ES2644027T3 - Cuadalímetro ultrasónico y método para su funcionamiento - Google Patents

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ES2644027T3 ES03012006.7T ES03012006T ES2644027T3 ES 2644027 T3 ES2644027 T3 ES 2644027T3 ES 03012006 T ES03012006 T ES 03012006T ES 2644027 T3 ES2644027 T3 ES 2644027T3
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Abstract

Método para el funcionamiento de un caudalímetro ultrasónico donde el tiempo de desplazamiento de las señales por una sección de medición se mide con un tubo de medición (2) que comprende la sección de medición (1), en ambas direcciones y una diferencia de tiempo de desplazamiento calculado mediante el mismo para determinar el caudal de agua y donde el tubo de medición (2) está configurado sin guía de ondas que excluye completa o casis completamente las reflexiones mediante (a) el tubo de medición (2) que comprende una capa límite (11) y una capa intermedia (12) contigua al lado externo de la capa límite y que tiene una capa de agua y (b) la capa límite (11) configurada de modo que las señales ultrasónicas atraviesan la capa límite (11) hacia la capa intermedia (12) caracterizado porque las señales ultrasónicas se generan como campo ultrasónico en forma de campana (6) donde el campo en forma de campana es generado por un transductor ultrasónico (4,5) en combinación con un espejo (8).

Description

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DESCRIPCION
Cuadallmetro ultrasonico y metodo para su funcionamiento
La presente invencion se refiere, por una parte, a un metodo para hacer funcionar un caudallmetro ultrasonico de acuerdo con la reivindicacion 1 y, en segundo lugar, a un caudallmetro ultrasonico, en particular para llevar a cabo el metodo anteriormente mencionado de acuerdo con la reivindicacion 3. Los caudallmetros son aptos para registrar velocidades de flujo y, en base a ello, registrar caudales. Ademas, se los puede utilizar en combination con mediciones de diferencias de temperatura para registrar y compensar el consumo de calor.
En la patente europea EP 0 451 355 A1 se describe un medidor para determinar el caudal de un llquido en circulation mediante un tubo de medicion de interior reflectante. En particular, se propone configurar la longitud L del tubo de medicion de modo que sea menor que la mitad de la distancia de reflexion A, puesto que gran parte de las ondas ultrasonicas todavla no se ha reflejado en la pared interna del tubo de medicion al atravesarlo.
En la patente europea EP 0 897 102 A1 se describe un medidor de caudal con una carcasa con puertos de entrada y de salida, entre los cuales fluye un medio en direction axial a la section de medicion. En el trayecto entre el orificio de entrada o salida a la seccion de medicion ultrasonica, la carcasa esta rodeada en este caso por un cuerpo de material absorbente de ultrasonido. De esta manera se evita el hecho de que una parte del impulso ultrasonico emitido por el transductor ultrasonico en la fase de transmision se refleje dentro del tubo de medicion La longitud del tubo de medicion debe determinarse de tal manera que no se produzcan reflexiones en la pared.
En la patente europea EP 0 790 490 A1 se describe ademas un transductor ultrasonico que funciona sin gula de ondas. ( Para minimizar la reflexion del sonido en el tubo de medicion o en el transductor ultrasonico se propone, por un lado, fijar el borde frontal del tubo de medicion con un angulo de manera tal que el sonido reflejado no se vuelva reflejar ni en el tubo de medicion ni directamente en el transductor ultrasonico. Ademas, se propone que la superficie del borde frontal inclinado sea ondulada para reflejar el sonido de forma difusa o bien que este revestida con un material absorbente de ultrasonido.
La patente EP 0 559 938 A1 describe un caudallmetro con una pluralidad de espejos en el interior de un accesorio del tubo de medicion para la propagation y reflexion de impulsos ultrasonicos.
El documento WO 86/02723 describe un transductor ultrasonico con el que se evitan ecos de sonido no deseados que se producen como consecuencia de la reflexion en los transductores. Para este proposito, los maximos de onda de sonido estrechamente limitados as! como una llnea de onda de sonido estrechamente definida entre los maximos se generan mediante proyecciones o depresiones en el lado activo del transductor. Ademas, se propone que los maximos de onda de sonido antes mencionados en la zona marginal no entren en la seccion de medicion o bien que sean absorbidos sonora dentro de la seccion de medicion. Para ello, el interior del tubo de medicion se recubre con un material que absorbe el sonido.
La patente europea EP 0 081 663 A1 trata sobre un transmisor de valores medidos para determinar el caudal en un llquido en circulacion. Para reducir la influencia armonica que afecta adversamente el resultado de la medicion se propone proporcionar transductores ultrasonicos con un respectivo electrodo parcial de manera que tengan un comportamiento de resonancia individual con una forma de oscilacion en forma de campana y/o el tubo de medicion tenga un diseno de pared delgada y/o el tubo de medicion este revestido con material que absorba sonido.
La patente europea EP 0 897 102 A1 describe un caudallmetro ultrasonico cuyo tubo de medicion esta recubierto con un material que absorbe el sonido.
La patente europea EP 0 451 355 A1 trata sobre un transmisor de valores medidos para determinar el caudal de un llquido en circulacion, en el que la longitud L del tubo de medicion es mas corta que la mitad de la distancia de reflexion de manera que el tubo de medicion no actua como gula de ondas porque la mayorla de las ondas de sonido no ha sufrido aun ninguna reflexion en su pared interna al pasar a traves del tubo de medicion.
La presente invencion proporciona un metodo generico por medio del cual se puede lograr una alta precision de medicion con un diseno estructural simple de caudallmetro ultrasonico. Ademas, el metodo esta destinado a permitir la production de caudallmetros ultrasonicos de dimensiones muy diferentes. Ademas, la presente invencion tiene por objeto proporcionar el medidor de flujo ultrasonico correspondiente.
El objeto anteriormente mencionado se logra mediante el metodo de la presente invencion cuyas caracterlsticas se describen en la caracterizacion de la reivindicacion 1.
Un campo de ultrasonido con forma de campana es una radiacion sonora sin una ocurrencia significativa de lobulos secundarios.
Debido a que las senales ultrasonicas se generan como un campo ultrasonico en forma de campana, no son necesarias medidas estructurales sobre la superficie activa del transductor ultrasonico ni sobre la configuracion de la 5 disposicion de tubo de medicion. Ademas, la distancia L del transductor se puede seleccionar libremente. La distancia del transductor L puede determinarse fuera de los llmites especificados en el mismo en comparacion con los disenos anteriores, en los que deben tenerse en cuenta las leyes de los mlnimos o maximos de reflexion dentro del tubo de medicion. La libre eleccion de la distancia del transductor L permite utilizar una carcasa de caudallmetro ultrasonico normalizada con respecto a la separacion del transductor para diferentes mediciones de flujo, por lo cual 10 solo se utilizan tubos de medicion de diferentes diametros como piezas de repuesto. Como resultado de ello, se puede reducir significativamente el costo de produccion de caudallmetros ultrasonico con distintas dimensiones de caudal. La caracterlstica de que la seccion de medicion no esta disenada como una gula de ondas asegura que no se produzcan reflexiones dentro del tubo de medicion o, al menos que casi no se produzcan, y por lo tanto, no afecta a la precision de la medicion. Ademas, puesto que no hay reflexion dentro del tubo de medicion, se incrementa la vida 15 util del caudallmetro ultrasonico debido a que la sedimentacion en el interior del tubo ya no tiene ninguna influencia. La idea aqul es aceptar deliberadamente un Indice de absorcion de energla sonora relativamente alto, que es inofensiva, como se ha determinado, ya que los componentes de energla sonora restantes (en ausencia de partes donde hay reflexion) son suficientes para una medicion precisa.
Un campo de ultrasonido en forma de campana se puede lograr de acuerdo con la invencion con un transductor y un 20 espejo distante, tan pequeno que solo pueda transmitir el lobulo principal.
El campo de ultrasonido es irradiado convenientemente por una superficie plana activa de un transductor ultrasonico. Por lo tanto, no se necesitan medidas especiales para la configuracion de la superficie del transductor ultrasonico.
En cuanto a la libre eleccion de la distancia L del transductor, esta se situa convenientemente fuera de la distancia calculada A del transductor al primer maximo teorico de reflexion Y o al mlnimo teorico de reflexion X.
25 El objeto anteriormente mencionado se logra mediante el cuadallmetro ultrasonico de la presente invencion cuyas caracterlsticas se describen en la caracterizacion de la reivindicacion 3.
El hecho de que la seccion de medicion no este disenada como una gula de ondas que excluye completa o casi completamente una reflexion da lugar a la posibilidad de disenar el caudallmetro ultrasonico de una manera estructuralmente sencilla y rentable en contraste con las leyes teoricas de la teorla de la reflexion y al mismo tiempo 30 permite asegurar una mayor exactitud de medicion. El campo ultrasonico en forma de campana es generado por un transductor ultrasonico en combinacion con un espejo. De acuerdo con la invencion, la capa llmite debe estar disenada de tal manera que, en la medida de lo posible, no se produzca ninguna reflexion y que, al mismo tiempo, la capa intermedia asegure una optima absorcion del sonido. De acuerdo con la invencion, la capa intermedia es una capa de agua. Con el fin de evitar sustancialmente las reflexiones en la capa llmite, se forma convenientemente un grosor de 35 pared menor o igual que 1.5 mm.
Segun otra forma de realizacion de la invencion, el caudallmetro ultrasonico comprende un tubo de medicion con un espejo de alta reflexion.
Convenientemente, tambien se proporciona una distancia de transductor constante L para diferentes geometrlas del tubo de medicion. De esta manera, en la produccion en series de medidores para distintas dimensiones de flujo se 40 puede llevar a cabo la estandarizacion de las piezas del caudallmetro.
En particular, para distintas dimensiones de flujo se puede usar una carcasa uniforme con tubos de medicion disenados.
Las mejoras ventajosas de la presente invencion se explican con mas detalle a continuacion en referencia a las figuras.
Se muestra lo siguiente: La Figura 1 muestra la seccion de medicion de un caudallmetro ultrasonico; la Figura 2 45 muestra la seccion de medicion de la Figura 1 con referencia a los valores maximo y mlnimo de reflexion teorica, la Figura 3 muestra otra forma de realizacion de la seccion de medicion en la que se utilizan espejos para desviar las senales ultrasonicas, la Figura 4 muestra otra forma de realizacion de la seccion de medicion con espejos en el tubo de medicion y la Figura 5 muestra un detalle del revestimiento del tubo de medicion o el tubo de medicion de la forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion.
50 El numero de referencia 1 de la Figura 1 indica una seccion de medicion para su uso en un caudallmetro ultrasonico en su totalidad como antecedente tecnologico para una mejor comprension. Comprende un tubo de medicion rectillneo
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2 y un primer transductor 4 con una superficie activa 7 para producir un impulso de sonido, as! como un segundo transductor 5 para recibir el impulso de sonido generado por el primer transductor 4.
El interior del tubo de medicion 2 esta revestido 3 con material que absorbe sonido.
El numero de referencia 6 designa un campo ultrasonico en forma de campana que se crea en el tubo de medicion 2, producido por el primer transductor 4. Para ello, el primer transductor 4 presenta una superficie plana activa 7.
Las secciones 10 del lobulo ultrasonico que inciden en el revestimiento 3 son absorbidas por el revestimiento 3, es decir no se reflejan. La seccion restante 9 del lobulo de ultrasonido, que esta todavla dentro del tubo de medicion, se desplaza hacia el segundo transductor 5, disminuyendo inevitablemente la energla sonora del lobulo ultrasonico que se extiende sobre la longitud del tubo de medicion 2. Se utiliza el componente de sonido libre de reflexion 9 restante de la diferencia de tiempo de propagacion.
El tiempo de propagacion se detecta tambien en la direction opuesta a la direction ilustrada en la Figura 1 para conseguir una diferencia de tiempo.
La representation segun la Figura 2 muestra la disposition del primer transductor 4 con respecto del segundo transductor 5 tomando en cuenta el comportamiento de reflexion teorico. En la patente europea Ep 0 451 355 A1 se hace referencia a este comportamiento de reflexion teorico. La caracterlstica especial es que el segundo transductor 5 esta dispuesto en un punto que esta mas alejado del primer transductor 4 que el primer maximo de reflexion Y. Por esta razon, la longitud L de la seccion de medicion 1 puede mantenerse constante para diferentes diametros de tubo de medicion sin sacrificar la precision de la medicion. Se deduce que, con la misma precision de medicion, la cantidad de piezas puede reducirse considerablemente para diferentes caudallmetros.
En la realization de la Figura 2, el segundo transductor 5 esta situado entre el primer maximo de reflexion Y y el primer mlnimo de reflexion X. La distancia entre el primer maximo de reflexion X y el transductor 4 se identifica con la letra A en la Figura 2. Esta forma de realizacion parmite ajustar la longitud L de la seccion de medicion 1 segun se desee.
Segun la forma de realizacion de la Figura 1 el lobulo ultrasonico en forma de campana 6 entra completamente en el tubo de medicion.
Este material de absorcion acustica tiene una impedancia Zo < 2 106 kg/m2 segundo. La impedancia Zo del material que absorbe sonido del revestimiento 3 es deseablemente menor que la del medio (por ejemplo, a una temperatura de 20 °C). Se proporcionan convenientemente como material absorbente de sonido, PTFE, PVDF, silicona, caucho blando, VITON o EPDM.
En caso de que se deba usar agua caliente de hasta 150° C, se debe usar preferentemente PVDF como material que absorbe sonido.
De acuerdo con una realizacion alternativa (que no se muestra), en lugar de un revestimiento del tubo de medicion 2, el propio tubo de medicion 2 puede estar hecho en un material que absorbe el sonido.
La funcion sin gula de ondas segun la presente invention se produce cuando mas del 70 %, en particular mas del 85 %, de los componentes de sonido que inciden en la superficie del tubo de medicion 2 no se reflejan en la seccion de medicion.
El grosor de pared del revestimiento 3 o del tubo de medicion 2 hecho de material que absorbe sonido se elige de tal manera que se pueda absorber suficiente energla sonora. El grosor de la pared en este caso se encuentra en un intervalo mayor o igual que 1,5 mm, preferiblemente de aproximadamente 2 mm.
La Figura 3 muestra una forma de realizacion de un caudallmetro ultrasonico de acuerdo con la presente invencion que utiliza espejos insertados 8. Como resultado de ello, se puede generar un campo ultrasonico en forma de campana y se puede realizar un montaje ventajoso de los transductores.
Con respecto al grosor de la pared y la election del material, las indicaciones preparadas para las formas de realizacion de las Figuras 1 y 2 se aplican a la forma de realizacion de la Figura 3.
La Figura 4 muestra una forma de realizacion modificada del caudallmetro ultrasonico. Con el fin de asegurar una reflexion dirigida dentro del tubo de medicion 2, que funciona sin gula de ondas, se coloca en la mitad de la seccion de medicion 1, un espejo 15 equidistante entre los dos transductores 4, 5. El espejo 15 asegura la reflexion de solo las partes sonoras que inciden sobre la pared en esta region. El segundo transductor 5 de la presente esta situado
en el mlnimo de reflexion de las senales de ultrasonido reflejadas por el espejo 15. El espejo 15 puede estar dispuesto dentro en el tubo de medicion 2 o parcialmente en regiones perifericas.
El numero de referencia 5 muestra una seccion parcial de la estructura del revestimiento 3 o la conversion del tubo de medicion 2 de acuerdo con la presente invencion. La estructura comprende una capa llmite 11 que esta disenada de 5 tal manera que produzca la menor reflexion posible. Con este fin, la capa llmite 11 tiene preferiblemente un grosor de pared de menos de 1,5 mm. A continuacion, se encuentra una capa intermedia que absorbe las senales ultrasonicas que atraviesan la capa llmite 11. La capa intermedia 12 tiene una impedancia Zintermedia inferior o igual que la impedancia del medio Zmedio. De acuerdo con la invencion la capa intermedia 12 es una capa de agua. A continuacion se encuentra una capa exterior adicional 14.
10 La presente invencion asegura, por un lado, un aumento de la vida util y por otro, la posibilidad de reducir las dimensiones del caudallmetro ultrasonico sin sacrificar la precision de medicion. Por lo tanto, la invencion proporciona una contribucion muy particular al arte pertinente.

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para el funcionamiento de un caudallmetro ultrasonico donde el tiempo de desplazamiento de las senales por una seccion de medicion se mide con un tubo de medicion (2) que comprende la seccion de medicion (1), en ambas direcciones y una diferencia de tiempo de desplazamiento calculado mediante el mismo para determinar el caudal de agua y donde el tubo de medicion (2) esta configurado sin gula de ondas que excluye completa o casis completamente las reflexiones mediante (a) el tubo de medicion (2) que comprende una capa llmite (11) y una capa intermedia (12) contigua al lado externo de la capa llmite y que tiene una capa de agua y (b) la capa llmite (11) configurada de modo que las senales ultrasonicas atraviesan la capa llmite (11) hacia la capa intermedia (12) caracterizado porque las senales ultrasonicas se generan como campo ultrasonico en forma de campana (6) donde el campo en forma de campana es generado por un transductor ultrasonico (4,5) en combinacion con un espejo (8).
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 caracterizado porque el campo ultrasonico (6) es emitido por una superficie activa uniformemente plana (7) del transductor ultrasonico (4, 5).
  3. 3. Caudallmetro ultrasonico para realizar en particular el metodo de acuerdo con una las reivindicaciones precedentes que tiene un primer transductor ultrasonico (4), un segundo transductor ultrasonico (5) o reflector, una seccion de medicion (1) formada por el primer transductor ultrasonico (4) y un segundo transductor ultrasonico (5) o por el primer transductor ultrasonico (4) y el reflector y un tubo de medicion (2) que encierra la seccion de medicion (1) en donde el tubo de medicion (2) no tiene gula de ondas que excluye completa o casi completamente las reflexiones mediante (a) el tubo de medicion que comprende una capa llmite (11) y una capa intermedia (12) contigua al lado exterior y tiene la forma de una capa de agua y donde (b) la capa llmite (11) esta configurada de manera tal que las senales ultrasonicas atraviesan la capa llmite (11) hasta la capa intermedia (12) caracterizado porque las senales ultrasonicas se generan como un campo ultrasonico en forma de campana (6) donde el campo ultrasonico en forma de campana es generado por un transductor ultrasonico (4,5) en combinacion con un espejo (8).
  4. 4. Un caudallmetro de acuerdo con la reivindicacion 3 caracterizado porque el grosor de la pared de la capa llmite (11) es menor o igual a 1.5 mm.
  5. 5. Caudallmtero de acuerdo con la reivindicacion 3 o 4 CARACTERIZADO PORQUE se proveen espejos (8) con una reflectividad relativamente alta para desviar las senales ultrasonicas.
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