ES2525394B2 - Dispositivo y método para la medición de corrientes de fluidos mediante mecanismo paralelo esférico actuado por fuerzas de arrastre - Google Patents

Abstract

La presente invención consiste en un medidor de corrientes de fluidos que calcula la velocidad y dirección de un fluido según la fuerza de arrastre que éste ejerce sobre un cuerpo sólido. Consta de un mecanismo paralelo esférico formado por una base fija (1) que permite movimiento esférico a una plataforma móvil (7) mediante un mástil (2) y dos cadenas cinemáticas (3). Solidaria a la plataforma (7) un tubo (8) soporta un recipiente esférico (9) provisto en su interior de una unidad de medición inercial (10), que registra la orientación espacial de la plataforma (7) respecto de la base fija (1) generada por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9). Este dispositivo puede utilizarse para medición de corrientes de agua o aire, como instrumento de apoyo en navegación de embarcaciones y para medición de corrientes de fluidos en canales o tuberías.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método para la medición de corrientes de fluidos mediante mecanismo paralelo esférico actuado por fuerzas de arrastre.

5

Sector técnico

La presente invención queda incluida principalmente en el sector naval como instrumento de apoyo a la navegación de embarcaciones, midiendo la deriva que experimenta un barco por acción de las corrientes en aguas abiertas o midiendo las perturbaciones que ejercen las 10 corrientes de agua sobre un vehículo submarino operado de forma remota. Además, la invención puede utilizarse como instrumento oceanográfico en medición de corrientes de agua o aire y como instrumento de medición en canales de pruebas hidrodinámicas. También queda incluida en la industria de procesos, en aplicaciones de medición de corrientes de fluidos en tuberías. 15

Antecedentes de la invención

Los medidores de corrientes de fluidos, también llamados correntómetros o correntímetros, pueden clasificarse por su principio de medición en: medidores de hélice, medidores de 20 bola, medidores electromagnéticos y medidores acústicos. Los medidores de hélice y los medidores de bola fueron los instrumentos pioneros en la medición de corrientes y hoy en día son utilizados por su bajo coste y simplicidad. Pueden calibrarse fácilmente ya que no son afectados por la proximidad a objetos metálicos, como sucede con los medidores electromagnéticos. Además, son capaces de medir fluidos en estado puro y en aguas poco 25 profundas, lo cual no es posible con los medidores acústicos, que requieren la presencia de partículas suspendidas en el fluido para poder efectuar la medición.

Los medidores de hélice se caracterizan porque presentan un rotor, compuesto por varios álabes, que gira alrededor de un eje bajo la acción del fluido. El movimiento de rotación se 30 convierte en una señal eléctrica de tensión o frecuencia, según el dispositivo. Entre los medidores de hélice encontramos las referencias EP0106010A1, US4399695A, ES0288314U y US4555938A. Estos dispositivos presentan el inconveniente de carecer de precisión o fiabilidad, debido a que las piezas que giran a altas revoluciones son siempre una fuente de desgaste y deterioro. Además los rotores solo miden la velocidad del fluido y 35 no son capaces de medir su dirección, por lo que requieren el uso de elementos adicionales para orientar el rotor en la dirección de movimiento del fluido.

Los medidores de bola se caracterizan porque utilizan la fuerza de arrastre que el fluido ejerce sobre un cuerpo esférico, para medir simultáneamente la velocidad y dirección del 40 fluido. Las referencias FR2625567A1, US2008/0066539A1 y CN201955348U presentan medidores de corrientes que utilizan una esfera rígida unida a una barra orientable, la cual se conecta a una pieza fija de referencia mediante una articulación universal o esférica de dos y tres grados de libertad, respectivamente. La velocidad y dirección del fluido se miden a partir del desplazamiento que experimenta la barra, por acción del fluido sobre el cuerpo 45 esférico. Estos instrumentos se diferencian entre sí por los medios que utilizan para medir dicho desplazamiento. En la referencia FR2625567A1 se utilizan sensores ópticos, en US2008/0066539A1 se utilizan campos magnéticos y en CN201955348U se utiliza fibra óptica. Estos dispositivos presentan el inconveniente de que la barra describe un casquete esférico al desplazarse por acción del fluido. Por lo tanto, no resulta sencillo realizar el 50 sistema de medición de amplitud y orientación de un desplazamiento sobre un casquete

esférico. En efecto, cualquier dispositivo de medición será más fácilmente realizable si el desplazamiento a medir se comporta de forma lineal.

Una solución a este inconveniente consiste en descomponer el movimiento esférico de la barra en movimientos de traslación o rotación más sencillos de medir y fácilmente 5 realizables. Esta solución puede llevarse a cabo mediante mecanismos paralelos. Se entiende por mecanismo paralelo a todo mecanismo de cadena cinemática cerrada, que presenta un eslabón móvil vinculado a un eslabón fijo por varias cadenas cinemáticas independientes. El uso de este tipo de mecanismos en un medidor de bola, permite descomponer el movimiento de la barra en movimientos más sencillos de medir. Dichos 10 movimientos son realizados por cada una de las cadenas cinemáticas independientes del mecanismo paralelo.

Se considera, por lo tanto, de especial interés la referencia CN201589784U que trata de un medidor de bola para corrientes de aire, formado por un cuerpo esférico que se conecta 15 mediante una barra a un mecanismo paralelo de seis grados de libertad. Este mecanismo, conocido como Plataforma de Stewart, comprende una plataforma móvil conectada a una base fija mediante seis soportes elásticos. El mecanismo paralelo está equipado con sensores de presión que miden la fuerza que ejerce el aire sobre la esfera a través de los seis soportes elásticos del mecanismo. Según esto, el instrumento mide la velocidad y 20 dirección del fluido en el espacio a partir de seis movimientos de traslación que actúan sobre seis sensores de presión. Sin embargo, este dispositivo presenta ciertos inconvenientes:

- El mecanismo paralelo de seis grados de libertad presenta singularidades. En estas situaciones el mecanismo puede ganar o perder grados de libertad. Por lo tanto, cuando 25 el mecanismo adopta una configuración singular puede realizar mediciones erróneas. Es importante destacar que existen mecanismos paralelos libres de singularidades.

- Para medir direcciones de un fluido en el espacio que incide sobre un cuerpo esférico, es suficiente con tres grados de libertad. Por lo tanto un mecanismo paralelo de seis grados de libertad resulta redundante para este fin. Existen numerosos mecanismos paralelos de 30 tres grados de libertad.

- Por utilizar un mecanismo de seis grados de libertad, este dispositivo requiere seis sensores de presión independientes para realizar las mediciones. Por el contrario, un dispositivo con menos grados de libertad utilizaría menor cantidad de sensores.

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La presente invención se refiere a un medidor de bola, basado en un mecanismo paralelo esférico, que resuelve los inconvenientes mencionados anteriormente y ofrece nuevas posibilidades de medición.

Descripción de la invención 40

La presente invención consiste en un medidor de corrientes de fluidos que utiliza un mecanismo paralelo esférico para la medición de la velocidad y dirección de un fluido a partir de la fuerza de arrastre que el fluido ejerce sobre un cuerpo sólido que forma parte del medidor. Este instrumento se caracteriza porque posee un mecanismo paralelo de tres 45 grados de libertad, formado por una base fija que permite movimiento esférico a una plataforma móvil, mediante un mástil y dos cadenas cinemáticas. Solidario a la plataforma móvil del mecanismo, un tubo soporta un recipiente esférico provisto en su interior de una unidad de medición inercial que registra la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. Dicha orientación es provocada por la fuerza de arrastre que el 50 fluido ejerce sobre el recipiente esférico. A partir de la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija, se mide la velocidad y dirección del fluido en el espacio.

Cuando la aplicación lo requiere, es posible instalar entre la base fija y la plataforma móvil una cubierta deformable para proteger al mecanismo de posibles agentes externos presentes en el fluido. Además, la base fija del dispositivo posee una brida circular que permite instalarlo en diferentes posiciones de una embarcación, estructura, canal o tubería.

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Se entiende por mecanismo paralelo esférico a todo mecanismo paralelo cuyo eslabón móvil describe trayectorias esféricas concéntricas a un punto fijo. La presente invención posee un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad, el cual comprende un mástil que rota respecto de la base fija y se conecta a la plataforma móvil mediante una articulación universal, lo cual constituye una cadena cinemática rotacional-universal. El mástil es 10 mantenido en un ángulo de reposo por un muelle de torsión y es desviado de dicho ángulo según varía la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. De tal forma que la rotación del mástil aporta uno de los tres parámetros cinemáticos necesarios para determinar la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. El mástil posee un agujero perpendicular al eje longitudinal de rotación que permite, 15 opcionalmente, con un prisionero, bloquear su rotación respecto de la base fija para reducir los grados de libertad del mecanismo de tres a dos.

El mecanismo paralelo esférico posee además, dos cadenas cinemáticas. Cada una posee una articulación prismática que se conecta a la base fija mediante una articulación universal 20 y se conecta a la plataforma móvil mediante una articulación esférica, lo cual constituye una cadena cinemática universal-prismática-esférica. Las cadenas cinemáticas, se mantienen en una posición intermedia de su carrera por dos muelles de tracción antagonistas y es desviada de dicha posición según varía la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. De tal forma que las extensiones de cada articulación prismática 25 aportan dos de los tres parámetros necesarios para determinar la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. Adicionalmente, por tratarse de un mecanismo paralelo, las cadenas cinemáticas pueden ser reemplazadas por otras cadenas equivalentes siempre que garanticen que el mecanismo mantiene los tres grados de libertad. Se entiende que dos cadenas cinemáticas son equivalentes si presentan el mismo número de 30 restricciones cinemáticas.

La unidad de medición inercial es un dispositivo electrónico que se compone de un magnetómetro, un giróscopo y un acelerómetro e integra medios de almacenamiento, procesamiento y comunicación que le permiten realizar gran cantidad de operaciones. El 35 magnetómetro y acelerómetro son sensores absolutos que están referenciados a parámetros físicos conocidos, como son el norte magnético y la dirección de la gravedad, respectivamente. El giróscopo es un sensor relativo que puede calibrarse a partir de una posición de reposo. La unidad de medición inercial constituye un elemento clave para realizar los cálculos que determinan la velocidad y dirección del fluido, los cuales se 40 describen a continuación:

Primero se calculan las posiciones articulares del mecanismo. Para ello, la unidad de medición inercial calcula en todo momento la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija, representada por una matriz de rotación. Los medios de 45 almacenamiento proporcionan las dimensiones del mecanismo: la distancia desde el centro del recipiente esférico hasta el centro de la articulación universal y la longitud del mástil. Los medios de procesamiento utilizan la orientación espacial de la plataforma móvil y las dimensiones del mecanismo para calcular, mediante una ecuación matricial, la posición del centro del recipiente esférico respecto de la base fija. Los medios de procesamiento utilizan 50 la orientación espacial de la plataforma móvil y la posición del centro del recipiente esférico para calcular, mediante un modelo cinemático inverso del mecanismo, tres posiciones

articulares correspondientes a dos extensiones producidas en las articulaciones prismáticas y una rotación a nivel del mástil.

Luego se calculan las fuerzas experimentadas por el mecanismo. Para ello, los medios de almacenamiento proporcionan las constantes elásticas lineal y angular de los muelles del 5 mecanismo. Los medios de procesamiento utilizan éstas constantes y las posiciones articulares obtenidas anteriormente para calcular, mediante multiplicadores, tres fuerzas articulares del mecanismo. Dichas fuerzas corresponden a dos fuerzas axiales experimentadas por las articulaciones prismáticas y un torque experimentado por el mástil. Los medios de procesamiento utilizan las tres fuerzas articulares para calcular, a partir del 10 jacobiano transpuesto del mecanismo, la fuerza de arrastre ejercida por el fluido sobre el recipiente esférico.

Finalmente, se determina la velocidad y dirección del fluido. Para ello, los medios de almacenamiento proporcionan el radio exterior del recipiente esférico. La unidad de 15 medición inercial calcula en todo momento las aceleraciones lineales del centro del recipiente esférico. Los medios de procesamiento utilizan la aceleración del recipiente esférico para verificar o corregir la fuerza de arrastre calculada y evitar así errores o ambigüedades en las mediciones. Los medios de procesamiento utilizan la fuerza de arrastre y el radio del recipiente esférico para calcular, a partir de un modelo hidrodinámico, 20 la velocidad y dirección del fluido, según las tres direcciones del espacio.

Entre las características de la invención, encontramos que este instrumento puede medir corrientes de fluido en cualquier dirección del espacio porque comprende un recipiente esférico que presenta un área proyectada constante en cualquier dirección. En relación a las 25 referencias citadas, la invención presenta las siguientes ventajas:

- El medidor de corrientes consta de un mecanismo paralelo esférico libre de singularidades.

- El medidor de corrientes consta de un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad, lo cual es suficiente para la medición de corrientes de un fluido en el espacio. 30

- El mecanismo paralelo esférico no posee sensores redundantes.

- El medidor de corrientes posee una unidad de medición inercial compuesta por tres sensores: magnetómetro, giróscopo y acelerómetro. Esta unidad integra medios de almacenamiento, procesamiento y comunicación que le permiten realizar gran cantidad de cálculos. 35

- La calibración de la unidad de medición inercial puede realizarse en el lugar de la aplicación, porque utiliza sus propios sensores para ello.

- Todas las articulaciones del mecanismo son pasivas por lo que no requiere actuadores para su funcionamiento, el mecanismo es actuado por la fuerza de arrastre que ejerce el fluido. 40

- El mecanismo puede, opcionalmente, bloquear un grado de libertad reduciendo los grados de libertad del mecanismo de tres a dos y limitando así al dispositivo a la medición de velocidad y dirección de un fluido en un plano, en lugar del espacio.

- Las cadenas cinemáticas del mecanismo paralelo esférico pueden reemplazarse por otras cadenas cinemáticas equivalentes, siempre que impongan la misma cantidad de 45 restricciones cinemáticas. Por lo tanto diversos modos de realización de la invención son posibles.

- El recipiente esférico describe arcos de circunferencia de corta longitud durante su funcionamiento y ninguna de las partes del mecanismo paralelo esférico realiza una vuelta completa, lo cual favorece que el desgaste de las piezas que forman el mecanismo sea 50 mínimo.

Breve descripción de los dibujos

Las figuras adjuntas muestran un modo de realización de la presente invención. Se presentan como un ejemplo no limitativo de la invención con el fin de comprender mejor sus ventajas y características. 5

Figura 1: vista en perspectiva del dispositivo medidor de corrientes de fluidos.

Figura 2: vista explotada de la cadena cinemática rotacional-universal.

Figura 3: vista explotada de la cadena cinemática universal-prismática-esférica.

Figura 4: vista explotada del elemento móvil de medición del dispositivo.

Figura 5: esquema de funcionamiento del dispositivo medidor de corrientes. 10

Figura 6: esquema del dispositivo ante ausencia y presencia de corrientes de fluido.

Figura 7: esquema del dispositivo en una aplicación de apoyo en navegación.

Figura 8: esquema de otros dispositivos con cadenas cinemáticas equivalentes.

Descripción detallada de la invención 15

Modo de realización con una cadena cinemática rotacional-universal y dos cadenas cinemáticas universal-prismática-esférica:

La figura 1 muestra un modo de realización del medidor de corrientes de fluidos, según el 20 cual el instrumento utiliza un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad que consta de una base fija (1) que permite movimiento esférico a una plataforma móvil (7) según las restricciones impuestas por un mástil (2) y dos cadenas cinemáticas (3). El mástil (2) rota respecto de la base fija (1) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante la articulación universal (11), formando una cadena cinemática rotacional-universal (2)-(11). 25 Cada una de las cadenas cinemáticas (3) está formada por una articulación prismática (5) conectada a la base fija (1) mediante una articulación universal (4) y conectada a la plataforma móvil (7) mediante una articulación esférica (6). La plataforma móvil (7) se conecta mediante un tubo (8) a un recipiente esférico (9) que alberga en su interior una unidad de medición inercial (10). 30

La figura 2 muestra una vista explotada correspondiente a la cadena cinemática rotacional-universal (2)-(11) del mecanismo paralelo esférico. Esta cadena cinemática consta de un mástil (2) que rota respecto de la base fija (1) y posee en un extremo la articulación universal (11) donde se conecta la plataforma móvil (7) del mecanismo. El punto de 35 intersección de los dos ejes de rotación de la articulación universal (11) coincide con un tercer eje de rotación correspondiente a la rotación del mástil (2). Dicho punto es el centro de las rotaciones del mecanismo paralelo esférico. Todo movimiento de la plataforma móvil (7) por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9) dará lugar a un movimiento esférico con centro en este punto. Según la figura 2, el mástil (2) es mantenido en un ángulo de 40 reposo por el muelle (13), la desviación respecto de dicho ángulo es función de la orientación espacial de la plataforma móvil (7). Por lo tanto la rotación del mástil (2) aporta uno de los tres parámetros necesarios para determinar la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1).

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La base fija (1) se fabrica por corte y plegado de una chapa gruesa de acero inoxidable. La base fija (1) posee una brida (18) compuesta de un vaciado circular y ocho agujeros distribuidos circularmente alrededor del vaciado. Esta brida permite instalar el medidor de corrientes en diferentes posiciones de una embarcación, estructura, canal o tubería. Posee además, otros dos agujeros (19) que sirven para fijar las articulaciones universales (4) 50 mediante dos tornillos (20). El mástil (2) consiste en un eje de acero inoxidable que rota respecto de la base fija (1) apoyado sobre dos casquillos (12) y (16) fabricados en bronce y

ajustados a los extremos del eje. Uno de los extremos del eje se conecta a la articulación universal (11), mediante unión soldada. El otro extremo del mástil (2) posee un agujero roscado que permite bloquear el eje en traslación mediante arandela y tornillo (21).

El mástil (2) posee los agujeros (14) y (15) perpendiculares al eje longitudinal de rotación. El agujero (14) sirve para bloquear la rotación del mástil (2) mediante un prisionero (17). Este 5 bloqueo opcional, hace que el mecanismo paralelo pierda un grado de libertad y quede con solo dos grados de libertad. Siendo de utilidad en aplicaciones que requieran medir corrientes según un plano, en lugar del espacio. El agujero roscado (15) sirve para fijar un extremo del muelle de torsión (13) mediante un tornillo. El otro extremo del muelle se une a la base fija (1) con otro tornillo y posee un agujero oblongo que permite calibrarlo. 10

La figura 3 muestra una vista explotada de la cadena cinemática universal-prismática-esférica (3) del mecanismo paralelo esférico que utiliza dos cadenas cinemáticas de este tipo. Cada una consta de una articulación prismática (5) que se conecta a la base fija (1) mediante una articulación universal (4) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante una 15 articulación esférica (6). Según la figura 3, la articulación prismática (5) es mantenida en una posición intermedia de su carrera por dos muelles de tracción (33) y (35) antagonistas, y es desviada de dicha posición según varía la orientación espacial de la plataforma móvil (7). De tal forma que las extensiones de cada articulación prismática (5) aportan dos de los tres parámetros necesarios para determinar la orientación espacial de la plataforma móvil (7) 20 respecto de la base fija (1).

La articulación prismática (5) consta de dos barras paralelas (24) de acero inoxidable que se deslizan a través de dos separadores (25) fabricados en bronce. Las barras paralelas (24) se deslizan solidarias entre sí porque están vinculadas en sus extremos por dos placas (22) 25 unidas a las barras por las tuercas (29). Los muelles de tracción antagonistas (33) y (35), se fijan a las barras mediante una mordaza compuesta por dos placas de apriete (26) y (34). Las placas de apriete se fijan mediante tornillos (27) y permiten calibrar los muelles de tracción. Para dar soporte a este conjunto de piezas, se utiliza una placa inferior (28) y una placa superior (31). La placa superior (31) se fabrica a partir de una chapa de acero 30 inoxidable y posee tres agujeros por donde pasan tres tornillos (32). La placa inferior (28) es igual a la superior, salvo que posee agujeros roscados para cerrar el conjunto mediante los tres tornillos (32). Entre ambas placas se colocan tres separadores (25), cada uno posee cuatro agujeros. Dos de ellos sirven para guiar el deslizamiento de las barras paralelas (24). Un tercer agujero sirve para posicionar el eje fijador (30) y para introducir los extremos de 35 los muelles de tracción (33) y (35). Un cuarto agujero permite el paso de los tornillos (32), dos de estos tornillos sirven para fijar los extremos de los muelles de tracción (33) y (35), mientras que el tercero de ellos sirve para bloquear el eje (30).

La articulación universal (4) posee dos ejes de rotación ortogonales y se conecta solidaria a 40 uno de los tres separadores (25) mediante el eje fijador (30). La articulación esférica (6) se forma con una articulación universal provista de dos ejes de rotación ortogonales unida a la placa (22) mediante un tope (23) que le proporciona el tercer eje de rotación.

La figura 4 muestra una vista explotada del elemento móvil de medición del dispositivo, que 45 incluye el recipiente esférico (9), la unidad de medición inercial (10), el tubo (8) y la plataforma móvil (7). El recipiente (9) se construye con forma esférica con el fin de que el área proyectada sea constante según todas las direcciones de desplazamiento posibles del fluido. Se fabrican dos semiesferas (9) en aleación de aluminio para proteger a la unidad de medición inercial (10) del ambiente exterior. La semiesfera superior presenta en su 50 circunferencia mayor, una rosca macho de pocos filetes seguida de un asiento plano. Mientras que la semiesfera inferior presenta una rosca hembra de pocos filetes seguida de

un asiento plano. Sobre el eje de la semiesfera inferior asoma un saliente cilíndrico con un agujero roscado donde se conecta una base (35) que soporta la unidad de medición inercial (10) mediante cuatro guías (36) y sujeta el tubo (8) mediante unión roscada. Para ensamblar ambas semiesferas se roscan entre sí presionando una junta de goma ubicada entre los asientos planos de cada semiesfera, garantizando así la estanqueidad del recipiente 5 esférico (9).

El tubo (8) conecta el recipiente esférico (9) a la plataforma móvil (7). Se fabrica a partir de un tubo rígido de acero inoxidable. Por el interior del tubo se conducen los cables de alimentación y comunicación de la unidad de medición inercial (10). Estos cables transmiten 10 las señales eléctricas correspondientes a las mediciones efectuadas. La plataforma móvil (7) se fabrica a partir de una chapa de bronce de espesor considerable para garantizar la rigidez de la pieza. La plataforma móvil (7) presenta un agujero central (39) que sirve para fijar un extremo del tubo (8) mediante la tuerca (41), dos agujeros (40) que sirven para conectar la plataforma móvil (7) con las articulaciones esféricas (6) mediante dos topes 15 roscados (38) y un agujero de fijación (42) que sirve para conectar la plataforma móvil (7) a la articulación universal (11) mediante el tornillo (43).

La figura (5) muestra un esquema de funcionamiento del medidor de corrientes. La unidad de medición inercial (10) está formada por tres sensores, un magnetómetro, un giróscopo y 20 un acelerómetro y dispone de medios de procesamiento y almacenamiento de datos para calcular la velocidad (60) y dirección (61) del fluido en el espacio según las siguientes etapas:

- Cálculo de posiciones del mecanismo: la unidad de medición inercial (10) calcula en todo 25 momento la orientación espacial (45) de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1). Los medios de almacenamiento proporcionan la distancia (46) desde el centro del recipiente esférico (9) hasta el centro de la articulación universal (11) y la longitud (47) del mástil (2). Los medios de procesamiento utilizan (45), (46) y (47) para calcular, a partir de la ecuación matricial (51), la posición (52) del centro del recipiente esférico (9) respecto 30 de la base fija (1). Los medios de procesamiento utilizan la orientación (45) y posición (52) para calcular, a partir del modelo cinemático inverso (53) del mecanismo, tres posiciones articulares (54) relacionadas con la orientación espacial (45).

- Cálculo de fuerzas experimentadas por el mecanismo: los medios de almacenamiento 35 proporcionan la constantes elásticas lineal (48) y angular (49) de los muelles del mecanismo. Los medios de procesamiento utilizan las constantes elásticas y las posiciones articulares (54) para calcular, a partir de los multiplicadores (55), tres fuerzas articulares (56) correspondientes a las fuerzas y torques experimentados por las articulaciones del mecanismo. Los medios de procesamiento utilizan las fuerzas 40 articulares (56) para calcular, a partir del jacobiano transpuesto (57) del mecanismo, la fuerza de arrastre (58) ejercida por el fluido sobre el recipiente esférico (9).

- Cálculo de velocidad y dirección del fluido: los medios de almacenamiento proporcionan el radio (50) del recipiente esférico (9). La unidad de medición inercial (10) calcula en 45 todo momento la aceleración (44) correspondiente al vector de aceleraciones lineales del recipiente esférico (9). Los medios de procesamiento utilizan la aceleración (44) para verificar o corregir la dirección de la fuerza de arrastre (58) y evitar así errores o ambigüedades en las mediciones. Los medios de procesamiento utilizan el radio (50) y la fuerza de arrastre (58) para calcular, a partir de un modelo hidrodinámico (59), la 50 velocidad (60) y dirección (61) del fluido en el espacio.

La figura 6 muestra el medidor de corrientes instalado en el fondo de un canal de pruebas hidrodinámicas bajo dos situaciones diferentes separadas por una línea vertical de trazos. A la izquierda, el fluido del canal de pruebas carece de movimiento (62) por lo cual el medidor permanece, por acción de sus propios muelles, en una posición de reposo (63). En esta situación el medidor solo detecta y comunica la ausencia de velocidad en la corriente de 5 fluido. A la derecha de la línea, el canal de pruebas genera una corriente horizontal (64) con sentido de izquierda a derecha, por lo cual se observa que el medidor se ha desviado de su posición de reposo (65). En esta situación el medidor detecta y comunica la velocidad y dirección de la corriente generada por el canal de pruebas. El movimiento del fluido se representa por un vector de velocidad que contiene información de la rapidez de la corriente, 10 la dirección de la corriente referida al norte magnético y el sentido de la corriente según dicha dirección.

La figura 7 muestra un ejemplo de aplicación de la invención como instrumento de apoyo a la navegación de embarcaciones. El instrumento medidor de corrientes (67) representa un 15 modo de realización de la presente invención que se instala solidario a la estructura de un vehículo submarino (68) inmerso en aguas abiertas (66) y operado de forma remota. Las corrientes de agua ejercen una fuerza de arrastre calculada por el medidor de corrientes (67). La información del medidor se transmite al ordenador (69) a través del cable de comunicaciones (70). Dicha información representa la velocidad y dirección del fluido según 20 las tres direcciones del espacio y se usa en el control de maniobras para compensar el efecto de las perturbaciones del agua sobre el vehículo submarino (68).

Modos de realización con cadenas cinemáticas equivalentes:

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Los grados de libertad de un mecanismo son el número de parámetros independientes necesarios para determinar completamente la configuración de un mecanismo. Se pueden calcular como los grados de libertad asociados a todos los eslabones móviles del mecanismo menos el número de restricciones impuestas por las articulaciones del mecanismo. Según el criterio de Grübler, para que el mecanismo paralelo esférico de la 30 invención presente tres grados de libertad, con un total de seis eslabones, es necesario que las articulaciones del mecanismo impongan un total de veintisiete restricciones cinemáticas.

La figura 8 muestra tres cadenas cinemáticas diferentes (71), (74) y (76) que son equivalentes a la cadena cinemática (3) en cuanto al número de restricciones que imponen y 35 por lo tanto todas ellas conducen a mecanismos paralelos esféricos de tres grados de libertad, equivalentes entre sí desde un punto de vista cinemático. Dichos mecanismos equivalentes son variaciones del mecanismo presentado y constituyen otros modos de realización del medidor de corrientes de fluidos.

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En la esquina superior izquierda, el mecanismo está formado por una cadena cinemática rotacional-universal (2)-(11) y dos cadenas cinemáticas universal-prismática-esférica (3). Esta arquitectura corresponde al mecanismo de la figura 1. En la esquina superior derecha, el mecanismo presenta una cadena cinemática rotacional-universal (2)-(11) y dos cadenas cinemáticas prismática-universal-esférica (71). En este caso las articulaciones prismáticas 45 (5) se instalan solidarias a la base fija (1). En la esquina inferior izquierda, se muestra un mecanismo equivalente que presenta una cadena cinemática rotacional-universal (2)-(11) y dos cadenas cinemáticas rotacional-prismática-rotacional-esférica (74). Este mecanismo utiliza articulaciones rotacionales (72), (73) y solo una articulación universal (11). En la esquina inferior derecha, se muestra un mecanismo equivalente basado en una cadena 50 cinemática rotacional-universal (2)- (11) y dos cadenas cinemáticas rotacional-universal-esférica (76). Presenta la particularidad que no necesita articulaciones prismáticas porque

su acción es reemplazada por dos articulaciones rotacionales (75). Este modo de realización puede resultar de interés para construir medidores de corrientes más compactos que solo utilicen muelles de torsión.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, caracterizado porque consta de un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad formado por:

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   - una base fija (1) que permite movimiento esférico a una plataforma móvil (7) mediante un mástil (2), que rota respecto de la base fija (1) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante una articulación universal (11), y dos cadenas cinemáticas (3) que comprenden, cada una, una articulación prismática (5) que se conecta a la base fija (1) mediante una articulación universal (4) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante 10 una articulación esférica (6),

   - un recipiente esférico (9) conectado mediante un tubo (8) a la plataforma móvil (7), que soporta en su interior una unidad de medición inercial (10) que dispone de medios de procesamiento y almacenamiento de datos, para calcular la velocidad (60) y dirección 15 (61) del fluido en el espacio a partir de la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1).
2. 2. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicación 1, caracterizado porque el mástil (2) se mantiene en un ángulo de reposo por un muelle de 20 torsión (13) y es desviado de dicho ángulo de reposo según varía la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9).
3. 3. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 y 2, 25 caracterizado porque la cadena cinemática (3) se mantiene en una posición intermedia de su carrera por dos muelles de tracción (33) y (35) antagonistas, y es desviada de dicha posición según varía la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9).

   30
4. 4. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el mástil (2) presenta un agujero (14) perpendicular al eje longitudinal de rotación del mástil (2) que permite bloquear la rotación del mástil (2) respecto de la base fija (1) con un prisionero (17), para reducir los grados de libertad del mecanismo de tres a dos y limitar el dispositivo a la medición de velocidad y dirección de un fluido en un plano, en 35 lugar del espacio.
5. 5. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la base fija (1) posee una brida circular (18) que permite instalar el dispositivo en diferentes posiciones de una embarcación, estructura, canal o tubería. 40
6. 6. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque puede instalarse entre la base fija (1) y la plataforma móvil (7) una cubierta deformable para proteger el mecanismo de posibles agentes externos presentes en el fluido. 45
7. 7. Método de cálculo del dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, descrito en las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

   - Etapa de cálculo de posiciones del dispositivo que comprende a su vez las siguientes 50 fases:

   - la unidad de medición inercial (10) calcula la orientación espacial (45) de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1),

   - los medios de almacenamiento proporcionan la distancia (46) desde el centro del recipiente esférico (9) hasta el centro de la articulación universal (11) y la longitud (47) del mástil (2), 5

   - los medios de procesamiento utilizan la orientación (45), la distancia (46) y la longitud (47) para calcular la posición (52) del centro del recipiente esférico (9) respecto de la base fija (1),

   - los medios de procesamiento utilizan la orientación (45) y posición (52) para calcular, a partir de un modelo cinemático inverso (53) del mecanismo, tres posiciones articulares 10 (54).

   - Etapa de cálculo de fuerzas experimentadas por el dispositivo que comprende las siguientes fases:

   - los medios de almacenamiento proporcionan la constantes elásticas lineal (48) y 15 angular (49) de los muelles del mecanismo,

   - los medios de procesamiento utilizan las constantes elásticas y las posiciones articulares (54) para calcular, mediante los multiplicadores (55), tres fuerzas articulares (56) correspondientes a las fuerzas axiales experimentadas por las articulaciones prismáticas del mecanismo y el torque experimentado por el mástil 20

   - los medios de procesamiento utilizan las fuerzas articulares (56) para calcular, a partir del jacobiano transpuesto (57) del mecanismo, la fuerza de arrastre (58) ejercida por el fluido sobre el recipiente esférico (9).

   - Etapa de cálculo de velocidad y dirección del fluido que comprende a su vez las siguientes fases: 25

   - los medios de almacenamiento proporcionan el radio (50) del recipiente esférico (9),

   - la unidad de medición inercial (10) calcula la aceleración (44) correspondiente al vector de aceleraciones lineales del recipiente esférico (9),

   - los medios de procesamiento utilizan la aceleración (44) para verificar o corregir la dirección de la fuerza de arrastre (58) y evitar errores en las mediciones, 30

   - los medios de procesamiento utilizan el radio (50) del recipiente esférico (9) y la fuerza de arrastre (58) para calcular, mediante un modelo hidrodinámico (59), la velocidad (60) y dirección (61) del fluido en el espacio.