ES2893296T3 - Dispositivo y procedimiento para medir flujos en un conducto de fluido - Google Patents

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Abstract

Dispositivo (1) destinado a medir flujos en función del ángulo de refracción de un haz acústico cuando éste incide sobre un medio a medir, con un conducto de fluido (2) y cerámicas de medición (3, 4) para generar ultrasonidos, en donde las cerámicas de medición (3, 4) están dispuestas en un plano paralelo al eje del conducto de fluido, y un prisma (13.1, 13.2, 14.1, 14.2) está dispuesto en cada una de las cerámicas de medición (3, 4), cuyo prisma dirige los ultrasonidos en el conducto de fluido, caracterizado porque el conducto de fluido está dispuesta entre los prismas (13.1, 13.2, 14.1, 14.2), estando dispuesta una placa electrónica (5) en el plano o paralela al plano en otro plano.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento para medir flujos en un conducto de fluido
La invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para medir flujos sobre la base del ángulo de refracción de un haz acústico, cuando este haz incide en un medio a medir, con un conducto de fluido y cerámicas de medición para generar ultrasonidos, estando las cerámicas de medición dispuestas en un plano, estando un prisma dispuesto en cada una de las cerámicas de medición y estando el conducto de fluido dispuesto entre los prismas.
En los dispositivos, que también son denominados sensores ultrasónicos, se pueden disponer dos pares de cerámicas de medición en un lado del conducto de fluido. El conducto de fluido también se denomina tubo de flujo. Dependiendo de la aplicación, también se pueden utilizar varios conductos de fluido y varias cerámicas. Además de esto, también se pueden prever más de dos sensores en un conducto de fluido, por ejemplo, para aumentar la precisión de la medición.
El documento EP 0605 944 A2 y el documento EP 0733 885 A1 revelan unos dispositivos, en los que un prisma está dispuesto en cada una de las cerámicas de medición y el conducto de fluido está dispuesto entre los prismas. El documento WO 95/17650 A1 divulga un dispositivo, en el que las cerámicas de medición están dispuestas en un plano, que es paralelo al eje del conducto de fluido.
La frecuencia de excitación de cerámicos opuestos es siempre la misma para procesar las señales transmitidas y recibidas, y está preferiblemente en el rango de 1,0 a 5 MHz. Cuando se utilizan más pares de cerámicas en un sensor, también se pueden utilizar cerámicas con diferentes frecuencias de excitación, para permitir las posibilidades de aplicación de un sensor a diferentes propiedades de los fluidos.
Las cerámicas de medición están conectadas a una placa de circuitos impresos, en la que está previsto el dispositivo de evaluación. Sin embargo, también se pueden utilizar varias placas de circuitos impresos en un plano o en varios planos.
Unos dispositivos del genero expuesto también se conocen del documento EP 2840362 A1 y un dispositivo similar se muestra en documento EP 0686255 B1.
En estos dispositivos conocidos, las cerámicas de medición / los sensores están en posición horizontal respecto a la placa de circuitos impresos. Esto requiere una estructura compleja y un procedimiento de fabricación complicado, lo que repercute negativamente en los costes de fabricación.
La invención se basa en la tarea de optimizar la estructura de un dispositivo de este tipo y el procedimiento de medición, de tal manera que se puedan reducir los costes de fabricación. Esto significa que el sensor se puede ensamblar a partir de varios componentes estándar y, por lo tanto, se puede modificar muy fácilmente para aplicaciones especiales en el rango de medición de ultrasonidos. Asimismo, con la estructura de sensor descrita son posibles nuevos procedimientos de fabricación, de modo que los componentes del sensor, como los prismas y las placas de circuitos impresos con cerámicas ultrasónicas integradas, pueden ensamblarse en condiciones de sala limpia.
Esto se consigue por medio de que está dispuesta una placa electrónica en el plano o paralela al plano en un plano y el conducto de fluido está dispuesto entre las cerámicas de medición dispuestas sobre la placa electrónica.
De este modo se hace posible disponer las cerámicas de medición una al lado de la otra sobre una placa de circuitos impresos, por ejemplo, y utilizar los prismas para dirigir el ultrasonido de tal manera, que sea dirigido a través del conducto de fluido. Para ello, se dispone un prisma en cada una de las cerámicas de medición y una placa electrónica en el plano paralelo o en paralelo al plano paralelo.
El conducto de fluido puede ser insertado en el dispositivo. Sin embargo, es ventajoso que el conducto de fluido esté integrado en el dispositivo y tenga una conexión en cada uno de sus extremos.
Los prismas tienen ángulos de refracción definidos con respecto al conducto de fluido. Es ventajoso que la línea de conexión de las cerámicas de medición discurra en diagonal al conducto de fluido. El ángulo del prisma está optimizado preferiblemente de tal manera, que las ondas acústicas se reflejen en 45°. La frecuencia de emisión de la cerámica está adaptada al tiempo de propagación acústica del prisma o del medio. Si las ondas acústicas chocan con el medio a examinar, se produce una refracción (desviación) de las ondas acústicas. La refracción del haz acústico sobre las superficies límite tiene lugar según la relación respectiva de la velocidad del sonido. Esto da como resultado una relación según O. Fiedler (Stromungs- und Durchflussmesstechnik, Otto Fiedler, Munich; Viena: Oldenbourg, 1992) para los ángulos de refracción:
Cos a: Cos p : Cos / Cce de medición CCe de medición/Prisma CPrisma/Medio El ángulo de los prismas con respecto al conducto de fluido está diseñado conforme al medio a medir. Si se utilizan varios prismas, las disposiciones angulares con respecto al conducto de fluido pueden dimensionarse de forma diferente, para medir flujos volumétricos en diferentes medios.
Un ejemplo de realización se muestra en la figura y se describe a continuación. Aquí muestran
la figura 1 una vista lateral de un sensor ultrasónico de dos canales con conducto de fluido, prisma, cerámicas de medición y placa de circuitos impresos,
la figura 2 una vista en planta sobre el sensor ultrasónico mostrado en la figura 1,
la figura 3 una vista en planta sobre un sensor ultrasónico de cuatro canales con conducto de fluido, prisma, cerámicas de medición y placa de circuitos impresos,
la figura 4 una vista en planta sobre un sensor ultrasónico de seis canales con conducto de fluido, prisma, cerámicas de medición y placa de circuitos impresos,
la figura 5, esquemáticamente, un sensor de dos canales con tramos de entrada y salida de la señal acústica con ángulo de refracción,
la figura 6, esquemáticamente, un sensor de cuatro canales con tramos de entrada y salida,
la figura 7 un sensor ultrasónico con dos pares de cerámicas de medición, que tienen diferentes ángulos de refracción con respecto al conducto de fluido.
El sensor ultrasónico 1 mostrado en la figura 1 sirve como dispositivo para medir flujos y consiste esencialmente en un conducto de fluido 2, también denominada tubo de flujo, y dos cerámicas de medición 3, 4 para generar ultrasonidos. Las cerámicas de medición 3 y 4 están dispuestas sobre una placa electrónica 5, que en el ejemplo de realización es una placa de circuitos impresos.
Esta placa de circuitos impresos 5 se encuentra en un plano 6, que está dispuesto en paralelo a un eje 7 que corre en la dirección del conducto de fluido 2.
En una forma de realización alternativa, el conducto de fluido también puede estar en el plano de la placa electrónica.
El conducto de fluido configurado como un tubo de flujo también puede tener múltiples cavidades (no mostradas), de tal modo que múltiples fluidos diferentes puedan fluir en el conducto de fluido.
Las cerámicas de medición 3 y 4 están dispuestas en un plano 8 paralelo al plano 6.
El conducto de fluido 2 tiene en sus extremos unas sujeciones 9, 10 y cada una una conexión 11, 12. Las conexiones 11, 12 pueden tener diferentes diseños, preferiblemente como sistema Luer o Luer-Look estandarizado (IOS 80369-7:2016), Large o Giant Bore.
Un prisma 13.1, 13.2 y 14.1, 14.2 está dispuesto en cada una de las cerámicas de medición 3, 4 para generar un haz ultrasónico, que pasa a través del conducto de fluido desde un prisma 13.1, 13.2 al otro prisma 14.1, 14.2 o desde una cerámica de medición 3 a la otra cerámica de medición 4.
El dispositivo completo que comprende la placa electrónica 5, las cerámicas de medición 3, 4, los prismas 13.1, 13.2, 14.1, 14.2 y el conducto de fluido 2 puede fabricarse como un producto desechable. Una forma de realización preferida prevé que el conducto de fluido 2 se fabrique en una sola pieza con las cerámicas de medición 3 y 4 y con la placa electrónica 5 como un solo componente. Debido a las estrechas tolerancias a la hora de colocar las cerámicas 3, 4 sobre la placa electrónica 5, los prismas 13.1, 13.2, 14.1 14.2 y el posicionamiento exacto mediante el dispositivo de fijación 17, 18, los componentes encajan de forma óptima entre sí sin tener que volver a trabajarlos. Para mantener reducida la atenuación de las transiciones ultrasónicas entre las cerámicas 3, 4 y los prismas 13.1, 13.2, 14.1. 14.2, están pegados entre sí.
Sin embargo, el dispositivo también puede fabricarse como un producto reutilizable y, en particular, la placa electrónica 5 y las cerámicas de medición 3 y 4 pueden fabricarse como un producto reutilizable.
Un dispositivo de posicionamiento 15 permite desplazar la cerámica de medición 3 sobre un eje 16, para adaptar las características del sensor.
Un dispositivo de fijación 17, 18 se extiende respectivamente a ambos lados del eje 16 en el conducto de fluido 2, transversalmente al conducto de fluido 2.
La figura 2 muestra que, frente al dispositivo de posicionamiento 15 para la cerámica de medición 4, está previsto un segundo dispositivo de posicionamiento 19. Los conductores impresos 20 conducen a un punto de conexión 21, en el que se puede disponer un enchufe (no mostrado). El ángulo 22 muestra la disposición angular de las cerámicas sobre la placa y el ángulo de refracción de los prismas.
El ejemplo de realización mostrado en la figura 3 es similar en estructura al ejemplo de realización mostrado en las figuras 1 y 2. Este ejemplo de realización muestra un dispositivo 30 con cuatro cerámicas de medición 36, 37, 38 y 39. Estas cerámicas de medición están fijadas a una placa de circuitos impresos 35 mediante los dispositivos de posicionamiento 45, 46, 47 y 48. El sonido se desvía a través de los prismas 40, 41, 42 y 43 de tal manera, que fluye a través del conducto de fluido 44 entre cada uno de los prismas 40 y 42 ó 41 y 43. Todas las cerámicas de medición 36, 37, 38 y 39 y todos los prismas 31, 32, 33, 34, 40, 41, 42 y 43 están dispuestos respectivamente en un plano, que es paralelo al plano de la placa de circuitos impresos 35.
La figura 4 muestra una forma de realización 50, que se corresponde sustancialmente con la forma de realización mostrada en la figura 3 y, además, tiene dos cerámicas de medición 55, 56 y dos pares de prismas 51, 53 y 52, 54. Las cerámicas de medición están dispuestas a su vez en los dispositivos de posicionamiento 57, 58.
La estructura esquemática de un haz acústico desviado se muestra en la figura 5. En este dispositivo 60, el sonido es guiado desde la cerámica de medición 61, a través del prisma 62, hacia el medio 63. El haz acústico 64 pasa del medio 63 a otro prisma 65 y de ahí a la cerámica de medición 66. La cerámica de medición 66 puede desplazarse mediante un dispositivo de posicionamiento 67. Los ángulos a y p dibujados dependen de las propiedades del material específicas del sensor de la cerámica de medición 61 y del prisma 62. Dado que las propiedades de los materiales de estos componentes tienen idealmente sólo pequeñas tolerancias, se supone que los ángulos de refracción a y p son constantes. Cuando el haz acústico 64 incide en el medio a medir 63, el ángulo de refracción / depende de las propiedades del medio (por ejemplo, densidad, temperatura, viscosidad, característica acústica). El haz acústico 64 se desvía de forma correspondiente al medio 63 y choca con la segunda cerámica de medición 66.
El dispositivo de posicionamiento 67 de la segunda cerámica de medición 66 puede utilizarse para adaptar la característica del sensor. A este respecto, las dos cerámicas de medición 61 y 66 pueden servir tanto de emisores como de receptores.
La figura 6 muestra un sensor de cuatro canales 70, que está estructurad sustancialmente como el sensor de dos canales 60 mostrado en la figura 5. Con este sensor de cuatro canales 70 se pueden medir las características de desplazamiento del sonido en relación con la radiación dispersa 71, que es causada por las propiedades del medio 72, como la temperatura y la viscosidad. La estructura con las cuatro cerámicas de medición 73, 74 ,75 y 76 permite medir la radiación dispersa 71 con una cerámica de medición 75, que es generada por el haz acústico 77 en el medio 72.
La figura 7 muestra un sensor ultrasónico 80 con dos pares de cerámicas de medición (81.1, 81.2 y 82.1, 82.2), que tienen diferentes ángulos de refracción 84, 85 con respecto al conducto de fluido 83. La disposición angular de las cerámicas sobre la placa de circuitos impresos (86.1, 86.2, 87.1, 87.2) tienen el mismo valor del ángulo de refracción 84, 85 de los prismas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo (1) destinado a medir flujos en función del ángulo de refracción de un haz acústico cuando éste incide sobre un medio a medir, con un conducto de fluido (2) y cerámicas de medición (3, 4) para generar ultrasonidos, en donde las cerámicas de medición (3, 4) están dispuestas en un plano paralelo al eje del conducto de fluido, y un prisma (13.1, 13.2, 14.1, 14.2) está dispuesto en cada una de las cerámicas de medición (3, 4), cuyo prisma dirige los ultrasonidos en el conducto de fluido, caracterizado porque el conducto de fluido está dispuesta entre los prismas (13.1, 13.2, 14.1, 14.2), estando dispuesta una placa electrónica (5) en el plano o paralela al plano en otro plano.
2. - Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la línea de conexión de las cerámicas de medición (3, 4) discurre en diagonal al conducto de fluido (2).
3. - Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las placas electrónicas (5) están dispuestas en varios planos (6) paralelos al conducto de fluido (2).
4. - Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los prismas (13.1, 13.2, 14.1, 14.2) y las cerámicas de medición (3, 4) tienen diferentes ángulos de refracción o ángulos (84, 85) respecto al conducto de fluido (2).
5. - Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conducto de fluido (2) tiene una conexión en cada uno de sus extremos (9, 10), preferiblemente un sistema normalizado.
6. - Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conducto de fluido (2) tiene varias cavidades.
7. - Procedimiento para medir flujos en un conducto de fluido (2) mediante un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, sobre la base del ángulo de refracción de un haz acústico, cuando éste incide sobre un medio a medir.
8. - Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el ultrasonido de una de las cerámicas de medición (3, 4) discurre en diagonal al conducto de fluido (2) hasta la otra cerámica de medición (3, 4).
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