ES2906447T3 - Caudalímetro - Google Patents

Abstract

Un método para medir un caudal de un fluido que fluye a lo largo de un camino, comprendiendo el método: transmitir una secuencia de pares de señales periódicas (42) a través del fluido, siendo transmitidos los respectivos pares en sucesión, siendo transmitidas las respectivas señales de cada par en direcciones opuestas a lo largo y desde extremos opuestos del camino; determinar una diferencia en los tiempos de propagación de cada señal (42) de cada par a lo largo del camino; y determinar un caudal de fluido a lo largo del camino en base a la diferencia en los tiempos de propagación de las señales (42) de cada par a lo largo del camino; en el que la fase de cada señal (42) de cada par de la secuencia se altera con respecto a una fase de las señales (42) de otro par de la secuencia de modo que una fase promedio de las señales (42) de los pares de la secuencia es sustancialmente igual al punto medio del intervalo en el que se varían las fases de las señales (42) de los pares de la secuencia

Description

DESCRIPCIÓN

Caudalímetro

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para medir el caudal de un fluido ya un caudalímetro asociado. En particular, pero no exclusivamente, la invención se refiere a un método y un caudalímetro asociado para medir el caudal de combustible en un vehículo.

Antecedentes de la invención

Los caudalímetros ultrasónicos tienen un uso generalizado en una variedad de aplicaciones para la medición de caudales de fluidos. Los caudalímetros conocidos de este tipo funcionan según el principio de que el tiempo de propagación de las señales ultrasónicas que viajan a través de un fluido entre dos puntos fijos varía dependiendo de si la señal viaja en la dirección del flujo o contra la dirección del flujo, propagándose más rápidamente las señales cuando viajan con el flujo. En consecuencia, la velocidad del fluido se puede determinar en base a una diferencia en los tiempos de propagación de las señales ultrasónicas que viajan con y contra el flujo.

En una configuración típica, dos transductores se colocan uno frente al otro en los respectivos extremos de un canal de fluido cilíndrico de dimensiones conocidas, de manera que el fluido que fluye a través del canal de fluido fluye entre los transductores. Cada transductor actúa, a su vez, como emisor y receptor. Uno de los transductores emite una señal ultrasónica, es decir, una onda de presión periódica corta a 18 kHz o más, para que viaje en la dirección del flujo del fluido, mientras que el otro transductor actúa como receptor. Al detectar la señal en el transductor receptor, se determina el tiempo de vuelo de la primera señal. Luego, los roles de los transductores se invierten y una segunda señal ultrasónica se transmite en la dirección opuesta a la primera para viajar en contra de la dirección del flujo de fluido, y se determina su tiempo de vuelo. Luego se compara la diferencia en el tiempo de vuelo de las dos señales y se puede derivar la velocidad del fluido a través del canal utilizando la longitud conocida del canal. La velocidad del fluido se puede convertir en un caudal volumétrico con referencia al área de la sección transversal conocida del canal.

Teniendo en cuenta que la comparación entre los tiempos de vuelo asume un caudal constante para derivar la velocidad en función de una diferencia en los tiempos de propagación, un retardo entre las señales reduce la fiabilidad de cada medición, ya que el caudal puede alterarse entre señales sucesivas. Por lo tanto, la precisión de las mediciones proporcionadas por un caudalímetro de este tipo disminuye a medida que aumenta el retardo entre las señales.

Otro problema con los caudalímetros ultrasónicos conocidos es un alto margen de error intrínseco en las mediciones de salida, debido al hecho de que la diferencia en los tiempos de vuelo de las señales es extremadamente pequeña en relación con las magnitudes de los propios tiempos de vuelo. Esto significa que el error de medición en los tiempos de vuelo puede ser de un orden de magnitud similar a la diferencia en esos tiempos, lo que genera una gran incertidumbre en los valores de medición finales.

Por esta razón, se conocen caudalímetros en los que se emiten simultáneamente señales ultrasónicas desde cada transductor, y luego ambos transductores se cambian al modo de recepción para detectar la señal emitida por el transductor opuesto. Este enfoque elimina la posibilidad de que el caudal cambie entre señales y también permite medir directamente la diferencia en el tiempo de vuelo, minimizando así el error de medición.

Los caudalímetros ultrasónicos de este tipo son intrínsecamente fiables y pueden proporcionar lecturas precisas en entornos hostiles, ya que no tienen partes móviles. Por lo tanto, son los preferidos para aplicaciones exigentes, tales como la medición del caudal de combustible en los deportes de motor.

Sin embargo, tales caudalímetros pueden estar sujetos a ruido proveniente de diversas fuentes que pueden interferir con las señales y que afecta la forma y la sincronización de la señal recibida, lo que, a su vez, puede distorsionar las mediciones del tiempo de vuelo. Estas fuentes de ruido incluyen fuentes internas del propio caudalímetro, tales como ecos de señales anteriores o vibraciones continuas no deseadas de los transductores después de emitir una señal, y fuentes externas. Los ecos de señales anteriores oscilan dentro del canal de fluido en una medida determinada por las propiedades acústicas del canal. Estos ecos pueden interferir con las señales subsiguientes y pueden causar detecciones aparentes no deseadas por parte del transductor receptor. Si se emite una segunda señal antes de que hayan decaído los ecos de una primera señal, es posible que no se distinga la segunda señal de los ecos en el transductor receptor.

Para abordar la interferencia de los ecos, los caudalímetros conocidos permiten un retardo entre las señales que es suficiente para permitir que los ecos dentro del canal de fluido decaigan de forma natural, evitando así detecciones falsas. La duración del retardo requerido está dictada por las características de cada caudalímetro y sus transductores. El lector experto apreciará que la introducción de tal retardo restringe la velocidad a la que se pueden tomar las mediciones de caudal. El documento de patente US2004/267464 A1 describe un caudalímetro ultrasónico que introduce un cambio de fase de las señales transmitidas para promover la cancelación de ruido. En una realización, las señales se envían por grupos de cuatro y la fase se desplaza para cada grupo subsiguiente.

Con respecto a la vibración continua no deseada de los transductores, se observa que los transductores son dispositivos electromecánicos que inherentemente continúan vibrando mecánicamente después de que se ha eliminado una señal de excitación eléctrica, hasta que se ha disipado la energía impartida al transductor por esa señal. Por lo tanto, una vez que se elimina la excitación, las vibraciones se asientan naturalmente durante un período corto después de emitir una señal ultrasónica. Esto se conoce como timbre activado'. En menor medida, puede surgir un efecto similar después de detectar una señal.

Dado que la detección de una señal implica la detección de vibraciones inducidas en el transductor por esa señal mediante la conversión de esas vibraciones en una señal electrónica, el timbre puede interferir con la detección, ya que la vibración continua del transductor crea una señal electrónica que se superpone a cualquier otra señal electrónica generada cuando una señal impacta en el transductor. Esto puede causar un error de estado estable en los valores de medición de salida.

Por lo tanto, el timbre del timbre limita el tiempo mínimo entre la transmisión de una señal desde un transductor y la recepción de otra señal en ese mismo transductor. Cabe señalar que el timbre generalmente decae mucho más rápido que los ecos, y en los caudalímetros que usan señales secuenciales, generalmente hay tiempo suficiente para que cada transductor se estabilice después de transmitir una señal antes de que tenga que recibir una señal del transductor opuesto. Por lo tanto, el timbre es principalmente un problema en los caudalímetros que utilizan señales ultrasónicas que son casi o exactamente simultáneas, debido al tiempo muy corto requerido para que una señal atraviese la longitud del canal de flujo, que está dictado por la longitud del canal y la velocidad del sonido a través del fluido en el canal. En la mayoría de las implementaciones, no hay tiempo suficiente para que cada transductor se estabilice antes de que llegue la señal emitida por el transductor opuesto.

Hay varias formas en las que los caudalímetros conocidos intentan mitigar los efectos del timbre. Por ejemplo, se pueden seleccionar transductores menos resonantes que tengan una mayor amortiguación mecánica en virtud de su construcción. Esto minimiza la duración del timbre después de cada transmisión, pero tiene el inconveniente de que la amortiguación provoca una pérdida de potencia de la señal, lo que aumenta la relación señal/ruido.

Como alternativa, dado que el efecto de timbre de un transductor suele ser predecible, las mediciones de caudal se pueden calibrar para tenerlo en cuenta siempre que se conozca de antemano la velocidad del sonido en el fluido. Sin embargo, este método indirecto de contrarrestar el timbre se basa en una estimación del efecto del timbre y, por lo tanto, introduce incertidumbre en las mediciones finales.

También se observa que el impacto del timbre puede ser relativamente pequeño y, por lo tanto, puede aceptarse como un compromiso en aplicaciones en las que no se requieren mediciones de alta precisión. Aparte del ruido interno, dependiendo de la aplicación puede haber varias fuentes externas de ruido. Por ejemplo, en un entorno de vehículo automóvil en el que se utiliza un caudalímetro para medir el caudal de combustible, un circuito de fluido generalmente incluye diversos componentes que funcionan cíclicamente, tales como bombas de combustible, válvulas o inyectores de combustible. Como resultado, el flujo de combustible a través del circuito de fluido y a través del caudalímetro no es completamente constante, aunque el caudal promedio pueda ser constante. En cambio, el flujo de combustible fluctúa con una frecuencia correspondiente a la frecuencia de funcionamiento de cada uno de los componentes cíclicos. Si la frecuencia de fluctuación del flujo de combustible coincide o es un múltiplo de la frecuencia de muestreo del caudalímetro, es decir, la velocidad a la que se emiten las señales ultrasónicas surgirá un error de estado estable que hará que el caudalímetro indique que el caudal es más alto o más bajo de lo que realmente es. Por ejemplo, si cada muestra de medición coincide con un momento en el que el flujo de combustible fluctuante disminuye, la lectura de salida será demasiado baja. Este efecto se conoce como “solape”. Es posible manipular el efecto de solape introduciendo deliberadamente ruido externo para hacer que un caudalímetro informe de un caudal inferior al caudal real; se sabe que esto se hace en los deportes de motor, por ejemplo, donde existen restricciones estrictas sobre el consumo de combustible y donde, por lo tanto, se puede obtener una ventaja competitiva al influir de esta manera en un caudalímetro. Junto con el objetivo general de proporcionar datos precisos, el deseo de garantizar el cumplimiento de las normas de los deportes de motor proporciona un incentivo para evitar el solape de fuentes de ruido externas.

Es en este contexto en el que se ha ideado la presente invención.

Sumario de la invención

Un aspecto de la invención proporciona un método según la reivindicación 1.

Al controlar la fase de cada señal con respecto a las fases de otras señales, es posible contrarrestar los efectos del ruido proveniente de ecos de señales anteriores o timbres de transductores, asegurando que el efecto del ruido en el caudal determinado tiende a promediar hacia cero en una serie de mediciones.

Se observa que el "camino" al que se hace referencia anteriormente es un camino común que define un camino que toma cada señal transmitida a través del fluido desde un extremo del camino hasta un extremo opuesto. El camino no es necesariamente recto, por lo que transmitir señales en direcciones opuestas a lo largo del camino no implica necesariamente transmitirlas directamente entre ellas. En consecuencia, este término pretende cubrir disposiciones en las que las señales se transmiten de modo que sigan un camino común, pero viajen en direcciones opuestas a lo largo de ese camino de modo que se propaguen en direcciones opuestas a través del fluido.

También se observa que el camino puede no estar alineado con la dirección de desplazamiento del fluido. Por ejemplo, las señales podrían transmitirse a lo largo de un camino que cruza en diagonal el flujo de fluido en un ángulo agudo. Sin embargo, el camino está dispuesto al menos parcialmente dentro de un flujo de fluido de modo que el flujo de fluido siempre tenga un componente distinto de cero en una dirección alineada con el camino, de modo que el fluido fluya a lo largo del camino al menos en cierta medida. En otras palabras, los extremos opuestos del camino están separados en la dirección en la que fluye el fluido.

El método puede comprender detectar la llegada de cada señal a un lugar desde el que se transmitió la otra señal.

La al menos otra señal puede comprender la otra señal del par respectivo, que puede haber sido transmitida desde un extremo opuesto del camino. Esto permite compensar el efecto de timbre de los transductores alterando la fase de la señal. Alternativamente o, además, la al menos otra señal puede comprender una señal previamente transmitida a lo largo del camino, lo que permite contrarrestar el ruido generado por ecos de señales anteriores.

La alteración de la fase de cada señal puede comprender cambiar un intervalo de tiempo entre cada señal y una señal precedente respectiva transmitida desde el mismo extremo del camino con respecto a un intervalo de tiempo entre la señal precedente y una señal que precedió a la señal precedente. En tales realizaciones, el intervalo de tiempo se puede variar en una cantidad que no es mayor que el período de cada señal, donde el período de una señal es la duración de un solo ciclo, es decir, una onda completa, de la señal. Restringiendo el intervalo de tiempo de esta manera se puede lograr una cancelación de eco efectiva. Sin embargo, también se pueden obtener resultados similares usando intervalos de tiempo más grandes. Por ejemplo, pueden usarse intervalos de tiempo que son múltiplos de un período de cada señal.

Alternativamente o, además, la alteración de la fase de cada señal puede comprender cambiar un ángulo inicial de cada señal con respecto a un ángulo inicial de una señal precedente respectiva transmitida desde la misma posición en el camino. Se observa que el 'ángulo' de una señal se refiere a su posición con respecto a su ciclo completo, donde una señal está en cero (es decir, presión cero para un pulso ultrasónico o 0V para una señal de excitación electrónica) a 0°, 180° (media onda) y 360° (ciclo completo). Para una forma de onda ultrasónica estable, el ángulo también es así indicativo de la presión instantánea de la señal.

La alteración de la fase de cada señal puede, en una opción adicional, comprender cambiar un ángulo inicial de cada señal con respecto a un ángulo inicial de la otra señal del par respectivo, en cuyo caso el método puede comprender transmitir al menos dos señales sucesivas de cada extremo del camino con ángulos sustancialmente iguales.

En algunas realizaciones, cambiar el ángulo inicial de una señal comprende invertir la señal con respecto a la al menos otra señal. Esto proporciona beneficiosamente una implementación práctica que tiene en cuenta las limitaciones mecánicas de los transductores utilizados para generar la señal.

La alteración de la fase de cada señal también puede comprender cambiar un retardo entre la transmisión de una primera señal del par y la transmisión de una segunda señal del par. El retardo puede configurarse para que las señales se transmitan casi simultáneamente, de tal modo que se crucen en el camino antes de llegar a los extremos opuestos del camino desde la que se transmitieron. Alternativamente, el método puede comprender transmitir simultáneamente el par de señales periódicas.

Cada señal puede ser una onda de presión tal como una señal ultrasónica que tenga una frecuencia de al menos 18 KHz.

Las fases respectivas de cada señal de la secuencia se alteran de modo que una fase media de las señales de la secuencia sea sustancialmente igual a un punto medio de un intervalo en el que varían las fases de las señales de la secuencia. Las fases de las señales de la secuencia pueden alterarse de modo que se distribuyan uniformemente por todo el intervalo en el que se varían las fases de las señales de la secuencia. Este enfoque asegura beneficiosamente que el efecto neto sobre el error de medición de flujo que surge de la secuencia de señales tiende a cero con el tiempo, minimizando a su vez el impacto de las señales anteriores de la secuencia en la medición de las señales posteriores de la secuencia.

La invención también se extiende a un caudalímetro, o un controlador para un caudalímetro, configurado para realizar cualquiera de los métodos descritos anteriormente.

Un controlador de acuerdo con la invención puede configurarse para generar señales de activación que hacen que los transmisores primero y segundo del caudalímetro transmitan una secuencia de pares de señales de medición periódicas a los respectivos receptores primero y segundo en direcciones opuestas a lo largo, y desde los extremos opuestos, del camino. Cada señal de activación está dispuesta de manera que una fase de la señal de medición resultante se altera con respecto a una fase de al menos otra señal de medición transmitida a lo largo del camino, de modo que una fase promedio de las señales de la secuencia es sustancialmente igual a un punto medio de un intervalo en el que se varían las fases de las señales de la secuencia. El controlador está configurado además para recibir señales de detección de los receptores primero y segundo, siendo cada señal de detección indicativa de la llegada de una señal de medición al receptor respectivo, y para procesar las señales de detección con el fin de determinar una diferencia en los tiempos de propagación de cada señal de medición a lo largo del camino. El controlador está además configurado para determinar un caudal de fluido a lo largo del camino en base a la diferencia en los tiempos de propagación de las señales de medición a lo largo del camino.

Otro aspecto de la invención proporciona un caudalímetro que comprende: un canal de medición a través del cual fluye el fluido a lo largo de un camino; un primer transmisor y un segundo transmisor que están separados entre ellos dentro del canal de medición para transmitir pares sucesivos de señales periódicas a través del fluido en direcciones opuestas a lo largo y desde extremos opuestos del camino; un primer receptor posicionado dentro del canal de medición para recibir señales periódicas transmitidas por el primer transmisor; un segundo receptor colocado dentro del canal de medición para recibir señales periódicas transmitidas por el segundo transmisor; y un controlador según el aspecto anterior dispuesto para controlar los transmisores primero y segundo con el fin de transmitir señales de medición respectivas a sus receptores respectivos a través del fluido que fluye a lo largo del camino, y para recibir y procesar señales de detección de los receptores primero y segundo.

El caudalímetro puede comprender un primer transductor que comprende el primer transmisor y el segundo receptor, y un segundo transductor que comprende el segundo transmisor y el primer receptor.

En cuanto al método de la invención definido anteriormente, en los caudalímetros mencionados anteriormente el fluido no fluye necesariamente en una dirección que esté perfectamente alineada con el camino por el que se propagan las señales transmitidas.

Se apreciará que las características preferidas y/u opcionales de cada aspecto de la invención pueden incorporarse solas o en combinación apropiada también en los otros aspectos de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Con el fin de que la invención pueda entenderse más fácilmente, ahora se describirán realizaciones preferidas no limitativas de la misma, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista en sección transversal de un caudalímetro que es adecuado para operar de acuerdo con las realizaciones de la invención;

La figura 2 es un dibujo esquemático que muestra una arquitectura del caudalímetro de la figura 1;

La figura 3 es un gráfico que muestra un método según una primera realización de la invención para la modulación de fase de señales transmitidas en el caudalímetro de la figura 1;

La figura 4 es un gráfico que muestra un método según una segunda realización de la invención para la modulación de fase de las señales transmitidas en el caudalímetro de la figura 1;

La figura 5 es un gráfico que muestra un método según una tercera realización de la invención para la modulación de fase de las señales transmitidas en el caudalímetro de la figura 1;

La figura 6 es un gráfico que muestra un método según una cuarta realización de la invención para la modulación de fase de las señales transmitidas en el caudalímetro de la figura 1; y

La figura 7 es un gráfico que muestra un método según una quinta realización de la invención para la modulación de fase de las señales transmitidas en el caudalímetro de la figura 1.

Descripción detallada de realizaciones de la invención

La presente invención se refiere a un nuevo tipo de caudalímetro para medir el caudal de un fluido tal como combustible para automóviles. Un ejemplo de un caudalímetro ultrasónico de acuerdo con una realización de la invención se muestra en sección transversal en la figura 1. Se observa que el caudalímetro de la invención es estructuralmente similar a los caudalímetros conocidos, por lo que la siguiente descripción de los componentes físicos del caudalímetro mostrado en la figura 1 se incluye principalmente para proporcionar un contexto a la invención, la cual se describe con más detalle más adelante.

El caudalímetro 10 mostrado en la figura 1 comprende una carcasa principal 12 que tiene un orificio de entrada 14 para admitir fluido y un orificio de salida 16 para expulsar fluido. Se define un canal de flujo 18 dentro de la carcasa 12 para proporcionar comunicación de fluido entre el orificio de entrada 14 y el orificio de salida 16. En uso, el fluido ingresa en el orificio de entrada 14, fluye a través del canal de flujo 18 y sale a través del orificio de salida 16. Por lo tanto, el caudalímetro 10 puede integrarse fácilmente en un circuito de fluido de, por ejemplo, un vehículo automóvil.

El canal de flujo 18 está formado por una serie de pasadizos cilíndricos dentro de la carcasa 12, tres de los cuales son visibles en la figura 1: un pasadizo de entrada 20, un pasadizo de salida 22 y un pasadizo central 24. Los pasadizos de entrada y salida 20, 22 están dispuestos en extremos opuestos de la carcasa principal 12 y terminan en el orificio de entrada 14 y el orificio de salida 16, respectivamente. Los pasadizos de entrada y salida 20, 22 están inclinados hacia abajo desde sus respectivos orificios uno hacia el otro para fusionarse con el pasadizo central 24, que se extiende generalmente de manera horizontal a través de la carcasa 12 para proporcionar comunicación entre los pasadizos de entrada y salida 20, 22.

Otros pasadizos que no son visibles en la figura 1 están definidos dentro de la carcasa 12 para conectar el orificio de entrada 14 al pasadizo de entrada 20, y el orificio de salida 16 al pasadizo de salida 22. Uno de estos pasadizos se encuentra ortogonal al pasadizo de entrada 20 y lo cruza para definir una abertura de entrada 26 ubicada en una parte superior del pasadizo de entrada 20. El fluido que fluye hacia el orificio de entrada 14 y, a su vez, hacia los pasadizos conectados inmediatamente al orificio de entrada 14 llega al pasadizo de entrada 20 a través de la abertura de entrada 26. En consecuencia, el fluido sale del pasadizo de salida 22 a través de una abertura de salida 28 que se conecta a un pasadizo que conduce al orificio de salida 16.

En la práctica, el pasadizo de entrada 20, el pasadizo de salida 22 y el pasadizo central 24 pueden fabricarse como taladros que tienen uno o más extremos abiertos. Los extremos abiertos de los pasadizos de entrada y salida 20, 22 y del conducto central 24 pueden cerrarse mediante tapones, conjuntos de cierre o cualquier otro medio adecuado. Por lo tanto, por simplicidad, estas características se omiten de la figura 1.

Los transductores ultrasónicos opuestos primero y segundo 30, 32 están dispuestos en los extremos respectivos del pasadizo central 24 para proporcionar un medio para medir el caudal de fluido que viaja a través del pasadizo central 24, entre los transductores 30, 32. El pasadizo central 24 define, por lo tanto, un canal de medición 24 para el flujo de fluido, y en lo sucesivo se denominará como tal. El primer transductor 30 se ubica en un extremo del canal de medición 24 en su unión con el canal de entrada, y el segundo transductor 32 se ubica en el extremo opuesto del canal de medición 24, en una unión entre el canal de medición 24 y el pasadizo de salida 22. Cada transductor 30, 32 está configurado para operar, a su vez, tanto en un modo de transmisor como en un modo de receptor. Por lo tanto, los transductores primero y segundo 30, 32 pueden denominarse alternativamente transceptores. En otras realizaciones, pueden usarse transmisores y receptores separados.

Los transductores primero y segundo 30, 32 pueden ser cualquier componente adecuado que sea capaz de convertir una señal de entrada eléctrica de CA en una señal ultrasónica y viceversa, incluidos transductores capacitivos o transductores piezoeléctricos.

Los respectivos difusores 34 en forma de cilindros huecos con superficies perforadas que tienen una o más aberturas se colocan en la unión entre el pasadizo de entrada 20 y el pasadizo central 24, y en la unión entre el pasadizo de salida 22 y el pasadizo central 24. El fluido que fluye a través del canal de flujo 18 pasa a través de las aberturas de los difusores 34, lo que ayuda a reducir la turbulencia en el canal de medición 24 y, por lo tanto, mejora la precisión de las mediciones de caudal.

Con referencia ahora a la figura 2, que muestra esquemáticamente una arquitectura del caudalímetro 10, el funcionamiento de los transductores primero y segundo 30, 32 está controlado por un módulo de control 36 que forma parte integral del caudalímetro 10 y está eléctricamente conectado a los transductores primero y segundo 30, 32. El módulo de control 36 funciona para conmutar los transductores 30, 32 entre los modos transmisor y receptor, determinar y controlar las características de las señales ultrasónicas emitidas por los transductores 30, 32 mediante la emisión de señales de activación eléctrica apropiadas y procesar señales eléctricas de retorno de los transductores 30, 32 asociadas con la detección de señales ultrasónicas, con el fin de derivar valores para caudales de fluido dentro del canal de medición 24.

En realizaciones alternativas, se puede usar un controlador externo, en cuyo caso el caudalímetro 10 incluye terminales que permiten la comunicación entre el controlador y los transductores primero y segundo 30, 32.

Cuando está en el modo transmisor, cada transductor 30, 32 transmite una señal ultrasónica respectiva al canal de medición 24 para propagarse a lo largo de un camino común hacia el transductor opuesto 30, 32, de tal modo que las señales ultrasónicas viajen a través de cualquier fluido que fluya a través del canal de medición 24. Se observa que en la realización mostrada en la figura 1, el camino a lo largo del cual se propagan las señales transmitidas está alineado con una dirección de flujo de fluido a través del canal de medición 24.

Cada señal ultrasónica comprende una onda de presión periódica que define un pulso o tren de pulsos que tiene una frecuencia en el intervalo ultrasónico, concretamente 18 KHz o superior.

Se observa que es posible utilizar señales de menor frecuencia, por ejemplo, señales en el intervalo audible. Esto implica transductores más grandes y, a su vez, un canal de medición 24 de mayor diámetro, por lo que puede ser práctico en grandes caudalímetros industriales que impliquen caudales elevados, por ejemplo.

Se enfatiza en esta etapa que el caudalímetro 10 mostrado en la figura 1 y descrito anteriormente solo se proporciona como representante del tipo de caudalímetro 10 al que se pueden aplicar las realizaciones de la invención, y el experto en la materia estará familiarizado con muchas variaciones que serían igualmente adecuadas para su uso con la invención.

Por ejemplo, los transductores 30, 32 no pueden colocarse en los extremos del canal de medición 24 y no pueden enviar señales que viajen paralelas a la dirección del flujo del fluido a través del canal de medición 24. En cambio, los transductores 30, 32 pueden posicionarse en cualquier punto dentro del canal de medición 24 para transmitir señales que viajan a lo largo de caminos que están inclinados con respecto a la dirección del flujo.

Además, el camino puede no ser completamente recto y puede incluir uno o más cambios de dirección. Por ejemplo, las señales pueden dirigirse a una serie de elementos reflectantes dentro del canal de medición 24, de modo que las señales reboten a lo largo del canal de medición antes de llegar al transductor opuesto 30, 32.

Además, es posible que los transductores 30, 32 no estén orientados uno frente al otro para enviar señales directamente entre ellos y, en cambio, puedan dirigir señales entre ellos a lo largo de un camino indirecto utilizando superficies reflectantes dentro del canal de medición 24.

Como ya se ha señalado, una señal ultrasónica que viaja en la dirección del flujo de fluido tarda menos tiempo en llegar al transductor opuesto 30, 32 que una señal que viaja contra el flujo. Dado que el primer transductor 30 está colocado junto al pasadizo de entrada 20, las señales transmitidas desde el primer transductor 30 viajan en la dirección del flujo de fluido, obsérvese que el fluido fluye desde el pasadizo de entrada 20 al pasadizo de salida 22. A la inversa, como el segundo transductor 32 envía señales en la dirección opuesta, sus señales viajan en contra de la dirección del flujo de fluido. Por lo tanto, las señales transmitidas desde el primer transductor 30 se propagarán a través del canal de medición 24 más rápidamente que las señales transmitidas por el segundo transductor 32. Cabe señalar que el caudalímetro 10 mostrado en la figura 1 es inherentemente bidireccional y, por lo tanto, es capaz de operar a la inversa, de tal modo que el fluido fluya desde el orificio de salida 16 al orificio de entrada 14.

En algunas realizaciones, como ocurre con algunos de los caudalímetros conocidos mencionados anteriormente, las señales respectivas se emiten simultáneamente desde los transductores primero y segundo 30, 32. Como las señales producidas por el primer transductor 30 se propagan más rápidamente que las producidas por el segundo transductor 32, cada vez que se libera un par de señales, el segundo transductor 32 recibe una señal antes que el primer transductor 30.

El uso de señales simultáneas tiene la ventaja de que, para una frecuencia de muestreo dada, los ecos en el canal de medición 24 tienen el doble de tiempo para decaer en comparación con una disposición de señal secuencial. Esto se debe a que los ecos de cada transductor 30, 32 decaen durante el mismo período, en lugar de uno tras otro. Esto reduce inherentemente el efecto del ruido de los ecos.

Otro beneficio de usar señales simultáneas es que la diferencia en los tiempos de vuelo respectivos se puede medir directamente como el intervalo de tiempo entre la recepción de una señal en el segundo transductor 32 y luego la recepción de una señal en el primer transductor 30. La medición de este retardo se puede convertir luego en una indicación del caudal de fluido dentro del canal de medición 24. Este enfoque evita tener que medir el tiempo de vuelo de cada señal individual, minimizando así el error de medición y proporcionando una medición más precisa del caudal de la que es posible en caudalímetros que emplean señales secuenciales.

En otras realizaciones, los tiempos de transmisión de las señales se pueden variar para que no se transmitan exactamente de manera simultánea, como se describirá más adelante con referencia a la figura 7. Por ejemplo, se pueden usar señales casi simultáneas, lo que significa que las señales no se transmiten exactamente al mismo tiempo, sino que se cruzan en el canal de medición 24 antes de alcanzar sus respectivos transductores opuestos 30, 32. El uso de señales casi simultáneas puede lograr algunos de los mismos beneficios que las señales simultáneas.

Como ya se señaló, los caudalímetros que emplean señales ultrasónicas son susceptibles de lecturas inexactas debido a la interferencia del ruido interno como resultado de los ecos de las señales anteriores y, en particular, cuando se usan señales simultáneas, el timbre de los transductores 30, 32. Además, las fuentes de ruido externo pueden causar solape, es decir, un error constante o de baja frecuencia en la medición de salida proporcionada por el caudalímetro 10.

Para hacer frente a todos estos tipos de interferencia, las realizaciones de la invención modifican una o más características de cada señal ultrasónica con respecto a las características correspondientes de otras señales ultrasónicas para evitar interferencias constructivas entre señales y, en cambio, aseguran que cualquier interferencia se reduzca a un ruido medio nulo cuando las señales interactúan. Además, controlando adecuadamente las características de cada señal, las señales también se pueden usar para cancelar la interferencia de timbre de los propios transductores 30, 32.

Usando las técnicas descritas a continuación, se pueden usar frecuencias de muestreo mucho más altas que en los enfoques de la técnica anterior. Por ejemplo, en realizaciones de la invención se utilizan frecuencias de muestreo de 2 KHz o más. Las mediciones de caudal se filtran en paso bajo para eliminar el ruido de alta frecuencia y producir valores de medición de alta precisión.

Por lo general, los transductores ultrasónicos están configurados para producir señales a una determinada frecuencia y ofrecen poca flexibilidad de control a este respecto. De manera similar, aunque a menudo es posible controlar la amplitud de las señales generadas, rara vez es práctico hacerlo. Por lo tanto, en la práctica, la característica principal de las señales que se pueden variar se relaciona con su sincronización y ángulo inicial, que colectivamente definen una fase de la señal, como quedará claro en la descripción que sigue.

En términos generales, alterar la sincronización de señales sucesivas emitidas por un transductor individual puede implicar variar la magnitud de los intervalos de tiempo entre señales sucesivas, cambiar el ángulo inicial de cada señal o una combinación de ambos. Las razones específicas para usar cualquiera de estas técnicas se ampliarán a continuación.

Estas técnicas pueden considerarse modulación de fase de una señal, en el sentido de que cambiar un ángulo inicial de una señal produce un efecto similar a alterar el intervalo entre señales consecutivas que tienen ángulos de inicio similares, en la medida en que cada enfoque modifica un intervalo de tiempo entre puntos de señales consecutivas que tienen el mismo ángulo. En consecuencia, ambos enfoques producen una serie de señales en las que el ángulo de cada señal varía con respecto a un intervalo de tiempo regular fijo, por ejemplo, una frecuencia de muestreo promedio a largo plazo. Este principio se ilustra en la figura 3, que se describe con más detalle a continuación.

La variación de las características de sincronización de las señales ya sea variando los intervalos entre señales sucesivas o alterando los ángulos iniciales de señales sucesivas u opuestas, se denominará en lo sucesivo genéricamente modificación de fase de las señales. Además, una serie de señales cuyos ángulos son diferentes en intervalos regulares de tiempo se considerarán desfasadas entre ellas.

Mientras que las fases relativas de dos señales normalmente se refieren al ángulo de esas señales en sus respectivos orígenes, al invertir el razonamiento anterior, la variación de un intervalo de tiempo entre señales puede considerarse equivalente a cambiar los ángulos iniciales de señales sucesivas. Por lo tanto, referirse a las señales que se controlan de esta manera como desfasadas es consistente con la comprensión convencional de este término.

Aunque conceptualmente el ángulo inicial de una señal puede estar entre 0° y 360°, en la práctica un transductor físico comienza en 0° cuando está en reposo y no se puede mover instantáneamente a otro ángulo arbitrario. El único parámetro sobre el que se puede ejercer control es la dirección en la que se excita inicialmente el transductor. De manera similar, una entrada eléctrica al transductor normalmente está en 0V en reposo y no puede pasar instantáneamente a otra tensión de excitación. Por lo tanto, en implementaciones prácticas, alterar el ángulo inicial de las señales ultrasónicas implica típicamente invertir la señal con respecto a otras señales. Por lo tanto, las señales ultrasónicas utilizadas en las realizaciones de la invención tendrán típicamente un ángulo inicial de 0° o 180°.

Sin embargo, se observa que la tensión de excitación se puede establecer en cualquier nivel inicial dentro de los parámetros de los componentes de control. Por lo tanto, si se desea un ángulo inicial alternativo para los transductores 30, 32, se puede usar una señal de excitación adecuada, en cuyo caso el transductor 30, 32 inicialmente se retrasará con respecto a la señal de excitación y luego se pondrá al día para seguir la señal de excitación, normalmente dentro de unos pocos períodos de la señal.

Pasando ahora a la figura 3, se ilustra la técnica de variar los intervalos de tiempo entre una serie de señales transmitidas desde un transductor individual 30, 32. La figura 3 muestra una secuencia 40 de seis señales ultrasónicas individuales 42, cada una representada como una forma de onda periódica simple que tiene un ciclo completo. En la práctica, las señales ultrasónicas 42 producidas por los transductores 30, 32 pueden incluir varios ciclos, lo que brinda la oportunidad de refinar la precisión general de la medición midiendo los intervalos de tiempo entre los puntos correspondientes de los ciclos individuales de la señal, lo que permite filtrar el ruido aleatorio cuando se procesan los datos obtenidos de los transductores 30, 32. Los puntos de ciclos individuales pueden ser sus picos, valles, puntos en los que la señal 42 es cero, o cualquier otro punto en los ciclos de señal.

Las señales 42 mostradas en la figura 3 son generalmente sinusoidales, pero en otras realizaciones las señales periódicas 42 pueden adoptar cualquier forma. Por ejemplo, las señales pueden tener la forma de ondas cuadradas o de dientes de sierra.

El gráfico de la figura 3 incluye marcadores de tiempo indicados de t0 a t5, que representan intervalos de tiempo regulares fijos correspondientes a una frecuencia de muestreo promedio a largo plazo de las señales 42. Por lo tanto, los marcadores de tiempo representan los tiempos en los que comenzaría cada señal 42 si se usaran intervalos de tiempo regulares entre las señales 42.

En esta realización, cada señal 42 se transmite en o cerca de uno de los marcadores de tiempo, pero no siempre comienza en el marcador de tiempo. En cambio, la posición de las señales individuales 42 en relación con sus respectivos marcadores de tiempo es variable, comenzando algunas señales 42 en su marcador respectivo, terminando otras en su marcador respectivo y el resto quedando en algún punto intermedio. Por lo tanto, los intervalos de tiempo entre el comienzo de cada señal 42 no son uniformes y, por lo tanto, la tasa de muestreo es variable durante períodos cortos.

Como cada señal 42 tiene una posición única en relación con su marcador de tiempo respectivo, se deduce que el ángulo de cada señal 42 en su marcador de tiempo respectivo es diferente. Las señales 42 están por lo tanto desfasadas entre ellas en el sentido definido anteriormente.

En esta realización, las señales 42 se controlan de tal manera que la tasa de muestreo promedio sea constante durante períodos más largos restringiendo la variación en el intervalo de tiempo entre señales sucesivas 42 a un intervalo de cero a un período completo de una señal ultrasónica. En otras palabras, las señales 42 varían en más o menos 180° con respecto a un tiempo de inicio nominal. Esto significa que cada señal 42 coincide con un marcador de tiempo respectivo, aunque en diferentes puntos de la señal.

Se observa que los intervalos de tiempo entre las señales 42 pueden ser significativamente mayores en relación con el período de las señales 42 de lo que sugiere la figura 3. Como ya se señaló, usando los métodos de la invención se pueden usar frecuencias de muestreo promedio de 2 KHz o más. Esto es mucho más alto que en los caudalímetros conocidos, en los que la interferencia de los ecos de las señales anteriores dicta una frecuencia de muestreo mucho más baja. Una frecuencia de muestreo alta es ventajosa para aplicaciones como los deportes de motor en particular, donde se desean datos de alta resolución. Al tomar mediciones a una frecuencia tan alta, el valor de medición de salida promediado se puede basar en una mayor cantidad de mediciones individuales que en un caudalímetro que muestrea a una frecuencia más baja, mejorando así la precisión del valor de medición.

Al variar los intervalos de tiempo entre las señales 42 para que las señales 42 estén desfasadas con respecto a la frecuencia de muestreo promedio, las señales 42 se descorrelacionan entre ellas y sus ecos no interfieren constructivamente. En cambio, después de que se hayan transmitido varias señales 42, los ecos suman cero. Esto significa que los ecos se manifiestan en los datos de detección medidos obtenidos de los transductores primero y segundo 30, 32 que funcionan en modo receptor como ruido aleatorio, el cual se elimina cuando los datos de medición se filtran en paso bajo. Esta técnica de garantizar que el efecto de los ecos se suma solamente a ruido promedio nulo, y no genera un error sistemático, al flujo medido se denomina 'cancelación de eco'. Por el contrario, en los enfoques de la técnica anterior en los que las señales están en fase, los ecos interfieren constructivamente y crean un error constante en los datos de detección si la frecuencia de muestreo es demasiado alta.

De esta forma, al variar los intervalos de tiempo entre las sucesivas señales 42 para que las señales 42 estén desfasadas, se contrarresta la tendencia del ruido de los ecos de las señales anteriores a generar un error de estado estable en la medición del flujo, lo que permite que el caudalímetro 10 opere a una tasa de muestreo más alta de lo que es posible en enfoques donde se debe permitir que los ecos decaigan naturalmente antes de transmitir otra señal 42.

La variación de los intervalos de tiempo entre las señales 42 puede ser totalmente aleatoria o puede controlarse según una secuencia repetitiva definida.

La variación de los intervalos de tiempo entre las señales 42 también actúa como una medida antisolapamiento, ya que cambiar el intervalo cada vez asegura que las señales 42 estén desfasadas con cualquier fluctuación regular del flujo de fluido a través del caudalímetro 10 causada por componentes cíclicos tales como como bombas de combustible. Esto significa que se toman mediciones de flujo de fluido sucesivas en diferentes etapas de la fluctuación del flujo de fluido, evitando así un error de estado estable y proporcionando un reflejo preciso de la velocidad media del combustible a través del caudalímetro 10.

Para optimizar el efecto antisolapamiento, la magnitud de la variación de los intervalos de tiempo entre las señales 42 debe ser comparable con el período de fluctuación del caudal de fluido. Esto garantiza que se tomen medidas en cada etapa de la fluctuación y, por lo tanto, la fluctuación se cancelará efectivamente cuando se calcule el caudal promedio sobre una serie de medidas.

Al seleccionar un intervalo apropiado de valores de entre los intervalos de tiempo a tomar, la frecuencia de muestreo es un factor determinante, teniendo en cuenta que el efecto de los ecos se vuelve más significativo a medida que aumenta la frecuencia de muestreo, mientras que el solape es más frecuente a frecuencias de muestreo más bajas. Por lo tanto, la forma en que se varían los intervalos de tiempo se puede controlar de acuerdo con los requisitos específicos de cada aplicación.

Los efectos de cancelación de eco y antisolapamiento pueden mejorarse controlando la variación de los intervalos de tiempo entre las señales 42 de modo que el ruido creado en los datos de medición como resultado de la fluctuación del flujo de fluido esté en el extremo superior del espectro de frecuencia. Como los datos de medición se filtran en paso bajo, moldear el ruido de esta manera garantiza que el filtro de paso bajo lo elimine de manera más efectiva y, por lo tanto, esté presente en menor medida en los valores de medición finales.

Para lograr esto, la variación en los intervalos de tiempo debe ser de alta frecuencia, lo que puede proporcionarse pasando una secuencia aleatoria de intervalos de tiempo a través de un filtro de paso alto antes de aplicarlo a las señales de medición 42.

La figura 4 muestra otra secuencia 44 de señales 42 transmitidas por un transductor individual 30, 32 e ilustra la forma alternativa y complementaria en la que se pueden variar las señales de medición 42, es decir, alterar sus ángulos iniciales invirtiéndolos. La figura 4 muestra una secuencia 44 de seis señales 42 espaciadas a intervalos regulares, que se indican como t0 a t5 como en la figura 3. Las señales 42 alternan entre ángulos iniciales de 0° y 180°, observando que 0° se corresponde con una señal de enlace positivo 42, mientras que 180° corresponde a una señal de enlace negativo 42.

Debido a la naturaleza inversora de las señales 42, las señales sucesivas 42 tienen diferentes ángulos durante un intervalo de tiempo fijo. Por ejemplo, como ya se señaló, los ángulos iniciales están en intervalos fijos y alternan entre 0° y 180°. Si los intervalos fijos comenzaran desde un punto nominal justo después de t0, la primera señal 42 tendría un ángulo entre 0° y 90°, mientras que la siguiente señal 42 tendría un ángulo entre 180° y 270°.

Esto ilustra cómo la inversión de las señales 42 produce una serie que está desfasada, proporcionando así un efecto equivalente a variar los intervalos entre las señales 42. Como las señales 42 están desfasadas, la serie mostrada en la figura 4 proporciona los mismos beneficios de cancelación de eco y antisolapamiento que la serie de la figura 3 descrita anteriormente, por lo que ofrece un enfoque alternativo para lograr estos beneficios.

Otra forma de entender la forma en que la técnica mostrada en la figura 4 proporciona cancelación de eco es observar que la naturaleza alterna de las señales 42 significa que las detecciones erróneas de ecos se alternarán de la misma manera y, por lo tanto, promediarán a cero. Esto también es aplicable a la técnica de variación de tiempo de la figura 3, en la medida en que cambiar los intervalos de tiempo es equivalente a alterar los ángulos iniciales de las señales individuales 42.

La figura 5 muestra dos secuencias paralelas 46, 48 de señales de medición 42: una secuencia superior 46, que se transmite desde el primer transductor 30; y una secuencia inferior 48 que se transmite desde el segundo transductor 32. Cabe señalar que, aunque las secuencias 46, 48 se muestran en paralelo, las señales 42 de la secuencia superior 46 viajan en sentido contrario a las de la secuencia inferior 48 dentro del canal de medición 24.

Estas secuencias 46, 48 están optimizadas para suprimir la interferencia que surge del timbre de los transductores 30, 32. Como el canal de medición 24 del caudalímetro 10 es relativamente corto, hay poco tiempo para que la energía impartida a cada transductor 30, 32 se disipe antes que el transductor 30, 32 detecte una señal 42 del transductor opuesto 30, 32 y, por ello, tratar con el timbre es beneficioso en cualquier frecuencia de muestreo.

La fase de la interferencia de timbre en cada transductor 30, 32 depende de la fase de la señal 42 producida más recientemente por el transductor 30, 32. Si la interferencia está en fase con la señal 42 que debe detectar, se producirá una interferencia constructiva. Por el contrario, un timbre que esté desfasado con respecto a la señal detectada 42 provocará una interferencia destructiva. En cada caso, surge un error de estado estable que sesga el valor de medición final.

Sin embargo, en las secuencias 46, 48 que se muestran en la figura 5, la fase de uno de los transductores 30, 32 cambia con cada par de señales de medición 42. Se observa que un transductor diferente 30, 32 cambia de fase cada vez, lo que trae equilibrio al sistema y contrarresta cualquier acumulación de timbre en un transductor individual 30, 32. Usando la notación 'P' para una señal de enlace positivo 42, y 'N' para una señal de enlace negativo 42, la secuencia de pares de señales que se muestra en la figura 5 es: PP, Pn , NN, NP. Este patrón puede repetirse durante el tiempo que sea necesario.

En consecuencia, el timbre de cada transductor 30, 32 está alternadamente en fase y desfasado con la señal 42 que detecta, y así alterna la fase relativa del timbre con respecto a la señal detectada 42. Esto significa que la interferencia cambia entre ser constructiva y destructiva y, por lo tanto, el efecto de la interferencia se cancela en la secuencia.

Tomando los dos primeros pares de señales 42 como ejemplo, el primer par de señales 42 son ambas de fase P y, por lo tanto, el timbre en cada transductor 30, 32 también será de fase P. Por lo tanto, el timbre de cada transductor 30, 32 estará en fase con la señal 42 que detecta, provocando una interferencia constructiva. El siguiente par de señales 42 tiene una señal de fase P 42 transmitida desde el primer transductor 30 y una señal de fase N 42 transmitida desde el segundo transductor 32. Por lo tanto, el primer transductor 30 tendrá una fase P de timbre, pero recibirá una señal de fase N 42, y el segundo transductor 32 tendrá un timbre de fase N y recibirá una señal de fase P 42. Por lo tanto, en esta segunda etapa el timbre de cada transductor 30, 32 está desfasado con la señal 42 que detecta, causando interferencia destructiva. Esto cancela la interferencia constructiva provocada por el timbre después de que se transmitiera el primer par de señales 42, eliminando así cualquier error de medición provocado por el timbre.

Esto demuestra que el efecto del timbre puede contrarrestarse transmitiendo pares de señales 42 que están alternadamente en fase y luego fuera de fase. De hecho, no es necesario que las fases sigan un patrón de alternancia estricto: la interferencia de timbre puede cancelarse utilizando cualquier secuencia en la que haya un número igual de pares de señales de la misma fase que pares de señales de fases opuestas, aunque el efecto de cancelación puede disminuir cuando el cambio de fase relativa no está suficientemente distribuido a lo largo de la secuencia. El lector experto apreciará que, por lo tanto, hay muchas otras secuencias posibles que podrían usarse para lograr la cancelación del timbre, además de las del ejemplo mostrado en la figura 5.

Además, aunque se ha encontrado que la simple inversión de las señales 42 es suficiente para cancelar la interferencia de timbre, y de hecho es todo lo que normalmente es posible en implementaciones prácticas, si las capacidades de los transductores 30, 32 permiten cualquier otro cambio en el ángulo inicial de las señales 42 pueden usarse para proporcionar el cambio de fase requerido con el fin de cancelar la interferencia de timbre.

Las secuencias 46, 48 mostradas en la figura 5 no serán eficaces para eliminar el ruido de los ecos ya que cada secuencia 46, 48 tiene señales sucesivas 42 de la misma fase. Sin embargo, se pueden utilizar otras secuencias en las que al menos un par de señales 42 sea idéntico al par que le precedió, de modo que sólo cambien en esa etapa de la secuencia los ecos que persisten de medidas anteriores. Esto permite determinar el efecto de los ecos y descartarlos de los valores finales de medición.

Un ejemplo de una secuencia que permite esto es la siguiente secuencia de 16 etapas: NN, PP, NN, NN, PN, PN, NP, PN, NP, PN, NP, NP, PP, PP, NN, PP. Se observa que, al igual que en la secuencia de la figura 5, hay un número igual de pares en los que las señales 42 de los transductores opuestos 30, 32 están en fase y desfasadas entre ellas, lo que logra la requerida cancelación de timbre.

En un perfeccionamiento adicional, los valores de medición discretos obtenidos de cada par de señales en las secuencias 46, 48 se pueden comparar con el valor de medición promediado para obtener un término de error que proporcione una indicación del error relativo para cada par de señales de las secuencias 46, 48. Estos términos de error se pueden restar de las mediciones sin procesar cuando se repite la secuencia para reducir el ruido de alta frecuencia en el valor de medición final.

Como alternativa, o además de la técnica anterior, también es posible combinar la técnica de variación de sincronización mostrada en la figura 3 para eliminar el ruido del eco y la técnica de cambio de fase de la figura 5 para cancelar la interferencia de timbre, con el fin de eliminar el efecto de ruido de ambos ecos y timbre de los valores de medición finales.

Un ejemplo de un par de secuencias que combina las técnicas de esta manera se muestra en la figura 6, en la que una secuencia superior 50 de señales 42 representa señales transmitidas por el primer transductor 30, y una secuencia inferior 52 de señales 42 representa señales transmitidas por el segundo transductor 32. Al igual que con la figura 5, cabe señalar que las señales 42 de las secuencias superior e inferior 50, 52 de la figura 6 viajan en direcciones opuestas a través del canal de medición 24.

En las secuencias de la figura 6, los ángulos iniciales de las señales 42 de cada secuencia 50, 52 cambian según el mismo patrón utilizado en las secuencias 46, 48 de la figura 5. En la figura 6 se muestran otros dos pares de señales que incluyen seis pares en total, siendo los dos últimos pares idénticos a los dos primeros.

Además, la sincronización de cada señal 42 varía de la misma manera que en la secuencia 40 de la figura 3 con respecto a los marcadores de tiempo t0 a t5, para lograr la cancelación del eco. Se observa que, aunque varía el intervalo de tiempo entre las sucesivas señales 42 de cada transductor individual 30, 32, cada par de señales 42 transmitidas por el primer y segundo transductor 30, 32 se transmiten simultáneamente.

Esto demuestra que los dos enfoques complementarios para producir señales desfasadas 42 son compatibles en combinación con el fin de lograr la cancelación de ambos ecos y el timbre de los transductores 30, 32 para garantizar mediciones precisas del caudal cuando se opera a una alta frecuencia de muestreo.

Finalmente, la figura 7 muestra otro par de secuencias, una secuencia superior 54 del primer transductor 30 y una secuencia inferior 56 del segundo transductor 32, que ilustra otro método para ajustar las fases relativas de las señales de medición 42. En este enfoque se usan señales casi simultáneas, en el sentido de que cada señal 42 de cada par de señales 42 se transmite en un momento ligeramente diferente a la otra señal 42 del par, en lugar de transmitir ambas señales 42 de cada par simultáneamente como en las realizaciones anteriores, transmitiéndose ambas señales antes de que cualquiera de ellas sea recibida por su respectivo transductor opuesto 30, 32. Con un control apropiado, los tiempos de propagación de cada señal 42 pueden medirse independientemente con suficiente precisión para proporcionar valores finales fiables del caudal.

Este enfoque es equivalente a variar los intervalos entre señales sucesivas 42 como en la figura 3, con la característica adicional de que la serie de señales 42 transmitidas por cada transductor 30, 32 tiene un patrón diferente de intervalos. Esto aumenta la variación global de las características de las señales 42 dentro del canal de medición 24 a lo largo del tiempo, lo que mejora el efecto de reducir el efecto de los ecos a ruido medio nulo.

La variación de la sincronización de una señal de medición con respecto a una señal opuesta que se transmite casi simultáneamente también significa que la interferencia debida al timbre se vuelve aleatoria de un par de señales de medición al siguiente. Esto mejora la tendencia de que el timbre produzca un ruido medio nulo, en lugar de un error sistemático. Por lo tanto, la técnica mostrada en la figura 7 ayuda a combatir el efecto del ruido que surge tanto de los ecos como del timbre.

Se observa que, aunque las señales 42 mostradas en la figura 7, tienen todas el mismo ángulo inicial, esta técnica se puede combinar con la de la figura 4 alterando los ángulos iniciales de cada señal 42 según se desee.

Mientras que las señales 42 en la figura 7 no son precisamente simultáneas, como cada par se superpone, el período permitido para que los ecos decaigan sigue siendo más alto que en las disposiciones de la técnica anterior en las que las señales opuestas se transmiten en secuencia, reduciendo así el efecto de los ecos. En otras realizaciones, las señales opuestas 42 pueden no superponerse, siendo suficiente la modulación de fase proporcionada por la variación de los intervalos entre señales sucesivas 42 para la cancelación del eco.

Muchas de las técnicas anteriores comparten la característica de emplear patrones de modulación de fase que producirán un ruido medio sustancialmente nulo a largo plazo. Para generalizar los enfoques establecidos anteriormente, esta cancelación de ruido se logra variando las fases de señales sucesivas de modo que la fase promedio de la secuencia de señales resultante corresponda sustancialmente al punto medio del intervalo en el que se varían las fases.

Para optimizar la cancelación de ruido, las fases de la señal deben variarse para que se distribuyan de manera razonablemente uniforme en un intervalo de trabajo de variación de fase. Por ejemplo, una secuencia de señales puede tener números sustancialmente iguales de señales que tienen fases respectivas en cada cuartil del intervalo de trabajo. En términos prácticos, esto se logra más fácilmente con secuencias repetitivas con cambios regulares de fase o con secuencias que tienen fases completamente aleatorias.

Este enfoque general asegura que cuando se detecta una señal de interés, o "señal deseada", cualquier señal residual dentro del canal de medición 24 en el momento en que un transductor 30, 32 recibe la señal deseada suma hacia cero. A su vez, la suma vectorial de las contribuciones de error de esas señales residuales tiende a cero, minimizando así el impacto de las señales residuales en la medición de la señal deseada.

Por ejemplo, si se transmite una señal deseada en t = 0 con una fase de 0° desde un extremo del camino al extremo opuesto, esa señal se recibe en el otro extremo del camino en t=T^p, donde T^p representa el retardo de propagación puro a través del fluido desde el transductor transmisor 30, 32 hasta el transductor receptor 30, 32.

Si T^p corresponde a un número entero de ciclos de la señal más un período residual, la señal deseada en el tiempo t=T^p tiene un valor 'P', que puede considerarse como una cantidad vectorial compuesta por una amplitud y una fase, relativa a la fase inicial conocida de 0° en este ejemplo, que es la cantidad de interés. Es deseable medir el valor P con la mayor precisión posible, porque su fase indica el tiempo residual (es decir, T^p menos un número entero de ciclos completos), que es de mayor interés cuando se determina un caudal preciso.

Después de que una serie de señales deseadas hayan sido transmitidas y medidas de esta manera, un conjunto de valores P⁰, P¹, P² ... Pⁿ se puede determinar para valores enteros de n.

Considerando por separado cada señal de interferencia potencial, cada valor medido Pⁿ está sujeto a un error Eⁿ debido a una fuente respectiva de interferencia. En consecuencia, en cada medida la fase detectada 'Mⁿ' es igual a la suma de una señal deseada Pⁿ más una señal de error Eⁿ.

En realizaciones de la invención, la fase de la señal deseada se modifica con respecto a cada señal de interferencia potencial, de tal modo que en cualquier conjunto dado de mediciones la suma de los términos de error Eⁿ tiende a cero independientemente de su amplitud, de modo que:

SUM(Mn) = SUM(Pn) 0,

Por lo tanto, el valor medio medido M tiende hacia el valor medio deseado P.

Existe una amplia gama de secuencias que cumplen los criterios anteriores y, por lo tanto, logran una cancelación de ruido efectiva.

Por ejemplo, en una secuencia de fase completamente aleatoria que tiene un intervalo de fase de 0° a 360°, las fases de las señales de la secuencia se distribuyen, en promedio, por igual a cada lado de 180°, y por lo tanto las contribuciones de error hechas por las señales anteriores suman hacia cero en el transcurso de la secuencia. Una secuencia aleatoria puede ser especialmente útil, ya que es probable que cancele todas las posibles fuentes de interferencia por igual, ya que la fase de la señal deseada no se deriva ni se correlaciona con ninguna fuente particular de interferencia.

En otro ejemplo, si una secuencia hace que las fases de los términos de error alternen entre 0° y 180°, cada Eⁿ = -E^(n-1), por lo que el error se cancela en solo dos mediciones. Este es un enfoque efectivo si solo se necesita cancelar una señal de interferencia, y da como resultado una secuencia práctica de cuatro etapas de duración.

Alternativamente, se puede diseñar una secuencia de tres etapas de tal modo que la fase de cada señal cambie 120 grados con respecto a la señal anterior, de modo que los errores respectivos varíen 120° con cada medición. Esto hace que el error asociado se cancele en cualquier grupo consecutivo de tres mediciones. Este enfoque tiene la ventaja de que una sola fuente de interferencia puede cancelarse utilizando una secuencia de sólo tres etapas y, por lo tanto, permite un ancho de banda de señal maximizado para una tasa de medición dada.

Este principio se extiende a cualquier conjunto de N mediciones, de tal modo que las fases de cada Eⁿ individual son iguales a K*(360/N) para 0 <= K <= (N-1), en cualquier orden.

En otra posible implementación, una secuencia de señales transmitidas por los dos transductores y que tienen un intervalo de fase general de 360° pueden tener sus fases controladas de tal manera que, con el tiempo, al menos una de las siguientes afirmaciones sea verdadera o sustancialmente verdadera:

• la fase de cualquier señal dada está dentro de los 90° de la fase de la señal precedente (del mismo transductor) siempre que no lo esté; y

• la fase de cualquier señal dada está dentro de los 90° de la fase de la señal correspondiente del otro transductor siempre que no lo esté.

Para una secuencia que tiene un intervalo de fase diferente, los valores anteriores se escalan en consecuencia. Un experto en la materia apreciará que la invención podría modificarse para adoptar muchas formas alternativas a la descrita en la presente memoria, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, aunque en las realizaciones descritas anteriormente se utilizan transductores que funcionan como transmisores o receptores, en realizaciones alternativas se pueden utilizar transmisores y receptores separados y dedicados.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para medir un caudal de un fluido que fluye a lo largo de un camino, comprendiendo el método:

transmitir una secuencia de pares de señales periódicas (42) a través del fluido, siendo transmitidos los respectivos pares en sucesión, siendo transmitidas las respectivas señales de cada par en direcciones opuestas a lo largo y desde extremos opuestos del camino;

determinar una diferencia en los tiempos de propagación de cada señal (42) de cada par a lo largo del camino; y

determinar un caudal de fluido a lo largo del camino en base a la diferencia en los tiempos de propagación de las señales (42) de cada par a lo largo del camino;

en el que la fase de cada señal (42) de cada par de la secuencia se altera con respecto a una fase de las señales (42) de otro par de la secuencia de modo que una fase promedio de las señales (42) de los pares de la secuencia es sustancialmente igual al punto medio del intervalo en el que se varían las fases de las señales (42) de los pares de la secuencia

2. El método de la reivindicación 1, en el que la al menos otra señal (42) comprende la otra señal (42) del respectivo par de señales.

3. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que la al menos otra señal (42) comprende una señal (42) transmitida previamente a lo largo del camino.

4. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que alterar la fase de cada señal (42) comprende cambiar un intervalo de tiempo entre cada señal (42) y una señal precedente respectiva (42) transmitida desde el mismo extremo del camino con respecto a un intervalo de tiempo entre la señal precedente (42) y una señal (42) que precedía a la señal precedente (42).

5. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que alterar la fase de cada señal (42) comprende cambiar un ángulo inicial de cada señal (42) con respecto a un ángulo inicial de una señal precedente respectiva (42) transmitida desde la misma posición en el camino.

6. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que alterar la fase de cada señal (42) comprende cambiar un ángulo inicial de cada señal (42) con respecto a un ángulo inicial de la otra señal (42) del respectivo par de señales.

7. El método de la reivindicación 6, que comprende transmitir al menos dos señales sucesivas (42) desde cada extremo del camino con ángulos sustancialmente iguales.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que cambiar el ángulo inicial de una señal (42) comprende invertir la señal (42) con respecto a la al menos otra señal (42).

9. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que alterar la fase de cada señal (42) comprende cambiar un retardo entre transmitir una primera señal (42) de cada par y transmitir una segunda señal (42) de cada par.

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende transmitir simultáneamente las señales respectivas de cada par de señales periódicas (42).

11. El método de cualquier reivindicación precedente, que comprende alterar las fases de las señales (42) de la secuencia de modo que las fases se distribuyan uniformemente a lo largo del intervalo en el que se varían las fases de las señales (42) de la secuencia.

12. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que cada señal (42) es una onda de presión y, opcionalmente, cada señal (42) es una señal ultrasónica.

13. Un caudalímetro (10) que comprende un controlador (36) configurado para realizar los pasos del método de cualquier reivindicación precedente.

14. Un caudalímetro (10) según la reivindicación 13, estando configurado el controlador (36) para:

generar señales de activación que hacen que los transmisores primero y segundo del caudalímetro (10) transmitan la secuencia de pares de señales de medición periódicas (42) a los receptores primero y segundo respectivos en direcciones opuestas a lo largo y desde extremos opuestos del camino, en el que cada señal de activación está dispuesta de tal manera que una fase de la señal de medición resultante (42) se altera con respecto a una fase de al menos otra señal de medición (42) transmitida a lo largo del camino;

recibir señales de detección de los receptores primero y segundo, siendo cada señal de detección indicativa de la llegada de una señal de medición (42) al receptor respectivo; y

procesar las señales de detección para determinar el caudal de fluido a lo largo del camino.

15. Un caudalímetro (10) según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, que comprende:

un canal de medición (24) a través del cual fluye fluido a lo largo de un camino;

un primer transmisor (30, 32) y un segundo transmisor (30, 32) que están separados uno respecto de otro dentro del canal de medición (24) para transmitir pares sucesivos de señales periódicas (42) a través del fluido en direcciones opuestas a lo largo y desde los extremos opuestos del camino;

un primer receptor (30, 32) posicionado dentro del canal de medición (24) para recibir señales periódicas (42) transmitidas por el primer transmisor (30, 32);

un segundo receptor (30, 32) posicionado dentro del canal de medición (24) para recibir señales periódicas (42) transmitidas por el segundo transmisor (30, 32); y

estando dispuesto el controlador (36) para controlar los transmisores primero y segundo (30, 32) con el fin de transmitir señales de medición respectivas (42) a sus receptores respectivos (30, 32) a través del fluido que fluye a lo largo del camino, y para recibir y procesar señales de detección de los receptores primero y segundo (30, 32).