UN APARATO Y MÉTODO PARA MEDIR UN PARÁMETRO DE UN FLUJO DE FASES MÚLTIPLES
CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere a un aparato para medir un parámetro de un flujo de proceso que pasa dentro de un tubo, y más particularmente a un aparato de medición de flujo que tiene detectores ultrasónicos y un arreglo de detectores basados en esfuerzos y para procesar las señales de datos de los mismos para proporcionar un resultado indicativo de la velocidad de propagación del sonido a través del flujo de proceso y/o un parámetro de flujo, del flujo de proceso que pasa a través de un tubo. TÉCNICA ANTECEDENTE En los campos que involucran fluidos que fluyen para aplicaciones industriales, tales como suspensiones, líquidos, substancias químicas, papel, pulpas, petróleo, gas, medicamentos, alimentos, minería, minerales, y vapores y gases de refinación, es benéfico algunas veces conocer ciertas características de los fluidos que fluyen. Por ejemplo, en la industria del petróleo en la cual miles de millones de dólares de petróleo crudo se miden físicamente cada día en si camino desde las bocas de pozo a las refinerías, el caudal volumétrico es una medición crítica en el control y la optimización de los procesos. Desafortunadamente, sin embargo, grandes cantidades de hidrocarburos tienden a estar presentes en el petróleo crudo y como tal, durante el transporte desde las cabezas de pozo y las refinerías el petróleo crudo tiene una propensión a 'liberar gases' durante el transporte, que resultan en niveles pequeños desconocidos de gases arrastrados que están presentes en las ubicaciones de medición física. Esto es indeseable por al menos dos (2) razones. Primero, porque el efecto de los gases arrastrados sobre la mayoría de las tecnologías volumétricas líquidas resulta en un reporte excesivo de la caudal del componente líquido en una cantidad igual al volumen de los gases arrastrados, el caudal volumétrico medido es típicamente inexacto. De hecho, se han impuesto estándares para el flujo volumétrico. Desafortunadamente, sin embargo, aunque la mayoría de los estándares para el flujo volumétrico físico de líquidos requieren que el líquido esté completamente desprovisto de gases, surge un problema un problema cuando se vuelve impráctico asegurar que la corriente líquida en cuestión esté en realidad desprovista de gases. Esto porque, aunque el nivel de la fracción volumétrica del gas (GVF) típicamente es menor del 1%, está es frecuentemente la fuente primaria de errores en las mediciones físicas. Segundo porque la separación física completa de las fases de gas y líquido no puede ser asegurada, la determinación del volumen de líquido también es típicamente inexacta resultado en un valor inexacto del corte de agua. Por lo tanto, es razonable esperar que mientras más características sobre el fluido que fluye se conozcan, habrá mejores oportunidades de medir, controlar y optimizar efectivamente el procesamiento del fluido que fluye. La exactitud de la medición de la producción de petróleo se limita típicamente a tres restricciones. Una restricción es la incapacidad para asegurar la separación completa de los flujos de gas y líquido. Esta restricción resulta en una determinación inexacta del volumen del líquido, una determinación inexacta del volumen de gas, y una determinación inexacta del corte de agua. La segunda restricción es el número relativamente bajo de las mediciones del flujo. Esto no se debe sólo a la instalación y los requerimientos de mantenimiento para cada dispositivo de medición sino también al efecto que cada dispositivo de medición tiene sobre el flujo del fluido, tal como la caída de presión asociada. En si, aumentar el número de puntos de medición provoca un aumento correspondiente en la caída de presión total asociada así como un aumento en el número y el costo de los requerimientos de instalación y mantenimiento. La razón la constituyen los requerimientos de mantenimiento, los requerimientos de instalación, y la caída de presión en el punto con cualquier aumento en los puntos de medición. La tercera restricción es el muy bajo número de puntos de medición del corte de agua. Este bajo número se debe a la fiabilidad de los dispositivos de medición del corte de agua y los requerimientos de calibración de los medidores. Por lo tanto, sería ventajoso, en particular en los pozos y los campos de producción, tener un aparato de apriete o abrazadera, no intrusivo, confiable, capaz de medir los parámetros de una flujo de fluidos de fases múltiples aireado, tal como la caudal volumétrico del líquido de la corriente de proceso, la fracción volumétrica del gas (o el vacío) de la corriente, el corte de agua de la corriente, y la caudal volumétrico de cada una de las fases de la corriente. La presente invención proporciona tal aparato. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se proporciona un aparato para determinar una característica de un fluido aireado que fluye dentro de una tubería, en donde el dispositivo incluye al menos un primer dispositivo de detección. El al menos un primer dispositivo de detección se asocia con la tubería, tal que el al menos un primer dispositivo de detección detecta un componente de baja frecuencia de la corriente de fluido aireado y genera los datos del primer detector en respuesta al componente de baja frecuencia del fluido aireado. Adicionalmente se proporciona al menos un segundo dispositivo de detección, en donde el al menos un segundo dispositivo de detección se asocia con la tubería tal que el al menos un segundo dispositivo de detección detecta un componente de alta frecuencia de la corriente de fluido aireado, en donde los datos del segundo detector se generan en respuesta al componente de alta frecuencia del fluido aireado. Además, se proporciona un dispositivo de procesamiento, en donde el dispositivo de procesamiento se comunica con el al menos un primer dispositivo de detección y el al menos un segundo dispositivo de detección para recibir y procesar los datos del primer detector y los datos del segundo detector para generar los datos del fluido, en respuesta a una característica del flujo de fluido aireado. Se proporciona un método para determinar una característica de un fluido que fluye dentro de una tubería, en donde el método incluye generar datos de Velocidad del Sonido en respuesta a la velocidad del sonido dentro de al menos una porción del fluido para al menos una de una primera frecuencia y una segunda frecuencia, detectar la velocidad de convección de los campos de presión creados por el fluido y generar los datos de convección en respuesta a la velocidad de convección de los campos de presión. Adicionalmente, el método incluye procesar los datos de Velocidad del Sonido y los datos de convección para determinar la característica del fluido. Se proporciona un aparato para determinar el valor del corte de agua de un fluido de fases múltiples que fluye dentro de una tubo, en donde el dispositivo incluye un dispositivo de transmisión configurado para introducir una señal acústica de alta frecuencia en el fluido, un dispositivo de recepción, en donde el dispositivo de recepción se configura para recibir la señal acústica de alta frecuencia después que la señal acústica de alta frecuencia ha atravesado al menos una porción del fluido, en donde al menos uno del dispositivo de transmisión y el dispositivo de recepción genera los datos del detector en respuesta la señal acústica de alta frecuencia recibida y un dispositivo de procesamiento, en donde el dispositivo de procesamiento se comunica con al menos uno del dispositivo de transmisión y el dispositivo de recepción para recibir y procesar los datos del detector para determinar el valor del corte de agua del fluido. Se proporciona un método para determinar el valor del corte de agua de un fluido que fluye a través de una tubo, en donde el método incluye introducir en el fluido una onda acústica que tienen una frecuencia predeterminada, después que la onda acústica ha atravesado al menos una porción del fluido, recibir la onda acústica y generar los datos del detector en respuesta, al menos en parte, a la onda acústica recibida y procesar los datos del detector para determinar el valor del corte de agua del fluido. Los anteriores y otros objetivos, características y ventajas de la presente invención se volverán más aparentes a la luz de la siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplificantes de la misma. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un aparato de medición de flujo que tiene un arreglo de detectores basados en esfuerzos para medir los parámetros de un flujo de fases múltiples de acuerdo con la presente invención. La Fig. 2 es una gráfica de la velocidad del sonido medida, normalizada a la velocidad del sonido del líquido a sobre un rango de frecuencias de acuerdo con la presente invención. La Fig. 3 es una gráfica de la velocidad del sonido medida, normalizada a la velocidad del sonido del líquido como una función de la fracción del volumen del gas de acuerdo con la presente invención. La Fig. 4 es un diagrama esquemático de un aparato de medición de flujo de la Fig. 1 que tiene un arreglo de detectores basados en esfuerzos y un arreglo de detectores ultrasónicos para medir los parámetros de un flujo de fases múltiples .
La Fig. 5 es una vista transversal de una tubo que tienen un flujo de fluido turbulento o una mezcla que fluye en el mismo, el flujo que tienen estructuras coherentes en el mismo, es decir, ondas acústicas y perturbaciones espirales, de acuerdo con la presente invención. Las Figs. 6 y 7 son diagramas de bloques de la Lógica GVF de acuerdo con la presente invención. La Fig. 8 es un diagrama esquemático de una lógica de velocidad el sonido (SOS) de un procesador del arreglo de un aparato de medición de flujo de acuerdo con la presente invención. La Fig. 9 es una gráfica KÜ de los datos procesados desde un aparato que incorpora la presente invención, la cual ilustra las pendientes de un par de crestas acústicas, de acuerdo con la presente invención. La Fig. 10 es una gráfica de la velocidad de sonido de mezcla como una función de la fracción del volumen de gas sobre un rango de presiones de proceso, de acuerdo con la presente invención. La Fig. 11 es un diagrama esquemático de una lógica de flujo de un procesador del arreglo de un aparato de medición de flujo de acuerdo con la presente invención. La Fig. 12 es una gráfica KQ de los datos procesados desde un aparato que incorpora la presente invención, la cual ilustra la pendiente de la cresta de convección, y una gráfica de la función de optimización de la cresta de convección, de acuerdo con la presente invención. La Fig. 13 es una gráfica de la velocidad del sonido del líquido como una función de la fracción de volumen del agua en el flujo de fases múltiples de acuerdo con la presente invención. La Fig. 14 es un diagrama de bloques de otra modalidad de un aparato de medición de flujo que tiene un arreglo de detectores basados en esfuerzos y detectores ultrasónicos para medir los parámetros de un flujo de fases múltiples de acuerdo con la presente invención. La Fig. 15 es uri diagrama esquemático de un aparato de medición de flujo de la Fig. 14 que tiene un arreglo de detectores basados en esfuerzos y un arreglo de detectores ultrasónicos para medir los parámetros de un flujo de fases múltiples. MEJOR MODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN La Fig. 1 ilustra un diagrama de bloques de un dispositivo 100 de medición de flujo para medir un parámetro de un flujo 102 de fases múltiples que pasa a través de un tubo 104. El flujo de fases múltiples o la mezcla 102 incluyen cualquier mezcla que tenga cualquier combinación de una fase gaseosa, líquida o sólida. Aunque la presente invención es particularmente útil para medir flujos 102 de fases múltiples, el aparato 100 también puede medir un parámetro de un flujo de una fase. Como se discute más arriba, el aparato 100 que incorpora la presente invención es útil para medir un flujo 102 de fases múltiples que comprende petróleo, agua y gas. La descripción de la presente invención asumirá que la mezcla es una combinación de petróleo, agua y gas, sin embargo, la invención contempla que se puede medir cualquier flujo 102 de una fase o de fases múltiples. Como se muestra en la Fig. 1, el aparato 100 funciona como un medidor 106 de la fracción de volumen del gas (o el vacío) , un medidor 108 de flujo ultrasónico, y un medidor 110 ultrasónico del corte de agua. El medidor 106 de la fracción de volumen del gas (GVF) proporciona un resultado indicativo de la fracción de volumen del gas de la mezcla 102 al medir la velocidad de propagación del sonido a frecuencias bajas axialmente a través del flujo 102 en el tubo 104. El medidor 108 de flujo ultrasónico proporciona una pluralidad de señales acústicas de alta frecuencia a través del flujo 102 para proporcionar señales de salida indicativas de las perturbaciones de presión (por ejemplo, perturbaciones vorticales) u otras perturbaciones u otras características que se transportan por convección o se propagan con el flujo 102 delante de los detectores ultrasónicos, lo cual se describirá con más detalle a continuación. El medidor 110 ultrasónico del corte de agua mide la velocidad del sonido de una señal de alta frecuencia que se propaga a través del flujo 102 para proporcionar una señal de salida indicativa de la velocidad del sonido del componente líquido del flujo 102, lo cual es indicativo del corte de agua de la mezcla 102. El corte de agua es la fracción de fase o el porcentaje del agua en la porción líquida del flujo 102. Uno puede apreciar que la combinación del medidor 106 de GVF, el medidor 108 de flujo y el medidor 110 del corte de agua proporciona suficiente información para caracterizar completamente al fluido 102 de fases múltiples que pasa a través del tubo 104. Específicamente, el aparato 100 es capaz de medir al menos la velocidad del flujo, la caudal volumétrico, la composición del flujo (por ejemplo, la fracción de fase de cada fase del fluido) , el corte de agua, la caudal volumétrico de cada fase de la mezcla 102, la fracción volumétrica del gas (vacío) del flujo, la velocidad del sonido de la mezcla 102 y la velocidad del sonido del componente líquido del flujo 102. Uno puede apreciar que estos parámetros medidos son particularmente importantes en aplicaciones de producción de petróleo. Un aspecto importante de la presente invención es el reconocimiento de que existe una dependencia para los fluidos burbujeantes de la frecuencia a la velocidad de propagación del sonido a través del flujo 102 del fluido. La resonancia de las burbujas determina la frecuencia de transmisión. La Fig. 2 ilustra la dependencia de la frecuencia de la velocidad del sonido en los fluidos burbujeantes. Como se muestra, a bajas frecuencias debajo de la frecuencia de resonancia de las burbujas (aproximadamente 100 Hz a 1000 Hz) , la velocidad de propagación del sonido a través del fluido 102 está influenciada dramáticamente por los gases arrastrados. Por el contrario, a frecuencias altas por arriba de la frecuencia de resonancia de las burbujas (aproximadamente 1 MHz y más) , el gas arrastrado en el flujo 102 del fluido no tienen un impacto significativo sobre la velocidad de propagación del sonido a través del componente líquido del flujo 102. Reconociendo este fenómeno, el aparato 100 que incorpora la presente invención proporciona un medidor (es decir, un medidor 106 de GVF) para medir le velocidad del sonido a frecuencias bajas debajo de la frecuencia de resonancia de las burbujas, y otro medidor (es decir, un medidor 108 de ultrasonido del corte de agua) para medir la velocidad del sonido a frecuencias altas arriba de la frecuencia de resonancia de las burbujas. Como se describirá con mayor detalle de aquí en adelante, la velocidad del sonido medida a las frecuencias más bajas (es decir, las frecuencias de sub-resonancia) es indicativa de la velocidad del sonido de la mezcla 102, en tanto que la velocidad del sonido medida a las frecuencias más altas (por ejemplo, las frecuencias de super-resonancia) es indicativa de la velocidad del sonido del componente líquido de la mezcla 102. Conocer la velocidad del sonido de la mezcla 102 permite que se determine la fracción del volumen de gas (y el vacío) del flujo 102 (o la mezcla) . Además, conocer la velocidad del sonido del componente líquido de la mezcla 102 permite que se determine el corte de agua. Este procesamiento se describirá con mayor detalle de aquí en adelante. También, conocer la fracción de volumen del gas (o la fracción del vacío) y el corte de agua, se pueden determinar la fracción de fase y la caudal volumétrico del flujo 102 del fluido, como se describirá con mayor detalle a continuación. Se llevaron a cabo pruebas usando un tubo vertical llenado con un fluido, en donde se inyectaron burbujas en el fluido en la parte inferior del tubo. Se midió la velocidad del sonido a frecuencias de super-resonancia y frecuencias de sub-resonancia usando un detector ultrasónico y un medidor de GVF. Los datos se proporcionan en la Fig. 3, la cual ilustra el fenómeno descrito arriba de que la velocidad del sonido meda del componente líquido de la mezcla 102 (por ejemplo, la SOS de super-resonancia) no es afectada por el gas arrastrado, en tanto que la velocidad del sonido medida de la mezcla 102 (por ejemplo, la SOS de sub-resonancia) es afectada por el gas arrastrado. La Fig. 3 ilustra los efectos de la velocidad del sonido de las mezclas o flujos burbujeantes. Específicamente, le velocidad del sonido medida normalizada por la velocidad del sonido del líquido se gráfica como una función de la fracción del volumen del gas de referencia. La línea A muestra la velocidad del sonido de super-resonancia medida, normalizada, como una función de la GVF referenciada. Como se discute a continuación, la velocidad del sonido medida a las frecuencias más altas (de super-resonancia) no es afectada por el gas arrastrado y es indicativa de la velocidad del sonido del líquido de la mezcla 102 independientemente de la cantidad de gas arrastrado. La línea B muestra la velocidad del sonido de sub-resonancia medida, normalizada, como una función de la GVF referenciada. Como se discute a continuación, la velocidad del sonido medida a las frecuencias más bajas (sub-resonantes) es afectada por el gas arrastrado por una relación conocida o que se puede determinar, y que por lo tanto permite la determinación de la fracción del volumen del gas (o el vacío) del flujo o la mezcla 102 de fases múltiples. La línea C muestra la velocidad del sonido de sub-resonancia normalizada teórica de la mezcla 102 como una función de la GVF referenciada, de acuerdo con la ecuación de Woods. Como se muestra, la velocidad del sonido de sub-resonancia medida se correlaciona con la determinación teórica de la velocidad del sonido de sub-resonancia. La Fig. 4 ilustra un diagrama esquemático del aparato 100 de medición de flujo de la Fig. 1 que incluye un dispositivo 112 (cabeza del detector) de detección montado en el tubo 104 y una unidad de procesamiento o procesador
(transmisor) 114 del arreglo. El aparato 100, de acuerdo con la presente invención, puede determinar la velocidad a la cual se propaga el sonido (es decir, las ondas 90 acústicas en la Fig. 5) a través del flujo 102 del fluido dentro del tubo 104, para medir las características particulares de los fluidos 102. Para simplificar la explicación de la presente invención, el flujo 102 que se propaga a través del tubo 104 se denominará como un flujo 102 de proceso con el entendimiento de que el fluido o el flujo 102 de proceso puede ser un flujo de una sola fase o de fases múltiples, como se describe a continuación. El dispositivo 112 de detección comprende un arreglo de detectores basado en esfuerzos de deformación o detectores 116-122, de presión para medir las presiones inestables producidas por las perturbaciones de presión acústica (por ejemplo, las ondas 90 acústicas) dentro del tubo 104, para determinar la velocidad del sonido que se propaga a través del flujo 102. El dispositivo 112 de detección incluye además cualquier arreglo de detectores de ultrasonidos 124-130, cada uno de los cuales que tienen un transmisor 131 y un receptor 132, también para medir un parámetro del flujo 102. Los detectores, 116-122, de presión y los detectores 124-130 ultrasónicos se muestran entrelazados, sin embargo, uno debe apreciar que cada arreglo de detector respectivo puede estar entrelazado parcialmente o no entrelazado en modo alguno, sin apartarse del ámbito de la presente invención. También se contempla que el medidor 106 de GVF y el medidor 108 de flujo ultrasónico pueden ser dos unidades distintas dispuestas adyacentes entre si en el tubo 104. Las señales de presión P,(t)-PN(t) y las señales ultrasónicas S,(t)-SN(t) se proporcionan a la unidad 114 de procesamiento, la cual digitaliza las señales y calcula el o los parámetros apropiados del flujo. Aunque se muestra un cable para conectar electrónicamente el dispositivo 112 de detección a la unidad 114 de procesamiento, cualquier método y/o dispositivo adecuado para el propósito final deseado se puede usar para comunicar el dispositivo 112 de detección con la unidad 114 de procesamiento. Las señales del detector de presión analógico P, (t) -PN(t) son típicamente señales de bucle de corriente de 4-20 mA.
El arreglo de detectores, 116-122, de presión comprende un arreglo de al menos dos detectores, 116, 118, de presión separados axialmente a lo largo de una superficie 134 externa del tubo 104, que tienen el flujo 102 de proceso propagándose dentro del mismo. Los detectores 116-122 de presión pueden estar asegurados o montados por lo general de manera removible a el tubo 104 por medio de cualquier dispositivo de sujeción liberable, tales como sujetadores magnéticos, pernos, tornillos y/o abrazaderas. Alternativamente, los detectores pueden ser fijados permanentemente a, o integrados (por ejemplo, incrustados) con el tubo 104. El arreglo de detectores del dispositivo 112 de detección puede incluir cualquier número de detectores, 116-122 de presión mayor a dos detectores, tal como tres, cuatro, ocho, dieciséis o N número de detectores entre dos y veinticuatro detectores. Por lo general, la exactitud de la medición mejora cuando aumenta el número de detectores en el arreglo. El grado de exactitud proporcionado por el número mayor de detectores se compensa por el aumento en la complejidad y el tiempo de cálculo del parámetro de salida deseado del flujo 102. Por lo tanto, el número de detectores usado es dependiente al menos del grado de exactitud deseado y la velocidad de actualización deseada del parámetro de salida proporcionado por el aparato 100. Los detectores 116-122 de presión miden las presiones inestables producidas por las ondas acústicas que se propagan a través del flujo 102 dentro de el tubo 104, la cual es indicativa de la SOS que se propaga a través del flujo 102 del fluido en el tubo 104. Las señales ( P, (t) -PN(t) ) de salida de los detectores, 116-122, de presión se proporcionan a un amplificador 136 de señales que amplifica las señales generadas por los detectores, 116-122, de presión. La unidad 114 de procesamiento procesa los datos de medición de la presión P,(t)-PN(t) y determina los parámetros y las características deseadas del flujo 102, como se describe a continuación. El aparato 100 también contempla proporciona una o más fuentes 138 acústicas para permitir la medición de la velocidad de propagación del sonido a través del flujo 102 para los casos de flujo 102 acústicamente silencioso. La o las fuentes 138 acústicas pueden ser dispositivos que den golpecitos o vibren sobre la pared del tubo 104, por ejemplo. Las fuentes 138 acústicas pueden estar dispuestas en el extremo de la admisión o el extremo de descarga del arreglo de detectores, 116-122, o en ambos extremos, como se muestra. Se debe apreciar que en la mayoría de los casos las fuentes 138 acústicas no son necesarias y que el aparato 110 detecta pasivamente las crestas acústicas proporcionadas en el flujo 102, como se describirá con más detalle a continuación. El ruido pasivo incluye el ruido generado por las bombas, válvulas, motores, y la mezcla 102 turbulenta en si. Por lo general, la unidad 114 de procesamiento mide las presiones inestables creadas por las perturbaciones acústicas que se propagan a través del flujo 102, para determinar la velocidad del sonido (SOS) que se propaga a través del flujo 102. Conociendo la presión y/o la temperatura del flujo 102 y la velocidad del sonido de las perturbaciones u ondas acústicas, como se muestra en la Fig. 6 y la Fig. 7, la unidad 114 de procesamiento puede determinar el flujo volumétrico del fluido 102, la consistencia o la composición del fluido 102, el número de Match del fluido 102, el tamaño promedio de las partículas que fluyen a través del fluido 102, la relación aire/masa del fluido 102, y/o el porcentaje de aire arrastrado dentro de la mezcla 102, tal como aquella descrita en la Solicitud de Patente Norteamericana No. 10/349,716 (No. de Registro de CiDRA: CC-0579) , presentada el 23 de enero del
2003, la Solicitud de Patente Norteamericana No. 10/376,427 (No de Registro de CiDRA: CC-0596) , presentada el 26 de febrero del 2003, la Patente Norteamericana No. 10/762,410 (No de Registro de CiDRA: CC-0703) presentada el 21 de enero del
2004, todas las cuales se incorporan aquí como referencia. Como se muestra en la Fig. 4, un aparato 100 que incorpora la presente invención tiene un arreglo de al menos dos detectores basados en esfuerzos o detectores, 116, 118, de presión, localizados en dos ubicaciones x1( x2, axialmente a lo largo de el tubo 104 para detectar señales estocásticas que se propagan entre los detectores, 116, 118, dentro del tubo 104 en sus respectivas ubicaciones. Cada detector, 116, 118, proporciona una señal que indica una presión inestable en la ubicación de cada detector, 116, 118, en cada instante en una serie de instantes de muestreo. Se debe apreciar que el arreglo de detectores puede incluir más de dos detectores, 116, 118 de presión, como se representa por los detectores, 120, 122, de presión en las ubicaciones x3, xN. La presión generada por las ondas 90 acústicas (véase la Fig. 5) puede ser medida a través de detectores basados en esfuerzos y/o detectores, 116-122, de presión. Los detectores, 116-122, de presión proporcionan señales analógicas que varían con el tiempo PiJ t ) , P2(t), P3(t), PN(t) a la unidad 14 de procesamiento de señales. Como se muestra en la Fig. 8, la Lógica 140 de SOS de la Mezcla incluye una unidad 142 de adquisición de datos que digitaliza las señales de presión P,(t) - PN(t) asociadas con la sondas 90 acústicas que se propagan a través de el tubo 104. Una lógica 144 de FFT calcula la transformada de Fourier de las señalas de entrada digitalizadas basadas en el tiempo P,(t)-PN(t), y proporciona señales en el dominio de la frecuencia complejo (o basadas en la frecuencia) P1 (?) , P2(?), P3 (?) , PN(?) indicativas del contenido de frecuencias de las señales de entrada. Un acumulador 146 de datos acumula las señales P,(t)-PN(t) de los detectores, 116-122, y proporciona los datos acumulados a través de un intervalo de muestreo a un procesador 148 del arreglo, el cual lleva a cabo una transformación espacial -temporal (bidimensional) de los datos del detector, del dominio x(t) al dominio ?-?, y después calcula la potencia en el plano ?-?, como se representa por una gráfica de ?-?, similar a aquella proporcionada por el procesador del arreglo de convección mostrado en la Fig. 11. Para calcular la potencia en el plano ?-?, como se representa por una gráfica de ?-? (véase la Fig. 9) ya sea de las señales o las señales diferenciadas, el procesador 148 del arreglo determina la longitud de onda y como tal el (espacial) número de ondas k, y también la frecuencia (temporal) y en si, la frecuencia angular ?, de varios componentes espectrales del parámetro estocástico. Hay varios algoritmos disponibles en el dominio público para llevar a cabo la descomposición espacial/temporal del arreglo de detectores 116-122 de presión.
Específicamente, el procesador 148 del arreglo utiliza los estándares denominados algoritmo de formación de haces, procesamiento por arreglo, o procesamiento por arreglos adaptativos, es decir, algoritmos para procesar las señales de los detectores usando varios retardos o ponderación para crear las relaciones de fase adecuadas entre las señales proporcionadas por los diferentes detectores creando con ello una funcionalidad de arreglo de antenas en fase. En otras palabras, los algoritmos de formación de haces o procesamiento por arreglo transforman las señales en el dominio del tiempo del arreglo de detectores a sus componentes de frecuencia espacial o temporal, es decir, a un conjunto de números de ondas dados por k=2p/? donde ? es la longitud de onda de un componente espectral, y las frecuencias angulares correspondientes dadas por ?=2pv. Una de tales técnicas para determinar la velocidad de propagación del sonido a través del flujo 102 involucra usar técnicas de procesamiento por arreglos para definir las crestas acústicas en el plano k-? como se muestra en la Fig. 9. La pendiente de las crestas acústicas es indicativa de la velocidad de propagación del sonido a través del flujo 102. La velocidad del sonido (SOS) se determina aplicando técnicas de procesamiento de ordenamiento de sonar para determinar la velocidad a la cual se propagan las ondas 90 acústicas unidimensionales delante del arreglo axial de mediciones de presión inestables distribuidos a lo largo de el tubo 104. El aparato 100 de la presente invención mide la velocidad del sonido (SOS) de ondas 90 de sonido unidimensionales (véase la Fig. 5) que se propagan a través de la mezcla 102 para determinar la fracción de volumen del gas de la mezcla 102. Se sabe que el sonido se propaga a través de varios medios a varias velocidades en campos tales como los campos de SONAR y RADAR. La velocidad de propagación de sonido a través de el tubo 104 y el flujo 102 se puede determinar usando un número de técnicas conocidas, tales como aquellas publicadas en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 09/344,094, presentada el 25 de junio de 1999, ahora US 6,354,147; la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 10/795,111, presentada el 4 de marzo del 2004; la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 09/997.221, presentada el 28 de noviembre del 2001, ahora US 6,587,798; la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 10/007,749, presentada el 7 de noviembre del 2001, y la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 10/762,410, presentada el 21 de enero del 2004, cada una de las cuales se incorpora aquí como referencia. En el caso de las ondas 90 acústicas adecuadas que se presentan en ambas direcciones axiales, la potencia en el plano K-? mostrado en la gráfica de la Fig. 9 así determinada exhibirán una estructura que se llama una cresta, 150, 152, acústica tanto en el plano izquierdo y derecho de la gráfica, en donde una de las crestas 150 acústicas es indicativa de la velocidad del sonido que viaja en una dirección axial y la otra cresta 152 acústica que es indicativa de la velocidad del sonido que viaja en la otra dirección axial. Las crestas, 150, 152, acústicas representan la concentración de un parámetro estocástico que se propaga a través del flujo 102 y constituyen una manifestación matemática de la relación entre las variaciones espaciales y las variaciones temporales descritas arriba. Tal gráfica indicará que una tendencia para los pares k-? aparece más o menos a lo largo de una línea, 150, 152, con alguna pendiente, la pendiente que indica la velocidad del sonido. La potencia en el plano k-? así determinada se proporciona entonces a un identificador 154 de crestas acústicas, el cual usa uno o más métodos de extracción de características para determinar la ubicación y la orientación (pendiente) de cualquier cresta acústica, 150, 152, presente en el plano k-? izquierdo o derecho. Un analizador 156 determina le velocidad del sonido de la mezcla 102 usando la pendiente de uno de las dos crestas, 150, 152, acústicas o promediando las pendientes de las crestas, 150, 152, acústicas.
Como se muestra en las Figs . 1 y 4 , la lógica de GVF proporciona señales de salida indicativas de la fracción de volumen de gas o de vacío de la mezcla 102 en respuesta a la velocidad del sonido medida de la mezcla 102. Por ejemplo, para determinar la fracción de volumen de gas (o la fracción de fase) , la lógica de GVF asume una condición casi isotérmica para el flujo 102. En si, la fracción de volumen del gas o la fracción de vacío se relacionan con la velocidad del sonido por medio de la siguiente ecuación cuadrática: Ax2+Bx+c=0 en donde x es la velocidad del sonido, A=l+rg/rl* (Kef/P-1)-Kef/P, B=Kef/P-2+rg/rl; ; Rg= densidad del gas, rl= densidad del líquido, Kef = K efectivo (módulo del líquido y la pared del tubo) , P= presión, y ameas= velocidad del sonido medida. Efectivamente Fracción de Volumen del Gas (GVF) = ( -B+sqrt (BA2-4*A*C) ) / (2*A) .
Alternativamente, la velocidad del sonido de una mezcla 102 se puede relacionar con la fracción volumétrica de fase (fi) de los componentes y la velocidad del sonido (a) y las densidades (p) del componente a través de la ecuación de Wood. 1 N f N 2 = S "y d?nd? P mezcla = S Pi , Pmezcl a mezcla „ <=• Pfii i=\ Las ondas de compresión unidimensionales que se propagan dentro de la mezcla 102 contenida dentro del tubo 104 ejercen una carga de presión interna inestable sobre el tubo 104. El grado al cual el tubo 104 se desplaza como resultado de la carga de presión inestable influencia la velocidad de propagación de las ondas de compresión. La relación entre la velocidad del sonido de dominio infinito y la densidad de la mezcla 102, el módulo (E) , el espesor (t) , y el radio (R) de un conducto cilindrico respaldado al vacío y la velocidad de propagación efectiva (aef) para la compresión dimensional puede estar dada por la siguiente expresión:
La regla de mezclado establece esencialmente que la compresibilidad de una mezcla (l/(pa2)) es el promedio ponderado volumétricamente de las compresibilidades de los componentes. Para las mezclas 102 de gas/líquido a las presiones y temperaturas típicas de la industria del papel y la pulpa, la compresibilidad de la fase gas es órdenes de magnitud mayor que la de la fase líquida. Por lo tanto, la compresibilidad de la fase gaseosa y la densidad de la fase líquida determinan principalmente la velocidad del sonido de la mezcla, y como tal, es necesario tener un buen estimado de la presión de proceso para interpretar la velocidad del sonido de la mezcla en términos de la fracción volumétrica del gas arrastrado. El efecto de la presión de proceso sobre la relación entre la velocidad del sonido y la fracción de volumen de aire arrastrado se muestra en la Fig. 10. Algunas o todas las funciones dentro de la unidad 114 de procesamiento pueden ser implementadas en programas (usando un microprocesador o computadoras) y/o un soporte lógico inalterable, o se pueden implementar usando componentes físicos analógicos y/o digitales, que tengan la memoria suficiente, interfaces, y la capacidad para llevara a cabo las funciones descritas aquí. Como se muestra en la Fig. 4, el aparato 100 de medición incluye un dispositivo 112 de detección que comprende un arreglo de unidades, 124-130, detectoras ultrasónicas. Cada unidad, 124-1340, detectora comprende un par de detectores, 131, 132 ultrasónicos, uno de los cuales funciona como un transmisor (Tx) 131 y el otro como un receptor (Rx) 132. Las unidades, 124-130, detectoras se separan axialmente a lo largo de la superficie 134 externa del tubo 104 que tienen un flujo 102 de proceso propagándose dentro de la misma. El par de detectores, 131, 132, se disponen diametricamente en el tubo 104 en ubicaciones predeterminadas a lo largo del tubo 104, para proporcionar una configuración de transmisión de un lado al otro, de manera tal que los detectores, 131, 132, transmitan y reciban señales ultrasónicas que se propagan a través del fluido 102 substancialmente ortogonales a la dirección del flujo del fluido 102 dentro del tubo 104. La porción de medición ultrasónica de la presente invención es similar a aquella mostrada en la Solicitud Provisional de Patente Norteamericana No. 10/756,977 (Registro del Abogado No. CC-0700) presentada el 13 de enero del 2004, la cual se incorpora aquí como referencia. Como se muestra en la Fig. 1, cada par de detectores, 131, 132, ultrasónicos mide un tiempo de transito (es decir, el tiempo de viaje (TOF) , o la modulación de fase) de una señal ultrasónica que se propaga a través del fluido 102 desde el detector 131 de transmisión al detector 132 de recepción. La medición o la variación del tiempo de transito es indicativa de las propiedades coherentes que se propagan por convección con el flujo 102 dentro del tubo 104 (por ejemplo, las perturbaciones vorticales, las irregularidades dentro del flujo 104, las variaciones de temperatura, las burbujas, las partículas, las perturbaciones de presión) , las cuales son indicativas de la velocidad del flujo 102 de proceso. Los detectores, 124-130, ultrasónicos pueden operar a cualquier frecuencia, sin embargo, se ha encontrado que los detectores de frecuencias más altas son más adecuados para los fluidos de una fase en tanto que los detectores de frecuencias más bajas son más adecuados para fluidos de fases múltiples. La frecuencia óptima de los detectores, 124-130, ultrasónicos depende del tamaño o el tipo de las partículas o la sustancia que se propaga con el flujo 102. Por ejemplo, mientras más grandes sean las burbujas en un fluido aireado, menor será la frecuencia de la señal ultrasónica. Los ejemplos de frecuencias usadas para un medidor de flujo que incorpora la presente invención son 1 MHz y 5 MHz. Los detectores, 124-130, ultrasónicos también pueden proporcionar una señal de impulsos, chirridos, o continua a través del flujo 102 del fluido. Un ejemplo de los detectores, 131, 132, que pueden ser usados son del Modelo no. 113-241-591, fabricados por Krautkramer . Un procesador 162 de señales ultrasónicas dispara los detectores 131 en respuesta a una señal de disparo del transmisor 114 y recibe las señales ultrasónicas de salida S,(t)-SN(t) desde los detectores 132. El procesador 162 de señales ultrasónicas procesa los datos desde cada una de las unidades, 124-130, detectoras para proporcionar una señal
T, (t) - TN(t) de salida, analógica o digital indicativa del tiempo de viaje o el tiempo de tránsito de la señal ultrasónica a través del fluido 102. El procesador 162 de señales ultrasónicas proporciona una señal de salida indicativa de la amplitud (o la atenuación) de las señales ultrasónicas. Uno de tales procesadores de señales es el modelo no. USPC 2100 fabricado por Krautkramer Ultrasonic Systems. Medir la amplitud de la señal ultrasónica es particularmente útil y funciona mejor para medir la velocidad de un fluido 102 que incluye una sustancia en el flujo 102 (por ejemplo, un fluido o suspensión de fases múltiples) . Las señales ( T, (t) -TN(t) ) de salida del procesador 102 de señales ultrasónicas se proporcionan al procesador 114, el cual procesa el tiempo de transito o los datos de medición de modulación para determinar la caudal volumétrico. Las mediciones de tiempo de transito o de tiempo de viaje se definen por el tiempo que le toma a una señal ultrasónica propagarse desde el detector 131 de transmisión al detector
132 de recepción respectivo, a través de la pared del tubo 104 y el fluido 102. El efecto de las perturbaciones vorticales
(y/o otras irregularidades dentro del fluido 102) sobre este tiempo de transito de la señal ultrasónica es retardar o acelerar el tiempo de transito. Por lo tanto, cada unidad, 124-130, detectora proporciona una señal T,(t)-TN(t) de salida respectiva indicativa de las variaciones en el tiempo de transito de las señales ultrasónicas que se propagan ortogonalmente a la dirección del fluido 102. Las mediciones se derivan interpretando la propiedad y/o la característica de convección coherente dentro de la tubería 104 de proceso, usando al menos dos unidades, 124, 126, detectores. Los detectores, 124-126, ultrasónicas pueden ser "empapadas" o aseguradas sobre la superficie 134 externa del tubo 104 (por ejemplo, detectores de contacto o sin contacto) . En un ejemplo, el medidor 100 de flujo mide la caudal volumétrico determinando la velocidad de las perturbaciones vorticales o "remolinos" 164 (véase la Fig. 5) que se propagan con el flujo 102 usando el arreglo de detectores, 124-130, ultrasónicos. El medidor 100 de flujo mide las velocidades asociadas con los campos de flujo inestables creados por las perturbaciones vorticales o "remolinos" 164, en y otras irregularidades, para determinar la velocidad del flujo 102. Las unidades, 124-130, detectoras ultrasónicas miden el tiempo T,(t) -TN(t) de transmisión de las señales ultrasónicas respectivas entre cada par respectivo de detectores, 131, 132, el cual varía debido a las perturbaciones vorticales cuando estas perturbaciones se transportan por convección dentro del flujo 102 a través del tubo 104 en una manera conocida. Por lo tanto, la velocidad de estas perturbaciones vorticales se relaciona con la velocidad del flujo 102 y por lo tanto se puede determinar la velocidad de flujo volumétrico, como se describirá con más detalle a continuación. El flujo volumétrico se determina multiplicando la velocidad del fluido 102 por el área transversal del tubo 104. La Lógica 166 de Flujo de la unidad 112 de procesamiento procesa las señales ultrasónicas como se muestra en la Fig. 11. La lógica 166 de Flujo recibe las señales ultrasónicas desde el arreglo de detectores, 124-130. Una unidad 168 de adquisición de datos (por ejemplo, un convertidor A/D) convierte las señales analógicas a las señales digitales respectivas. Las señales digitalizadas se proporcionan a una lógica 170 de Transformada Rápida de Fourier (FFT) . La lógica 170 de FFT calcula la transformada de Fourier de las señales T,(t)-TN(t) de entrada digitalizadas basadas en el tiempo y proporciona señales Tx (?) , T2(?), T3(?), TN(?) de dominio de frecuencia compleja (o basadas en la frecuencia) , indicativas del contenido de frecuencias de las señales de entrada. En lugar de las FFT, se puede usar cualquier otra técnica para obtener las características del dominio de frecuencia de las señales T,(t)-TN(t) . Por ejemplo, la densidad espectral cruzada se puede usar para formar funciones de transferencia del dominio de frecuencias (o la respuesta o relaciones de frecuencias) discutidas a continuación.
Una técnica para determinar la velocidad de convección de los remolinos 164 turbulentos dentro del flujo 102 de proceso (véase la Fig. 5) involucra caracterizar una cresta de convección de las presiones inestables resultantes, usando un arreglo de detectores u otras técnicas de formación de haces, similar a aquella descrita en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie (No. de Registro de Cidra: CC-0122A) y la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie 09/729,994 (No. de Registro de Cidra: CC-0297), presentada el 4 de diciembre del 2000, ahora US 6,609,069, la cual se incorpora aquí como referencia. Un acumulador 172 de datos acumula las señales T,(?) -TN(co) durante un intervalo de muestreo, y proporciona los datos a un procesador 174 del arreglo, el cual lleva a cabo una transformación espacial -temporal (bidimensional) de los datos del detector, del dominio x(t) al dominio k-?, y después calcula la potencia en el plano k-?, como se representa por la gráfica de k-?. El procesador 174 de arreglo usa los algoritmos llamados formación de haces, procesamiento de arreglos, o procesamiento de arreglos adaptativo, es decir, algoritmos para procesar las señales de los detectores usando varios retardos y ponderaciones para crear relaciones de fase adecuadas entre las señales proporcionadas por los diferentes detectores, creando por ello una funcional de arreglo de antenas. En otras palabras, los algoritmos de formación de haces o procesamiento de arreglos transforman las señales del dominio del tiempo del arreglo de detectores en sus componentes de frecuencia espacial y temporal, es decir, en un conjunto de números de ondas dados por k=2p/?, donde ? es la longitud de onda de un componente espectral, y las frecuencias angulares correspondientes dadas por ?=2pv. La técnica previa enseña muchos algoritmos para usarse al descomponer espacialmente y temporalmente una señal de un arreglo en fase de detectores, y la presente invención no se restringe a algún algoritmo particular. Un algoritmo de procesamiento de arreglos adaptativos es el método/algoritmo de Capón. Aunque el método de Capón se describe como un método, la presente invención contempla el uso de otros algoritmos de procesamiento de arreglos adaptativos, tal como el algoritmo MUSIC. La presente invención reconoce que tales técnicas pueden ser usadas para determinar la caudal, es decir, que la señales provocadas por un parámetro estocástico que se transporta por convección con un flujo son estacionarios en el tiempo y tienen una longitud coherente por el tiempo suficiente a tal grado que es práctico ubicar las unidades detectoras separadas entre si y aun así estar dentro de la longitud coherente. Las características o los parámetros conectivos tienen una relación de dispersión que puede ser aproximada por la ecuación de la línea recta, k=?/u donde u es la velocidad de convección (caudal) . Una gráfica de pares k-? obtenida de un análisis espectral de muestras de los detectores asociados con los parámetros de convección descritos de manera que la energía de las perturbaciones correspondientes espectralmente a apareamientos que podrían ser descritos como una cresta substancialmente recta, una cresta que en la teoría de la capa límite turbulenta se llama una cresta de convección. Lo que se detecta no son eventos discretos de remolinos 164 turbulentos, sino más bien un continuo de eventos posiblemente traslapados que forman un proceso estacionario temporalmente, esencialmente blanco a través del rango de frecuencias de interés. En otras palabras, los remolinos 164 de convección se distribuyen a través de un rango de escalas de longitud y por lo tanto de frecuencias temporales. Para calcular la potencia en el plano k-?, como se representa por una gráfica de k-? (véase la Fig. 12) de, cualquiera de las señales, el procesador 174 del arreglo determina la longitud de onda y de esta manera el número de ondas (espacial) k, y también la frecuencia (temporal) y así la frecuencia angular ?, de varios de los componentes espectrales del parámetro estocástico. Existen varios algoritmos disponibles en el dominio público para llevar a cabo la descomposición espacial/temporal de los arreglos de las unidades, 124-130, detectoras. La presente invención puede usar filtrado temporal y espacial para pre-acondicionar las señales para filtrar efectivamente las características de modo común Pm?do común y otras características de longitud de onda larga (en comparación con la separación de los detectores) en el tubo 104 diferenciando los detectores adyacentes y reteniendo una porción substancial del parámetros estocástico asociado con el campo de flujo y otros parámetros estocásticos de baja frecuencia de longitud de onda corta (en comparación con la separación de los detectores) . En el caso de los remolinos 164 turbulentos adecuados (véase la Fig. 5) que se presentan, la potencia en el plano k-? mostrado en una gráfica de k-? de la Fig. 12 muestra una cresta 176 de convección. La cresta de convección representa la concentración de un parámetro estocástico que se transporta por convección con el flujo 102 y es una manifestación matemática de la relación entre las variaciones espaciales y las variaciones temporales descritas arriba. Tal gráfica indicará una tendencia para los pares k-? de aparecer más o menos a lo largo de una línea 176 con alguna pendiente, la pendiente que indica la caudal. Una vez que se determina la potencia en el plano k-?, un identificador 178 de crestas de convección usa uno u otro método de extracción de características para determinar la ubicación y la orientación (pendiente) de cualquier cresta 176 de convección presente en el plano k-?. En una modalidad se usa un así llamado método de apilamiento en declive, un método en el cual se comparan las frecuencia acumuladas de pares k-? en la gráfica de k-? a lo largo de diferentes rayos que emanan desde el origen, cada rayo diferente que se asocia con una velocidad de convección de prueba diferente (porque se asume que la pendiente de un rayo es la caudal o se correlaciona con la caudal en una manera conocida) . El identificador 178 de crestas de convección proporciona información sobre las velocidades de convección de prueba, información denominada de manera general como información de crestas de convección. Un analizador 180 examina la información de las crestas de convección que incluye la orientación (pendiente) de las crestas de convección. Asumiendo que la relación de dispersión de la línea recta está dada por k=?/u, el analizador 180 determina la velocidad del flujo, el número de Mach y/o el flujo volumétrico. El flujo volumétrico puede ser determinado al multiplicar el área transversal del interior del tubo 104 con la velocidad del flujo 102 de proceso. El corte de agua del flujo 102 de proceso puede ser determinado usando la salida de al menos uno de los detectores, 124-130, del medidor 108 de flujo ultrasónico. Aunque un detector, 124,130, ultrasónico del medidor 108 de flujo ultrasónico se usa para determinar el corte de agua del flujo 102, se contempla que también se puede usar un detector ultrasónico separado para determinar el corte de agua. Un detector separado para medir el corte de agua permitiría que el detector transmita una señal ultrasónica a frecuencias diferentes para asegurar que el detector ultrasónico para el corte de agua se opere a una frecuencia mayor que la frecuencia de resonancia de las burbujas. La Lógica de SOS del Líquido convierte el tiempo de transito medido de la señal ultrasónica a una señal indicativa de la velocidad del sonido del componente líquido de la mezcla 102. La frecuencia de la señal ultrasónica que se propaga a través del flujo 102 del fluido es mayor que la frecuencia de resonancia de las burbujas de manera tal que el gas arrastrado no afecta la señal ultrasónica. Conociendo la SOS de la porción líquida del flujo 102 del fluido, se puede determinar el corte de agua del flujo 102 del fluido. El corte de agua es una función de la SOS del componente líquido de la mezcla 102, la SOS del petróleo, la SOS del agua, la densidad del petróleo, y la densidad del agua. Conociendo la SOS y la densidad del petróleo y el agua, la relación entre el corte de agua del flujo 102 y la SOS del componente líquido de la mezcla 102, se puede determinar el corte de agua. Como se muestra en la Fig. 13, esta relación se ilustra en la gráfica de la SOS del componente líquido de la mezcla 102 versus el corte de agua de la mezcla 102, y por lo tanto, conociendo la SOS del componente líquido de la mezcla 102, se puede determinar el corte de agua. El corte de agua se define como: en donde fw es la fracción de fase del componente acuoso del flujo del fluido, y f0 es la fracción de fase del componente petrolífero del flujo del fluido. Además, la fracción de fase del flujo del fluido se puede caracterizar como: 1 = f„+ f0 + fg en donde fw es la fracción de fase del componente acuoso del flujo del fluido, fQ es la fracción de fase del componente petrolífero del flujo del fluido, y fg es la fracción de fase del componente gaseoso del flujo del fluido.
La presente invención mide el corte de agua (Wc) y la
GVF (fg) , como se describe a continuación. El procesador 114 usando las relaciones (fórmulas) anteriores puede determinar las fracciones de fase del agua (fw) y el petróleo (f0) (es decir, la composición del flujo 102 del fluido) . El procesador 114 puede entonces (conociendo la fracción de fase de cada componente del fluido) determinar la caudal volumétrico de cada componente usando la siguiente fórmula: QP= (U)(A) En donde Qp es la caudal volumétrico de la fase (componente) , fp es la fracción de fase de la fase; y U es la velocidad del flujo del fluido, y A es el área transversal del tubo . Aunque se muestra y se describe el medidor 100 de flujo basado en sonar que usa un arreglo de detectores, 124-130, para medir la velocidad del sonido de las ondas 90 acústicas que se propagan a través de la mezcla, se apreciará que se puede usar cualquier medio para medir la velocidad del sonido de las ondas 90 acústicas, para determinar la fracción de volumen del gas arrastrado de la mezcla/fluido 102 u otra característica del flujo 102 descrita a continuación. Aunque cada una de las unidades 124-130 ultrasónicas de la Fig. 1 comprende un par de detectores (transmisor y receptor), 131, 132, ultrasónicos opuestos diametralmente para proporcionar la transmisión de un lado a otro, la presente invención contempla que uno de los detectores ultrasónicos,
131, 132, de cada unidad, 124-130, detectora puede ser ajustado axialmente de manera tal que la señal ultrasónica del detector 131 transmisor tenga un componente axial en su dirección de propagación. La presente invención también contempla que las unidades 124-130, detectoras del dispositivo 112 de detección pueden ser configuradas en una configuración de impulsos/ecos. En esta modalidad, cada unidad, 124-130, de detección comprende un detector ultrasónico que transmita una señal ultrasónica a través de la pared del tubo 104 y el fluido 102 de manera substancialmente ortogonal a la dirección del lujo y reciba una reflexión de la señal ultrasónica reflejada de regreso desde la pared 104 del tubo al detector ultrasónico. Además, el dispositivo 112 de detección puede ser configurado para funcionar en una configuración de paso y retén. En esta modalidad, cada unidad, 124-130, detectora comprende un par de detectores (transmisor, receptor), 131,
132, ultrasónicos, dispuestos axialmente a lo largo del tubo para ser dispuestos en el mismo lado del tubo 104, a una separación predeterminada. Cada detector 131 transmisor proporciona una señal ultrasónica a un ángulo predeterminado dentro del flujo 102. La señal ultrasónica se propaga a través del fluido 102 y rebota en la superficie interna de tubo 105 y refleja la señal ultrasónica de regreso a través del flujo 102 a detector 132 receptor respectivo. Como se muestra en la Fig. 1, aunque la porción del detector ultrasónico comprende un arreglo de unidades, 124-130, detectoras ultrasónicas (véase la Fig. 5), la presente invención contempla que se pueda usar cualquier medidor o porción de detección 108 de flujo ultrasónico. El medidor 108 de flujo ultrasónico puede ser cualquier medidor en alguna de las tres clases de medidores de flujo que utilizan transductores ultrasónicos, las cuales incluyen medidores de flujo ultrasónico de tiempo de transito (TTUF) , medidores de flujo ultrasónico doppler (DUF) y medidores de flujo ultrasónico de correlación cruzada (CCUF) . La porción del detector ultrasónico puede ser cualquier medidor 108 de flujo ultrasónico conocida, tal como la Patente Norteamericana No. 2,874,568; la Patente Norteamericana No. 4,004,461; la Patente Norteamericana No. 6,532,827; la Patente Norteamericana No. 4,195,517; la Patente Norteamericana No. 5,856,622; y la Patente Norteamericana No. 6,397,683, las cuales se incorporan aquí como referencia. El medidor 108 de flujo basado en arreglos es similar a aquel descrito en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10/007,749, presentada el 7 de noviembre del 2001 (Registro del Abogado No. CC-066B) , la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10/007,736, presentada el 8 de noviembre del 2001 (Registro del Abogado No. CC-0122A) , la Patente Norteamericana No. 6,587,798, presentada el 28 de noviembre del 2001 (Registro del Abogado No. CC-0295) . La Solicitud Provisional de Patente con Número de Serie: 60/359,785, presentada el 26 de febrero del 2002 (Registro del Abogado No. CC-0403), la Solicitud Provisional de Patente con Número de Serie: 60/425,436, presentada el 12 de noviembre del 2002 (Registro del Abogado No. CC-0538) , la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 09/729,994, presentada el 4 de diciembre del 2000 (Registro del Abogado No. 297), y la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10,875,857 (Registro del Abogado No. CC-0749) presentada el 24 de junio del 2004, las cuales todas se incorporan aquí como referencia. Aunque se muestra un procesador 114 del arreglo para recibir y procesar las señales de entrada de los detectores, 116-122, de presión y los detectores, 124-130, ultrasónicos, la presente invención contempla que un procesador del arreglo se puede dedicar a cada uno de los arreglos de detectores, 116-122, de presión y el arreglo de detectores, 124-130, ultrasónicos. Además, aunque las unidades, 142, 168, de adquisición de datos, la lógica, 144, 170, de FFT, los acumuladores, 146, 172, de datos, los procesadores, 148, 174 de los arreglos y los identificadores, 154, 178 de crestas, se muestran como elementos separados o elementos lógicos/rutinas de programación separadas, se apreciará que cada uno de estos elementos puede ser común y puede procesar los datos asociados tanto con las señales de presión asociadas con la velocidad del sonido y las presiones que se transportan por convección con el flujo 102 del proceso. La Fig. 14 ilustra un diagrama de bloques de un aparato 200 de medición de flujos similar al aparato de la Fig. 1 que incluye un dispositivo (cabeza del detector) 112 de detección montado en un tubo 104 y una unidad de procesamiento o procesador (transmisor) 114 del arreglo. El aparato funciona como un medidor 106 de GVF, un medidor 108 de flujo, y un medidor 110 del corte de agua. En esta modalidad, la cabeza 112 del detector para el medidor 106 de GVF funciona como la cabeza 112 del detector tanto para el medidor 106 de GVF y el medidor 108 de flujo de la Fig. 1. El procesamiento de todos los datos es similar a aquel descrito a continuación. Los números de referencia similares constituyen los mismos elementos y funcionan de la misma manera que aquellos descritos antes. Refiriéndonos a la Fig. 15, la cabeza 112 del detector incluye un arreglo de detectores, 116-122, basados en esfuerzos o de presión. Las señales proporcionadas por los detectores, 116-122, de presión se procesan para determinar la fracción de volumen de gas (o el vacío) del flujo 102, la velocidad del flujo 102, la caudal volumétrico y la velocidad del sonido de la mezcla (es decir, el flujo) 102. la combinación de medidor de GVF/flujo, de acuerdo con la presente invención, pude determinar la velocidad a la cual se propaga el sonido (es decir, las ondas 90 acústicas en la Fig. 5) a través del flujo 102 del fluido dentro del tubo 104 para medir la velocidad del sonido de la mezcla 102 y la fracción vacía del gas (o el volumen) del flujo 102. El medidor de GVF también puede determinar la velocidad a la cual se propagan las perturbaciones de presión (por ejemplo, las perturbaciones vorticales) a través del tubo 104 para determinar la velocidad del flujo 102 del fluido. Las perturbaciones de presión pueden estar en forma de perturbaciones 164 vorticales (por ejemplo, remolinos turbulentos, Fig. 5) u otras perturbaciones de presión que se transportan (o se propagan) por convección con el flujo 102. Como se sugiere y se describe adicionalmente con mayor detalle a continuación, el aparato 200 tiene la habilidad para medir la velocidad del sonido (SOS) y el caudal (o la velocidad) usando una o ambas técnicas de las siguientes técnicas que utilizan el mismo arreglo de detectores, 116-122, de presión descritas aquí a continuación. 1) Determinando la velocidad del sonido de las perturbaciones acústicas o las ondas de sonido que se propagan a través del flujo 102 usando el arreglo de detectores, 116-122, de presión, y/o 2) Determinando la velocidad de las perturbaciones de presión (por ejemplo, los remolinos 164 vorticales) que se propagan a través del flujo 102 usando el arreglo de detectores, 116-122, de presión. Estas técnicas son similares a las que se enseñan y se describen más arriba con referencia a las Figs. 8 y 11, respectivamente. También, el procesamiento relativo a la medición 110 del corte de agua es similar a aquel descrito aquí más arriba. Una persona experimentada en la técnica apreciaría que el medidor 110 de cortes de agua también puede ser usado como un medidor individual para permitir que un usuario mida el corte de agua de un flujo 102 de fluido de fases múltiples que tanga aire arrastrado. Los detectores, 116-122, de presión y los detectores, 124-130 ultrasónicos mostrados en al aparato, 100, 200, en las FIGs. 4 y 5, respectivamente, pueden ser detectores de sujeción con tenaza, no empapados. Estos detectores de sujeción con tenaza permiten que el aparato, 100, 200, sea adaptado o modificado en los tubos 104 sin tener que parar el sistema. El aparato, 100, 200, tampoco interferiría con el flujo 102 del fluido ni crearía alguna contrapresión del flujo 102 del fluido. Otra ventaja de los detectores no empapados, sujetados con tenaza es que la corrosión o las incrustaciones no interfieren con los detectores. En una modalidad, como se muestra en las FIGs. 4 y 15, cada uno de los detectores, 116-122, de presión pueden incluir una película piezoeléctrica unida a una correa de bandas múltiples, unitaria, para medir las presiones inestables del flujo 102 usando cualquier técnica descrita más arriba. Los detectores, 116-122, de película piezoeléctrica pueden ser montados en un substrato unitario o red, la cual puede ser montada o asegurada sobre la superficie 132 externa del tubo 104, lo cual se describirá con más detalle a continuación. Los detectores, 116-122, de película piezoeléctrica pueden incluir un material o película piezoeléctrica para generar una señal eléctrica proporcional al grado en que el material se deforma o tensa mecánicamente. El elemento de detección piezoeléctrico típicamente se conforma para permitir la medición circunferencial completa o casi completa de los esfuerzos inducidos, para proporcionar una señal de presión promediada en la circunferencia. Los detectores, 116-122, se pueden formar de películas de PVDF, películas co-poliméricas, o detectores de PZT flexibles, similares a aquellos descritos en "Piezo Film Sensors Technical Manual" proporcionado por Measurement Specialties, Inc., el cual se incorpora aquí como referencia. Un detector de película piezoeléctrica que puede ser usado por la presente invención tiene el número de parte 1-1002405-0, LDT4-028K, fabricado por Measurement Specialties, Inc. Aunque el material piezoeléctrico proporciona substancialmente la longitud de la banda, y por lo tanto la circunferencia del tubo 104, la presente invención contempla que el material de película piezoeléctrica puede ser dispuesto a lo largo de una porción de la banda de cualquier longitud menor que la circunferencia del tubo 104. La película piezoeléctrica ( "piezopelícula" ) , similar al material piezoeléctrico, es un material dinámico que desarrolla una carga eléctrica proporcional a una carga en la tensión mecánica. En consecuencia, el material piezoeléctrico mide los esfuerzos inducidos dentro del tubo 04 debidos a las variaciones de presión inestables o estocásticas (por ejemplo, vorticales y/o acústicos) entro del flujo 102 de proceso. Los esfuerzos dentro del tubo 104 provocan la transducción a un voltaje o corriente de salida o por el detector, 116-122, piezoeléctrico adherido. El material o la película piezoeléctrica pueden ser formados de un polímero, tal como un fluoropolímero polarizado, fluoruro de polivinilo (PVDF) . Los detectores de película piezoeléctrica son similares a aquellos descritos en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10/712,818 (Registro CiDRA No. CC-0675) , presentada el 12 de noviembre del 2003 y la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10/795,111 (Registro CiDRA No. CC-0731) , presentada el 4 de marzo del 2004, las cuales se incorporan aquí como referencia. Las ventajas de esta técnica de sujeción con tenaza que usa película piezoeléctrica incluyen mediciones de caudal no intrusivas, de bajo costo y técnicas de medición que no requieren una fuente de excitación. Se debería apreciar que el o los detectores, 116-122, pueden ser instalados o montados en el tubo 104 como detectores, 116-122, individuales o todos los detectores, 116-122, pueden ser montados como unidades unitarias como se muestra en las FIGs. 4 y 15. Los detectores de presión 116-122 de la Fig. 4 descritos aquí pueden ser cualquier tipo de detectores capaces de medir las presiones inestables (o ac o dinámicos) o los parámetros que se transportan por convección con el flujo 102 dentro del tubo 104, tales como piezoeléctricos, ópticos, capacitivos, resistivos (por ejemplo, puente de Wheatstone) , acelerómetros (o geófonos) , dispositivos de medición de velocidad, dispositivo de medición de desplazamiento, dispositivos ultrasónicos, etc. Si se usan los detectores de presión ópticos, los detectores, 116-112 pueden ser detectores de presión basados en Rejillas de Bragg, tales como aquellos descritos en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 08/925,598, titulada "High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments" , presentada el 8 de sept . de 1997, ahora la Patente Norteamericana 6,016,702, y en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 10/224,821, titulada "Non-Intrusive Fiber Optic Pressure Sensor for Measuring Unsteady Pressures within a Pipe", las cuales se incorporan aquí como referencia. En una modalidad de la presente invención que utiliza fibras ópticas como los detectores, 116-122, de presión, los detectores, 116-122, de presión pueden ser conectados individualmente o pueden ser multiplexados a lo largo de una o más fibras ópticas usando multiplexión por división de longitud de onda (WDM) , multiplexión por división de tiempo (TDM) , o cualquier otra técnica de multiplexión óptica. En ciertas modalidades de la presente invención, un transductor piezoeléctrico de presión puede ser usado como uno o más de los detectores, 116-122, de presión y este puede medir las variaciones de presión inestables (o dinámicas o ac) dentro del tubo 104, midiendo los niveles de presión dentro del 104. Estos detectores, 116-122, pueden ser colocados dentro del tubo 104 para hacer contacto directo con el flujo 102 de proceso. En una modalidad de la presente invención, los detectores, 116-122, comprenden detectores de presión fabricados por PCB Piezotronics . En un detector de presión hay detectores del modo-tipo piezoeléctrico de circuito integrado que presentan amplificadores microelectrónicas integrados, y convierten la carga de alta impedancia en una salida de voltaje de baja impedancia. Específicamente se usa un Modelo 106B fabricado por PCB Piezotronics, el cual es un detector de presión de cuarzo piezoeléctrico, de circuito integrado, de compensación de aceleración, de alta sensibilidad adecuado para medir los fenómenos acústicos de baja presión en sistemas hidráulicos y neumáticos. También dentro del ámbito de la presente invención está que se puede usar cualquier técnica de detección de esfuerzos para medir las variaciones en los esfuerzos en el tubo 104, tales como medidores de esfuerzos, piezo-resistivos unidos al tubo 104. Otros medidores de esfuerzos incluyen medidores de lamina resistiva que tienen una configuración de pista de carreras similar a aquella descrita en la Solicitud de Patente Norteamericana con Número de Serie: 09/344,094, presentada el 25 de junio de 1999, ahora US 6,354,147, la cual se incorpora aquí como referencia. La invención también contempla medidores de esfuerzos que se disponen alrededor de una porción predeterminada de la circunferencia del tubo 104. La ubicación axial de y la distancia de la separación ?Xi, ?X2 entre los detectores, 116-122 de esfuerzos se determinan como se describe aquí arriba. La información/mediciones proporcionadas por la presente invención pueden ser usadas para monitorear las características del flujo que fluye con el tubo, para controlar un proceso, y para diagnosticar problemas en el proceso. El usuario también recupera los datos almacenados en el procesador vía un dispositivo/puertos de entrada/salida. También figura en el ámbito de la presente invención que se pueda usar cualquier otra técnica de detección de esfuerzos para medir las variaciones en los esfuerzos en el tubo 104, tales como medidores de esfuerzos piezoeléctricos, electrónicos o eléctricos, altamente sensibles unidos a o incorporados en el tubo 104. Aunque la descripción ha descrito el aparato, 100, 200, como un medidor unitario que mide la GVF, el Flujo y el corte de agua, cada función puede ser separada en medidores individuales para medir la GVF, el flujo y el corte de agua. Aunque las modalidades de la presente invención incluyen detectores o dispositivos de sujeción con tenaza, se apreciará que los detectores o dispositivos pueden ser portados o empapados para estar en contacto con el flujo 102 del fluido.
La presente invención contempla además que un dispositivo de mezclado de fluidos, similar a aquel conocido en la técnica, pueda ser dispuesto antes de (o corriente arriba del flujo) los detectores, para proporcionar un fluido bien mezclado. Un fluido bien mezclado asegura un retardo mínimo o nulo entre la fase líquida y la fase gaseosa. El retardo se define como una diferencia de la velocidad entre la fase líquida y la fase gaseosa del flujo 102 del fluido. Las dimensiones y/o las geometrías para cualquiera de las modalidades descritas aquí son solamente para propósitos ilustrativos y, en si, se pueden usar otras dimensiones y/o geometrías si se desea, dependiendo de los requerimientos de aplicación, tamaño, eficiencia, fabricación u otros factores, en vista de las enseñanzas de aquí. Se debe entender que, a menos que se establezca de otra manera aquí, cualquiera de los rasgos, características, alternativas o modificaciones descritos con relación a una modalidad particular de aquí, también pueden ser aplicados, usados o incorporados con cualquier otra modalidad descrita aquí. También, los dibujos de aquí no están dibujados a escala. Aunque la invención ha sido descrita e ilustrada con respecto a las modalidades ejemplificantes de la misma, lo anterior y las varias otras adiciones y omisiones pueden ser hechos a estas sin apartarse del espíritu y el ámbito de la presente invención.