BRPI0715370A2

BRPI0715370A2 - aparelho e mÉtodo para atenuar ondas acésticas em propagaÇço dentro de uma parede de tubulaÇço

Info

Publication number: BRPI0715370A2
Application number: BRPI0715370-8A
Authority: BR
Inventors: Daniel L Gysling; Mark R Fernald; Timothy J Bailey; Changiju Dang
Original assignee: Expro Metters Inc
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2013-06-18
Also published as: EP2069723B1; AU2007277095B2; CA2658849A1; NO20090889L; AU2007277095A1; CA2658849C; NO345121B1; WO2008013957A1; EP2069723A1

Abstract

APARELHO E METODO PARA ATENUAR ONDAS ACéSTICAS EM PROPAGAÇAO DENTRO DE UMA PAREDE DE TUBULAÇAO. Um método e um aparelho para o amortecimento de um sinal ultra-sônico se propagando na parede de um tubo (104) , o aparelho incluindo pelo menos uma estrutura de amortecimento (132) para fixação de pelo menos um sensor à parede do tubo, onde pelo menos um sensor inclui um componente de transmissor (122) e um componente de receptor (124) para transmissão e recepção de um sinal ultra-sônico, onde pelo menos uma estrutura de amortecimento está associada à parede externa do tubo para amortecimento do sinal ultra-sônico se propagando na parede do tubo e um processador que define uma crista convectiva no plano K-<SYM>, em resposta aos sinais ultra-sônicos, e determina a inclinação de pelo menos uma porção da crista convectiva para a determinação da velocidade de fluxo do fluido.

Description

APARELHO E MÉTODO PARA ATENUAR ONDAS ACÚSTICAS EM PROPAGAÇÃO DENTRO DE UMA PAREDE DE TUBULAÇÃO

Referência Cruzada a Pedidos de Patente Relacionados

O presente pedido se refere ao Pedido de Patente U.S.

N0 10/756.977, depositado em 13 de janeiro de 2004 e ao Pedido de Patente Provisória U.S. N° 60/833.651, depositado em 27 de julho de 2006, ao Pedido de Patente Provisória U.S. N0 60/856.987, depositado em 6 de novembro de 2006, os quais são incorporados aqui como referência em sua totalidade.

Campo Técnico

Esta invenção se refere a um método e a um aparelho para a atenuação de ondas acústicas (ou acústica de halo) se propagando através das paredes de um tubo para um medidor de fluxo ultra-sônico de pendurar. Antecedentes

A maioria das medições ultra-sônicas de fluxo busca alavancar uma informação contida em perturbações portadas por fluido de uma freqüência temporal específica. A freqüência específica freqüentemente resulta de freqüências naturais da eletrônica de acionamento, do transdutor ou de uma característica de transmissão ressonante da parede de tubo.

Com referência à Figura 8, um dos desafios primários associados a uma medição ultra-sônica de fluxo de pendurar é a interferência entre a componente de sinal ultra-sônico portada pela estrutura 100 e a componente de sinal ultra- sônico portada pelo fluido desejada 102. A componente portada pela estrutura 100 do sinal ultra-sônico 3 0 freqüentemente é a mesma freqüência ou uma similar, e essencialmente mascara a componente portada pelo fluido 102 do sinal ultra-sônico.

Os tubos padronizados são guias de onda razoavelmente efetivas para componentes acústicas portadas pela estrutura 100. 0 pulso ultra-sônico se propaga ao longo da parede de um tubo 104 com pouco amortecimento e halos em torno da circunferência numerosas vezes, até o amortecimento inerente no tubo e a propagação de energia axialmente para longe da excitação inicial eventualmente dissiparem as

ondas ultra-sônicas portadas pela estrutura. Sumário da Invenção

Um aparelho para amortecimento de um sinal ultra- sônico que se propaga na parede de um tubo é provido, onde o aparelho inclui um alojamento estrutural para fixação de

pelo menos um sensor tendo um componente de transmissor e um componente de receptor para transmissão e recepção de um sinal ultra-sônico, onde o alojamento é acoplado à parede externa do tubo para amortecimento do sinal ultra-sônico se propagando dentro da parede do tubo.

2 0 Um aparelho para amortecimento de um sinal ultra-

sônico se propagando na parede de um tubo é provido, onde o aparelho inclui pelo menos uma estrutura de amortecimento para fixação de pelo menos um sensor à parede do tubo, onde pelo menos um sensor inclui um componente de transmissor e

2 5 um componente de receptor para transmissão e recepção de um

sinal ultra-sônico, onde pelo menos uma estrutura de amortecimento está associada à parede externa do tubo para amortecimento do sinal ultra-sônico, onde pelo menos uma estrutura de amortecimento está associada à parede externa

3 0 do tubo para amortecimento do sinal ultra-sônico se propagando na parede do tubo. Um processador também é provido, onde o processador define uma crista convectiva no plano k-co, em resposta aos sinais ultra-sônicos, e determina uma inclinação de pelo menos uma porção da crista convectiva para a determinação de uma velocidade de fluxo de um fluido fluindo dentro do tubo.

Um método para amortecimento de uma propagação de sinal ultra-sônico dentro da parede de um tubo é provido, onde o método inclui a introdução de um sinal ultra-sônico

em um tubo tendo um fluido fluindo no interior, a modificação das características da parede de tubo pela provisão de múltiplas mudanças de impedância na parede de tubo e pela provisão de percursos de dissipação de energia alternativos para os sinais ultra-sônicos e processamento

de um tempo de trânsito dos sinais ultra-sônicos recebidos para a determinação de uma velocidade de fluxo do fluido. Breve Descrição dos Desenhos

Com referência, agora, aos desenhos, em que itens iguais são numerados iguais nas várias Figuras:

2 0 a Figura 1 é um diagrama de blocos de um medidor de

fluxo que tem um arranjo de unidades de sensor ultra-sônico dispostas axialmente ao longo de um tubo para a medição da vazão volumétrica do fluido fluindo no tubo, de acordo com a presente invenção.

A Figura 2 é uma vista em seção transversal de um tubo

que tem um fluxo de tubo turbulento tendo estruturas coerentes ali, de acordo com a presente invenção.

A Figura 3 é um diagrama de blocos de uma modalidade alternativa de um dispositivo de detecção de um medidor de

3 0 fluxo que concretiza a presente invenção, similar àquilo mostrado na Figura 1.

A Figura 4 é um diagrama de blocos de uma modalidade alternativa de um dispositivo de detecção de um medidor de fluxo que concretiza a presente invenção, similar àquilo mostrado na Figura 1.

A Figura 5 é um diagrama de blocos de uma modalidade alternativa de um dispositivo de detecção de um medidor de fluxo que concretiza a presente invenção, similar àquilo mostrado na Figura 1.

A Figura 6 é um diagrama de blocos de uma modalidade

alternativa de um dispositivo de detecção de um medidor de fluxo que concretiza a presente invenção, similar àquilo mostrado na Figura 1.

A Figura 7 é uma vista em perspectiva e em seção

transversal de uma modalidade de um alojamento estruturalmente significativo pendurado em um tubo, de acordo com a presente invenção.

A Figura 8 é uma ·vista em seção transversal de componentes portadas na estrutura e portadas no fluido se

2 0 propagando através de uma parede de tubo que tem um sensor

ultra-sônico afixado a ela.

A Figura 9 é uma vista em seção transversal de uma parede de tubo envolvida e não envolvida tendo um alojamento de acordo com a presente invenção e uma

modalidade não tendo um alojamento.

A Figura 9B é uma tabela que ilustra um diâmetro de diafragma e uma freqüência ultra-sônica como uma função de espessura de parede.

A Figura 10 é uma vista em seção transversal e uma

3 0 vista expandida de um alojamento significativo estruturalmente de acordo com uma outra modalidade da presente invenção.

A Figura 11 é uma vista em seção transversal e uma vista em perspectiva de um alojamento significativo estruturalmente de acordo com uma outra modalidade da presente invenção.

A Figura 12A é uma vista em elevação e uma vista em seção transversal de uma outra modalidade da presente invenção tendo pastilhas piezoelétricas para amortecimento de sinais ultra-sônicos portados pela estrutura de acordo com a presente invenção.

A Figura 12B é uma vista em elevação e uma vista em seção transversal da modalidade da Figura 12A.

A Figura 12C é uma vista em elevação e uma vista em seção transversal da modalidade da Figura 12A.

A Figura 12D é uma vista em elevação e uma vista em seção transversal da modalidade da Figura 12A.

A Figura 13 é um diagrama de blocos de uma lógica de fluxo usada no aparelho da presente invenção. A Figura 14 é um gráfico κ-ω de dados processados a

partir de um aparelho que concretiza a presente invenção, que ilustra a inclinação da crista convectiva, e um gráfico da função de otimização da crista convectiva.

A Figura 15 é um diagrama de blocos de um aparelho 2 5 para a medição do campo de vórtice ou de outras características de fluxo de um fluxo de processo dentro de um tubo, de acordo com a presente invenção.

A Figura 16 é um gráfico de um sinal criado por um sinal ultra-sônico de 1 MHz de um transdutor, de acordo com a presente invenção. A Figura 17 é uma vista em seção transversal de componentes portadas pela estrutura e portadas pelo fluido se propagando através de uma parede de tubo tendo um sensor ultra-sônico afixado a ela.

A Figura 18 é um gráfico de um sinal ultra-sônico

recebido juntamente com um sinal de vhalo' indesejado, de acordo com a presente invenção.

A Figura 19 é uma vista em seção transversal de componentes portadas pela estrutura e portadas pelo fluido

se propagando através de uma parede de tubo tendo um sensor ultra-sônico afixado a ela.

A Figura 2 0 é um gráfico que mostra a velocidade de fase de modos circunferenciais suportados com a parede de um tubo, de acordo com a presente invenção.

A Figura 21 é uma vista em seção transversal de

componentes portadas pela estrutura e portadas pelo fluido se propagando através de uma parede de tubo tendo um sensor ultra-sônico afixado a ela e tendo um par de blocos fixos com epóxi à parede de tubo para atenuação do sinal de halo,

2 0 de acordo com a presente invenção.

A Figura 22 é um gráfico que mostra o sinal recebido com e sem blocos de halo com epóxi.

A Figura 23 é um diagrama que ilustra o fluxo de energia ultra-sônica injetada em um tubo sem blocos de

redução de halo.

A Figura 24 é um diagrama que ilustra o fluxo de energia ultra-sônica injetada em um tubo com blocos de redução de halo. Descrição Detalhada

3 0 A presente invenção mostra aparelhos e métodos para a redução do impacto de ruído portado pela estrutura, um subproduto não pretendido da criação do pulso de interrogação ultra-sônico portado pelo fluido, na operação de medidores de fluxo ultra-sônicos de fluxo pendurados, tal com descrito no Pedido de Patente U.S. N0 10/756.977, depositado em 13 de janeiro de 2004, o qual é incorporado aqui como referência.

As Figuras 1 e 2 ilustram um medidor de fluxo ultra- sônico de pendurar 110, conforme descrito no Pedido de Patente U.S. N0 10/756.977, onde o medidor de fluxo ultra- sônico 110 inclui um arranjo de sensores ultra-sônicos 112 tendo uma pluralidade de sensores ultra-sônicos 114 a 120 dispostos axialmente ao longo do comprimento do tubo 104. Cada sensor ultra-sônico 114 a 120 compreende um transmissor 122 e um receptor 124. O transmissor 122 provê um sinal ultra-sônico para o receptor correspondente 124, onde o sinal ultra-sônico é ortogonal à direção do fluxo de um fluido 126. Embora esta modalidade do presente medidor ultra-sônico de pendurar 110 seja descrita, será apreciado

2 0 que a presente invenção é aplicável a outras modalidades,

tal como aquilo descrito e ensinado no Pedido de Patente U.S. N0 10/756.977, incluindo modalidades em sinais ultra- sônicos não ortogonais, configurações de passo e captura, configurações de eco de pulso e sensores ultra-sônicos de transmissor / receptor combinados, conforme mostrado nas Figuras 3 a 6.

Por exemplo, embora cada uma das unidades de sensor ultra-sônico 114 a 120 compreenda um par de sensores ultra- sônicos (transmissor e receptor) 122, 134 que são

3 0 diametralmente opostos para a provisão de uma transmissão, a presente invenção contempla que um dos seus 122, 124 de cada unidade de sensor 114 a 120 pode ser deslocada axialmente, de modo que o sinal ultra-sônico a partir do sensor ultra-sônico tenha uma componente axial em sua direção de propagação, conforme mostrado na Figura 3.

Conforme mostrado na Figura 4, a presente invenção também contempla que as unidades de sensor 114 a 12 0 do dispositivo de detecção 112 possam ser configuradas em uma configuração de pulso / eco. Nesta modalidade, cada unidade de detecção 114 a 120 compreende um sensor ultra-sônico que transmite um sinal ultra-sônico através da parede de tubo e do fluido substancialmente ortogonal à direção de fluxo e recebe uma reflexão do sinal ultra-sônico refletido de volta a partir da parede do tubo para o sensor ultra- sônico.

Com referência à Figura 5, o dispositivo de detecção 112 pode ser configurado para funcionar em uma configuração de passo e captura. Nesta modalidade, cada unidade de sensor 114 a 120 compreende um par de sensores ultra- sônicos (transmissor, receptor) 122, 124 dispostos axialmente ao longo do tubo 104 disposto no mesmo lado do tubo 104 a uma distância predeterminada espaçados. Cada sensor transmissor 122 provê um sinal ultra-sônico em um ângulo predeterminado no fluxo 126. 0 sinal ultra-sônico se propaga através do fluido 126 e reflete para fora da superfície interna do tubo 104 e reflete o sinal ultra- sônico de volta através do fluido 126 para o respectivo sensor receptor 124.

A Figura 6 mostra uma outra configuração de passo e 3 0 captura para o dispositivo de detecção 112 contemplado pela presente invenção. Esta configuração é similar àquela mostrada na Figura 5, exceto pelo fato de os sensores dispostos entre os sensores de extremidade funcionarem como um transmissor e um receptor. Esta configuração de passo e captura reduz o número de sensores necessários para operação.

Com referência de volta à Figura 1, os sinais Si(t) - Sn (t) recebidos a partir do sensor ultra-sônico 114 a 120 são processados através de um processador de sinal ultra- sônico 128 e de um processador de sinal 13 0 (que tem um processador de arranjo 131) para a determinação da velocidade do fluxo de fluido e/ou uma vazão volumétrica. O processador de sinal 130 inclui pelo menos uma lógica de processamento de arranjo, conforme será descrito em maiores detalhes aqui adiante (veja as Figuras 13 e 14) ; e uma lógica de processamento de correlação cruzada, também conforme será descrito em maiores detalhes aqui adiante (Figura 15).

Deve-se apreciar que a presente invenção é aplicável 2 0 pelo menos a todas as configurações de um medidor de fluxo ultra-sônico aqui (bem como a outras não descritas aqui), e será descrita em maiores detalhes aqui abaixo.

Especificamente, a presente invenção ensina abordagens complementares para a atenuação ou eliminação do componente portado pela estrutura 100 do sinal ultra-sônico. Por exemplo, uma modalidade compreende um alojamento significativamente estrutural, e uma segunda modalidade incluindo filmes piezoelétricos aplicados à superfície externa do tubo 104 para amortecimento das vibrações ultra- sônicas portadas pela estrutura. A primeira modalidade, conforme mostrado na Figura 7, envolve o uso de um alojamento estruturalmente significativo 132 para grampeamento ao exterior da tubulação de processo 104. O alojamento 132 é estruturalmente significativo em termos de massa e rigidez, se comparado com o tubo 104 em si, e uma vez que o medidor ultra-sônico de pendurar 110 (veja a Figura 1) (incluindo o alojamento 132) seja montado no tubo 104, o alojamento 132 e a parede de tubo 104 essencialmente formam um corpo estrutural único nas freqüências de excitação ultra-sônica de interesse. A idéia é grampear o alojamento estruturalmente significativo 132 ao tubo 104 com força suficiente, possivelmente com a adição de epóxi, para efetivamente modificar as características de vibração ultra-sônica do tubo 104.

Mais especificamente, o alojamento estruturalmente significativo 132 essencialmente modifica as propriedades estruturais do percurso estrutural inteiro (ou substancialmente o percurso inteiro) entre os transdutores ultra-sônicos de transmissão e de recepção 122, 124. O alojamento estruturalmente significativo 132 contata e reforça todas as áreas do tubo 104, exceto pela área imediata dos transdutores de transmissão e de recepção 122, 124 . Dado que a rigidez ã flexão de uma placa é comparável 2 5 com o cubo da espessura da placa, dobrar a espessura de parede efetiva aumenta a rigidez à flexão efetiva por um fator de 8. Assim, como um princípio básico, esta invenção considera dobrar a rigidez à flexão em pelo menos 2x como sendo "significativo" e, assim, um alojamento estrutural 132 do mesmo material que o tubo 104 precisa apenas resultar em um aumento de aproximadamente 25% na espessura de parede de tubo 104 efetiva para ser considerado significativo. Assim, a presente invenção melhora a capacidade relativa dos sensores de transmissão e de recepção 122, 124 de se comunicarem através do fluido 126 com respeito ao percurso de fluido portado estruturalmente.

Além de impedir a propagação da componente de onda estrutural 100 a partir do sensor de transmissão 122 para o sensor de recepção 124, o projeto do alojamento estruturalmente significativo 132 pode ser otimizado para se aumentar a transmissão da componente de onda ultra- sônica portada pelo fluido 102. Com referência à Figura 9, com o alojamento estruturalmente significativo 132 no lugar, a seção não reforçada 103 da parede de tubo 104 efetivamente aparece como um diafragma grampeado.

Blevins, Formulas for Natural Frequency and Mode Shapes (o qual é incorporado aqui como referência) provê fórmulas para a freqüência natural de um diafragma grampeado. Por exemplo, para um diafragma grampeado tendo 2 0 um diâmetro a, e espessura h, para um módulo de material E, uma relação de Poisson, v, e uma massa por unidade de área, g, a freqüência natural pode ser dada por:

X1

Λ 2mt:

25

Eh3

onde fij é tabulado.

Esta formulação despreza o efeito de enrijecimento do mundo real da curvatura da parede de tubo 104 na área não reforçada e, assim, provavelmente predirá a menos a 3 0 freqüência natural para uma dada geometria. Contudo, reconhecendo esta limitação, os cálculos iniciais mostram que para uma parede de tubo 104 de -0,3 polegadas (7,62 mm) , e as áreas de sensor não reforçadas de aproximadamente 0,75 polegadas (17,78 mm) de diâmetro, um disco circular de placa plana tem freqüências ressonantes da ordem de 10.000 Hz a 500.000 Hz, o que está na faixa de transdutores ultra- sônicos. Assim, sintonizando a freqüência natural do sistema de diafragma que é formada usando um alojamento estruturalmente significativo 132 com a freqüência de transmissão primária dos sensores ultra-sônicos 114 a 120 criados pelo acionamento do transdutor em uma freqüência específica, ou pulsando o transdutor, é prático e possível com os transdutores ultra-sônicos comumente disponíveis e o projeto proposto aqui. O tubo não reforçado padronizado demonstra uma

seletividade de freqüência com respeito a ondas ultra- sônicas de incidência normal. A transmissão de ondas ultra- sônicas incidentes normais 102 é maximizada a freqüências que correspondem ao comprimento de onda das ondas de compressão na parede de tubo 104 sendo um número inteiro de comprimentos de meia onda,

, 2í í-n —

A = — ou J - « 9 »

η Δ1

Assim, para um tubo de aço de 0,3 polegadas (7,62 mm) de

espessura, uma transmissão máxima ocorre a 340 kHz, 680 kHz, 1020 kHz, etc.

O efeito do alojamento estruturalmente significativo 132 seria maximizado se a freqüência ressonante do sistema de diafragma projetado acima coincidido com uma das 3 0 freqüências de transmissão máxima. A tarefa de projeto de alinhamento das duas freqüências ressonantes se torna aquela de selecionar o diâmetro do "diafragma", de modo que a freqüência natural do "diafragma" se alinhe com a freqüência de transmissão máxima. A inspeção das equações acima mostra que esta condição é essencialmente encontrada para "diafragmas" com raios iguais à espessura da parede de tubo 104.

Assim, sob as hipóteses simplificadas, mas ainda realistas discutidas aqui, um diâmetro de "diafragma" ótimo pode ser igual a duas vezes a espessura do tubo 104. Estes valores são tabulados na Tabela 1 mostrada na Figura 9B.

Note que conforme a parede de tubo 104 se torna mais espessa, o diâmetro de "diafragma" ótimo aumenta. Dado o tamanho de transdutores convencionais, este efeito pode ser mais bem alavancado para tubos de parede espessa, tais como aqueles usados em poços de óleo e gás de alta pressão.

Com referência à Figura 10, uma modalidade adicional de um alojamento estruturalmente significativo 200 é mostrada, onde a presença do alojamento estruturalmente significativo 200 provê múltiplas mudanças de impedância, percursos de dissipação de energia alternativos e um amortecimento aumentado para redução do nível de ruído portado pela estrutura presente para interferir com o sinal portado pelo fluido requerido para a feitura de uma medição de fluxo. Especificamente, o alojamento estruturalmente significativo 200 inclui um material de amortecimento viscoelástico 202 introduzido em fendas 204 no alojamento 200. Para ondas estruturais 100 se propagando através do alojamento, o projeto das fendas 204 provê um cisalhamento do material viscoelástico 202, efetivamente aumentando o amortecimento da onda estrutural 100.

Com referência à Figura 11, uma outra modalidade de um alojamento estruturalmente significativo 3 00 é mostrada com o material de amortecimento viscoelástico 202 afixado entre o alojamento 300 e as placas estruturalmente significativas 302. O alojamento estruturalmente significativo 300 e as placas estruturalmente significativas 3 02 servem para a restrição do material viscoelástico 202, quando defletido, efetivamente aumentando o amortecimento da onda estrutural 100.

Embora a presente invenção de um alojamento estruturalmente significativo 132, 200, 300 atenue os sinais ultra-sônicos portados pela estrutura 100 se propagando circunferencialmente em torno do tubo 104, deve ser apreciado que o alojamento 132, 200, 300 também atenuará ou eliminará sinais ultra-sônicos portados pela estrutura se propagando axialmente 100. Ainda, embora o alojamento 132, 200, 300 seja mostrado como um alojamento único compreendido por duas metades aparafusadas em conjunto para retenção dos sensores ultra-sônicos 114 a 120 do arranjo de sensores 112, deve ser apreciado que a presente invenção contempla que o medidor ultra-sônico possa compreender uma pluralidade de alojamentos significativos estruturalmente independentes discretos, onde cada sensor 114 a 120 do arranjo 112 pode ser montado no tubo 104 por um respectivo alojamento estruturalmente significativo 132, 200, 300. É contemplado, ainda, que um alojamento 132, 200, 300 também pode incluir qualquer número de sensores ultra-sônicos 114 a 120 menor do que o 3 0 número total do arranjo 112. Com referência às Figuras 12A, 12B, 12C e 12D, uma abordagem adicional de atenuação ou amortecimento do sinal ultra-sônico portado pela estrutura ou vibração 100 inclui o uso de piezofilmes 304 aplicados à superfície externa do tubo 104. Os piezodispositivos 304 ligados a uma estrutura vibrando e eletricamente derivados para dissipação de carga gerada pela deformação são bem conhecidos por servirem como dispositivos de amortecimento efetivos para vibração estrutural (por exemplo, um piezoamortecimento de lâminas de ventilador) . Ao se sintonizarem as propriedades elétricas do piezocircuito RLC 306, o circuito 306 pode ser otimizado para preferencialmente amortecer uma vibração estrutural de uma freqüência específica.

Um objetivo da presente invenção é ligar os materiais piezoelétricos (por exemplo, um filme de PVDF) 304 à parede de tubo 104 ao longo da região da parede na qual a vibração ultra-sônica portada pela estrutura interferindo 100 (veja a Figura 8) viajaria. 0 circuito 306 poderia ser de natureza de banda larga ou sintonizado para a otimização da atenuação de vibrações em freqüências específicas.

Alternativamente ao sistema eletrônico passivo descrito acima, o filme de PVDF 304 também poderia ser usado em um circuito ativo para amortecer preferencialmente uma vibração estrutural específica. Um filme piezoelétrico 3 04 é similar àquele mostrado no Pedido de Patente U.S. N° 10/712.833, depositado em 12 de novembro de 2003, o qual é incorporado aqui como referência.

Em uma configuração divisada, o sistema de pvdf é aplicado ao tubo 104 como um subsistema separado do sistema de medição de fluxo ultra-sônico existente. Tipicamente, os piezotransdutores são usados para a criação e a detecção de sinais ultra-sônicos. 0 uso proposto de piezoamortecedores constitui um sistema em separado projetado para redução ou eliminação da componente portada pela estrutura 100 do sinal ultra-sônico, gerada não intencionalmente como um subproduto de geração da componente portada pelo fluido 200, chegando ao detector ultra-sônico 124 idealmente pretendido para responder apenas a dispositivos ultra- sônicos portados pelo fluido. Uma ilustração de uma modalidade deste conceito é mostrada nas Figuras 12A, 12B, 12C e 12D.

O comprimento de onda de compressão em aço a 1 MHz é de aproximadamente 0,2 polegadas (5,08 mm). De modo ideal, a extensão espacial dos patches de PVDF deve almejar um número inteiro ímpar de meios comprimentos de onda, especificamente, ~ 0,1, 0,3, 0,5 polegadas (2,54, 7,62, 12,7 mm), etc.

Com referência de volta à Figura 1, a lógica de fluxo no processador 13 0 pode determinar a velocidade de cada 2 0 sensor no arranjo de sensores 114 a 120 usando uma ou ambas as técnicas a seguir para a determinação da velocidade de convecção de perturbações de vórtice no fluxo de processo 126 ou outras características do fluxo de processo 126 que se movam / circulem com o fluxo de processo 126 pela 1) caracterização da crista convectiva das perturbações de vórtice ou outras características usando técnicas de processamento de arranjo que usem um arranjo 112 de sensores ultra-sônicos 114 a 120, e/ou 2) uma correlação de variações não permanentes nos sinais ultra-sônicos usando os sensores ultra-sônicos 114 a 120. Deve ser apreciado que, embora os sensores 114 a 12 0 tenham sido mostrados e descritos, a presente invenção não está limitada nesse sentido, e o número de sensores pode variar. Por exemplo, qualquer número de sensorés pode ser usado, tal como de 2 a 16 sensores, sem que se desvie do escopo da invenção.

Com referência à Figura 13, um diagrama de blocos que ilustra a lógica de fluxo 308 no processador 130 da Figura 1 é mostrado e é usado para a caracterização da crista convectiva das variações não permanentes dos sinais ultra- sônicos e determinação das vazões. Conforme mostrado na Figura 13, a lógica de fluxo 308 inclui uma unidade de aquisição de dados 310 (por exemplo, um conversor A/D) que converte os sinais analógicos Tx(t) ... TN(t) em respectivos sinais digitais e prove os sinais digitais Ti(t) ... TN(t) para uma lógica de FFT 312. A lógica de FFT 312 calcula a transformada de Fourier dos sinais de entrada baseados no tempo digitalizados Ti (t) ... Tn (t) e provê sinais de domínio de freqüência complexo (ou baseados em freqüência) Ti (ω), T2 (ω) , T3 (ω) , ... Tn (ω) indicativos do conteúdo de freqüência dos sinais de entrada. Deve ser apreciado que ao invés de FFTs, qualquer outra técnica para a obtenção das características de domínio de freqüência dos sinais Ti (ω) a Tn (ω) pode ser usada. Por exemplo, densidade espectral cruzada e densidade espectral de potência podem ser usadas para a formação de funções de transferência de domínio de freqüência (ou resposta de freqüência ou relações) discutidas aqui adiante.

Uma técnica de determinação da velocidade de convecção das estruturas coerentes (por exemplo, vórtices turbulentos) 314 no fluxo 126 é pela caracterização de uma crista convectiva das variações não permanentes resultantes, usando-se um arranjo 112 de sensores 114 a 120 ou outras técnicas de formação de feixe, similares àquelas descritas no pedido de Patente U.S. N° de Série 09/729.994, depositado em 4 de dezembro' de 200, agora Patente U.S. N0 6.609.069, o que é incorporado aqui como referência em sua totalidade.

Um acumulador de dados 316 acumula os sinais de freqüência Ti (ω) a Tn (ω) por um intervalo de amostragem, e

provê dados para um processador de arranjo 318, o qual realiza uma transformada espacial - temporal (bidimensional) dos dados de sensor, a partir do domínio x- t para o domínio κ-ω, e, então, calcula a potência no plano κ-ω como representado por um gráfico κ-ω.

O processador de arranjo 318 pode usar uma formação de

feixe assim denominada pádrão, um processador de arranjo ou algoritmos de processamento de arranjo adaptativos, isto é, algoritmos para processamento dos sinais de sensor usando- se vários atrasos e uma atribuição de peso para a criação

2 0 de relações de fase adequadas entre os sinais providos

pelos sensores diferentes, desse modo se criando uma funcionalidade de arranjo de antena em fase. Em outras palavras, a formação de feixe ou algoritmos de processamento de arranjo transforma os sinais de domínio de

tempo do arranjo de sensor 112 em suas componentes de freqüência espacial e temporal, isto é, em um conjunto de números de onda dado por k = 2π/λ, onde λ é o comprimento de onda de uma componente espectral, e as freqüências angulares correspondentes dadas por ω = 2πν.

3 0 Deve ser apreciado que a técnica anterior ensina muitos algoritmos de uso na decomposição espacial e temporal de um sinal a partir de um arranjo em fase de sensores, e a presente invenção não está restrita a qualquer algoritmo em-- particular. Um algoritmo de processamento de arranjo adaptativo em particular é o método / algoritmo de Capon. Embora o método de Capon seja descrito como um método, a presente invenção contempla o uso ou o uso combinado de outros algoritmos de processamento de arranjo adaptativos, tal como o algoritmo MUSIC. A presente invenção também reconhece que essas técnicas podem ser usadas para a determinação de vazão, isto é, que os sinais causados por um parâmetro estocástico circulando com um fluxo 126 são estacionários no tempo e podem ter um comprimento de coerência longo o bastante de modo que seja prático localizar sensores 114 a 120 espaçados uns dos outros e ainda estando no comprimento de coerência.

As características ou parâmetros convectivos têm uma relação de dispersão que pode ser aproximada pela equação

2 0 de linha reta:

κ = ω / u,

onde u é a velocidade de convecção (velocidade de fluxo) . Com referência à Figura 14, um gráfico κ-ω é um gráfico de pares κ-ω obtidos a partir de uma análise espectral de amostras de sensores associadas a parâmetros convectivos que são retratados de modo que a energia da perturbação corresponda de forma espectral a emparelhamentos que poderiam ser descritos como uma crista substancialmente reta, onde a crista, na teoria de camada limite turbulenta,

3 0 é denominada uma crista convectiva. Para o cálculo da potência no plano κ-ω, conforme representado por um gráfico de κ-ω (veja a Figura 14) de qualquer um dos sinais, o processador de arranjo 318 determina o comprimento de onda e, assim, o número de onda (espacial) k, e também a freqüência (temporal) e, assim, a freqüência angular ω de várias componentes espectrais do parâmetro estocástico. Há numerosos algoritmos disponíveis no domínio público para a realização de uma decomposição espacial / temporal de arranjos de sensores 114 a 120.

A presente modalidade pode usar uma filtração temporal

e espacial para o pré-condicionamento dos sinais para efetivamente filtrarem as características de modo comum e outras características de comprimento de onda longo (se comparado com o espaçamento de sensor) no tubo 104 pela

diferenciação de sensores adjacentes 114 a 120 e retendo-se uma porção substancial do parâmetro estocástico associado ao campo de fluxo e quaisquer outros parâmetros estocásticos de freqüência baixa de comprimento de onda curto (se comparado com o espaçamento de sensor).

2 0 No caso de estruturas coerentes adequadas 314 estarem

presentes, a potência no plano κ-ω mostrado no gráfico κ-ω da Figura 14 mostra uma crista convectiva 320. A crista convectiva 320 representa a concentração de um parâmetro estocástico que circula com o fluxo 126 e é uma

manifestação matemática da relação entre as variações espaciais e as variações temporais descritas acima. Um gráfico como esse indicará uma tendência de os pares κ-ω aparecerem mais ou menos ao longo de uma linha 320 com alguma inclinação, onde a inclinação indica a velocidade de

3 0 fluxo. Uma vez que a potência no plano κ-ω seja determinada, um identificador de crista convectiva 322 usa um ou outro método de extração de aspecto para a determinação da localização e da orientação (inclinação) de qualquer crista convectiva 320 presente no plano κ-ω. Em uma modalidade, um assim denominado método de empilhamento inclinado é usado, um método no qual a freqüência acumulada de pares K- ω no gráfico κ-ω ao longo de raios diferentes emanando a partir da origem são comparados, cada raio diferente estando associado a uma velocidade de convecção de tentativa diferente (pelo fato de a inclinação de um raio ser assumida como sendo a velocidade de fluxo ou estando correlacionada à velocidade de fluxo de uma forma conhecida). O identificador de crista convectiva 322 provê uma informação sobre as velocidades de convecção de tentativa diferentes, uma informação referida geralmente como uma informação de crista convectiva.

Um analisador 324 examina a informação de crista convectiva incluindo a orientação (inclinação) de crista convectiva. Assumindo a relação de dispersão de linha reta dada por κ = ω / u, o analisador 3 24 determina a velocidade de fluxo e/ou o fluxo volumétrico, os quais são extraídos como parâmetros 326. O fluxo volumétrico é determinado pela multiplicação da área de seção transversal do interior do tubo 104 pela velocidade do fluxo de processo 126.

Conforme citado previamente, para fluidos newtonianos turbulentos, tipicamente há uma quantidade significativa de dispersão por uma faixa ampla de relações de comprimento de onda para diâmetro. Como resultado, a crista convectiva 320 no gráfico κ-ω é substancialmente reta por uma faixa de freqüência ampla e, assim sendo, há uma faixa de freqüência ampla para a qual a relação de dispersão de linha reta dada por κ = ω / u provê medições acuradas de velocidade de fluxo.

Para fluidos estratifiçados, contudo, algum grau de dispersão existe, de modo que as estruturas coerentes 314 circulem a velocidades as quais dependem do seu tamanho. Como resultado do aumento dos níveis de dispersão, a crista convectiva 320 no gráfico κ-ω se torna crescentemente não linear.

2) Variações de pressão não permanentes de correlação cruzada usando-se um arranjo de sensores de pressão não permanentes.

Com referência à Figura 15, um processador 400 é provido, o qual usa uma correlação cruzada de variações não permanente dos sinais ultra-sônicos para a determinação das vazões. A unidade de processamento 400 da Figura 15 determina a velocidade de convecção das perturbações de vórtice no fluxo 126 pela correlação cruzada de variações ultra-sônicas não permanentes usando-se um arranjo de sensores ultra-sônicos 114 a 120 similar àqueles mostrados na Patente U.S. N0 6.889.5 62, depositada em 8 de novembro de 2001, a qual é incorporada aqui como referência.

Com referência agora à Figura 15, a unidade de processamento 400 tem duas regiões de medição localizadas a uma distância ΔΧ espaçada ao longo do tubo 104. Cada par de sensores 114, 116 e 118, 120 de cada região atua como filtros espaciais para a remoção de certos sinais acústicos dos sinais de pressão não permanentes, e as distâncias Χχ, X2 são determinadas pela característica de filtração desejada para cada filtro espacial, conforme discutido aqui adiante.

Em particular, na unidade de processamento 400, o sinal ultra-sônico T1 (t) é provido para uma entrada positiva de um somador 402, e o sinal ultra-sônico T2 (t) é provido para uma entrada negativa do somador 4 02. A saída do somador 4 02 é provida para a linha 4 04 indicativa da diferença entre os dois sinais ultra-sônicos Ti, T2 (por exemplo, T1 - T2 = Tasl) .

A linha 4 04 é alimentada para um filtro de passa banda 4 06, o qual passa uma banda de passagem predeterminada de freqüências e atenua as freqüências fora da banda de passagem. De acordo com a presente invenção, a banda de passagem do filtro 406 pode ser regulada para filtrar (ou atenuar) a porção dc e a porção de freqüência alta dos sinais de entrada e passar as freqüências entre elas. Outras bandas de passagem podem ser usadas em outras modalidades, se desejado. 0 filtro de passa banda 4 06 provê um sinal filtrado Tasfl em uma linha 408 para uma lógica de correlação cruzada 410, descrita aqui adiante.

O sinal ultra-sônico T3 (t) é provido para uma entrada positiva de um somador 412 e o sinal ultra-sônico T4 (t) é provido para uma entrada negativa do somador 412. A saída do somador 412 é provida em uma linha 414 indicativa da diferença entre os dois sinais ultra-sônicos T3, T4 (por exemplo, T3 - T4 = Tas2) . A linha 414 é alimentada para um filtro de passa banda 416, similar ao filtro de passa banda 4 06 discutido aqui anteriormente, o qual passa freqüências 3 0 na banda de passagem e atenua freqüências fora da banda de passagem. O filtro 416 provê um sinal filtrado TaSf2 em uma linha 418 para a lógica de correlação cruzada 410. Os sinais nos somadores 402, 412 podem ser trocados, se desejado, desde que os sinais de ambos os somadores sejam trocados em conjunto. Além disso, os sinais ultra-sônicos Ti, T2, T3, T4 podem ser escalonados, antes da apresentação para os somadores 4 02, 412.

A lógica de correlação cruzada 410 calcula uma correlação cruzada de domínio de tempo conhecida entre os sinais Tasfi e Tasf2 nas linhas 408, 418, respectivamente, e provê um sinal de saída em uma linha 42 0 indicativa do atraso de tempo τ que ele assume para um campo de fluxo de vórtice 314 (ou vórtice, estocástico ou estrutura de vórtice, campo, perturbação ou perturbação no fluxo) para propagação a partir de uma região de detecção para a outra região de detecção. Essas perturbações de fluxo de vórtice, conforme é conhecido, são condições dinâmicas coerentes que podem ocorrer no fluxo, as quais decaem substancialmente (por uma quantidade predeterminada) por uma distância predeterminada (ou comprimento de coerência) e circulam (ou fluem) na ou próximas da velocidade média de fluxo de fluido. Conforme descrito acima, o campo de fluxo de vórtice 314 também tem uma perturbação de pressão estocástica ou de vórtice associada a ele. Em geral, as perturbações de fluxo de vórtice 314 são distribuídas por todo o fluxo, particularmente em regiões de cisalhamento alto, tais como camadas limites (por exemplo, ao longo da parede interna do tubo 104) e são mostradas aqui como campos de fluxo de vórtice discretos 314. Devido ao fato de os campos de fluxo de vórtice (e a perturbação de pressão associada) circularem na ou próximos da velocidade de fluxo média, o atraso de tempo de propagação τ está relacionado à velocidade do fluxo pela distância ΔΧ entre as regiões de medição, conforme discutido aqui adiante.

Com referência à Figura 15, um sinal de espaçamento ΔΧ

em uma linha 422 indicativo da distância ΔΧ entre as regiões de detecção é dividido pelo sinal de atraso de tempo τ na linha 420 por um divisor 424, o qual provê um sinal de saída na linha 426 indicativo da velocidade de convecção Uc (t) da mistura de vapor / líquido saturada fluindo no tubo 104, a qual está relacionada (ou é proporcional à ou aproximadamente igual à) à velocidade de fluxo ponderada (ou média) Uf (t) do fluxo 126, conforme definido abaixo:

UcCO = ΔΧ/τ oc UKO

A presente invenção usa uma filtração temporal e espacial para pré-condicionamento dos sinais ultra-sônicos para efetivamente filtrar as perturbações acústicas Pacoustic e outras perturbações de comprimento de onda longo (se 2 0 comparado com o espaçamento do sensor) no tubo 104 nas duas regiões de detecção e reter uma porção substancial do sinal ultra-sônico TvortiCai associado ao campo de fluxo de vórtice 314 e quaisquer outras perturbações de pressão de freqüência baixa de comprimento de onda curto (se comparado ao espaçamento de sensor) Tother· De acordo com a presente invenção, se perturbações de pressão de freqüência baixa Tother forem pequenas, elas não prejudicarão

substancialmente a acurácia de medição de J-vortical ■

Embora a correlação cruzada tenha sido mostrada usando-se quatro sensores, onde dois sensores foram somados em conjunto para a formação de uma região de detecção, a invenção contempla que cada região de detecção pode ser compreendida apenas por -um ou mais sensores dispostos em uma localização axial ao longo do tubo 104.

Conforme mencionado aqui anteriormente, a presente

invenção contempla que o alojamento e blocos para atenuação dos sinais ultra-sônicos estruturais possam ser usados com qualquer configuração de "sensores ultra-sônicos 114 a 120. Especificamente, qualquer uma das três classes de medidores de fluxo que utilizam transdutores ultra-sônicos, os quais incluem medidores de fluxo ultra-sônicos de tempo de trânsito (TTUF), medidores de fluxo ultra-sônicos de Doppler (DUF), e medidores de fluxo ultra-sônicos de correlação cruzada (CCUF). Os CCUFs medem o tempo requerido para feixes ultra-

sônicos transitarem através de um percurso de fluxo em duas localizações axialmente espaçadas ao longo do tubo 104 . Neste princípio de medição, variações no tempo de trânsito são assumidas como se correlacionando a propriedades que circulam com o fluxo 126, tais como uma estrutura de vórtice, não homogeneidades na composição de fluxo, variações de temperatura, para denominar umas poucas.

Os CCUFs utilizam sinais acústicos de alta freqüência, isto é, ultra-sônicos, para a medição de freqüências muito mais baixas, propriedades que variam no tempo de estruturas no fluxo 126. Como todos os outros medidores de fluxo baseados em correlação cruzada, as perturbações físicas as quais causam variações no tempo de trânsito devem reter algum nível de coerência pela distância entre os dois 3 0 sensores. Os medidores de fluxo ultra-sônicos de correlação cruzada têm estado por aí desde o início dos anos 1960. Os CCUFs tipicamente são muito mais robustos a variações em composição de fluido do que outras abordagens de medição de fluxo baseada em ultra-som, tais como bombas baseados em tempo de trânsito e em Doppler.

Embora os CCFUs sejam operativamente mais robustos do que outras técnicas de interpretação ultra-sônicas, eles sofrem dos inconvenientes atribuídos à maioria dos medidores de fluxo de correlação cruzada, isto é, eles têm taxas de atualização lentas e são relativamente não acurados.

0 tempo de trânsito, definido como o tempo requerido para um feixe ultra-sônico se propagar por uma dada distância, pode ser medido usando-se um transmissor e um receptor ultra-sônicos radialmente alinhados. Para um fluido homogêneo sem componentes de velocidade transversal fluindo em um tubo infinitamente rígido, o tempo de trânsito pode ser dado pela relação a seguir:

2 0 t = D/Amix

onde t é o tempo de trânsito, D é o diâmetro do tubo 104, e Amix é a velocidade de propagação do som através do fluido 126 .

Em um fluxo como esse, uma variação do tempo de trânsito é análoga a uma variação na velocidade de som do fluido. Em fluidos reais, contudo, há muitos mecanismos, os quais poderiam causar pequenas variações no tempo de trânsito, as quais permanecem espacialmente coerentes para vários diâmetros de tubo. Para fluxos monofásicos,

3 0 variações na componente de velocidade transversal causarão variações no tempo de trânsito. Variações nas propriedades termofísicas de um fluido, tal como temperatura ou composição, também causarão variações. Muitos destes efeitos circulam com o fluxo. Assim, uma influência de velocidade transversal do fluido associada a estruturas de vórtice coerentes 314 no tempo de trânsito permite que medições baseadas em tempo de trânsito sejam adequadas para medição de fluxo de correlação cruzada para fluxos com propriedades de composição uniformes. A combinação de sensibilidade à perturbação de campo de velocidade e mudanças de composição torna a medição de tempo de trânsito bem adequada para aplicações monofásicas e multifásicas.

Apesar do funcionamento de CCUF por uma ampla faixa de composição de fluxo, os medidores de fluxo ultra-sônicos de tempo de trânsito padronizados (TTUF) são mais amplamente usados. Os TTUFs tendem a requerer fluidos relativamente bem comportados (isto é, fluidos monofásicos) e um acoplamento bem definido entre o transdutor e o fluido em si. Os TTUFs se baseiam na transmissão e na recepção de sinais ultra-sônicos que tenham alguma componente de sua propagação em linha com o fluxo. Embora esta exigência não imponha um problema significativo para TTUFs de transdutor úmidos em linha, ela impõe um desafio para dispositivos de grampear pela introdução da relação de velocidade de som no tubo para no fluido, como um parâmetro de operação importante. A influência deste parâmetro leva a problemas de confiabilidade e acurácia com os TTUFs de grampear.

Os CCFUs utilizam transdutores ultra-sônicos para criação e detecção de ondas ultra-sônicas se propagando 3 0 normais ao percurso de fluxo. Uma refração de ondas ultra- sônicas na interface de tubo / fluido não é uma questão e a relação entre a velocidade de som de tubo e do fluido não afeta diretamente a operabilidade de efeito.

Ainda em uma outra modalidade, cada par de transdutores 114 a 120 compreende um transmissor único 122 para a emissão de um sinal ultra-sônico através do fluxo 126 e um receptor 124, o qual recebe o respectivo sinal para processamento. O tempo que se leva para que o sinal chegue ao transdutor receptor 124 para cada par é calculado e alimentado para os algoritmos SONAR (no processador de arranjo 131), onde a vazão é calculada. Uma modalidade usa um algoritmo de detecção de sinal muito simplista que procura um pico na leitura obtida a partir do receptor 124. Este algoritmo funciona bem quando uma boa relação de sinal para ruido é observada no receptor 124, embora quando bolhas interceptam o percurso de sinal entre o transmissor 122 e o receptor 124 uma atenuação significativa possa ocorrer, a qual degradará severamente a qualidade do sinal recebido. A quantidade de atenuação variará, dependendo das características de bolha, tais como tamanho e densidade.

Com referência à Figura 17, o arranjo de transdutor ultra-sônico de transmissão 122 é periodicamente pulsado para a criação do sinal ultra-sônico que se transmite através do tubo 104 e do fluido. Cada transdutor terá uma freqüência de oscilação fundamental, a qual, quando pulsada, emitirá um sinal de rajada ultra-sônico curto. A Figura 16 mostra o sinal criado por um transdutor ultra- sônico de 1 MHz, quando pulsado com um pulso de 10 nS de largura criado no medidor de fluxo 110. Em aplicações típicas, o transdutor ultra-sônico de recepção 124 localizado no lado oposto do tubo 104 receberá este sinal, uma vez que tenha bissectado o tubo 104, embora, além deste sinal transmitido primário, outros sinais secundários indesejados também sejam detectados. Estes sinais secundários incluem porções do sinal original que foram refratadas ou refletidas ao longo de um percurso diferente através do tubo 104 da transmissão direta preferida. Freqüentemente, estes sinais secundários possuem resistência suficiente para ainda atingirem o transdutor receptor 124 e interferirão com o sinal desejado. Os exemplos destes sinais secundários incluem os sinais de halo 600 que viajam através da parede de tubo 104, sinais refletidos que podem ricochetear em múltiplas interfaces, tal como a interface de transdutor - tubo ou a interface de tubo - líquido, ou como no caso aqui em que um arranjo de transdutores é usado, a partir de um transdutor adjacente, conforme mostrado na Figura 17.

O sinal secundário dominante é o sinal de 'halo' 600. Esta é a porção do sinal ultra-sônico que viaja através da parede do tubo 104 e ainda pode ser detectada pelo transdutor de recepção 124. A Figura 18 mostra um diagrama deste sinal, se comparado com o sinal transmitido. Conforme mostrado na Figura 19, os transmissores ultra-sônicos de transmissão e de recepção 122, 124, respectivamente, são mostrados afixados à superfície externa de um tubo 104 . Eles são dispostos de modo que o sinal ultra-sônico gerado seja normal à direção do fluxo de fluido e viaje através do centro 602 do líquido no tubo 104. Conforme discutido acima, conforme o sinal ultra-sônico viaja através do tubo 3 0 104, bolhas 604 e outra matéria no tubo 104 se dispersarão e atenuarão o sinal, antes de ele atravessar plenamente o tubo 104 e ser detectado pelo transdutor de recepção 124. Também é descrito o sinal de 'halo' 600. Este sinal é criado através de reflexão e difração entre o transdutor ultra-sônico de transmissão 122, a parede de tubo 104 e o material presente dentro do tubo 104, devido à grande não combinação de impedância entre os vários materiais. Como um exemplo, a impedância do aço é de 4 5 MRayls em contraste com um fluido o qual tem uma impedância de 1,5 MRayls. Neste caso, apenas uma percentagem pequena do sinal ultra- sônico é realmente injetada no fluido, enquanto o restante é refletido por todo o sistema em geral. A maioria desta energia em excesso está presente na parede de tubo 104 na forma de ondas ultra-sônicas de cisalhamento e de compressão 600. Estas ondas viajarão por to do o tubo 104 e serão vistas pelo transdutor de recepção 124 juntamente com quaisquer sinais desejados. Ademais do fato de o sinal transmitido poder ser significativamente atuado conforme ele viajar através do fluido 126 no tubo 104, pode ser muito difícil distinguir o sinal desejado de todos os sinais secundários. A Figura 19 mostra um exemplo de um sinal ultra-sônico recebido 602 juntamente com um sinal de 'halo' indesejado 600. A seta indica a localização do pulso transmitido em relação ao sinal de 'halo' grande. Contraste isto com o sinal ultra-sônico limpo visto na Figura 16.

Para aumento da robustez do medidor de fluxo ultra- sônico 110, a quantidade do sinal de ruído pode ser diminuída pela redução mecânica da intensidade dos sinais ultra-sônicos de halo secundários que foram capazes de atingirem os detectores. Sinal para Ruído

Deve ser apreciado que a qualidade de qualquer medição de fluxo, independentemente da tecnologia, tipicamente é dependente da relação de sinal para ruído (S/N). Ruído, neste caso, é definido como uma porção do sinal medido que não contém uma informação de fluxo. É desejável maximizar a S/N para a obtenção de uma performance ótima. Conforme mencionado, a fonte de ruído dominante para o medidor de fluxo ultra-sônico 110 foi determinada como sendo o ruído de halo. Um ruído de halo é definido como o sinal visto pelo transdutor de recepção 124 que não passou através do fluido 126, mas, ao invés disso, viajou através da parede de tubo 104. Este sinal não contém uma informação de fluxo e, em certos casos, pode corromper a medição. A Figura 19 mostra o percurso de sinal e o percurso de anel.

O medidor de fluxo ultra-sônico 110 mede a modulação da medição de tempo de vôo (TOF) ortogonal à direção de fluxo. A modulação de TOF é devido a perturbações de vórtice no percurso de feixe, e a velocidade de fluxo é determinada pela correlação destas modulações coerentes pelo comprimento do arranjo de sensor.

Sob condições ideais, a relação do sinal passando através do fluido 126 para o ruído de halo é alta, e/ou a TOF diferencial entre os sinais é grande, e uma medição de fluxo pode ser feita. Em situações em que o sinal reto é atenuado devido a propriedades do fluido 124 (bolhas de ar, particulados, etc.), a relação S/N pode ser substancialmente reduzida e a medição de fluxo comprometida. Em casos em que o sinal e o ruído se 3 0 sobrepõem temporalmente, e/ou em situações em que o sinal de halo é maior do que o sinal direto, algoritmos de processamento de sinal avançados precisam ser empregados para a detecção do sinal. De modo a se reduzir a carga imposta ao algoritmo de detecção para a detecção de sinais pequenos na presença de um sinal de halo grande, métodos de redução da amplitude do ruído de halo foram investigados.

As propriedades da energia de halo diferem, dependendo da espessura de parede do tubo 104, da freqüência de transdutor, da qualidade de superfície de tubo, e do tamanho de transdutor. Falando geralmente, níveis mais altos de halo são vistos em diâmetros de tubo menores (isto é, de 2 polegadas (5,08 mm)) para uma dada freqüência de excitação de transdutor, devido à curvatura mais apertada da parede. Sinais de halo podem ser gerados quando uma energia do transdutor estiver diretamente acoplada à parede de tubo e/ou for um resultado de uma energia refletida a partir do da interface de tubo interno / líquido. Esta energia pode se propagar como uma variedade de ondas diferentes, tais como ondas de cisalhamento, longitudinais e de superfície. A Figura 20 mostra a velocidade de fase de modos circunferenciais suportados na parede de um tubo de aço de 2 polegadas (5,08 mm) de tabela 40. Pode ser visto que em freqüências de excitação baixas, tal como de 1 MHz, quatro modos podem ser suportados na parede de tubo, onde o 2 5 número de modos capazes de serem suportados aumenta com uma freqüência aumentada. A velocidade de fase dos modos de ordem mais baixa converge em aproximadamente 3000 metros/s.

Uma abordagem para a eliminação do halo envolve o acoplamento da energia em uma estrutura mecânica afixada ao tubo 104. Com referência^ à Figura 21, dois blocos de aço 500 foram usinados com uma curvatura ligeiramente maior do que o raio do tubo 104 de 2 polegadas (5,08 mm) . Um gel de acoplamento acústico foi aplicado entre o tubo 104 e a face curvada dos blocos 500. Os blocos 500 então foram acoplados ao tubo 104, o qual então foi preenchido com água e o ruído de halo foi medido e comparado com um sinal direto. Isto foi realizado, primeiramente, pela medição e gravação do sinal recebido contendo o ruído de halo e o sinal direto, seguidas por uma medição com o feixe direto bloqueado. A diferença entre as medições representa a contribuição do ruído de halo. 0 resultado destes testes mostrou que os blocos tinham pouco impacto na atenuação da energia acústica se propagando na parede de tubo 104.

Um segundo teste foi conduzido, em que os blocos 500 foram aderidos com epóxi à parede de tubo 104. Uma comparação destas medições mostrou uma atenuação substancial da energia de halo. A Figura 22 mostra o sinal recebido com e sem blocos de halo aderidos com epóxi 400. O primeiro sinal de chegada sem blocos de halo corre em aproximadamente 31 us. Isto é consistente com o tempo de trânsito calculado através do aço. 0 sinal direto contendo a informação de fluxo tem um tempo de trânsito de 41 us. Os blocos de halo atenuam o ruído de halo resultando em uma relação melhorada de sinal para ruído no receptor 124. Deve ser apreciado que melhoramentos na S/N de até 2 0 dB foram realizados com blocos de halo.

Deve ser apreciado, também, que, embora a presente invenção contemple o uso de um bloco de material 500 (por exemplo, aço) afixado ou encaixado ao tubo 104 para 3 0 atenuação de ondas acústicas se propagando através da parede de tubo 104, a invenção ainda contempla que os blocos 500 podem ser compreendidos por uma folha de material (por exemplo, aço, estanho e chumbo) que é aderida por epóxi ou encaixada ou afixada de outra forma à parede de tubo 104. O material de aço pode cobrir uma porção substancial da circunferência e do comprimento do arranjo de sensores 114 a 120. 0 projeto de atenuação pode compreender uma pluralidade de respectivas folhas para cada par de sensor ultra-sônico e dispostas em ambos os lados do tubo 104 entre o par de sensores.

Conforme discutido acima e conforme visto na Figura 23 e na Figura 24, para várias medições feitas em tubos 104, o tempo de trânsito de uma onda ultra-sônica é determinado e um parâmetro de tubo relacionado é derivado (por exemplo, velocidade de fluxo). Freqüentemente, a energia ultra- sônica é acoplada através de uma parede de tubo 104 e, então, no fluido confinado 126. 0 sinal de interesse é o sinal que passa através do fluido 126 (ou de um outro material contido no tubo 104) . Às vezes, este sinal é difícil de ver, porque parte da energia ultra-sônica é inevitavelmente acoplada à parede de tubo 104 e viaja em torno da circunferência da parede de tubo 104 e termina no topo do sinal desejado. Este sinal indesejado às vezes é referido como halo. Pela afixação de blocos 500 com impedância similar ao

tubo 104 à parede de tubo, o halo pode ser reduzido. Os blocos 500 podem reduzir o halo basicamente por dois métodos. Em primeiro lugar, para uma onda viajando na parede de tubo, o bloco 500, devido a sua espessura, cria 3 0 uma impedância diferente e a energia é refletida. Em segundo lugar, a energia que não é refletida viaja através do bloco 500 e não continua em torno do tubo 104. Note que os blocos 500 devem ser afixados ao tubo com um material sólido, porque um gel ou líquido não pode acoplar a onda de cisalhamento.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade de exemplo, será entendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos, sem que se desvie do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptação de uma situação ou de um material em particular aos ensinamentos da invenção, sem que se desvie do escopo essencial da mesma. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à(s) modalidade(s) em particular mostrada(s) aqui como o melhor modo contemplado para a realização desta invenção.

Claims

1. Aparelho para amortecimento de um sinal ultra- sônico que se propaga na parede de um tubo, o aparelho caracterizado pelo fato de compreender: um alojamento estrutural para fixação de pelo menos um sensor tendo um componente de transmissor e um componente de receptor para transmissão e recepção de um sinal ultra- sônico, onde o referido, alojamento é acoplado à parede externa do tubo para amortecimento dos referidos sinais ultra-sônicos se propagando na parede do tubo.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido alojamento ser acoplado à parede do tubo através de um adesivo.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido estrutural incluir pelo menos uma fenda contendo um material de amortecimento viscoelástico.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de pelo menos uma referida fenda incluir uma pluralidade de fendas dispostas pelo menos parcialmente ao longo de uma circunferência do referido alojamento estrutural.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de pelo menos uma referida fenda ser configurada para prover um cisalhamento do referido material viscoelástico e pelo fato de o referido alojamento estrutural ser exposto ao referido sinal ultra-sônico.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido alojamento estrutural incluir pelo menos uma placa estrutural afixada à parede de tubo e separada da parede de tubo por um material viscoelástico.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o referido componente de 5 transmissor ser associado à parede de tubo substancialmente oposto ao referido componente de receptor.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido alojamento estrutural ser configurado para aumento do amortecimento na parede de tubo pela provisão de múltiplas mudanças de impedância e percursos alternativos de dissipação de energia para um sinal ultra-sônico se propagando na parede de tubo.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido processador determinar vazões de um fluido passando no tubo pela amostragem dos sinais ultra-sônicos e pela identificação e correlação cruzada de variações não permanentes dos referidos sinais ultra-sônicos.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um processador amostrar os referidos sinais ultra-sônicos para a identificação e a determinação de uma orientação de uma crista convectiva no plano κ-ω.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os referidos sinais ultra- sônicos serem indicativos de perturbações de vórtice com um fluido fluindo no tubo, e pelo fato de um processador usar um algoritmo de formação de feixe para a definição de uma crista convectiva no plano κ-ω.

12. Aparelho para o amortecimento de um sinal ultra- sônico se propagando na parede de um tubo, o aparelho caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos uma estrutura de amortecimento para fixação de pelo menos um sensor à parede do tubo, onde pelo menos um sensor inclui um componente de transmissor e um componente de receptor para transmissão e recepção de um sinal ultra-sônico, onde pelo menos uma estrutura de amortecimento está associada a uma parede externa do tubo para amortecimento do referido sinal ultra-sônico se propagando dentro da parede do tubo; e um processador que define uma crista convectiva no plano k-co, em resposta aos referidos sinais ultra-sônicos, e determina uma inclinação de pelo menos uma porção da referida crista convectiva para a determinação de uma velocidade de fluxo de um fluido fluindo dentro do tubo.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de pelo menos uma referida estrutura de amortecimento ser associada à parede do tubo através de um adesivo.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o referido componente de transmissor e o referido componente de receptor serem associados à parede de tubo através de pelo menos uma estrutura de amortecimento.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o referido componente de transmissor ser associado à parede de tubo para ser disposto substancialmente oposto ao referido componente de receptor.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato" de pelo menos uma referida estrutura de amortecimento ser configurada para aumentar o amortecimento na parede de tubo pela provisão de múltiplas mudanças de impedância e percursos alternativos de dissipação de energia para um sinal ultra-sônico se propagando na parede de tubo.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o referido processador determinar uma vazão de um fluido passando no tubo pela amostragem dos referidos sinais ultra-sônicos e pela identificação e correlação cruzada de variações não permanentes dos referidos sinais ultra-sônicos.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o referido processador amostrar os referidos sinais ultra-sônicos para a identificação e a determinação de uma orientação da referida crista convectiva no plano κ-ω.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de os referidos sinais ultra- sônicos serem indicativos de perturbações de vórtice no referido fluido fluindo no tubo, e pelo fato de o referido processador usar um algoritmo de formação de feixe para a definição da referida crista convectiva no plano κ-ω.

20. Método para uma de um sinal ultra-sônico se propagando na parede de um tubo, o método caracterizado pelo fato de compreender: a introdução de um sinal ultra-sônico em um tubo que tem um fluido fluindo nele; a modificação das características de amortecimento da parede de tubo pela provisão de múltiplas mudanças de impedância na parede de tubo e pela provisão de percursos alternativos de dissipação de energia para os referidos sinais ultra-sônicos; e o processamento de um tempo de trânsito de sinais ultra-sônicos recebidos para a determinação de uma velocidade de fluxo do referido fluido.