malha espacial adicional, o processador de sinais determina a terceira velocidade do fluxo próximo da malha espacial adicional utilizando os terceiros sinais. O processador de sinais compara a primeira, a segunda, e a terceira velocidades para determinar o parâmetro do fluxo.

Em ainda outro aspecto da invenção, um aparelho para medir o parâmetro de um fluxo que passa através de um duto compreende uma malha espacial de sensores dispostos em diferentes locais axiais ao longo do duto, em que cada um dos sensores inclui um par de meias partes sensores dispostas em superfícies laterais opostas do duto. Cada par de meias partes sensores fornece um sinal de pressão indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes que conduzem calor com o fluxo dentro do duto a um local axial correspondente do duto. Um processador de sinais determina a velocidade nominal do fluxo dentro do duto utilizando os sinais.

Em uma versão, cada meia parte do sensor é formada por um material de película piezo-elétrica. Cada meia parte do sensor poderá ser acoplada a uma tira de aço que se estende ao redor e prende-se na superfície externa do duto.

Nos vários aspectos e versões aqui descritas, os pelo menos dois sensores de pressão poderão ser selecionados de um grupo que consiste de: medidor de solicitação piezo-elétrico, piezo-resistivo, sensor com base na solicitação, PVDF, sensores ópticos, sensores de pressão ca portada, acelerômetros, sensores de velocidade, e sensores de deslocamento. Em vários aspectos e versões aqui descritas, os sensores poderão estar dispostos em uma superfície externa do duto e não entram em contato com o fluido. O que antecede e outros objetos e recursos da presente invenção tornar-se-ão mais aparentes à luz da seguinte descrição detalhada das versões exemplares dela.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Com referência agora aos desenhos, em que itens iguais são numerados iguais nas várias Figuras: A Figura 1 é um diagrama esquemático de um aparelho para determinar pelo menos um parâmetro associado ao fluxo estratifiçado que flui no duto. A Figura 2 é uma visão esquemática em sessão transversal de um fluxo não estratifiçado, turbulento, newtoniano, através de um duto. A Figura 3 é um diagrama de blocos de um fluxo lógico utilizado no aparelho da presente invenção. A Figura 4 é um gráfico k-w dos dados processados de um aparelho que incorpora a presente invenção e que ilustra a inclinação da borda de convecção, e um gráfico da função de otimização da borda de convecção. A Figura 5 é um gráfico k-w dos dados processados de um aparelho que incorpora a presente invenção e que ilustra uma borda não linear no gráfico k-w, como poderá ser encontrado com o fluxo dispersivo. A Figura 6 é um fluxograma que representa um método de quantificar o nível de estratificação. A Figura 7 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma linha de hidro-transporte de 76,2 cm com velocidade nominal de 3,65 m/s criada utilizando o método da presente invenção. A Figura 8 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma linha de hidro-transporte de 68,6 cm com velocidade nominal de 4,57 m/s criada utilizando o método da presente invenção. A Figura 9 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma suspensão de polpa na água de consistência de 1%, de 25,4 cm, que flui a uma velocidade de fluxo volumétrico nominal de 3,05 m/s criada utilizando o método da presente invenção. A Figura 10 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma mistura de betume, areia, água, e ar a 7,62 m/s em um duto de 10,16 cm de diâmetro criado utilizando o método da presente invenção. A Figura 11 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para um duto de 40,64 cm que flui água a uma velocidade de fluxo nominal de 3,05 m/s criado utilizando o método da presente invenção. A Figura 12 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma linha de saída de 61 cm que opera a 2,44 m/s criada utilizando o método da presente invenção. A Figura 13 é um gráfico que representa a velocidade de fluxo determinada pelo método da presente invenção demonstrado comparado com a velocidade de fluxo determinada por um medidor de fluxo magnético em linha. A Figura 14 representa uma seção transversal longitudinal de uma versão alternativa da presente invenção. A Figura 15 representa uma seção transversal transversa (radial) da versão da Figura 14. A Figura 16 representa um gráfico da velocidade normalizada para as malhas superior e inferior na versão da Figura 14. A Figura 17 representa uma seção transversal transversa (radial) da versão da Figura 14, incluindo malhas adicionais de sensores. A Figura 18 representa uma visão em elevação lateral da versão da Figura 14, incluindo malhas adicionais de sensores. A Figura 19 representa um gráfico da velocidade normalizada sentido por cada malha das Figuras 17 e 18. A Figura 20 representa uma seção transversal transversa (radial) de outra versão alternativa da presente invenção. A Figura 21 representa uma visão em elevação lateral da versão alternativa da Figura 20.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Como está descrito na Patente dos Estados Unidos de propriedade comum número 6,609.069 de Gysling, intitulada "Method and Apparatus for Determining the Flow Velocity Within a Pipe (Método e Aparelho para Determinar a Velocidade de Fluxo no Interior de um Duto) , e o Pedido de Patente dos Estados Unidos número de série 10/007.736, requerido em 11 de novembro de 2 001, que são aqui incorporados por referência em sua inteireza, pressões instáveis ao longo do duto causadas por estruturas coerentes (por exemplo, redemoinhos turbulentos e perturbações vorticosas) que conduzem calor com o fluido que flui no duto, contêm informações úteis a respeito dos parâmetros do fluido. A presente invenção fornece vários meios para utilizar esta informação para medir parâmetros de um fluido estratifiçado, como, por exemplo, a velocidade, o nível/grau de estratificação, e a velocidade do fluxo volumétrico.

Com referência à Figura 1, é mostrado um aparelho 10 para medir pelo menos um parâmetro associado a um fluxo 13 que flui dentro de um duto, conduto ou outra forma de encanamento 14. O parâmetro do fluxo 13, por exemplo, poderá incluir pelo menos um de: velocidade do fluxo 13, velocidade do fluxo volumétrico do fluxo 13, e nível de estratificação do fluxo 13. Na Figura 1, o fluxo é representado como sendo estratifiçado, em que o perfil de velocidade 122 do fluxo 13 é esconsado do topo do duto 14 para o fundo do duto 14, como poderá ser encontrado nos processos de fluxo de fluidos industriais que envolvem o transporte de uma fração de alta massa de materiais sólidos de alta densidade através de um duto em que as partículas maiores viajam mais lentamente no fundo do duto. Por exemplo, o fluxo 13 poderá ser parte de um processo de hidro-transporte.

Com referência à Figura 2, o fluxo 13 é novamente mostrado ao passar através do duto 14. Entretanto, na Figura 2, o fluxo 13 é representado como um fluxo newtoniano não estratifiçado que opera no regime turbulento com números de Reynolds acima de cerca de 100.000. 0 fluxo 13 da Figura 2 tem um perfil de velocidade 122 que é uniformemente desenvolvido do topo do duto 14 ao fundo do duto 14. Ademais, as estruturas coerentes 120 no fluxo newtoniano turbulento e não estratifiçado 13 da Figura 2 exibem muito pouca dispersão. Em outras palavras, a velocidade de convecção das estruturas coerentes 120 não depende fortemente da dimensão física das estruturas 120. Como aqui utilizada, dispersão descreve a dependência da velocidade de convecção com o comprimento de onda, ou de modo equivalente, com a freqüência temporal. Fluxos para os quais todos os comprimentos de onda conduzem calor a uma velocidade constante são denominados de 'não dispersivos'. Para o fluxo newtoniano turbulento, tipicamente não há uma quantidade significativa de dispersão por uma ampla gama de proporções entre o comprimento de onda e o diâmetro.

Dispositivos de medição de fluxo com base em sonar, como, por exemplo, o dispositivo descrito na anteriormente mencionada Patente dos Estados Unidos número 6.609.069 de Gysling, aplicaram, com vantagem, a característica não dispersiva do fluxo newtoniano turbulento para determinar com precisão as velocidades do fluxo. Contudo, para os fluxos estratifiçados como aqueles representados na Figura 1, algum grau de dispersão é apresentado. Em outras palavras, as estruturas coerentes 120 conduzem calor a velocidades que dependem de sua dimensão, com estruturas coerentes de escala de comprimento maiores 120 tendendo a percorrer mais lentamente do que as estruturas de escala de comprimento menores 120. Como resultado, algumas das suposições subjacentes associadas aos dispositivos de medição de fluxo com base no sonar, a saber, que a velocidade de convecção das estruturas coerentes 120 da tecnologia anterior, não é fortemente dependente da dimensão física das estruturas 120, são afetadas pela presença da estratificação. O aparelho 10 da Figura 1 mede com precisão parâmetros como a velocidade, o nível de estratificação e a velocidade de fluxo volumétrico de um fluxo estratifiçado 13. O aparelho 10 inclui uma malha espacial 11 de pelo menos dois sensores 15 dispostos em locais axiais diferentes xx, . . ., xN ao longo do duto 14. Cada um dos sensores 15 fornece um sinal de pressão p(t) indicativo de pressão instável criada pelas estruturas coerentes ao conduzir calor com o fluxo 13 dentro do duto 14 em uma localização axial correspondente Xi, ..., xN do duto 14. A pressão gerada pelas perturbações de pressão de convecção (por exemplo, redemoinhos 120) poderão ser medidas através de sensores com base na solicitação 15 e/ou sensores de pressão 15. Os sensores 15 fornecem sinais analógicos variáveis no tempo da pressão Pi (t) , Pa (t) , P3 (t) . . .TN(t) a um processador de sinais 19, que determina o parâmetro do fluxo 13 utilizando os sinais de pressão dos sensores 15, e emite o parâmetro como um sinal 21.

Embora o aparelho 10 é mostrado como incluindo quatro sensores 15, é contemplado que a malha 11 de sensores 15 inclui dois ou mais sensores 15, cada um deles fornecendo um sinal de pressão P(t) indicativo da pressão instável dentro do duto 14 em uma localização axial X correspondente do duto 14. Por exemplo, o aparelho poderá incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, ou 24 sensores 15. Geralmente, a precisão da medição melhora à medida que o número de sensores 15 na malha 11 aumenta. 0 grau de precisão fornecido pelo número maior de sensores 15 é compensado pelo aumento na complexidade e no tempo para calcular o parâmetro de salda desejado do fluxo. Portanto, o número de sensores 15 utilizado é dependente pelo menos no grau de precisão desejado e a velocidade de atualização desejada do parâmetro de saída fornecido pelo aparelho 10.

Os sinais Pi(t), ..., PN(t) fornecidos pelos sensores 15 na malha 11 são processados pelo processador de sinais 19, que poderá ser parte de uma unidade de processamento maior 20. Por exemplo, o processador de sinais 19 poderá ser um microprocessador e a unidade de processamento 20 poderá ser um computador pessoal ou outro computador de finalidades gerais. É contemplado que o processador de sinais 19 poderá ser qualquer um ou mais dispositivos de processamento de sinal analógico ou digital para executar instruções programadas, como o um ou mais microprocessadores ou circuitos integrados específicos da aplicação (ASICS), e poderá incluir memória para armazenar instruções programadas, pontos de fixação, parâmetros, e para colocar em memória provisória ou de outra forma armazenar dados. 0 processador de sinais 19 poderá emitir o um ou mais parâmetros 21 para uma tela 24 ou outro dispositivo de entrada/saída (1/0) 26. 0 dispositivo de 1/0 26 também poderá aceitar parâmetros de entrada do usuário. 0 dispositivo de 1/0 26, a tela 24, e a unidade processadora de sinais 19 poderão ser montados em uma armação comum, que poderá ser afixada â malha 11 por um cabo flexível, conexão sem fio, ou assemelhados. 0 cabo flexível também poderá ser utilizado para fornecer energia operacional da unidade de processamento 20 para a malha 11, se necessário.

Para determinar o um ou mais parâmetros 21 do fluxo 13, o processador de sinais 19 aplica os dados dos sensores 15 para a lógica de fluxo 36 executada pelo processador de sinais 19. Com referência à Figura 3, é mostrado um exemplo da lógica de fluxo 36. Parte ou a totalidade das funções dentro da lógica de fluxo 36 poderá ser implementada em software (utilizando um microprocessador ou computador) e/ou firmware, ou poderá ser implementada utilizando hardware analógico e/ou digital, tendo memória suficiente, interfaces, e capacidade de efetuar as funções aqui descritas. A lógica de fluxo 36 inclui uma unidade de aquisição de dados 126 (por exemplo, um conversor A/D) que converte os sinais analógicos Pi(t), . .., PN(t) em respectivos sinais digitais e fornece os sinais digitais (Pi(t), PN(t) para a lógica FFT 128. A lógica FFT 128 calcula o transforme de Fourier dos sinais de entrada com base no tempo digitalizados Pi(t), PH(t) e fornece sinais no domínio da freqüência complexos (ou com base na freqüência) Pi (ω, P2 (ω) , P3 (ω) , .. ., PN (ω) indicativos do conteúdo de freqüência dos sinais de entrada. Em vez de FFTs, qualquer outra técnica para obter as características no domínio da freqüência dos sinais Pi(t)-PN(t) poderão ser utilizados. Por exemplo, a densidade espectral cruzada e a densidade espectral de energia poderão ser utilizadas para formar funções de transferência no domínio da freqüência {ou resposta ou proporções de freqüência) discutidos doravante.

Uma técnica de determinar a velocidade de convecção das estruturas coerentes (por exemplo, redemoinhos turbulentos) 120 dentro do fluxo 13 é pela caracterização de uma borda de convecção das pressões instáveis resultantes utilizando uma malha de sensores ou outras técnicas de formação de feixe, similar àquela descrita no Pedido de Patente dos Estados Unidos, número de série 09/729.994, requerido em 4 de dezembro de 2000, agora US 6.609.069, que é aqui incorporada por referência.

Um acumulador de dados 130 acumula os sinais de freqüência Ρι(ω)-Ρκ(ω) por um transforme espacial temporal (bidimensional) dos dados do sensor, do domínio xt para o domínio k-ω, e então calcula a energia no plano k-co, conforme representado por um gráfico k-oo. O processador de malha 132 o chamado formação de feixe padrão, processamento de malha, ou algoritmos de processamento de malhas adaptativos, isto é, algoritmos para processar os sinais do sensor utilizando vários retardos e ponderações para criar relações de fase adequadas entre os sinais fornecidos pelos diferentes sensores, assim criando funcionalidade de malha de antena faseada. Em outras palavras, os algoritmos de formação de feixes ou de processamento de malha transformam os sinais no domínio do tempo da malha do sensor em seus componentes de freqüincia espacial e temporal, isto é, em um conjunto de números de onda dados por k=2 π/λ, em que λ ê o comprimento de onda de um componente espectral, e as frequências angulares correspondentes dadas por co=2kF. A tecnologia anterior ensina muitos algoritmos de utilidade na decomposição especial e temporal de um sinal de uma malha faseada de sensores, e a presente invenção não é limitada a qualquer algoritmo particular. Um algoritmo de processamento de malha adaptativo particular é o método/algoritmo de Capon. Embora o método Capon é descrito como um método, a presente invenção contempla a utilização de outros algoritmos de processamento de malha adaptativos, como o algoritmo MUSIC. A presente invenção reconhece que essas técnicas podem ser utilizadas para determinar a velocidade de fluxo, isto é, que os sinais causados por um parâmetro estocástico de convecção com um fluxo são estacionários no tempo e possuem um comprimento de coerência suficientemente longo que é prático localizar sensores 15 distantes um do outro e ainda assim estar dentro do comprimento de coerência.

As características de convecção dos parâmetros possuem uma relação de dispersão que pode ser aproximada pela equação de linha reta, k=to/u, em que u é a velocidade de convecção (velocidade de fluxo). Um gráfico de pares k-ω obtidos de uma análise espectral das amostra dos sensores associado aos parâmetros de convecção retratados de modo que a energia da perturbação corresponde espectralmente a pares que podem ser descritos como uma borda substancialmente reta, uma borda que na teoria de camada de fronteira turbulenta é denominada de borda de convecção. Como será descrito doravante, à medida que o fluxo torna-se crescentemente dispersivo, a borda de convecção torna-se crescentemente não linear. 0 que está sendo sentido não são eventos discretos de estruturas coerentes 120, mas sim um contínuo de eventos possivelmente sobrepostos que formam um processo temporalmente estacionário, essencialmente branco sobre a faixa de freqüência de interesse. Em outras palavras, as estruturas coerentes de convecção 120 são distribuídas por uma faixa de escalas de comprimento e assim de freqüências temporais.

Para calcular a energia no plano k-ω, conforme representado por um gráfico k-ω (ver a Figura 4) de qualquer um dos sinais, o processador de malha 132 determina o comprimento de onda e assim o número de onda k (espacial), e também a freqüência (temporal) e com ela a freqüência angular ω, dos vários dos componentes espectrais do parâmetro estocástico. Há numerosos algoritmos disponíveis no domínio público para efetuar a decomposição espacial/temporal das malhas dos sensores 15. A presente invenção poderá utilizar a filtragem temporal e espacial para pré-condicionar os sinais para filtrar eficazmente as características do modo comum Pcommon e outras características de comprimentos de onda longos (comparados ao espaçamento do sensor) no duto 14 ao diferenciar sensores adjacentes 15 e reter uma parte substancial do parâmetro estocástico associado ao campo de fluxo e quaisquer outros parâmetros estocásticos de baixa freqüência e de comprimento de onda curto (comparado com o espaçamento do sensor).

No caso de estarem presentes estruturas coerentes adequadas 120, a energia do plano k-ω mostrado no gráfico k-ω da Figura 4, mostra uma borda de convecção 124. A borda de convecção representa a concentração de um parâmetro estocástico que convexa com o fluxo e é uma manifestação matemática da relação entre as variações espaciais e as variações temporais descritas acima. Esse gráfico indicará a tendência para os pares k-ω aparecerem mais ou menos ao longo de uma linha 124 com alguma inclinação, a inclinação indicando a velocidade do fluxo.

Uma vez determinada à energia no plano k-ω, um identificador de borda de convecção 134 utiliza um ou outro método de extração de característica para determinar a localização e a orientação (inclinação) de qualquer borda de convecção 124 presente no plano k-ω. Em uma versão, o assim-chamado método de empilhamento angular é utilizado, um método em que a freqüência acumulada de pares k-ω no gráfico k-ω ao longo de raios diferentes emanados da origem são comparados, cada raio diferente sendo associado a uma velocidade de convecção experimental diferente (pois supõe-se que a inclinação de um raio seja a velocidade de fluxo ou correlacionada à velocidade de fluxo de uma maneira conhecida). 0 identificador de borda de convecção 134 fornece informação sobre as diferentes velocidades de convecção experimentais, informação referida geralmente como a informação de borda de convecção. O analisador 136 examina a informação de borda de convecção incluindo a orientação de borda de convecção (inclinação). Supondo a relação de dispersão de linha reta dada por k=ío/u, o analisador 136 determina a velocidade de fluxo e/ou o fluxo volumétrico, que são emitidos como parâmetros 21. O fluxo volumétrico é determinado ao multiplicar a área em seção transversal do interior do duto pela velocidade do fluxo do processo.

Como foi observado anteriormente, para os fluidos newtonianos turbulentos, tipicamente não há uma quantidade significativa de dispersão por uma ampla faixa de proporções entre comprimento de onda ao diâmetro. Como resultado, a borda de convecção 124 no gráfico k-ω é substancialmente reta por uma larga faixa de freqüência e, assim, há uma larga faixa de freqüência para a qual a relação de dispersão em linha reta dada por k=(o/u fornece medições de velocidade de fluxo precisas.

Contudo, para os fluxos estratifiçados, algum grau de dispersão existe tal que as estruturas coerentes 120 conduzem calor em velocidades que dependem de seu tamanho. Como resultado de níveis de dispersão crescentes, a borda de convecção 124 no gráfico k-ω torna-se crescentemente não linear. Por exemplo, a Figura 5 representa um gráfico k-ω que tem uma borda não linear 124, que é mostrada tendo uma curvatura exagerada para fins de descrição. Assim, diferentemente dos fluxos não dispersivos, determinar a velocidade de fluxo de uma mistura dispersiva ao acompanhar a velocidade em que as estruturas coerentes 120 conduzem calor requer uma metodologia que dá conta da presença de dispersão significativa.

Com referência às Figuras 3, 5, e 6, um método pode ser descrito para quantificar o nível de estratificação, bem como medir a velocidade de fluxo volumétrico, em fluxos estratifiçados. O método, geralmente indicado na Figura 6 em 60, começa com o bloco 62, em que uma velocidade Ui do fluxo 13 é inicializada. Inicialmente, a velocidade Ui poderá, por exemplo, ser selecionada com base na experiência operacional, nas velocidades esperadas, e assemelhados. A seguir, no bloco 64, as freqüências máxima e mínima (Fmax e Fmin) que definem a primeira faixa de freqüência AFi são determinadas utilizando a velocidade Ui, o diâmetro do duto D, e as escalas de comprimento não dimensional máxima e mínima FD/U. Como será discutido doravante, as escalas de comprimento não dimensional máxima e mínima poderão ser determinadas utilizando uma rotina de calibragem em que as escalas de comprimento não dimensional máxima e mínima são selecionadas para definir uma faixa centrada em uma escala de comprimento não dimensional que é pelo menos sensível à estratificação. No exemplo mostrado na Figura 5, são utilizadas a escala de comprimento não dimensional máxima do FD/U = 2,33 e a escala de comprimento não dimensional mínima do FD/U=0,66. Assim, para este exemplo: Fmax = 2,33 *Ui/D

Fnán^ee^/D

No entanto, será apreciado que diferentes escalas de comprimento não dimensional diferentes poderão ser utilizadas, dependendo dos resultados da rotina de calibragem. 0 método continua no bloco 66, em que o identificador de borda de convecção 134 identifica uma borda de convecção 124 no gráfico k-ω como uma linha reta 123 (Figura 5) sobre a primeira faixa de frequência AFi. No bloco 66, o identificador de borda de convecção 134 determina a inclinação da representação de linha reta da primeira borda de convecção (por exemplo, a inclinação da linha 123) e, utilizando esta inclinação, o analisador 136 determina uma velocidade nominal U2 (bloco 68) . Relembrando que FD/U é o inverso de λ/D, em que λ é o comprimento de onda, a escala de comprimento não dimensional de FD/u variando de 0,66 a 2,33 corresponde a 1/Ds (para λ=1) de 1,5 a 0,43. Observe que a velocidade nominal U2 está centrada em estruturas coerentes com escalas de comprimento de 0,667 diâmetros de comprimento.

Após ser calculada a velocidade nominal U2 sobre a faixa de freqüência AFX no bloco 68, a velocidade nominal U2 é comparada à velocidade Ux no bloco 70 e, se as duas velocidades são iguais (ou aproximadamente iguais dentro de uma faixa aproximada), então a velocidade nominal U2 é fornecida como a velocidade nominal U do fluxo 13 (bloco 72) , que poderá ser utilizada para determinar a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo 13.

Contudo, se as velocidades Ux e U2 não são iguais (ou não estão dentro da faixa apropriada) no bloco 70, Ux é fixado igual a U2 (bloco 74) e o processo retorna ao bloco 64 em que as freqüências máxima e mínima (Fmax e Fmin) que definem a primeira faixa de freqüência AFr são determinadas utilizando a nova velocidade Ui. Este processo iterativo continua até Ui-U2 no bloco 70.

Após ser determinada a velocidade nominal U do fluxo 13 (bloco 72), as velocidades de convecção médias são então calculadas sobre uma pluralidade de faixas de freqüência relativamente pequenas AF2. No método 60, isto é realizado ao identificar uma pluralidade de partes 125 (Figura 5) da borda de convecção 124 sobre uma pluralidade de segundas faixas de freqüência AF2 (bloco 76) em que cada segunda faixa de freqüência AF2 é menos que a primeira faixa de freqüência AFi, como é mostrado em 127 na Figura 5. 0 identificador de borda de convecção 134 então determina a inclinação de cada parte 125 da borda de convecção 124 como a melhor linha de encaixe forçada a encaixar através da origem e a parte da borda de convecção (bloco 78). Utilizando a inclinação de cada parte 125, o analisador 136 determina a velocidade de convecção nominal das estruturas coerentes tendo uma faixa de escalas de comprimento correspondentes a segunda faixa de freqüência associada AF2 (bloco 80) . A seguir, no bloco 82, o analisador 136 normaliza essas velocidades de convecção nominais como uma função do respectivo ponto médio da freqüência 127 (não dimensionalizada pela velocidade nominal U e pelo diâmetro D do duto) para criar um gráfico de dispersão (bloco 84). A dependência funcional da velocidade verso freqüência é capturada por um encaixe linear (bloco 86) . Para os fluxos não dispersivos, o encaixe linear teria uma inclinação de 0,0 e uma interceptação-y de 1,0. Qualquer variação a isso pode ser atribuída à dispersão. Para os fluxos com dispersão, a inclinação do encaixe linear serve como uma medida quantificável da estratificação (bloco 88). A Figura 7 representa um exemplo de um gráfico de dispersão para uma linha de hidro-transporte de 30 polegadas com uma velocidade nominal U de 3,65 m/s, criada utilizando o método da presente invenção. Para o exemplo dado na Figura 7, a métrica de dispersão, isto é, a inclinação do gráfico de dispersão, é de 19%, que indica uma quantidade significativa de dispersão. A velocidade de convecção, determinada conforme descrito acima para comprimentos de onda de um diâmetro é 0,8 da velocidade do comprimento de onda com um comprimento de 0,667 diâmetros (isto é, FD/I=1,5). Estruturas com comprimentos de onda centradas ao redor de 1/4 diâmetros (isto é, FD/U=4) são mostradas como estando conduzindo calor grosseiramente 1,4 vezes a velocidade de convecção dos comprimentos de onda centrados ao redor de 0,667 diâmetros. O gráfico de dispersão também pode ser utilizado como parte de um procedimento de calibragem para determinar com precisão a velocidade de fluxo volumétrico na presença de estratificação. Por exemplo, a faixa de escalas de comprimento não dimensional de FD/U utilizada para determinar a velocidade de fluxo nominal u poderá ser selecionada como aquela faixa que é menos sensível à estratificação. Isto, por exemplo, poderá ser efetuado ao criar dois ou mais gráficos de dispersão, cada um deles a um nível diferente de estratificação. Por exemplo, no hidro-transporte de sólidos, gráficos de dispersão poderão ser criados para concentrações diferentes de sólidos. Foi determinado que, à medida que a inclinação do encaixe linear do gráfico de dispersão aumenta de um nível de estratificação para outro, o ponto ao redor do qual o encaixe linear gira fornece uma boa aproximação da FD/U de escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação. Assim, o FD/U de escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação pode ser aproximado ao comparar os gráficos de dispersão para níveis diferentes de estratificação e identificar o ponto de giro do encaixe linear do gráfico de dispersão de um gráfico de dispersão para outro. 0 FD/U de escala de comprimento não dimensional associado a ponto de giro pode ser utilizado como o ponto médio para a faixa de escalas de comprimento não dimensional do FD/U utilizado no método 60 da Figura 6 para determinar a velocidade de fluxo nominal U e o gráfico de dispersão.

As Figuras 7 a 12 representam vários exemplos de gráficos de dispersão criados utilizando o método da presente invenção. Em cada um desses exemplo, a faixa de número de onda espacial (isto é, o FD/U) de 0,66 a 2,33 com um número de onda de centro de 1,5 foi utilizado. A Figura 8 mostra um exemplo do hidro-transporte de betumem, areia, água, e ar. Neste caso, o fluxo é em um duto de 27 polegadas, percorrendo a uma velocidade de fluxo nominal de 4,5 m/s. Aqui, a inclinação do gráfico de dispersão é calculada como sendo de 0,078 (isto é, um parâmetro de dispersão de 7,8%), A Figura 9 mostra um gráfico de dispersão para um duto de 10 polegadas, e suspensão de polpa-em-água com consistência de 1%, que flui a uma velocidade de fluxo volumétrico nominal de 3,05 m/s. A equação de enquadramento de curva linear resultante, mostrada na Figura 9, tem uma inclinação de -0,023, que pode ser classificada como um fluxo não dispersivo. A Figura 10 mostra um gráfico de dispersão para uma mistura de betumem, areia, água, e ar a 7,62 m/s em um duto de 10,16 cm de diâmetro. A equação de enquadramento de curva linear resultante, mostrada na Figura 10, tem uma inclinação de -0,003, que pode ser classificada como um fluxo não dispersivo. A Figura 11 mostra um gráfico de dispersão para um duto de 40,64 cm que flui água a uma velocidade de fluxo nominal de 3,05 m/s. A equação de enquadramento da curva linear resultante, mostrada na Figura 11, tem uma inclinação de -0,013, que pode ser classificada como um fluxo não dispersivo. A Figura 12 mostra as características de dispersão para uma linha de saída de 61 cm que opera a 2,44 m/s. Como é mostrado, a linha de saída está exibindo uma métrica de dispersão de cerca de 18%. Utilizando uma faixa de número de onda espacial (isto é, FD/U) de 0,66 a 2,33 com um número de onda de centro de 1,5, a velocidade determinada pelo método da presente invenção demonstrou uma boa concordância com um medidor de fluxo magnético em linha, como é demonstrado na Figura 13. Centrando a faixa de freqüência na estrutura com uma escala de comprimento de 2/3, o diâmetro do duto parece razoável e consistente com o modelo conceituai. Embora dados de referência precisos de outros fluxos estratifiçados não estão atualmente disponíveis, as características de dispersão similares sugerem que a utilização desta, ou outra similar, escala de comprimento não dimensional deve ser uma abordagem razoável para interpretar as velocidades de fluxo volumétrico de outros fluxos estratifiçados utilizando a medição do fluxo com base em sonar. A comparação dos exemplos fornecidos nas Figuras 7 a 12 revela que a inclinação da curva de dispersão acompanha, pelo menos qualitativamente, o nível de estratificação presente. A inclinação está próxima do zero para semi-líquidos bem misturados e fluidos newtonianos e aumenta com as velocidades de fluxo menores, consistente com o aumento da estratificação com velocidades de fluxo decrescentes. A Figura 14 representa uma seção transversal longitudinal de um aparelho 100 para determinar o nível de estratificação do fluxo 13 de acordo com uma versão alternativa da presente invenção, e a Figura 15 representa uma seção transversal transversa (radial) do aparelho 100. Nesta versão, o aparelho 100 determina o nível da estratificação do fluxo 13 e a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo 13 ao comparar as velocidades medidas localmente no topo e no fundo do duto 14. O aparelho inclui uma primeira malha espacial 11 de pelo menos dois sensores 15 dispostos em localizações axiais diferentes Xi, ..., xN ao longo do topo do duto 14. Cada um dos sensores 15 fornece um sinal de pressão P(t) indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes 120 que conduzem calor com uma parte do fluxo 13 próximo do topo do duto 14. 0 aparelho ainda inclui uma segunda malha espacial 11' de pelo menos dois sensores 15 dispostos em localizações axiais diferentes xi( ..., xN ao longo do fundo do duto 14. Cada um dos sensores 15 na segunda malha espacial 11' fornece um sinal de pressão P(t)' indicativo da pressão instável criada por estruturas coerentes 120 que conduzem calor com uma parte do fluxo 13 próximo do fundo do duto 14.

Os sensores 15 de cada malha 11 e 11' fornecem sinais variáveis no tempo de pressão analógicos Pi (t) , P2 (t) , P3 (t) , ,..,PN(t) a um ou mais processadores de sinais 19 para determinar a velocidade de fluxo de cada malha. 0 processador de sinais 19 aplica os sinais de pressão dos sensores 15 na malha 11 à lógica de fluxo 36 executada pelo processador de sinais 19 para determinar a velocidade do fluxo 13 próximo do topo do duto 14. O processador de sinais 19 aplica os sinais de pressão dos sensores 11 e da malha 11' à lógica de fluxo 36 executada pelo processador de sinais 19 para determinar a velocidade do fluxo 13 próximo do fundo do duto 14. A lógica de fluxo 36 aplica um algoritmo de processamento de malha sonar conforme descrito acima com relação às Figuras 3 e 4 para determinar as velocidades.

Na versão mostrada, cada um dos sensores 15 ê formado por uma tira de material piezo-elétrico como, por exemplo, um polímero, fluoropolímero polarizado, PVDF, que mede a solicitação induzida dentro do duto 14 devido às estruturas coerentes conduzirem calor com o fluxo 13. Os sensores 15 podem ser formados de películas PVDF, películas de copolímeros, ou sensores PZT flexíveis, similar aquele descrito em "Piezo Film Sensors Technical Manual" fornecido por Measurement Specialties, Inc., de Fairfield, New Jersey, EE.UU., que é aqui incorporado por referência. As tiras de material de película piezo-elétrica que formam os sensores 15 ao longo de cada localização axial Xi,...,xN do duto 14, poderão ser aderidas à superfície de uma cinta de aço 2 06 (por exemplo, um fixador de mangueira) que se estende ao redor e fixa sobre a superfície externa do duto 14, Como é discutido doravante, outros tipos de sensores 15 e outros métodos de afixar os sensores 15 ao duto 14 poderão ser utilizados, Na versão mostrada, os sensores 15 se estendem sobre uma superfície externa arqueada do duto 14 definida pelo ângulo Θ, que é centrado em uma linha vertical 203. Por exemplo, cada um dos sensores 15 poderá estender-se cerca de 1/4 da circunferência do duto 14, Como os sensores 15 não se estendem através das superfícies laterais do duto 14, e como os sensores 15 tendem a sentir as perturbações locais dentro do fluxo 13, os sensores 15 sentem as estruturas coerentes 120 que conduzem calor com uma parte do fluxo 13 próximo do topo ou do fundo do duto 14. Assim, à medida que o tamanho dos sensores 15 é diminuído (isto é, o ângulo Θ é diminuído), as pressões instáveis sentidas pelos sensores 15 indicam mais precisamente a velocidade do fluxo nominal da parte do fluxo 13 próximo do topo ou do fundo do duto 14. Entretanto, o grau de precisão fornecido ao diminuir o tamanho dos sensores é compensado pela diminuição na potência do sinal fornecido pelos sensores 15. Portanto, o tamanho dos sensores 15 (isto é, o ângulo Θ utilizado) é dependente pelo menos no grau de precisão desejado e na potência dos sinais Pi (t), P2 (t),P3(t) , . .., PH(t) exigido pelo processador de sinais 19.

Embora o aparelho 100 é mostrado como incluindo quatro sensores 15 em cada malha 11 e 11', é contemplado que cada malha 11 e 11' poderá incluir dois ou mais sensores 15, com cada sensor 15 fornecendo um sinal de pressão P(t) indicativo da pressão instável dentro do duto 14 a uma localização axial correspondente X do duto 14. Por exemplo, o aparelho poderá incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19. 20. 21. 22. 23. ou 24 sensores 15. Geralmente, a precisão da medição melhora à medida que o número de sensores 15 nas malhas 11 e 11' aumenta. 0 grau de precisão fornecido pelo número maior de sensores 15 é contrabalançado pelo aumento na complexidade e no tempo para calcular o parâmetro de saída desejado do fluxo. Portanto, o número de sensores 15 utilizado é dependente pelo menos no grau de precisão desejado e na taxa de atualização desejada do parâmetro de saída fornecido pelo aparelho 100. A Figura 16 representa o gráfico da velocidade normalizada para as malhas superior e inferior 11 e 11T . A proporção das velocidades próximas do topo e do fundo do duto 14 correlaciona-se ao nível de estratificação do fluxo 13, Sob condições em que não há nenhuma estratificação, o fluxo próximo do topo e do fundo do duto (e as estruturas coerentes que conduzem calor com o fluxo) percorrerá a aproximadamente a mesma velocidade. À medida que o nível de estratificação aumenta, a malha superior 11 medirá uma velocidade normalizada mais alta e a malha do duto 11' medirá uma velocidade normalizada inferior. Assim, ao comparar as velocidades próximas do topo e do fundo do duto 14, o nível de estratificação do fluxo 13 pode ser determinado.

As velocidades próximas do topo e do fundo do duto 14 também podem ser utilizadas para estimar a velocidade nominal do fluxo 13 o que, por sua vez, poderá ser utilizada para determinar a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo 13. Por exemplo, a velocidade nominal poderá ser determinada utilizando uma média das duas velocidade ou alguma outra proporção das duas velocidades, em que a proporção é dependente do nível de estratificação (ou diferença entre as duas velocidades). Em outro exemplo, como é mostrado na Figura 16, as velocidades próximas do topo e do fundo do duto poderão ser grafadas como uma função da distância entre as malhas de todo e do fundo. Neste exemplo, a distância entre as malhas de todo e de fundo é aproximadamente igual ao diâmetro do duto, e cada incremento no eixo x representa alguma parte desta distância. As velocidades no topo e no fundo do duto definem uma linha reta 210, que tem uma inclinação que muda com o nível de estratificação. Utilizando esta linha reta, as velocidades em distâncias diferentes entre o topo e o fundo do duto pode ser estimada, e a velocidade na localização apropriada do duto pode ser utilizada como a velocidade nominal. No exemplo mostrado, a velocidade no centro do duto (no ponto médio entre as malhas do topo e do fundo é estimada. A Figura 17 representa uma seção transversal transversa (radial) do aparelho 100 da Figura 15, ainda incluindo pelo menos uma malha espacial adicional 11'1 dos sensores 15 alinhada axialmente ao longo do duto 14 e sendo posicionada entre a primeira e a segunda malhas espaciais 11 e 11'. A Figura 18 representa uma visão em elevação lateral desta versão. Os sensores 15 em cada malha adicional 11'1 fornecem sinais variáveis no tempo de pressão analógicos PI(t),P2*t(,P3(t),...,PN(t) a um ou mais processadores de sinais 19, que determina a velocidade de fluxo do fluido próximo a cada malha adicional 11''. Opcionalmente, cada malha 11'’ poderá compreender um par de sensores 15 dispostos no duto a um nível correspondente entre as malhas de todo e de fundo 11 e 11', como é indicado em 215, 216, e 217, Esses sensores opcionais 15 são mostrados como fantasmas na Figura 17. Para cada malha, os sinais emitidos do par de sensores 15 nas localizações axiais correspondentes Xi,,..,xN são combinadas (por exemplo, somadas) como uma única entrada ao processador de sinais 19 para eliminar partes do sinal causado por modos de dobra horizontal do duto 14. A Figura 19 representa um gráfico da velocidade normalizada para cada malha 11, 11', e 111 ' . Como no exemplo da Figura 16, a proporção das velocidades próximo do topo e do fundo do duto 14 correlaciona-se com o nível de estratificação do fluxo 13. As malhas adicionais 11'1 permitem que seja construído um perfil de velocidade, com o número de pontos de dados no perfil sendo igual ao número de malhas 11, 11', e 11''. Comparando os perfis de velocidade da Figura 19 e da Figura 19, pode-se observar que as malhas adicionais 11'1 utilizadas para criar o perfil da Figura 19 permitem uma representação mais precisa das velocidades em localizações diferentes no duto 14 do que a aproximação de linha reta da Figura 16.

Como pode ser observado no perfil de velocidade da Figura 19, as leituras de velocidade de topo e de fundo extremas (as leituras de velocidade nas malhas 1 e 7, respectivamente) tendem a ser as mais diversas, com a leitura nos lados transversos do duto 14 (a leitura na malha 4) fornecendo uma velocidade nominal para o perfil inteiro. Assim, pode-se observar que para medir a velocidade nominal no fluxo estratifiçado utilizando uma malha de sensores, poderá ser vantajoso sentir as pressões instáveis ao longo dos lados transversos do duto, tal que as áreas de diversidade extrema na velocidade (isto é, o topo e o fundo do duto) são ignoradas. Por exemplo, a malha mais no centro (malha 4) poderá ser utilizada para determinar a velocidade nominal do fluxo 13, ou as malhas mais centrais (por exemplo, as malhas 3, 4 e 5) podem ser utilizadas para determinar a velocidade nominal do fluxo. A presente invenção também contempla que qualquer malha recuada da malha horizontal central (isto é, a malha 4) , como as malhas 3 e 5 ou combinações de outras malhas (por exemplo, as malhas 2 e 3 ou as malhas 5 e 6) poderão ser utilizadas para determinar a velocidade nominal ou média do fluxo de processo 13. A determinação de qual malha ou conjunto de malhas utilizar para determinar a velocidade nominal é dependente do nível de estratificação. A Figura 20 representa uma seção transversal transversa (radial) de um aparelho 200 para determinar o nível de estratif icação do fluxo 13 de acordo com outra versão alternativa da presente invenção, e a Figura 21 representa uma visão em elevação lateral da versão alternativa da Figura 20. Nesta versão, o aparelho 10 inclui uma malha espacial 11 de pelo menos dois sensores 15 disposta em localizações axiais diferentes Xi,...,xK ao longo do duto 14. Cada meia porção do par de sensores 202 fornece um sinal de pressão P(t) indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes 120 {Figura 1) que conduzem calor com o fluxo 13 dentro do duto 14 a uma localização axial Xi,..,,xM correspondente do duto 14. Os sensores 15 fornecem sinais variáveis no tempo de pressão analógicos Pi (t) , P2 (t) , P3 {t) , . . . , PN (t) a um processador de sinais 19, que determina o parâmetro do fluxo 13 utilizando os sinais de pressão dos sensores 15, e emite o parâmetro como um sinal 21. Os sinais fornecidos pelos meio pares de sensor correspondentes 202 em cada sensor 15 poderão ser combinados (por exemplo, somados) como uma única entrada para o processador de sinais 19, assim eliminando partes do sinal causada pelos modos de dobra horizontal do duto 14.

Na presente versão, as meias-partes do sensor 202 são vantajosamente colocadas nas superfícies laterais do duto 14 definidas pelo ângulo Θ, que está centrado em uma linha horizontal 204. Por exemplo, o cada um dos sensores 15 poderá estender-se cerca de 1/4 da circunferência do duto 14. Como as meias-partes do sensor 202 não se estendem através das superfícies de todo e de fundo do duto 14, e como as meias-partes do sensor 202 tendem a sentir perturbações locais dentro do fluxo 13, as regiões extremas do perfil de velocidade são ignoradas. Assim, à medida que o comprimento das meias-partes do sensor 202 é diminuída (isto é, à medida que o ângulo Θ é diminuído), as pressões instáveis sentidas pelas meias-partes do sensor 202 fornecem uma medição de velocidade mais localizada e em alguns casos uma indicação mais precisa da velocidade de fluxo nominal para o fluxo estratifiçado. No entanto, o grau de precisão fornecido ao diminuir o tamanho das meias- partes do sensor 202 (isto é, o ângulo Θ utilizado) é dependente pelo menos no grau de precisão desejado e na potência dos sinais Pi (t) , P2 {t) , P3 (t) , . . . , PN (t) exigido pelo processador de sinais 19.

Embora as partes do sensor 202 são centradas ao redor do plano horizontal do duto, poderá ser vantajoso dispor as partes do sensor 202 acima ou abaixo do centro horizontal do duto dependendo do nível esperado de estratificação.

Embora o aparelho 10 seja mostrado como incluindo quatro sensores 15, é contemplado que a malha 11 de sensores 15 inclui dois ou mais sensores 15, cada um deles fornecendo um sinal de pressão P(t) indicativo da pressão instável dentro do duto 14 a uma localização axial correspondente X do duto 14. Por exemplo, o aparelho poderá incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, ou 24 sensores 15. Geralmente, a precisão da medição melhora à medida que o número de sensores na malha aumenta. 0 grau de precisão fornecido pelo maior número de sensores é contrabalançado pelo aumento na complexidade e no tempo para calcular o parâmetro de saída desejado do fluxo. Portanto, o número de sensores utilizado é dependente pelo menos no grau de precisão desejado e da taxa de atualização desejada do parâmetro de saída fornecido pelo aparelho 10.

Os sinais Pi (t),...,PN (t) fornecidos pelos sensores 15 na malha 11 são processados pelo processador de sinais 19, que poderá ser parte de uma unidade de processamento maior 20. Por exemplo, o processador de sinais 19 poderá ser um microprocessador e a unidade de processamento 20 poderá ser um computador pessoal ou outro computador de finalidade geral. É contemplado que o processador de sinais poderá ser qualquer um ou mais dispositivos de processamento de sinal analógico ou digital para executar instruções programadas, como um ou mais microprocessadores ou circuitos integrados específicos da aplicação (ASICS), e poderá incluir memória para armazenar instruções programadas, fixar pontos, parâmetros, e para guardar em memória provisória ou de outra forma armazenar dados.

Para determinar o um ou mais parâmetros 21 do fluxo 13, o processador de sinais 19 aplica os dados dos sensores 15 à lógica de fluxo 36 executada pelo processador de sinais 19. A lógica de fluxo 36 aplica um algoritmo de processamento de malha sonar conforme descrito acima com relação às Figuras 3 e 4 para determinar as velocidades. Parte ou a totalidade das funções dentro da lógica de fluxo 36 poderão ser implementadas em software (utilizando um microprocessador ou um computador) e/ou firmware, ou poderão ser implementadas utilizando hardware analógico e/ou digital, tendo memória suficiente, interfaces, e capacidade para executar as funções aqui descritas.

Na versão mostrada, cada uma das meias-partes do sensor 202 é formada por um material piezo-elétrico como, por exemplo, um polímero, fluoropolímero polarizado, PVDF, que mede a solicitação induzida dentro do duto 14 devido às estruturas coerentes que conduzem calor com o fluxo 13. As meias-partes do sensor 202 podem ser formadas de películas de PVDF, películas de co-polímeros, ou sensores de PZT flexível, similar aquele descrito em "Piezo Film Sensors Technical Manual" fornecido por Measurement Specialties, Inc. de Fairfield, New Jersey, EE.UU., que é aqui incorporado por referência. 0 material PVDF que forma cada meia-parte do sensor 202 poderá ser aderida â superfície de uma cinta de aço 206 (por exemplo, um prendedor de mangueira) que se estende ao redor e prende sobre a superfície externa do duto 14. Também é contemplado que outros métodos de afixar as meias-partes do sensor 202 ao duto 14 poderão ser utilizadas. Por exemplo, as meias-partes do sensor 202 poderão ser aderidas diretamente no duto 14. Como é descrito doravante, outros tipos de sensores 15 e outros métodos de afixar os sensores 15 ao duto 14 poderão ser utilizados.

Como foi observado anteriormente, à medida que o tamanho das meias-partes do sensor 202 é diminuído (isto é, â medida que o ângulo Θ é diminuído), as pressões instáveis sentidas pelas meias-partes do sensor 202 indicam com maior precisão a velocidade de fluxo nominal para o fluxo estratifiçado. Contudo, o grau de precisão fornecido ao diminuir o tamanho das meias-partes do sensor 202 é contraposto pela diminuição na potência do sinal fornecido pelas meias-partes do sensor 202. Ademais, à medida que o fluxo 13 fica menos estratifiçado, é vantajoso aumentar o tamanho dos sensores 15 para sentir uma parte maior do fluxo 13. Combinando os ensinamentos das Figuras 14 a 21, ainda outra versão da presente invenção pode ser descrita em que o tamanho das meias-partes do sensor 202 são aumentadas ou diminuídas dependendo do nível de estratificação do fluxo 13. Esta versão emprega uma disposição de sensores similar àquela mostrada nas Figuras 17 e 18, em que uma pluralidade de sensores 15 estão dispostos ao redor do perímetro do duto 14 em cada localização axial Xi,...,xK do duto 14 (incluindo os sensores opcionais 15 mostrados na Figura 17). Por exemplo, os sensores 15 ao longo de cada localização axial xi,...,xN do duto 14 poderá compreender tiras de material de película piezo-elétrica aderidas à superfície de uma cinta de aço 206 (por exemplo, um prendedor de mangueira) que se estende ao redor dos prendedores sobre a superfície externa do duto 14. Como é discutido doravante, outros tipos de sensores 15 e outros métodos de afixar os sensores 15 ao duto 14 poderão ser utilizados.

Nesta versão, os sensores 11 e as malhas 11 e 11' são utilizadas conforme foi descrito anteriormente com referência às Figuras 14 a 19. Isto é, o processador de sinais 19 aplica os sinais de pressão dos sensores 15 na malha 11 à lógica de fluxo 36 executada pelo processador de sinais 19 para determinar a velocidade do fluxo 13 próximo do topo do duto 14, e o processador de sinais 19 aplica os sinais de pressão dos sensores 15 na malha 11' à lógica de fluxo 3 6 executada pelo processador de sinais 19 para determinar a velocidade do fluxo 13 próximo do fundo do duto 14. O processador de sinais 19 então compara as velocidades próximas do topo e do fundo do duto 14 para determinar o nível de estratificação do fluxo 13.

Também nesta versão, como é mostrado nas Figuras 17 e 18, para cada localização axial Xi, ...,xN do duto 14 (por exemplo, para cada cinta 206), os sensores 15 posicionados a um lado do duto (por exemplo, os sensores 15 a esquerda da linha vertical 203) representara uma meia-parte do sensor, e os sensores 15 posicionados no lado oposto do duto (por exemplo, os sensores 15 à direita da linha vertical 203) representam a outra meia parte do sensor. Para cada localização axial xi, ...,xN, os sinais de saída de cada um dos sensores 15 que formam as meias partes do sensor são combinados (por exemplo, somados) e processados para determinar a velocidade nominal do fluxo 13 conforme descrito com referência às Figuras 20 e 21.

Em resposta ao nível determinado de estratificação, o processador de sinais 19 pode ajustar o tamanho das meias partes do sensor ao selecionar o número de sensores 15 em cada meia parte do sensor. Por exemplo, se o nível de estratificação é alto (por exemplo, há uma grande distância entre as velocidades na parte superior e inferior do duto 14), o processador de sinais 19 poderá processar apenas os sinais de um par de sensores 15 (por exemplo, os sensores mais centrados 15 localizados na linha 216 da Figura 17) para cada localização axial xl,...,xN para determinar a velocidade nominal do fluxo 13. Se o nível de estratificação diminui (por exemplo, há uma redução na distância entre as velocidades no topo e no fundo do duto 14), o processador de sinais 19 poderá combinar os sinais de um número maior de sensores 15 em cada localização axial Χχ,.,.,Χη (por exemplo, os sensores 15 localizados nas linhas 215, 216, e 217 da Figura 17) para determinar a velocidade nominal do fluxo 13. Ademais, se não há nenhuma estratificação detectada, o processador de sinais poderá combinar os sinais de todos os sensores 15 em cada localização axial Xi, . ..,x» para determinar a velocidade nominal do fluxo 13.

Como foi anteriormente discutido com relação às Figuras 17 a 19, a presente invenção também contempla que qualquer malha recuada da malha horizontal central (isto é, a malha 4) , como as malhas 3 e 5 ou combinações de outras malhas (por exemplo, as malhas 2 e 3 ou as malhas 5 e 6) poderão ser utilizadas para determinar a velocidade nominal ou média do fluxo do processo 13. A determinação de qual malha ou conjunto de malhas que irá determinar a velocidade nominal depende do nível de estratificação. É ainda contemplado que as malhas selecionadas para determinar a velocidade nominal e o fluxo volumétrico do fluxo do processo poderão ser selecionadas dinamicamente em resposta ao nível medido de estratificação.

Em qualquer uma das versões aqui descritas, os sensores 15 poderão incluir medidores de solicitação elétricos, fibras ópticas e/ou gradeamentos, sensores portados, sensores ultra-sônicos, entre outros conforme aqui descritos, e poderão ser afixados ao duto por adesivo, cola, epoxy, fita colante outro meio de afixação adequado para assegurar o contato adequado entre o sensor e o duto 14. Os sensores 15 poderão alternativamente ser removíveis ou permanentemente afixados através de técnicas mecânicas conhecidas como o prendedor mecânico, o carregamento por mola, prendedores, a disposição por concha, acintamento ou outros equivalentes. Alternativamente, medidores de solicitação, incluindo fibras ópticas e/ou gradeamentos, poderão ser embutidas em um duto composto 14. Se desejado, para certas aplicações, gradeamentos poderão ser destacados (ou isolados por solicitação ou acusticamente) do duto 14, se desejado. Também é contemplado que qualquer outra técnica de sentir a solicitação poderá ser utilizada para medir as variações na solicitação no duto 14, como os medidores de solicitação elétricos, eletrônicos, piezo-elétricos afixados ou embutidos no duto 14.

Em várias versões da presente invenção, um transdutor de pressão piezo-eletrônico poderá ser utilizado como o um ou mais dos sensores de pressão e ele poderá medir as variações na pressão instável (ou dinâmica, ou ca) no interior do duto 14 ao medir os níveis de pressão dentro do duto. Em uma versão da presente invenção, os sensores 14 compreendem sensores de pressão fabricados pela PCB

Piezotronics de Depew, New York, EE.UU. Por exemplo, em um sensor de pressão há sensores do tipo de modo de voltagem piezo-elétricos de circuito integrado que destacam amplificadores micro-eletrônicos embutidos, e convertem a carga de alta impedância em uma saída de voltagem de baixa impedância. Especificamente, o Modelo 106B fabricado pela PCB Piezotronics é utilizado, que é um sensor de pressão a quartzo piezo-elétrico de circuito integrado compensado na aceleração adequado para medir fenômenos acústicos de baixa pressão em sistemas hidráulicos e pneumáticos. Ele possui a capacidade singular de medir pequenas mudanças na pressão, inferiores a 6,89 Pa sob altas condições estáticas. O modelo 106B tem uma sensibilidade de 300 mV/6,89 kPa e uma resolução de 91 dB (0,689 Pa).

Os sensores 15 poderão incorporar um amplificador micro-eletrônico MOSFET embutido para converter a saída de carga de alta impedância em um sinal de voltagem de baixa impedância. Os sensores 15 poderão ser energizados de uma fonte de corrente constante e podem operar sobre cabos coaxiais ou fitas longas sem degradação do sinal. 0 sinal de voltagem de baixa impedância não é afetado por ruído de cabo tribo-elétrico ou de contaminantes que degradam a resistência do isolamento. A energia para operar sensores piezo-elétricos de circuito integrado geralmente assume a forma de uma fonte de corrente constante de 24 a 27 VCD, de 2 a 20 mA, de baixo custo. A maioria dos sensores de pressão piezo-elétricos são construídos quer com cristais de quartzo no modo de compressão pré-carregados em uma armação rígida, ou cristais de turmalina não restringidos. Esses projetos dão aos sensores tempos de resposta de microssegundos e freqüências ressonantes de centenas de kHz, com um mínimo de sobrepasse ou de sinais de campainha. Diafragmas de pequenos diâmetros assegurar a resolução espacial das ondas de choque estreitas.

As características de saída dos sistemas sensores de pressão piezo-elétricos é aquela de um sistema acoplado CA, em que sinais repetitivos decaem até haver uma área igual acima e abaixo da linha base original. Â medida que os níveis de magnitude do evento monitorado flutuam, a saída permanece estabilizada ao redor da linha base com as áreas positiva e negativa da curva permanecendo iguais.

Ademais, é contemplado que cada um dos sensores 15 poderá incluir um sensor piezo-elétrico que fornece um material piezo-elétrico para medir as pressões instáveis do fluxo 13. 0 material piezo-elétrico, como o polímero, o fluoropolímero, o PVDF, mede a solicitação induzida dentro do duto do processo 14 devido a variações na pressão instável dentro do fluxo 13. A solicitação dentro do duto 14 é transduzida para uma voltagem ou corrente de saída pelos sensores piezo-elétricos afixados 15.

0 material PVDF que forma cada sensor piezo-elétrico 15 poderá ser aderido â superfície externa de uma tira de aço que se estende ao redor e se prende sobre a superfície externa do duto 14. 0 elemento sensor piezo-elétrico é tipicamente conformado para permitir a medição circunferencial completa ou quase completa da solicitação induzida. Os sensores podem ser formados de películas de PVDF, películas de copolímeros, ou sensores de PZT flexíveis, similares àquele descrito em "Piezo Film Sensors Technical Manual" fornecido por Measurement Specialties, Inc., de Fairfield, New Jersey, que é aqui incorporado por referência. As vantagens desta técnica são as seguintes: 1. Medições de velocidade de fluxo não intrusivas. 2. Baixo custo. 3. A técnica de medição não exige nenhuma fonte de excitação. 0 ruído de fluxo ambiente é utilizado como a fonte. 4. Sensores piezo-elétricos flexíveis podem ser montados em uma variedade de configurações para aprimorar os esquemas de detecção do sinal. Essas configurações incluem: a) sensores co-localizados ,· b) sensores segmentados com configurações de polaridades opostas; c) sensores largos para aprimorar a detecção do sinal acústico e minimizar a detecção do ruído vertical; d) geometrias de sensor feitas sob medida para minimizar a sensibilidade aos modos de dutos; e) diferenciação dos sensores para eliminar o ruído acústico de sinais verticais. 5. Temperaturas mais altas (140° C) (co-polímeros). A presente invenção pode ser incorporada na forma de processos implementados por computador e aparelhos para praticar tais processos. A presente invenção também pode ser incorporada na forma de código de programa de computador que contém instruções incorporadas em mídia tangível, como disquetes flexíveis, CD-ROMs, unidades de discos rígidos, ou qualquer outro meio de armazenamento lido por computador, em que, quando o código de programa de computador é carregado e executado por um computador, o computador torna-se o aparelho para praticar a invenção. A presente invenção também pode ser incorporada na forma de código de programa de computador, por exemplo, quer armazenado em um meio de armazenamento, carregado e/ou executado por um computador, ou transmitido por algum meio de transmissão, como através de fiação ou cabeamento elétricos, através de fibra óptica, ou através de irradiação eletro-magnética, em que, quando o código de programa de computador é carregado e executado por um computador, o computador torna-se o aparelho para praticar a invenção. Quando implementado em um microprocessador de finalidade geral, os segmentos do código de programa de computador configuram o microprocessador para criar circuitos lógicos específicos.

Deve ser compreendido que qualquer um dos recursos, das características, das alternativas ou de modificações descritas relativas a uma versão particular aqui citada também poderá ser aplicada, utilizada, ou incorporada com qualquer outra versão aqui descrita. Além disso, é contemplado que, embora as versões aqui descritas sejam úteis para o fluxo tendo propriedades dispersivas (por exemplo, o fluxo estratifiçado), as versões aqui descritas também podem ser utilizadas para o fluxo homogêneo sem qualquer propriedade dispersiva.

Embora a invenção tenha sido descrita e ilustrada com relação a versões exemplares da mesma, o que antecede e vários outros acréscimos e omissões poderão ser nela e a ela feitas sem desviar do espírito e escopo da presente invenção.

REIVINDICAÇÕES

Claims (23)

1. Aparelho para medição de um parâmetro de um fluxo (13) que passa através de um duto (14), o aparelho compreendendo: uma malha espacial de sensores (11) disposta em sua superfície externa e em diferentes localizações axiais (Xi...Xn) ao longo do duto (14), cada um dos sensores (15) fornecendo um sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) que conduzem o calor com o fluxo (13); e um processador de sinais (19) responsivo aos sinais para: determinar, a partir dos sinais, velocidades de convecção correspondente de estruturas coerentes (120) possuindo escalas de comprimento diferentes; e comparar as velocidades de convecção para determinar um nível de estratificação do fluxo (13) caracterizado pelo fato de ao comparar as velocidades de convecção, o processador de sinais sendo configurado para: construir um gráfico das velocidades de convecção como uma função das escalas de comprimento; e determinar a inclinação de uma linha de melhor encaixe através do gráfico, a inclinação da linha indicando o nível de estratificação do fluxo.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gráfico ser normalizado por uma velocidade nominal do fluxo (13) e um diâmetro do duto (14) .

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da inclinação ser utilizada para calibrar o processador de sinais (19) para determinar a velocidade de fluxo volumétrico do fluxo (13).

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do processador de sinais (19) ser configurado para: construir a partir dos sinais pelo menos uma parte de um gráfico k-ω; e determinar uma faixa de freqüências sobre a qual o processador de sinais (19) analisa a borda de convecção no gráfico k-ω para determinar a velocidade do fluxo volumétrico.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, na construção do gráfico de velocidades de convecção das estruturas coerentes (120) como uma função da frequência, o processador de sinais (19) ser configurado para: construir a partir dos sinais, pelo menos uma parte de um gráfico k-ω; identificar uma borda de convecção no gráfico k-ω sobre uma primeira faixa de freqüências; determinar uma primeira inclinação da borda de convecção, a primeira inclinação sendo indicativa da velocidade nominal do fluxo (13) ; identificar uma pluralidade de partes da borda de convecção por uma pluralidade de segundas faixas de freqüência, cada segunda faixa de freqüências sendo menor que a primeira faixa de freqüências e tendo um ponto médio respectivo; determinar uma segunda inclinação para cada uma das partes da borda de convecção, cada segunda inclinação sendo indicativa de uma velocidade de convecção nominal das estruturas coerentes (120) tendo uma faixa de escalas de comprimento correspondentes a uma segunda faixa de freqüências associada; normalizar as velocidades de convecção nominais das estruturas coerentes (120) utilizando a velocidade nominal do fluxo (13) para fornecer velocidades de convecção normalizadas; e plotar cada velocidade de convecção normalizada como uma função do ponto médio respectivo não dimensionalizado pela velocidade nominal do fluxo (13) e do diâmetro do duto (14) para fornecer o gráfico.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato da primeira faixa de freqüências ser ajustada com base na inclinação.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de uma escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação ser utilizada para determinar o ponto médio da primeira faixa de freqüências, a escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação sendo determinada ao comparar uma pluralidade de gráficos de dispersão para níveis diferentes de estratificação e ao identificar o ponto de giro dos gráficos de dispersão, de um gráfico de dispersão para outro.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da malha espacial de sensores (11) compreende: uma primeira malha espacial (11) que compreende pelo menos dois sensores (15) dispostos em diferentes localizações axiais (Xi...Xn) ao longo do duto (14), cada um dos sensores (15) na primeira malha (11) fornecendo um primeiro sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) que conduzem o calor com o fluxo (13) que passa através de uma porção superior do duto (14); uma segunda malha espacial (11') que compreende pelo menos dois sensores (15) dispostos em diferentes localizações axiais (Xi...Xn) ao longo do duto (14), cada um dos sensores (15) na segunda malha (11') fornecendo um segundo sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) que conduzem o calor com o fluxo (13) que passa através de uma porção inferior do duto (14); e onde o processador de sinais (19) compreende pelo menos um processador de sinal (19) configurado para: determinar a primeira velocidade do fluxo (13) que passa através da porção superior do duto (14) utilizando os primeiros sinais; determinar a segunda velocidade do fluxo (13) que passa através da porção inferior do duto (14) utilizando os segundos sinais; e comparar a primeira e a segunda velocidades para determinar o parâmetro do fluxo (13).

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do parâmetro do fluxo (13) incluir pelo menos um: nivel de estratificação do fluxo (13) e parâmetro do fluxo volumétrico do fluxo (13).

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do processador (19) normalizar a primeira e a segunda velocidades antes de comparar a primeira e a segunda velocidades.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato da primeira malha especial (11) ser axialmente alinhada ao longo da porção superior do duto (14) e a segunda malha especial (11') ser axialmente alinhada ao longo da porção inferior do duto (14).

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por compreender ainda: pelo menos uma malha espacial adicional de pelo menos dois sensores (15) dispostos em diferentes localizações axiais (Xi...Xn) ao longo do duto (14), cada um dos sensores (15) da pelo menos uma malha adicional fornecendo um terceiro sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) convergindo com uma porção do fluxo (13) próximo ao sensor, a pelo menos uma malha adicional esta axialmente alinhada ao longo do duto (14) e está posicionada entre a primeira e a segunda malhas espaciais; e onde, para cada malha adicional, o pelo menos um processador de sinal (19) ser configurado para: determinar a terceira velocidade do fluxo (13) próxima da malha especial adicional utilizando os terceiros sinais; e comparar a primeira, a segunda e a terceira velocidades para determinar o parâmetro do fluxo (13).

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato da comparação entre a primeira, a segunda e a terceira velocidades fornecer um perfil de velocidade do fluxo (13) que passa pelo duto (14).

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato do parâmetro do fluxo (13) incluir pelo menos um: nivel de estratificação do fluxo (13) e parâmetro do fluxo volumétrico do fluxo (13).

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato do processador (19) normalizar a primeira, a segunda e a terceira velocidades antes de comparar a primeira, a segunda e a terceira velocidades.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o parâmetro do fluxo (13) incluir um nivel de estratificação do fluxo (13) e onde, em resposta ao nivel de estratificação do fluxo (13), o processador (19) seleciona um número de sensores (15) para uso na determinação da velocidade média do fluxo (13).

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada um dos sensores (15) compreender um par de meias partes sensores dispostas em superfícies laterais opostas no duto (14); onde cada par de meias partes sensores fornecem um sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) que conduzem o calor com o fluxo (13) no duto (14) em uma localização axial correspondente do duto (14); e onde o processador de sinal (19) é configurado para determinar a velocidade nominal do fluxo (13) no duto (14) utilizando os sinais.

18. Método para medição de um parâmetro de um fluxo (13) que passa através de um duto (14) utilizando uma malha espacial de sensores (15) disposta em localizações axiais diferentes (Xi...Xn) ao longo do duto (14), cada um dos sensores (15) fornecendo um sinal indicativo da pressão instável criada pelas estruturas coerentes (120) que conduzem o calor com o fluxo (13), o método compreendendo: determinar, a partir dos sinais, a velocidade de convecção correspondente de cada grupo de estruturas coerentes (120) possuindo diferentes escalas de comprimento; e comparar as velocidades de convecção dos grupos de estruturas coerentes (120) para determinar um nível de estratificação do fluxo (13), caracterizado pelo fato da comparação das velocidades de convecção incluir: construir um gráfico das velocidades de convecção como uma função das escalas de comprimento; e determinar uma inclinação de uma linha de melhor encaixe através do gráfico, a inclinação da linha indicando o nível de estratificação do fluxo.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato do gráfico ser normalizado por uma velocidade nominal do fluxo (13) e um diâmetro do duto (14) .

20. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender ainda: construir a partir dos sinais pelo menos uma parte de um gráfico k-ω; e utilizar a inclinação, determinando uma faixa de freqüências sobre a qual o processador de sinais (19) analisa uma borda de convecção no gráfico k-ω para determinar a velocidade de fluxo volumétrico.

21. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato da etapa de construir o gráfico das velocidades de convecção das estruturas coerentes (120) como uma função da frequência compreender: construir a partir dos sinais pelo menos uma parte de um gráfico k-ω; identificar uma borda de convecção no gráfico k-ω sobre uma primeira faixa de freqüências: determinar uma primeira inclinação da borda de convecção, a primeira inclinação sendo indicativa de uma velocidade nominal do fluxo (13); identificar uma pluralidade de partes da borda de convecção por uma pluralidade de segundas faixas de freqüências, cada segunda faixa de freqüências sendo menor que a primeira faixa de freqüências e tendo um ponto médio respectivo; determinar uma segunda inclinação para cada uma das partes da borda de convecção, cada segunda inclinação sendo indicativa de uma velocidade de convecção nominal das estruturas coerentes (120), tendo uma faixa de escalas de comprimento correspondentes à segunda faixa de freqüências associada; normalizar as velocidades de convecção nominal das estruturas coerentes (120) utilizando a velocidade nominal do fluxo (13) para fornecer velocidades de convecção normalizadas; e plotar um gráfico de cada velocidade de convecção normalizada como uma função do ponto médio respectivo não dimensionalizada pela velocidade nominal do fluxo (13) e o diâmetro do duto (14) para fornecer o gráfico.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da primeira faixa de freqüências ser ajustada com base na inclinação.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato da escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação ser utilizada para determinar o ponto médio da primeira faixa de freqüências, a escala de comprimento não dimensional que é menos sensível à estratificação sendo determinada pela comparação de uma pluralidade de gráficos de dispersão para diferentes níveis de estratificação e identificar o ponto de giro dos gráficos de dispersão de um gráfico de dispersão para outro.