BRPI0817500B1

BRPI0817500B1 - Sistema e método para medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente

Info

Publication number: BRPI0817500B1
Application number: BRPI0817500-4A
Authority: BR
Inventors: Ronie Lavon; Carlos Carvalho; Thomas Miskell; Vincent Rizzo
Original assignee: Meggitt (Orange County), Inc.
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2019-02-26
Also published as: CA2701375C; RU2010117162A; JP2010540942A; BRPI0817500B8; EP2198252A1; GB2492691B; GB2466162B; BRPI0817500A2; GB201218131D0; US8393208B2; RU2482453C2; US20110209543A1; GB2492691B8; US9453755B2; CA2701375A1; CN101836091A; US20090235737A1; WO2009046103A1; GB201006147D0; GB2466162A

Abstract

"sistema e método para medir com exatidão o nivel de fluido em um recipiente" são providos um sistema e um método para medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente. geralmente, o sistema contém uma porção alongada, sendo um tubo coaxial, que tem um centro oco, um braço sendo de formato coaxial, e um sensor contendo um transmissor capaz de criar e transmitir um pulso eletromagnético de excitação para percorrer a porção alongada e o braço, e um receptor para receber os pulsos refletidos, em que uma extremidade próxima da porção alongada se une a uma extremidade distai do braço de uma forma a criar um guia de onda para um pulso eletromagnético provido pelo sensor.

Description

“SISTEMA E MÉTODO PARA MEDIR COM EXATIDÃO O NÍVEL DE FLUIDO EM

UM RECIPIENTE”

REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDO CORRELATO

Esse pedido reivindica prioridade para o Pedido Provisional Copendente dos Estados Unidos intitulado TIME DOMAIN REFLECTROMETRY”, n° de série 60/976.615, depositado em 1 de outubro de 2007, que é integralmente aqui incorporado mediante referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere geralmente aos sensores de fluido, e mais particularmente se refere a um sensor de nível de fluido capaz de compensar múltiplas circunstâncias para prover uma leitura exata do nível de fluido.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Em muitos campos diferentes há a necessidade de se conhecer um nível atual de fluido dentro de um recipiente. Um método usado para determinar um nível atual de fluido dentro de um recipiente é o uso de reflectometria de domínio de tempo (TDR). Como sabido por aqueles de conhecimento comum na técnica, análise TDR inclui o uso de propagação de uma etapa ou pulso de energia tendo uma borda acentuada, também referida como uma interrogação, ou excitação, sinal, por um guia de onda e para um sistema, e a observação subsequente da energia refletida pelo sistema. Com a análise da magnitude, duração, e formato da forma de onda refletida, a natureza da variação de impedância no sistema de transmissão pode ser determinada.

Infelizmente, manter uma medição exata do nível de fluido é difícil. Conforme mencionado previamente, em um sistema TDR um sinal de interrogação é transmitido através de uma linha de transmissão. Uma linha de transmissão passando através de diferentes meios terá regiões de diferentes dielétricos. Como um resultado, a forma de onda refletida conterá descontinuidades em momentos que representam mudanças dielétricas ao longo da linha de transmissão. Além disso, sistemas TDR tradicionais continuamente varrem a linha de transmissão por um período de tempo que corresponde a quando uma reflexão de um sinal originador é recebida, onde o sinal originador se deslocou de uma extremidade da linha de transmissão para a outra. Esse processo é repetido cada vez que uma nova indicação de nível é necessária, o que é um ônus de processamento resultando em um sistema dispendioso que exige utilização de energia em excesso.

Atualmente há a necessidade de um método exato, seguro e confiável de medir a quantidade de fluido em um recipiente. Um exemplo de tal fluido pode incluir, por exemplo, um tanque de combustível contendo fluidos voláteis. Assim, existe uma necessidade até aqui não endereçada na indústria para tratar das deficiências e impropriedades anteriormente mencionadas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Modalidades da presente invenção proporcionam um sistema e método para medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente. Resumidamente descrita, na arquitetura, uma modalidade do sistema, entre outros, pode ser implementada como a seguir. O sistema contém uma porção alongada, sendo um turbo coaxial que tem um centro oco, um braço sendo de formato coaxial, e um sensor contendo um transmissor capaz de criar e transmitir um pulso eletromagnético de citação para percorrer a porção alongada e o braço, e um receptor para receber os pulsos refletidos, em que uma extremidade próxima da porção alongada se une a uma extremidade distai do braço de uma maneira a criar um guia de onda para um pulso eletromagnético provido pelo sensor.

O sistema e método da presente invenção também proveem um método de medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente através do uso de um equipamento com uma linha de transmissão e um sensor, em que o sensor compreende um transmissor capaz de criar e transmitir um pulso eletromagnético de excitação para percorrer a linha de transmissão, e um receptor de amostragem de aparência serrilhada para converter formas de onda refletidas de alta velocidade em uma forma de onda de velocidade inferior de “tempo igual para processamento através do uso de um método compreendendo as etapas de: varrer uma extensão da linha de transmissão que é colocada parcialmente ou completamente no fluido para verificar se o fluido reside ao longo da linha de transmissão, também referido como o nível de fluido atual; monitorar o nível de fluido mediante identificação de pontos de detecção de nível de fluido dentro da forma de onda de velocidade inferior de “tempo igual” emitida por uma janela de varredura do receptor de amostragem de aparência serrilhada; e ajustar a janela de varredura do receptor de amostragem de aparência serrilhada para monitorar os pontos de detecção dentro da representação de tempo igual da reflexão de pulso, onde os pontos de detecção na forma de onda de reflexão representam a posição na forma de onda de reflexão de pulso representando um nível de fluido.

Outros sistemas, métodos, características e vantagens da presente invenção serão ou se tornarão evidentes para aqueles versados na técnica a partir do exame dos desenhos a seguir e da descrição detalhada. Pretende-se que todos os tais sistemas, métodos, aspectos e vantagens adicionais sejam incluídos nessa descrição, estejam dentro do escopo da presente invenção, e sejam protegidos pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Muitos aspectos da invenção podem ser mais bem entendidos com referência aos desenhos a seguir. Os componentes nos desenhos não estão necessariamente em escala, ênfase em vez disso sendo colocada em claramente ilustrar os princípios da presente invenção. Além disso, nos desenhos, numerais de referência semelhantes designam partes correspondentes do princípio ao fim das várias vistas.

A Figura 1 é um diagrama esquemático ilustrando a sonda de acordo com uma pri3 meira modalidade exemplar da invenção.

A Figura 2 é uma vista em seção transversal da sonda da Figura 1.

A Figura 3 é uma vista secional da sonda onde cada porção da sonda é mostrada como separada antes da montagem.

A Figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando ainda a funcionalidade e a lógica definidas pelo PCB digital da sonda.

A Figura 5 é um diagrama esquemático ilustrando ainda a funcionalidade e a lógica definidas pelo PCB analógico da sonda.

A Figura 6 é um diagrama esquemático ilustrando um exemplo da porção alongada da sonda da Figura 1 com a finalidade de determinar as constantes dielétricas de fluidos, onde a temperatura do fluido é conhecida.

A Figura 7 é um fluxograma ilustrando um método usado pela sonda para varredura e fixação em um nível de fluido, de acordo com a primeira modalidade exemplar da invenção.

A Figura 8 é um diagrama esquemático ilustrando um exemplo de um filtro passa baixa.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A presente invenção é uma sonda de detecção de nível de fluido capaz de determinar com exatidão os níveis de fluido em um vaso ou recipiente. Para fins de exemplo, a sonda da presente invenção é descrita como uma sonda de nível de combustível que é capaz de posicionamento dentro de um tanque de combustível. Em tal exemplo, a sonda de nível de combustível pode ser usada para prover medição exata dos níveis de gás ou óleo dentro de um tanque. Deve se observado, contudo, que o tipo de fluido e o tipo de recipiente não pretendem ser limitados pela presente descrição.

A Figura 1 é um diagrama esquemático ilustrando a sonda 100 de acordo com uma primeira modalidade exemplar da invenção. Conforme mostrado pela Figura 1, a sonda 100 contém uma porção alongada 110, um braço modelado 120, e um sensor 130. A porção alongada 110 é um tubo coaxial que tem um centro oco. A porção alongada 110 é modelada e prolongada para permitir o posicionamento dentro de um tanque de combustível, em que uma extremidade distai 112 da porção alongada 110 se estende em direção à parte inferior do tanque de combustível, na qual a porção alongada 110 pode ser posicionada. Ter a porção alongada 110 oca permite que o fluido entre na porção alongada 110, por intermédio da extremidade distai 112, para dentro da porção oca para possibilitar a determinação do nível de fluido, conforme é explicado em detalhe abaixo.

Uma extremidade próxima 114 da porção alongada 110 se une a uma extremidade distai 122 do braço 120. A conexão entre a porção alongada 110 e o braço 120 é provida de um modo a permitir a combinação do braço 120 e da porção alongada 110 para criar um guia de onda para um pulso eletromagnético provido pelo sensor 130. Além disso, a combinação da porção alongada 110 e do braço 120 é de formato coaxial. Embora a Figura 1 ilustre um conector 150 unindo a porção alongada 110 e o braço 120, de acordo com uma modalidade alternativa da invenção, a sonda 110 em vez disso pode ser fabricada de modo a ter a porção alongada 110 e o braço 120 como uma só peça.

A porção alongada 110 e um invólucro externo do braço modelado 120 são feitos de um material condutivo que tem uma impedância conhecida, tal como, por exemplo, mas não limitada ao alumínio. Deve-se observar que outros metais também podem ser usados. O braço 120 é preenchido com um dielétrico tal como, mas não limitado ao Teflon. O enchimento de Teflon é um dielétrico sólido. O uso de um enchimento de Teflon, de acordo com a presente invenção, serve ao menos a dois propósitos. Em primeiro lugar, um enchimento de Teflon provê equiparação de impedância, conforme descrito em mais detalhe abaixo, e em segundo lugar, o Teflon provê um meio para impedir a entrada de fluido para uma porção de não aferição da sonda 100, eliminando assim as reflexões indesejadas devido aos múltiplos níveis de fluido dentro da sonda 100.

De acordo com a presente invenção, um sinal de excitação eletromagnético, também referido aqui como um sinal de interrogação, é enviado pelo sensor 130 para uma linha de transmissão, em que a linha de transmissão inclui a combinação do braço 120, a porção alongada 110, e além da extremidade distai 112 da porção alongada 110. A linha de transmissão tem três seções. Uma primeira seção da linha de transmissão é a partir de uma fonte de excitação, tal como o sensor 130, até uma parte superior da sonda 100, também referida como extremidade distai 122 do braço 120 (também referido como o início da área capacitada para aferição). Uma segunda seção da linha de transmissão é a partir da parte superior da sonda 100 (a extremidade distai 122 do braço 120) até uma parte inferior da sonda 100, também referida como extremidade distai 112 da porção alongada 110. A segunda seção da linha de transmissão também é referida como a área capacitada para aferição. Uma terceira seção da linha de transmissão é a partir da parte inferior da sonda 100 até o fim de uma transmissão que se estende além da extremidade, ou porção distai 112, da área capacitada para aferição. A terceira seção da linha de transmissão, opcionalmente, é colocada aqui para permitir equiparação de impedância para os meios sendo medidos, conforme descrito em detalhe adicional abaixo.

Deve-se observar que ter a sonda 100 em formato coaxial e parcialmente preenchida com Teflon, ou material similar, proporciona múltiplas vantagens, tal como, mas não limitadas a, permitir uma impedância constante até a área de aferição e delimitar a área de aferição. Além disso, isso permite que a sonda 100 seja montada horizontalmente abaixo de um nível de fluido, sem múltiplas reflexões a partir do fluido. Adicionalmente, essa configuração provê isolamento do lado úmido/lado seco. Ainda adicionalmente, a configuração também provê meio mecânico de fixar a porção alongada 110 ao sensor 130, proporcionando desse modo uma estrutura mais sólida.

De acordo com a primeira modalidade exemplar da invenção, o braço 120 da sonda 100 é formado como um “S”. Deve-se observar que o formato do braço pode ser diferente do formato aqui descrito. Esse formato presentemente revelado é vantajoso devido ao contorno do braço 120 permitindo que a sonda 100 se apoie em uma borda de uma entrada para um tanque de combustível, tal como na asa de uma aeronave, enquanto que a porção alongada 110 da sonda 100 se estende dentro do tanque de combustível e o sensor 130 permanece fora do tanque de combustível. Deve ser observado, contudo, que o braço 120 pode ser provido em outros formatos de modo a acomodar a localização de um tanque de combustível para a qual a sonda 100 é usada. Também deve ser observado que o formato curvo do braço 120 permite a montagem lateral da sonda 100 dentro de um tanque. Alternativamente, o braço 120 pode ser um arame, ou a sonda 100 pode até mesmo não incluir o braço 120, mas em vez disso, ter uma conexão direta a partir do sensor 30 até a porção alongada 110.

O sensor 130 é conectado a uma porção próxima 124 do braço 120. Uma melhor ilustração do sensor 130 é provida pela Figura 2 e pela Figura 3, onde a Figura 2 é uma vista em seção transversal da sonda 100 e a Figura 3 é uma vista secional da sonda 100 onde cada porção da sonda 100 é mostrada como separada, antes da montagem. De acordo com a presente modalidade, o sensor 130 é conectado à porção próxima 124 do braço 120 por intermédio de um colar 132. O colar 132 se conecta a ambos, porção próxima 124 do braço 120 e alojamento 134 do sensor 130. Conforme mostrado pela Figura 3, o colar 132 pode ser conectado ao braço 120 por intermédio de uma conexão macho/fêmea tendo um primeiro anel-0 de colar 138 entre os mesmos de modo a proporcionar uma vedação hermética ao ar entre o colar 132 e o braço 120, para impedir a imigração de fluido a partir de dentro do tanque. Evidentemente, outros tipos de conexão entre o colar 132 e o braço 120 podem ser usados em vez disso.

O colar 132 é conectado ao alojamento 134, completando assim a conexão entre o alojamento 134 e o braço 120. A conexão entre o colar 132 e o alojamento 134 pode ser provida por intermédio de diversos métodos, tal como, mas não limitado ao uso de uma série de parafusos de colar 142 e segundo anel-O de colar 144.

Embora o formato do alojamento 134 não seja instrumental, o alojamento 134 provê uma cobertura para diversos objetos. Conforme mostrado pela Figura 2 e Figura 3, uma série de placas de circuitos impressos (PCBs) está localizada dentro do alojamento 134. Especificamente, uma primeira PCB 150, uma segunda PCB 170, e uma terceira PCB 190 estão localizadas dentro do alojamento 134. A primeira PCB 150 é uma PCB de fornecimento de energia. A primeira PCB 150 contém uma fonte de energia, desse modo proporcionando energia para a sonda 100. Componentes elétricos na primeira PCB 150 são projetados para impedir que sinais de elevada energia se propaguem para o fluido.

A segunda PCB 170 é uma PCB digital que tem lógica digital na mesma, tal como, mas não limitada a um processador, tal como, mas não limitado a um processador de sinais digitais (DSP) 172. A funcionalidade realizada pela DSP 172 e outra lógica digital na mesma é descrita em detalhe abaixo com referência à Figura 4 e outras figuras. Deve-se observar que a presente invenção se refere ao uso de uma DSP, porém deve ser observado que isso tem apenas o propósito exemplar, e que qualquer processador pode ser suplementado.

A terceira PCB 190 é uma PCB analógica tendo conjunto de circuitos analógicos de transmissor e receptor para permitir que a sonda 100 transmita e receba sinais. A funcionalidade realizada pelo conjunto de circuitos analógicos é descrita em detalhe abaixo com referência à Figura 5.

A primeira PCB 150, segunda PCB 170, e terceira PCB 190 são providas em um arranjo empilhado com uma série de parafusos de empilhamento 146 mantendo as PCBs 150, 170, 190 em posição dentro do alojamento 134. Uma cobertura 160 também é provida para vedar o conteúdo do sensor 130 dentro do alojamento 134. Deve-se observar que um conector de sensor 162 está localizado parcialmente dentro do alojamento de sensor 134. O conector de sensor 162 provê uma interface para conexão da sonda 100 a uma interface da aeronave.

De acordo com uma modalidade alternativa da invenção, o conjunto de circuitos de fornecimento de energia, lógica de transmissão e de recepção, e lógica digital podem estar todos localizados no mesmo PCB, ou em mais ou menos do que três PCBs.

Conforme mencionado acima, a Figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando ainda a funcionalidade e a lógica definidas pelo PCB digital 170. Além disso, a Figura 5 é um diagrama esquemático ilustrando ainda a funcionalidade e a lógica definida pelo PCB analógico 190. O que se segue é uma descrição do sensor 130 específico para a segunda PCB 170 e para a terceira PCB 190.

A Figura 5 mostra um exemplo de implementação básica dos canais analógicos de transmissão e recepção. Um processador de sinais digitais (DSP) 172; conforme mostrado pela Figura 4; é provido para varrer, monitorar, e analisar os dados associados. Um sinal de relógio a partir do DSP 172 (Figura 4) é fornecido à entrada A (Figura 5) e usado para iniciar um pulso de transmissão e para sincronizar o receptor com o pulso de transmissão na PCB analógica 190. Esse sinal ativa o transmissor 192 para enviar um pulso de excitação pelo braço 120. O pulso se desloca pela porção alongada 110 por todo o caminho até a extremidade distai da porção alongada 112. A reflexão resultante a partir da extremidade distai 112 se desloca de volta e é capturada pelo receptor 194. Esse sinal é filtrado e armazenado por intermédio de um meio de armazenamento de baixa frequência 195 e enviado para o DSP

172 para ser convertido em um sinal digital e para ser analisado através da saída D.

O mesmo sinal de relógio que é usado para iniciar o pulso de transmissão também é provido ao receptor 194. No receptor 194, o sinal de relógio é deslocado em fase (retardado) por intermédio de um deslocador de fase 196 por um montante comandado pelo DSP 172 (Figura 4) na entrada B. O pulso do receptor, portanto, é retardado pelo DSP 172 (Figura 4) e realiza uma varredura espacial da extensão de porção alongada 110.

A quantidade efetiva de retardo entre o pulso de transmissor e o pulso de receptor é detectada por um detector de retardo 198 e enviada de volta como voltagem CD para o DSP 172 por intermédio da saída C. Isso possibilita que o DSP 172 feche o circuito permitindo que o DSP 172 tenha controle total sobre a função de varredura. Assim, descontinuidades específicas podem ser varridas ou monitoradas conforme desejado.

A função do transmissor 192 é realizada pelos elementos: transistor Q1, resistor R48, capacitor C5, e resistor R7. Aqui, o transistor Q1 atua como um comutador para acoplar a energia armazenada no capacitor C5 para a linha de transmissão. O resistor R7 serve para desacoplar o transmissor 192 a partir do receptor 194. A função do receptor 194 é realizada pelos elementos: receptor R36, diodo D2, capacitor C6, resistor R8, capacitor C7, transistor Q2, e resistor R55. O resistor R55 e o resistor R8 proporcionam um percurso de carregamento para o capacitor C6. O transistor Q2 serve como um comutador para acoplar a energia armazenada no capacitor C6 para o resistor R8 desse modo ligando o diodo D2 por intermédio do capacitor C7. O capacitor C7 por sua vez carrega e armazena a voltagem presente na linha de transmissão, também referida como amostragem da linha de transmissão.

A Figura 4 mostra a PCB digital 170. O DSP 172 envia um sinal de relógio para ativar o transmissor 192 e o receptor 194 através da saída A. A quantidade de retardo é controlada pelo DSP 172 por intermédio de um sinal de conversor digital/analógico (DAC) 180 enviado através da saída B para a PCB analógica 190.

A quantidade de retardo entre os pulsos do receptor 194 e do transmissor 192 é detectada pelo conversor analógico/digital ADC1 (175) por intermédio de uma voltagem para a entrada C e convertida em um valor digital para ser lido pelo DSP 172. O DSP 172 utiliza esse sinal para determinar o retardo entre o transmissor 192 e o receptor 194 e ajusta a saída de controle de retardo para fins de monitoração de circuito fechado.

Outro sinal analógico realimentado ao DSP 172 contém a forma de onda de reflexão a partir da porção alongada 110 da sonda (entrada D). Esse sinal é alimentado ao conversor analógico/digital ADC2 (174). A partir do converter, o sinal é alimentado digitalmente ao DSP 172 para análise.

AJUSTE DE GANHO AUTOMÁTICO DO RECEPTOR DE AMOSTRAGEM

Deve-se observar que, devido aos diferentes fatores ambientais, a amplitude de si nal a partir do receptor 194 pode ser adversamente afetada. Isso pode levar a imprecisões na detecção de nível. De acordo com uma modalidade alternativa da invenção, esses efeitos são compensados mediante aumento da amplitude do pulso de excitação proporcionalmente com a saída do transmissor 192. Especificamente, o sinal de saída em D (Figura 5), obtido durante amostragem de um valor conhecido, é alimentado a um filtro passa baixa 193, um exemplo do qual é ilustrado pela Figura 8. Preferivelmente, o filtro passa baixa 193 está localizado separado do receptor 194 e transmissor 192, mas ainda dentro do sensor 130. O valor CD resultante é adicionado a uma polarização pré-fixada, amplificado, e adicionado (ou subtraído) a -Vee na Figura 5. Mediante variação de -Vee, podemos variar a amplitude do pulso de transmissão, compensando assim a diminuição (aumento) do sinal em D devido à variação de diodo.

DIELÉTRICO SEGMENTADO USADO PARA EQUIPARAR A IMPEDÂNCIA DE UMA SONDA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL PDR

Conforme mencionado acima, o braço 120 da sonda 100 é preenchido com um dielétrico tendo impedância conhecida. Ao se ter o braço 120 da sonda 100 preenchido com um dielétrico que tem uma impedância conhecida se impede que o fluido que está sendo medido entre no braço 120 da sonda 100. Na alternativa, se o fluido pudesse entrar no braço 120 da sonda, havería descontinuidades no sinal de excitação transmitido a partir do sensor 130, até o braço 120, para a porção alongada 110 da sonda 100. Especificamente, sempre que o fluido é encontrado pelo sinal de excitação ocorre uma descontinuidade do sinal. Portanto, é vantajoso minimizar a descontinuidade mediante garantia de que nenhum fluido entre no braço 120 da sonda 100. De acordo com a presente invenção, minimizar a descontinuidade é realizado, por exemplo, mediante enchimento do braço 120 com um dielétrico que tem uma impedância conhecida. De acordo com uma modalidade preferida da invenção, a impedância do dielétrico é similar a uma impedância do ar ou uma impedância do fluido para o qual um nível está sendo determinado.

De acordo com a sonda 100 da presente invenção um sinal de excitação primeiramente se desloca a partir do sensor 130 até o topo da seção habilitada para aferição da sonda 100. Se a impedância da primeira seção de linha de transmissão, isto é, o braço 120 da sonda 100, for equiparada àquela de um primeiro meio, tal como a impedância do ar, então não haverá uma descontinuidade indesejada entre a primeira seção de sonda e a segunda seção de sonda, isto é, a porção alongada 110.

Uma descontinuidade em um limite entre os meios, tal como entre o ar e o fluido para o qual um nível está sendo determinado, causará uma reflexão desejada do sinal de excitação para processamento pelo sensor 130. Por projeto, conforme mencionado acima, essa reflexão não criará quaisquer reflexões extraordinárias indesejadas na impedância equiparada de cima da impedância equiparada na parte superior e na parte inferior da sonda

100. Parte do sinal de excitação se desloca adicionalmente no segundo meio, isto é, o fluido para o qual um nível está sendo determinado, até a extremidade distai 112 da porção alongada 110, a qual está no fluido.

A impedância da terceira seção da linha de transmissão é ajustada para equipararse ao valor da impedância do segundo meio, isto é, a impedância do fluido. Resumidamente, a impedância na parte superior da sonda 100 é equiparada à do ar, enquanto que a impedância na parte inferior da sonda 100 é equiparada à impedância do fluido para o qual um nível está sendo determinado. Deve-se observar que a equiparação de impedância pode ser realizada pelo sensor 130, pela geometria da sonda 100, ou mediante ajuste de material dielétrico. O sinal de excitação se desloca para a terceira seção da linha de transmissão sem qualquer descontinuidade para obscurecer a detecção de nível.

Portanto, no projeto da sonda 100, é desejável ter dielétrico similar do material usado para preencher o braço 120, o ar, e o fluido. As similaridades dos dielétricos resultam em menos descontinuidades do sinal de excitação sendo transmitido a partir do sensor 130, através do braço 120 da sonda 100, para a porção alongada 110 da sonda 100, e para o fluido para o qual um nível está sendo determinado.

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DO FLUIDO UTILIZANDO TEMPO DE VOO

As características físicas e a funcionalidade da sonda 100 da presente invenção permitem que a sonda 100 proporcione medição de temperatura do fluido. Esse processo é descrito em detalhe aqui e realizado pelo DSP 172. Especificamente, no processo onde a medição do nível de fluido é monitorada, frequentemente é desejável saber também a temperatura do fluido. O conhecimento da temperatura do fluido pode comprovar ser útil para controle do processo ou ajustes das próprias leituras do nível de fluido para compensar o volume do fluido alterado devido à temperatura. A sonda 100 da presente invenção alivia a necessidade anterior de se utilizar um sensor de temperatura separado, independente, e em vez disso, integra as propriedades de um sensor de medição de temperatura com as propriedades de medição de nível da sonda 100, resultando em uma sonda com menos fiação e menos intrusão no processo e, portanto, mais confiabilidade.

Sabendo-se as constantes dielétricas dos fluidos (por exemplo, ar e gás) em várias temperaturas, a temperatura do fluido sendo medido pode ser deduzida através da medição da constante dielétrica efetiva do fluido e comparando-se a constante dielétrica efetiva medida com um gráfico que tem valores de constante dielétrica conhecidos. Como um exemplo, considere, por exemplo, um fluido de hidrocarboneto. A velocidade de propagação do sinal no fluido que tem uma constante dielétrica em certa temperatura é mostrada pela equação 1.

(Eq. 1)

Na equação 1, C é a velocidade da luz.

À medida que muda a temperatura do fluido, sua constante dielétrica também muda para £1·

A relação entre as velocidades de propagação pode ser representada pela equação

2.

7i Ki

(Eq.2)

Na equação 2, & i é a constante dielétrica, por exemplo, a 25°C e ^2 é a constante dielétrica em temperatura desconhecida T. A equação 2 pode ser reescrita como equação 3 abaixo.

(Eq. 3)

Conhecendo-se eV₁₍ e mediante uso de uma tabela de consulta de valores em diversas temperaturas para esse fluido específico, descobrimos a temperatura real T do fluido. Alternativamente; conforme mostrado pela equação 4; se conhecemos a extensão real da coluna de fluido L, e a extensão percebida L’ (tempo de voo medido a partir da superfície do fluido até o fundo do tanque), podemos calcular a constante dielétrica do fluido na temperatura atual (qualquer que ela seja) £t:

(Eq.4)

Observando-se e & em uma tabela de consulta (^é a constante dielétrica desse fluido a 25°C) podemos dizer a temperatura do fluido.

Deve-se observar que modalidades alternativas da invenção podem ser providas para se medir a temperatura no local para compensar as mudanças dielétricas devido à temperatura. Como um exemplo, de acordo com uma segunda modalidade exemplar da invenção, um termistor pode ser colocado na porção de aferição da sonda 100 em contato direto com o fluido sendo medido. A característica principal de um termistor é a capacidade do termistor em mudar a impedância de acordo com a temperatura ao qual ele é exposto. O sensor 130 da sonda 100 detecta então a mudança de impedância do termistor e correlaciona a mudança de impedância a uma temperatura do fluido.

Alternativamente, de acordo com uma terceira modalidade exemplar da invenção, o termistor também pode estar localizado dentro da porção de aferição, contudo, o conjunto de circuitos para detectar a impedância do termistor pode precisar ser conectado à sonda 100.

DETERMINAÇÃO DO NÍVEL DE FLUIDO POR INTERMÉDIO DO TEMPO DE PULSO DO FLUIDO EM DESLOCAMENTO DIRETO

Um pulso transmitido para uma linha de transmissão será parcialmente ou completamente refletido de volta para a porta de transmissão sempre que mudar a impedância característica da linha de transmissão. A impedância característica de uma linha de transmissão mudará com o dielétrico. Diferentes geometrias de linha de transmissão (cabo coaxial, fios paralelos, etc.) terão diferentes relações para mudanças características de impedância em diferentes dielétricos. Para uma determinada geometria de linha de transmissão as mudanças dielétricas na linha de transmissão causarão mudanças previsíveis na impedância característica.

Um sistema de medição de nível, a sonda 100, é projetado para ter uma linha de transmissão que passa através de diferentes dielétricos. A linha de transmissão então terá uma mudança de impedância muito grande em sua extremidade (circuito aberto ou curto circuito). Essa mudança de impedância muito grande na linha de transmissão causará uma reflexão muito forte em sua extremidade.

Um sistema de medição de nível podería ter um pulso se deslocando em uma linha de transmissão que é colocada em um meio dielétrico conhecido. Parte da distância que o pulso percorrerá será no ar (dielétrico de ar) outra parte da distância é percorrida em um meio (dielétrico de meio). Utilizando a equação 1 uma velocidade de propagação para cada meio pode ser determinado. Conhecemos a distância total percorrida (extensão da linha de transmissão). Mediante análise da forma de onda refletida, o tempo de deslocamento a partir do início da linha de transmissão através de ambos os dielétricos, até o desacordo de impedância amplo no fim da linha de transmissão pode ser medido. A distância percorrida no meio pode ser derivada mediante uso da equação 5 em seguida, que supõe que a velocidade no ar é C.

|Hj = [D - CÇT>] / [1 - sqrt(é7_m)J (Eq. 5)

Na equação 4:

D = distância total da transmissão através de ambos, ar e meio. Essa é a extensão ou altura do meio;

C = velocidade da luz;

m = dielétrico do meio;

T = tempo total para um pulso ou sinal se deslocar através de ambas, parte da linha de transmissão de dielétrico de ar e a parte de dielétrico de meio da linha de transmissão até o fim da linha de transmissão;

Η = altura do meio = a distância percorrida apenas na parte de dielétrico de meio da linha de transmissão; e sqrt = raiz quadrada.

DESCOBRINDO A CONSTANTE DIELÉTRICA EM TDR ONDE A TEMPERATURA É CONHECIDA

A Figura 6 é um diagrama esquemático ilustrando um exemplo da porção alongada 110 da sonda 100 para fins de determinar as constantes dielétricas dos fluidos, onde a temperatura do fluido é conhecida. O comprimento L, que é o comprimento da porção alongada 110, é conhecido, enquanto que o comprimento L1, que é o comprimento da porção alongada 110 tendo ar na mesma, e o comprimento L2 que é o comprimento da porção alongada 110 tendo fluido na mesma, são medidos por intermédio de tempo de reflexões, também referido aqui como tempo de voo.

De acordo com a presente invenção, a sonda 100 também pode ser usada para determinar as constantes dielétricas dos fluidos, onde a temperatura do fluido é conhecida. Esse processo é descrito aqui em detalhe e realizado pelo DSP 172. Se a temperatura do fluido for conhecida, a constante dielétrica do fluido pode ser deduzida mediante medição do comprimento percebido do tubo coaxial (porção alongada 110) imerso no fluido. Como o comprimento real do tubo, ou porção alongada 110, é conhecido, a constante dielétrica do fluido pode ser calculada nessa temperatura a partir da relação do comprimento percebido e do comprimento real das colunas de fluido (L2 na Figura 6). A equação 4 pode ser consultada para explanação adicional.

Mediante uso de uma tabela de consulta de temperatura e constante dielétrica para esse fluido específico, a constante dielétrica ^e em 25°C pode ser determinada. Além disso, a constante dielétrica teórica £ pode ser comparada com a constante dielétrica real acima para detectar a possível contaminação no fluido se as duas não forem idênticas.

DESCOBRIR E FIXAR O NÍVEL

De acordo com uma primeira modalidade exemplar da invenção, para prover rápida varredura do nível de fluido com tempo reduzido de processamento de sensor, a sonda 100 é capaz de monitorar o nível de fluido. Especificamente, na sonda de medição de nível de fluido 100 da presente invenção formas de onda de reflexão de velocidade muito elevada precisam ser analisadas para se determinar as mudanças posicionais no material dielétrico causadas por mudanças no nível de fluido. A Figura 7 é um fluxograma 300 ilustrando um método usado pela sonda 100 para realizar a varredura e se fixar em um nível de fluido, de acordo com a primeira modalidade exemplar da invenção.

Deve-se observar que quaisquer descrições ou blocos de processo nos fluxogramas devem ser entendidos como representando módulos, segmentos, porções de código, ou etapas que incluem uma ou mais instruções para implementar funções lógicas específi cas no processo, e implementações alternativas são incluídas no escopo da presente invenção no qual as funções podem ser executadas fora de ordem em relação àquela mostrada ou discutida, incluindo substancialmente de forma simultânea ou na ordem inversa, dependendo da funcionalidade envolvida, como seria entendido por aqueles razoavelmente versados na técnica da presente invenção.

Em vez de realizar a varredura continuamente do comprimento total da porção alongada 110 para o nível de detecção, conforme mostrado pelo bloco 302, a sonda 100 da presente invenção realiza varredura da extensão total da porção alongada 110 uma vez por intermédio do uso do sinal de excitação, para verificar se o fluido reside na porção alongada 110 da sonda 100, também referido como o nível de fluido atual. Um método de analisar as formas de onda de alta velocidade, tal como o sinal de interrogação (excitação) provido pelo sensor 130, é o de utilizar um sistema de amostragem de aparência serrilhada para criar uma forma de onda mais lenta de “tempo igual”. A sonda 100 pode preservar o formato da forma de onda periódica muito rápida original e apresentar a forma de onda em uma taxa muito mais lenta. A varredura de um ponto de amostragem, muito estreito, ao longo de uma forma de onda repetitiva faz isso. Cada vez que a forma de onda de alta velocidade é repetida, uma única amostragem estreita da forma de onda é feita pelo sensor 130. Em intervalos regulares, a janela de amostragem é retardada em tempo para amostragem do próximo fragmento da forma de onda de alta velocidade. Após muitas formas de onda, as amostras são combinadas pelo detector 130 em uma representação mais lenta da forma de onda de alta velocidade original que é adequada para processamento pelo DSP 172.

Mediante análise da forma de onda de tempo igual, a reflexão de interesse pode ser localizada. A reflexão de interesse representa o nível de fluido atual na porção alongada (110) da sonda 100. Conforme mostrado pelo bloco 304, quando a posição do nível de fluido atual é determinada, o nível de fluido é monitorado mediante criação de uma representação de tempo igual da forma de onda de alta velocidade apenas nas proximidades de onde a reflexão de interesse foi localizada nos ciclos anteriores. Conforme mostrado pelo bloco 306, periodicamente, a sincronização da janela de varredura é ajustada para manter a reflexão de interesse dentro da janela de varredura.

A varredura apenas onde o nível de fluido pode ser esperado e monitoração do nível reduz muito o tempo de processamento exigido de sensor. Ter um tempo de processamento reduzido do sensor permite uma taxa de resposta de sistema mais rápida para determinação do nível de fluido. Isso também resulta em um sistema menos dispendioso e menos consumo de energia.

TDR COAXIAL INTRINSECAMENTE SEGURO COM BAIXA SUSCETIBILIDADE/TRANSMISSÃO DE RF PARA APLICAÇÕES EM AERONAVES

A utilização de um tubo coaxial metálico (a combinação do braço 120 e da porção alongada 110) oferece uma vantagem singular de baixas emissões de radiofrequência para o dispositivo TDR. Isso é extremamente importante para aplicações transportadas pelo ar onde a instrumentação da aeronave é extremamente sensível ao ruído irradiado. Também se faz com que a recepção de radiofrequência pelo TDR (suscetibilidade) seja menos provável.

Ela tem o benefício adicionado no caso de imersão em fluidos inflamáveis. Uma fagulha elétrica pode inflamar o fluido no qual a linha de transmissão está imersa. Mediante proteção do condutor interno do braço alongado 110 por um tubo metálico externo, prevenimos uma fagulha entre o condutor interno e o tanque no qual o fluido é mantido. Mediante conexão elétrica do tubo externo ao tanque, impedimos uma diferença de potencial elétrico entre o tanque e o tubo alongado (110), reduzindo assim a possibilidade de uma centelha.

A quantidade de energia fornecida no combustível medido é limitada pelo capacitor C5 (Figura 5). O capacitor impede que uma corrente direta flua para o combustível. A única energia fornecida tem a forma de um pulso. Esse pulso tem uma energia limitada determinada pela capacitância de C5. Mantendo-se baixa a capacitância, mantemos a quantidade de energia que entra no fluido abaixo de uma quantidade crítica necessária para ignição.

Outro recurso de segurança é a adição de supressores de surtos de voltagem para a fonte de energia que alimenta a sonda 100 e entradas de comunicação para a sonda 100. Esses limitam a quantidade de energia que pode atingir o combustível no caso de um curto circuito ou transiente de voltagem excessiva.

Deve ser enfatizado que as modalidades descritas acima da presente invenção são apenas possíveis exemplos de implementações, apresentados apenas para um entendimento claro dos princípios da invenção. Muitas variações e modificações podem ser feitas nas modalidades descritas acima da invenção sem se afastar substancialmente do espírito e princípios da invenção. Todas as tais modificações e variações pretendem ser incluídas aqui no escopo dessa revelação e da presente invenção e protegidas pelas reivindicações a seguir.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente, CARACTERIZADO por compreender:

uma porção alongada (110) sendo um tubo coaxial que tem um centro oco;

um braço (120) sendo de formato coaxial; e um sensor (130) compreendendo um transmissor capaz de criar e transmitir um pulso eletromagnético de excitação para percorrer a porção alongada (110) e o braço (120), e um receptor para receber os pulsos refletidos, em que a extremidade próxima (114) da porção alongada se une a uma extremidade distai (112) do braço de uma maneira a criar um guia de onda para um pulso eletromagnético provido pelo sensor.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a porção alongada (110) e o invólucro externo do braço (120) são feitos de um material condutivo que tem uma impedância conhecida.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o braço (120) é preenchido com um dielétrico que tem uma impedância conhecida.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a impedância do dielétrico é similar a uma impedância do ar ou uma impedância do fluido sendo medido.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sensor compreende ainda conjunto de circuitos de fornecimento de energia, lógica digital, e conjunto de circuitos analógicos.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que componentes elétricos incluídos no conjunto de circuitos de fornecimento de energia são projetados para impedir que sinais de energia elevada se propaguem para o fluido sendo medido pelo sistema.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de circuitos analógicos compreende ainda o transmissor e o receptor.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a lógica digital compreende ainda um processador, em que o processador compreende ainda:

lógica configurada para iniciar o transmissor para enviar o pulso eletromagnético de excitação; e lógica configurada para sincronizar o receptor com o pulso de transmissão.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a iniciação do transmissor para envio do pulso eletromagnético de excitação é realizada por um sinal de relógio a partir do processador, em que o mesmo sinal de relógio é enviado ao receptor.

Petição 870180142432, de 18/10/2018, pág. 17/19

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10. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o processador compreende ainda lógica configurada para determinar a temperatura do fluido mediante medição da constante dielétrica efetiva do fluido e comparando-se à constante dielétrica efetiva medida do fluido com uma lista de fluidos que tem valores de constante dielétrica conhecidos.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO por compreender ainda um termistor para determinar a temperatura do fluido; em que o processador é capaz de determinar a constante dielétrica do fluido e correlacionar a constante dielétrica à temperatura do fluido.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o processador compreende ainda lógica configurada para determinar o nível do fluido por intermédio do uso do tempo de voo do pulso eletromagnético de excitação até o fim da porção alongada.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o processador é capaz de determinar a constante dielétrica do fluido, onde a temperatura do fluido é conhecida, o processador compreendendo ainda:

lógica configurada para medir o comprimento percebido da porção alongada imersa no fluido; e lógica configurada para calcular a constante dielétrica do fluido a partir de uma relação do comprimento percebido e de um comprimento real da porção alongada tendo o fluido na mesma.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o processador compreende ainda:

lógica configurada para determinar um nível atual do fluido; e lógica configurada para monitorar o nível atual do fluido mediante manutenção do nível atual do fluido dentro de uma janela de varredura, em que a temporização da janela de varredura é ajustada para manter o nível atual do fluido dentro da janela.
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por compreender ainda um filtro passa baixa e lógica associada para variar a amplitude do pulso eletromagnético de excitação para compensar a variação do sinal devido à variação de diodo.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o braço (120) está no formato de um S.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o braço (120) é um cabo coaxial.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema compreende ainda um conector para conectar o sistema ao conjunto de circuitos de uma aeronave.

Petição 870180142432, de 18/10/2018, pág. 18/19

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19. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a porção alongada (110), o braço (120), e o sensor compreendem componentes que reduzem a suscetibilidade ou transmissão de irradiação.
20. Método de medir com exatidão o nível de fluido em um recipiente por intermédio

5 do sistema conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 19, a partir do uso de um equipamento com uma linha de transmissão e um sensor, em que o sensor compreende um transmissor capaz de criar e transmitir um pulso eletromagnético de excitação para percorrer a linha de transmissão, e um receptor de amostragem de aparência serrilhada para converter as formas de onda refletidas de alta velocidade em uma forma de onda de “tempo 10 igual” de velocidade inferior para processamento através do uso de um método, CARACTERIZADO por compreender as etapas de:

realizar a varredura de uma extensão da linha de transmissão que é colocada parcialmente ou completamente no fluido para verificar se o fluido reside ao longo da linha de transmissão, também referido como o nível de fluido atual;

15 monitorar o nível de fluido mediante identificação dos pontos de detecção de nível de fluido dentro da saída da forma de onda de “tempo igual” de velocidade inferior por intermédio de uma janela de varredura do receptor de amostragem de aparência serrilhada; e ajustar a janela de varredura de receptor de amostragem de aparência serrilhada para monitoração dos pontos de detecção dentro da representação de tempo igual da refle20 xão de pulso, onde os pontos de detecção na forma de onda de reflexão representam a posição na forma de onda de reflexão de pulso representando um nível de fluido.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o método de medir com exatidão o nível de fluido é em vez disso usado para detectar um

25 ponto de interesse adicional na forma de onda de tempo de velocidade inferior.
22. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o ponto de interesse adicional é um ponto de extremidade da linha de transmissão.

Petição 870180142432, de 18/10/2018, pág. 19/19