MXPA06010324A

MXPA06010324A - Metodo y aparato para medir parametros de un flujo estratificado

Info

Publication number: MXPA06010324A
Application number: MXPA/A/2006/010324A
Authority: MX
Inventors: L Gysling Daniel; R Fernald Mark; J Bailey Timothy; Viega John
Original assignee: J Bailey Timothy; Cidra Corporation; R Fernald Mark; L Gysling Daniel; Viega John
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-04-20

Abstract

Se describen varios métodos para medir parámetros de un flujo estratificado mediante la utilización de al menos un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería. Cada uno de los sensores ofrece una señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherente que están en convección con el flujo. En un aspecto, un procesador de señales determina, a partir de las señales, las velocidades de convención de estructuras coherentes que tienen diferentes escalas de longitudes. El procesador de señales compara entonces las velocidades de convección para determinar un nivel de estratificación del flujo. El nivel de estratificación puede ser utilizado como parte de un procedimiento de calibración para determinar el régimen de flujo volumétrico del flujo. En otro aspecto, el nivel de estratificación del flujo es determinado comparando las velocidades medidas localmente en la parte superior y en la parte inferior de la tubería. La relación entre las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería se correlaciona con el nivel de estratificación del flujo. Conjuntos de sensores adicionales pueden ofrecer un perfil de velocidad del flujo. En otro aspecto, cada uno de los sensores en el conjunto incluye un par de semiporciones de sensor colocadas en superficies laterales opuestas de la tubería, y el procesador de señales determina una velocidad nominal del flujo dentro de la tubería utilizando las señales.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA MEDIR PAR METROS DE UN FLUJO ESTRATIFICADO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS La presente solicitud reclama el beneficio de la Solicitud de Patente Norteamericana Provisional No. 60/522,164, (CiDRA No. de Referencia CC-0732) presentada el 10 de marzo de 2004, que se incorpora aquí por referencia en su totalidad. CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere a un método y aparato para medir parámetros tales como velocidad, nivel de estratificación, y caudal de flujo volumétrico de un flujo estratificado dentro una tubería. ANTECEDENTES Muchos procesos de flujo de fluido industriales involucran el transporte de una fracción de masa alta de materiales sólidos de alta densidad a través de una tubería. Por ejemplo, un proceso conocido como hidrotransporte se emplea en las industrias para desplazar sólidos de un punto a otro. En este proceso, se agrega agua a los sólidos y la mezcla resultante es bombeada a través de tuberías de diámetros típicamente grandes . La operación de una línea de hidrotransporte incluye típicamente algún grado de estratificación, en donde la velocidad de flujo cerca del fondo de la tubería es inferior a la velocidad de flujo cerca de la parte superior de la tubería. El nivel de estratificación en este flujo (es decir, el grado de sesgo en el perfil de velocidad desde la parte superior de la tubería hasta el fondo de la tubería) depende de varios parámetros de materiales y proceso, tales como por ejemplo caudal de flujo, densidad, tamaño de tubería, tamaño de partícula, y similares. Si el nivel de estratificación se extiende hasta el punto en el cual se alcanza la velocidad de depósito, los sólidos empiezan a asentarse en el fondo de la tubería y si la condición no es detectada y persiste, puede ocurrir un taponamiento completo de la tubería lo que resulta en costos elevados asociados con la detención el proceso, limpieza del taponamiento, y reparación del equipo dañado. Para reducir la posibilidad de formación de taponamiento costoso, la práctica actual es operar la línea de ductos a una velocidad de flujo significativamente superior a la velocidad de depósito crítica. Sin embargo, esta técnica tiene dos inconvenientes importantes debido a la operación a velocidades más elevadas: provoca un uso incrementado de energía debido a pérdidas más elevadas por fricción, y puede causar un desgaste mayor de las tuberías debido a la abrasión entre los sólidos y la superficie interna de la tubería. Esta técnica puede también ser indeseable debido a un alto consumo de agua. Un medio confiable para medir los parámetros tales como velocidad, nivel de estratificación y caudal de flujo volumétrico de un flujo estratificado permitiría operar la línea de ducto a una velocidad menor, lo que resultaría en ahorros de energía y un menor desgaste de la tubería. Existen varias tecnologías para medir los parámetros físicos de un proceso de flujo industrial. Tales parámetros físicos pueden incluir, por ejemplo, caudal de flujo volumétrico, composición, consistencia, densidad, y caudal de flujo de masa. Mientras las tecnologías existentes pueden ser adecuadas para flujos agresivos de gran diámetro, estas tecnologías pueden no ser adecuadas para los flujos estratificados que pueden afectar negativamente la exactitud de la medición de los parámetros físicos del flujo. Varias técnicas no comerciales para determinar el inicio de depósito de sólidos en líneas de ductos de pasta se describen en la literatura reciente. Por ejemplo, una técnica emplea un medidor de flujo ultrasónico sujetado comercial, en modo Doppler, con transmisiones codificadas y detección por correlación cruzada. El punto de detección para el medidor se ajusta a un cierto nivel de tubería, como por ejemplo, 10% arriba del invertido de tubería (es decir, el fondo de la tubería en el caso de tuberías horizontales) . La correlación cruzada de una señal de retorno ultrasónica de compuerta de tiempo permite la detección de señales reflejadas solamente a partir del punto establecido. Una disminución de la coherencia entre las señales transmitidas y las señales recibidas indica condiciones de flujo irregulares debido al depósito de sólidos. Otra técnica no comercial existente mide la resistividad eléctrica aparente de la pasta cerca del invertido de tubería, con un cambio de resistividad indicando la formación de una cama de sólidos. Esta técnica no fue considerada muy exitosa debido a una repetibilidad insatisfactoria y a otros problemas . Otra técnica no comercial utiliza el auto-calentamiento de sondas térmicas montadas en la pasta. Una pasta en movimiento remueve temperatura de las sondas mientras que una cama de sólidos estacionaria alrededor de la sonda provoca acumulación de calor. Por consiguiente una elevación de la temperatura indica el depósito de sólidos. Mientras esta técnica es prometedora, es una técnica invasiva que requiere de la colocación de sondas térmicas en la tubería. Dichas técnicas invasivas tienen inconvenientes en la medida en que requieren de la suspensión del proceso para permitir la instalación y el mantenimiento de las sondas . Otra técnica incluye la instalación de una tubería corta con un diámetro interno ligeramente mayor, en donde se permite la formación de una cama de sólidos estacionaria y se mantiene como control mientras la línea de ductos principal es operada sin cama de sólidos. La cama de sólidos de control es entonces monitoreada a través de una o varias de las técnicas descritas arriba. Un incremento de la altura de la cama de control indica entonces la probable formación de una cama de deslizamiento en la línea de ductos principal, lo que es un precursor de la formación de una cama estacionaria y de un eventual taponamiento. Cuando la altura de la cama de sólidos de control se eleva más allá de un cierto límite, el caudal de flujo puede ser incrementado para evitar el depósito de sólidos. Así, sigue existiendo la necesidad de un método y aparato para medir parámetros tales como velocidad, nivel de estratificación, y caudal de flujo volumétrico de un flujo estratificado . COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Las necesidades descritas arriba así como otras necesidades se satisfacen a través de un aparato y método de la presente invención, en donde un conjunto espacial de sensores se coloca a diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería. Cada uno de los sensores ofrece una señal indicadora de una presión irregular creada por estructuras coherentes que entran en convección con el flujo. Un procesador de señales determina, a partir de las señales, las velocidades de convección de las estructuras coherentes que tienen escalas de longitudes diferentes. El procesador de señales compara entonces las velocidades de convección para determinar un nivel de estratificación del flujo. En una modalidad, el procesador de señales compara las velocidades de convección mediante la construcción de una gráfica de las velocidades de convección en función de las escalas de longitud y mediante la determinación de la pendiente de una línea de mejor ajuste en al gráfica. La pendiente de la línea indica el nivel de estratificación del flujo. En una modalidad, la pendiente se utiliza como parte de un procedimiento de calibración para determinar el caudal de flujo volumétrico del flujo. Por ejemplo, la calibración puede incluir la determinación de un rango de frecuencias arriba del cual se analiza una cresta convectiva en la determinación de un caudal de flujo volumétrico del flujo. En una modalidad, la construcción de una gráfica de velocidad de convección de las estructuras coherentes en función de la frecuencia incluye: construir a partir de las señales de al menos una porción de una gráfica k-w; identificar una cresta convectiva en la gráfica k-w en un primer rango de frecuencias; determinar una primera pendiente de la cresta convectiva, la primera pendiente indica la velocidad nominal del flujo; identificar varias porciones de la cresta convectiva en varios segundos rangos de frecuencias, cada segundo rango de frecuencias es inferior al primer rango de frecuencia y tiene un punto medio respectivo; determinar una segunda pendiente para cada una de las porciones de la cresta convectiva, cada segunda pendiente indica una velocidad de convección nominal de estructuras coherentes que tienen un rango de escalas de longitudes correspondiente a un segundo rango de frecuencias asociado; normalizar las velocidades de convección nominales de estructuras coherentes empleando la velocidad nominal del flujo para proporcionar velocidades de convección normalizadas; y graficar cada velocidad de convección normalizada en función del punto medio respectivo no dimensionalizado por la velocidad nominal del flujo y el diámetro de la tubería para proporcionar la gráfica. En esta modalidad, el primer rango de frecuencias puede ser ajustado con base en la pendiente. Por ejemplo, una escala de longitud no dimensional que es menos sensible a la estratificación se emplea para determinar el punto medio del primer rango de frecuencias, en donde la escala de longitud no dimensional que es menos sensible a la estratificación se determina mediante la comparación de varias gráficas de dispersión para diferentes niveles de estratificación y mediante la identificación del punto de pivote de las gráficas de dispersión desde una gráfica de dispersión a otra. En otro aspecto de la invención, se contempla un primer conjunto espacial y un segundo conjunto espacial, cada uno teniendo al menos dos sensores colocados en ubicaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería. Cada uno de los sensores en el primer conjunto ofrece una primer señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con una porción del flujo que pasa a través de una porción superior de la tubería y cada uno de los sensores en el segundo conjunto ofrece una segunda señal que indica la presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con una porción del flujo que pasa a través de una porción inferior de la tubería. Una primera velocidad del flujo en la porción superior de la tubería es determinada empleando las primeras señales y una segunda velocidad del flujo en la porción inferior de la tubería es determinada empleando las segundas señales. La primera velocidad y la segunda velocidad se comparan con el objeto de determinar el parámetro del flujo. El parámetro del flujo puede incluir al menos uno de los siguientes: nivel de estratificación del flujo y caudal de flujo volumétrico del flujo. El microprocesador puede normalizar la primera velocidad y la segunda velocidad antes de comparar dicha primera velocidad con dicha segunda velocidad. El primer conjunto espacial puede estar alineado axialmente a lo largo de una parte superior de la tubería y el segundo conjunto espacial puede estar alineado axialmente a lo largo del fondo de la tubería. En una modalidad, al menos un conjunto espacial adicional está alineado axialmente a lo largo de la tubería y colocado entre el primer conjunto espacial y el segundo conjunto espacial. Cada uno de los sensores en el al menos un conjunto adicional proporciona una tercera señal indicadora de presión irregular causada por estructuras coherentes que están en convección con una porción del flujo cercana al sensor. Para cada conjunto espacial adicional, el procesador de señales determina una tercera velocidad del flujo cerca del conjunto espacial adicional utilizando las terceras señales. El procesador de señales compara la primera velocidad, la segunda velocidad y la tercera velocidad para determinar el parámetro del flujo. En otro aspecto de la presente invención, un aparato para medir un parámetro de un flujo que pasa a través de una tubería comprende un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería, en donde cada uno de los sensores incluye un par de medias porciones de sensor colocadas en superficies laterales opuestas de la tubería. Cada par de medias porciones de sensor ofrece una señal de presión indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que están en convección con el flujo dentro de la tubería en una ubicación axial correspondiente de la tubería. Un procesador de señales determina una velocidad nominal del flujo dentro de la tubería utilizando las señales. En una modalidad, cada media porción de sensor se forma de un material de película piezoeléctrico. Cada media porción de sensor puede estar acoplada a una banda de acero que se extiende alrededor y la sujeta sobre la superficie externa de la tubería. En varios aspectos y modalidades descritos aquí, los al menos dos sensores de presión pueden seleccionarse dentro de un grupo que consiste de: medidor de deformación piezoeléctrico, piezorresistivo, sensor basado en deformación con PVDF,-sensores ópticos, sensores de presión de ac portados, acelerómetros, sensores de velocidad, y sensores de desplazamiento. En varios aspectos y modalidades descritos aquí, los sensores pueden estar colocados en una superficie externa de al tubería y no estar en contacto con el fluido. Lo anterior y otros objetos y características de la presente invención serán más aparentes a partir de la siguiente descripción detallada de ejemplos de modalidades. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Con referencia ahora a los dibujos en donde elementos similares están numerados de la misma manera en las varias figuras : La Figura 1 es un diagrama esquemático de un aparato para determinar al menos un parámetro asociado con un fluido estratificado que fluye en una tubería. La Figura 2 es una vista esquemática en corte transversal de un flujo Newtoniano, turbulento, no estratificado a través de una tubería. La Figura 3 es un diagrama de bloques de una lógica de flujo utilizada en el aparato de la presente invención. La Figura 4 es una gráfica k-? de datos procesados a partir de un aparato que incorpora la presente invención que ilustra la pendiente de la cresta convectiva y una gráfica de la función de optimización de la cresta convectiva. La Figura 5 es una gráfica k-? de datos procesados a partir de un aparato que incorpora la presente invención que ilustra una cresta no lineal en la gráfica k-?, como se puede encontrar con un flujo dispersivo. La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método para cuantificar el nivel de estratificación. La Figura 7 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión para una línea de hidrotransporte de 76.2 centímetros (30 pulgadas) a una velocidad nominal de 3.67 metros/segundo (12 pies/segundo) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 8 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión para una línea de hidrotransporte de 68.58 centímetros (27 pulgadas) a una velocidad nominal de 4.57 metros/segundo (15 pies/segundo) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 9 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión para una suspensión de pulpa-en-agua de una consistencia al 1%, de 25.4 centímetros (10 pulgadas) que fluyen a un caudal de flujo volumétrico nominal de 3.05 metros/segundo (10 pies/segundo) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 10 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión de una mezcla de bitumen, arena, y aire a 7.62 metros/segundo (25 pies/segundo) en una tubería de un diámetro de 10.16 centímetros (4 pulgadas) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 11 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión para agua que fluye en una tubería de 40.6 centímetros (16 pulgadas) a una velocidad nominal de 3.05 metros/segundo (10 pies/segundo) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 12 muestra un ejemplo de una gráfica de dispersión de una línea de cola de 60.96 centímetros (24 pulgadas) que opera a 2.44 metros/segundo (8 pies/segundo) creada utilizando el método de la presente invención. La Figura 13 muestra una gráfica que ilustra un caudal de flujo determinad por el método de la presente invención demostrado comparado con un caudal de flujo determinado por un medidor de flujo magnético en línea. La Figura 14 ilustra un corte longitudinal de una modalidad alternativa de la presente invención. La Figura 15 muestra un corte transversal (radial) de la modalidad de la Figura 14. La Figura 16 ilustra una gráfica de la velocidad normalizada para los conjuntos de arriba y fondo en la modalidad de la Figura 14. La Figura 17 ilustra un corte transversal (radial) de la modalidad de la Figura 14 incluyendo conjuntos adicionales de sensores. La Figura 18 muestra una vista en elevación lateral de la modalidad de la Figura 14 que incluye conjuntos adicionales de sensores. La Figura 19 ilustra una gráfica de velocidad normalizada detectada por cada conjunto de Figuras 17 y 18. La Figura 20 muestra un corte transversal (radial) de otra modalidad alternativa de la presente invención. La Figura 21 muestra una vista en elevación lateral de una modalidad alternativa de la Figura 20. DESCRIPCIÓN DETALLADA Como se describió en la Patente Norteamericana mancomunada No. 6,609,069 de Gysling, titulada "Method and Apparatus for Determining the Flow Velocity Within a Pipe" [Método y Aparato para Determinar la Velocidad de Flujo en una Tubería], y Solicitud de Patente Norteamericana No. de Serie 10/007,736, presentada el 11 de noviembre de 2001, que se incorporan aquí por referencia en su totalidad, presiones irregulares a lo largo de una tubería causadas por estructuras coherentes, (por ejemplo, remolinos turbulentos y perturbaciones de tipo vórtice) que fomentan la convección con un fluido que fluye en la tubería, contienen información útil sobre los parámetros del fluido. La presente invención ofrece varios medios para utilizar esta información para medir parámetros de un flujo estratificado, como por ejemplo, velocidad, nivel/grado de estratificación, y caudal de flujo volumétrico. Con referencia a la Figura 1, se muestra un aparato 10 para medir al menos un parámetro asociado con un flujo 13 que fluye dentro de un ducto, conducto u otra forma de tubería 14. El parámetro del flujo 13 puede influir, por ejemplo, al menos uno de los siguientes: velocidad del flujo 13, caudal de flujo volumétrico del flujo 13, y nivel de estratificación del flujo 13. En la Figura 1, el flujo 13 es ilustrado como estratificado, en donde un perfil de velocidad 122 del flujo 13 es sesgado desde la parte superior de la tubería 14 hasta la parte inferior de la tubería 14, como se puede encontrar en los procesos de flujos de fluidos industriales que involucran el transporte de una fracción de masa elevada de materiales sólidos de alta densidad a través de una tubería en donde las partículas más grandes se desplazan más lentamente en la parte inferior de la tubería. Por ejemplo, el flujo 13 puede ser parte de un proceso de hidrotransporte. Con referencia a la Figura 2, el flujo 13 se muestra otra vez pasando a través de la tubería 14. Sin embargo, en la Figura 2, el flujo 13 es ilustrado como un flujo Newtoniano, no estratificado, que opera en el caudal turbulento en números de Reynolds arriba de aproximadamente 100,000. El flujo 13 de la Figura 2, tiene un perfil de velocidad 122 uniformemente desarrollado desde la parte superior de la tubería 14 hasta el fondo de la tubería 14. Además, las estructuras coherentes 120 en un flujo Newtoniano 13 turbulento, no estratificado de la Figura 2 muestran muy poca dispersión. En otras palabras, la velocidad de convección de las estructuras coherentes 120 no depende fuertemente del tamaño físico de las estructuras 120. Como se utiliza aquí, la dispersión describe la dependencia de la velocidad de convección con la longitud de onda, o equivalentemente, con la frecuencia temporal. Flujos para los cuales todas las longitudes de onda presentan convección a una velocidad constante se conocen como "no dispersivos". En el caso de un flujo Newtoniano turbulento no existe una cantidad significativa de dispersión en un amplio rango de proporciones entre longitudes de onda y diámetros. Dispositivos de medición de flujo basados en sonar, como por ejemplo, el dispositivo descrito en la Patente Norteamericana mencionada arriba No. 6,609,069 de Gysling, han aplicado provechosamente la característica no dispersiva del flujo Newtoniano turbulento para determinar con exactitud los regimenes de flujo. En el caso de flujos estratificados tales como los ilustrados en la Figura 1, sin embargo, se muestra un cierto grado de dispersión. En otras palabras, las estructuras coherentes 120 presentan una convección a velocidades que dependen de su tamaño, con estructuras coherentes 120 de mayor escala de longitud que tienden a desplazarse más lentamente que estructuras 120 de escala de longitud menor. Como resultado, ciertas de las consideraciones subyacentes asociadas con dispositivos de medición de flujo basados en sonar previos, específicamente que la velocidad de convección de las estructuras coherentes 120 no depende fuertemente del tamaño físico de las estructuras 120 son afectadas por la presencia de la estratificación . El aparato 10 de la Figura 1 mide con exactitud parámetros tales como velocidad, nivel de estratificación, y caudal e flujo volumétrico de un flujo estratificado 13. El aparato 10 incluye un conjunto espacial 11 de al menos dos sensores 15 colocados en diferentes ubicaciones axiales x?...xN a lo largo de la tubería 14. Cada uno de los sensores 15 proporciona una señal de presión P(t) que indica una presión irregular creada por estructuras coherentes en convección con el flujo 13 dentro de la tubería 14 en una ubicación axial correspondiente x?...xN de la tubería 14. La presión generada por las perturbaciones de presión convectiva (por ejemplo, remolinos 120) puede medirse a través de sensores 15 basados en deformación y/o sensores de presión 15. Los sensores 15 ofrecen señales analógicas de presión que varían con el tiempo Pi (t) , P2 (t) , P3 (t) ...PN(t) a un procesador de señales 19 que determina el parámetro del flujo 13 utilizando señales de presión provenientes de los sensores 15, y enviando el parámetro como señal 21. Mientras el aparato 10 se muestra incluyendo cuatro sensores 15, se contempla que el conjunto 11 de sensores incluya dos o más sensores 15, cada uno proporcionando una señal de presión P(t) que indica una presión irregular dentro de la tubería 14 en una ubicación axial correspondiente X de la tubería 14. Por ejemplo, el aparato puede incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, ó 24 sensores 15. En general, la exactitud de la medición mejora conforme se incrementa el número de sensores 15 en el conjunto 11. El grado de exactitud proporcionado por el número mayor de sensores 15 es compensado por el incremento de la complejidad y tiempo para calcular el parámetro de salida deseado del flujo. Por consiguiente, el número de sensores 15 utilizado depende al menos del grado de exactitud que se desea y de la tasa de actualización deseada del parámetro producido suministrado por el aparato 10. Las señales Pi (t) ... PN (t) proporcionadas por los sensores 15 en el conjunto 11 son procesadas por el procesador de señales 19 que puede ser parte de una unidad de procesamiento mayor 20. Por ejemplo, el procesador de señales 19 puede ser un microprocesador y la unidad de procesamiento 20 puede ser una computadora personal u otra computadora para propósito general. Se contempla que el procesador de señales 19 pueda ser uno o varios dispositivos analógicos o digitales de procesamiento de señales para ejecutar instrucciones programadas, como por ejemplo, uno o varios microprocesadores o circuitos integrados específicos para aplicación (ASICS) , y puede incluir una memoria para almacenar instrucciones programadas, puntos de ajuste, parámetros, y para almacenar datos en memoria intermedia o de otra forma. El procesador de señales 19 puede enviar el parámetro 21 o los varios parámetros 21 a una pantalla 24 o bien a otro dispositivo de entrada/salida (E/S) 26. El dispositivo de entrada/salida (E/S) 26 puede también aceptar los parámetros de entrada de usuario. El dispositivo de entrada/salida (E/S) 26, pantalla 24, y unidad de procesador de señales 19 pueden estar montados en un bastidor común, pueden estar conectados al conjunto 11 a través de un cable flexible, conexión inalámbrica o similar. El cable flexible puede utilizarse también para proporcionar energía de operación a partir de la unidad de procesamiento 20 al conjunto 11 en caso necesario.

Para determinar el parámetro 21 o los parámetros 21 del flujo 13, el procesador de señales 19 aplica los datos provenientes de los sensores 15 a la lógica de flujo 36 ejecutada por el procesador de señales 19. Con referencia a la Figura 3, se muestra un ejemplo de lógica de flujo 36. Algunas o la totalidad de las funciones dentro de la lógica de flujo 36 pueden ser implementadas en software (utilizando un microprocesador o computadora) y/o firmware, o puede bien pueden implementarse utilizando hardware analógico y/o o digital con memoria suficiente, interfaces, y capacidad para efectuar las funciones descritas aquí. La lógica de flujo 36 incluye una unidad de adquisición de datos 126 (por ejemplo, convertidor A/D) que convierte las señales analógicas i (t) ... PN(t) en señales digitales respectivas y proporciona las señales digitales Pi (t) ... P?(t) a una lógica FFT 128. La lógica FFT 128 calcula la transformación de Fourier de las señales de entrada basadas en tiempo digitalizadas Px (t) ... P?t(t) y proporciona señales de dominio de frecuencia complejas (o basadas en frecuencias) Pi (?) P2 (?) , P3 (?) , ... PN (?) que indica el contenido de frecuencia de las señores de entrada. En lugar de FFT' s cualquier otra técnica para obtener las características de dominio de frecuencia de las señales P?(t)- PN(t), puede emplearse. Por ejemplo, la densidad a través del espectro y la densidad espectral de potencia pueden emplearse para formar funciones de transferencia de dominio de frecuencia (o bien respuesta o proporciones de frecuencia) que se comentan más adelante. Una técnica para determinar la velocidad de convección de las estructuras coherentes (por ejemplo, remolinos turbulentos) 120 dentro del flujo 13 es mediante la caracterización de una cresta' convectiva de las presiones irregulares resultantes utilizando un conjunto de sensores u otras técnicas de formar haces, de manera similar a lo descrito en la Solicitud de Patente Norteamericana No. de Serie 09/729,994, presentada el 4 de diciembre de 2000, ahora, US6,609,069, que se incorpora aquí por referencia. Un acumulador de datos 130 acumula las señales de frecuencia P?(?)-PN(?) en un intervalo de muestreo, y proporciona los datos a un procesador de conjunto 132 que efectúa una transformación espacial-temporal (bidimensional) de los datos de sensor, desde el dominio xt al dominio k-?, y calcula después la potencia en el plano k-?, de conformidad por lo representado por una gráfica k-?. El procesador de conjunto 132 utiliza los que se conocen como algoritmos formadores de haces, procesadores de conjunto o procesadores de conjunto adaptables, es decir, algoritmos para procesar la señales de sensor utilizando varios retardos y ponderando para crear relaciones de fase adecuadas entre las señales proporcionadas por los diferentes sensores, creando así una funcionalidad de conjunto de antenas en fase. En otras palabras, los algoritmos formadores de haces o procesadores de conjunto transforman las señales de dominio de tiempo provenientes del conjunto de sensores en sus componentes de frecuencias espaciales y temporales, es decir, en un grupo de números de onda proporcionados por en donde ? es la longitud de onda de un componente espectral, y frecuencias angulares correspondientes proporcionada por CO=2JIV . La técnica anterior enseña muchos algoritmos de uso en la descomposición espacial y temporal de una señal a partir de un conjunto de sensores en fase, y la presente invención no se restringe a ningún algoritmo particular. Un algoritmo de procesamiento de conjunto adaptable particular es el método/algoritmo de Capón. Mientras que el método de Capón se describe como un método, la presente invención contempla el uso de otros algoritmos de procesamiento de conjunto adaptables, tales como el algoritmo MUSIC. La presente invención reconoce que tales técnicas pueden ser utilizadas para determinar la velocidad de flujo, es decir que las señales causadas por un parámetros estocástico de convección con un flujo son estacionarias en el tiempo y tienen una longitud de coherencia suficientemente grande para que sea práctico ubicar los sensores 15 espaciados entre ellos y todavía dentro de la longitud de coherencia. Características o parámetros de convección tienen una relación de dispersión que puede ser aproximada por una ecuación de línea recta, k=?/u, en donde u es la velocidad de convección (velocidad de flujo) . Una gráfica de pares de k-? obtenidos a partir de un análisis espectral de muestras de sensor asociadas con parámetros de convección mostrados de tal manera que la perturbación que corresponde espectralmente a pares que pueden ser descritos como una cresta sustancialmente recta, una cresta que se conoce como cresta convectiva en la teoría de las capas de límites turbulentos. Como se describirá a continuación, conforme el flujo se vuelve cada vez más dispersivo, la cresta convectiva se vuelve cada vez más no lineal. Lo que se está detectando no son eventos discretos de estructuras coherentes 120 sino un continuo de posibles eventos que se empalman formando un proceso temporalmente estacionario, esencialmente blanco en el rango de frecuencias de interés. En otras palabras, las estructuras coherentes convectivas 120 están distribuidas en un rango de escalas de longitudes y por consiguiente frecuencias temporales. Para calcular la potencia en el plano k-? como se representa por una gráfica k-? (véase Figura 4) de cualquiera de las señales, el procesador de conjunto 132 determina la longitud de onda y por consiguiente el número de onda k (espacial) y también la frecuencia (temporal) y por consiguiente la frecuencia angular ? de varios de los componentes espectrales del parámetro estocástíco. Existen numerosos algoritmos disponibles en el dominio público para efectuar la descomposición espacial/temporal de conjuntos de sensores 15.

La presente modalidad puede utilizar filtración temporal y espacial para preacondicionar las señales para remover por filtración efectiva las características de modo común modo P común y otras características de longitud de onda larga (en comparación con el espaciado de sensor) en la tubería 14 diferenciando los s'ensores adyacentes 15 y conservando una porción sustancial del parámetro estocástico asociado con el campo de flujo y cualquier otro parámetro estocástico de baja frecuencia y longitud de onda corta (en comparación con el espaciado de sensores) . En el caso de la presencia de estructuras coherentes adecuadas 120, la potencia en el plano k-? mostrado en una gráfica k-? de la Figura 4 muestra un a cresta convectiva 124. La cresta convectiva representa la concentración de un parámetro estocástico que presenta convección con el flujo y es una manifestación matemática de la relación entre las variaciones espaciales y las variaciones temporales descritas arriba. Dicha gráfica indicará una tendencia para que los pares k-? aparezcan más o menos a lo largo de una línea 124 con una cierta pendiente, la pendiente indicando la velocidad de flujo. Una vez determinada la potencia en el plano k-? un identificador de cresta convectiva 134 utiliza uno u otro método de extracción de características para determinar la ubicación y orientación (pendiente) de cualquier cresta convectiva 124 presente en el plano k-?. En una modalidad, se utiliza lo que se conoce como un método de apilamiento inclinado, un método en el cual la frecuencia acumulada de k-? pares en la gráfica k-? a lo largo de diferentes haces que provienen del origen se comparan, cada haz diferente es asociado con una velocidad de convección de ensayo diferente (en la medida en que la pendiente de un haz se considera como siendo la velocidad de flujo o correlacionada con la velocidad de flujo de manera conocida). El identificador de cresta convectiva 134 ofrece información sobre las velocidades de convección de ensayo diferentes, información referida en general como información de cresta convectiva. El analizador 136 examina la información de cresta convectiva incluyendo a información de cresta convectiva (pendiente) . Asumiendo la relación de dispersión de línea recta dada por k=?/u, el analizador 136 determina la velocidad de flujo y/o flujo volumétrico, que son producidas como parámetros 21. El flujo volumétrico es determinado mediante la multiplicación del área en corte transversal de la parte interna de la tubería por la velocidad del flujo de proceso. Como se mencionó previamente, para fluidos Newtonianos, turbulentos, típicamente no hay ninguna cantidad significativa de dispersión en una amplia gama de proporciones entre longitud de onda y diámetro. Como resultado, la cresta convectiva 124 en la gráfica de k-? es sustancialmente recta en un amplio rango de frecuencias y, por consiguiente, existe un amplio rango de frecuencia para el cual la relación de dispersión de línea recta dada por k=?/u ofrece mediciones exactas de velocidad de flujo. En el caso de flujos estratificados, sin embargo, existe algún grado de dispersión de tal manera que estructuras coherentes 120 presenten convección en velocidades que dependen de su tamaño. Como resultado de niveles crecientes de dispersión, la cresta convectiva 124 en la gráfica k-? se vuelve cada vez más no lineal. Por ejemplo la Figura 5 muestra una gráfica k-? que tiene una cresta no lineal 124 que se muestra con una curvatura exagerada para propósitos de descripción. Así, a diferencia de los flujos no dispersivos, la determinación del caudal de flujo de una mezcla dispersiva mediante el rastro de la velocidad a la cual estructuras coherentes 120 presentan convección requiere de una metodología que toma en cuenta la potencia de una dispersión significativa . Con referencia a las Figuras 3, 5 y 6, se puede describir un método para cuantificar el nivel de estratificación, así como medir el caudal de flujo volumétrico, en flujos estratificados. El método, generalmente indicado en la Figura 6 en 60, empieza con el bloque 62, en donde una velocidad Ui del flujo 13 es inicializada. Inicialmente, la velocidad Ux puede ser seleccionada, por ejemplo, con base en experiencia operativa, velocidades esperadas, y similares. Después, en bloque 64, frecuencias máxima y mínima (Fmax y Fmin) que definen un primer rango de frecuencias ?Fi son determinadas utilizando la velocidad Ui, el diámetro de tubería D, y las escalas de longitudes no dimensionales máxima y mínima FD/U. Como se comentará a continuación, las escalas de longitudes no dimensionales máxima y mínima pueden ser determinadas empleando una rutina de calibración en donde las escalas de longitudes no dimensionales máxima y mínima se seleccionan para definir un rango centrado en una escala de longitud no dimensional que es menos sensible a la estratificación. En el ejemplo mostrado en la Figura 5, se utilizan una escala de longitud no dimensional máxima de FD/U = 2.33 y una escala de longitud no dimensional mínima de FD/U = 0.66. Así, para este ejemplo: Se observará, sin embargo, que diferentes, escalas de longitud no dimensionales pueden utilizarse, según los resultados de la rutina de calibración. El método sigue en el bloque 66, en donde un identificador de cresta convectiva 134 identifica una cresta convectiva 124 en la gráfica k-? como una línea reata 123 (Figura 5) en el primer rango de frecuencias ?Fi. En el bloque 66, el identificador de cresta convectiva 134 determina la pendiente de la representación de línea recta de la primera cresta convectiva (por ejemplo, la pendiente de la línea 123), y utilizando esta pendiente, el analizador 136 determina una velocidad nominal U2 (bloque 68) . Recordando que FD/U es la inversa de ?/D, en donde ? es una longitud de onda, la escala de longitud no dimensional de FD/U dentro de un rango de 0.66 a 2.33 corresponde a 1/D's (para ? = 1) de 1.5 a 0.43. Obsérvese que la velocidad nominal U2 es centrada en estructuras coherentes con escalas de longitudes de 0.667 diámetro de longitud. Después de calcular la velocidad nominal U2 en el rango de frecuencias ?Fi en el bloque 68, la velocidad nominal U2 es comparada con la velocidad Ui en el bloque 70 y, si las dos velocidades son iguales (o aproximadamente iguales dentro de un rango aproximado) , entonces la velocidad nominal U2 se proporciona como la velocidad nominal U del flujo 13 (bloque 72) , que puede utilizarse para determinar el caudal de flujo volumétrico del flujo 13. Sin embargo, si velocidades Ui y U2 no son iguales (o bien no están dentro del rango apropiado) en el bloque 70, Ui es establecido para que sea igual a U2 (bloque 74) y el proceso retorna al bloque 64 en donde las frecuencias máxima y mínima (Fmax y Fmin) que definen el primer rango de frecuencias ?Fi son determinadas utilizando la nueva velocidad Ui. Este proceso iterativo prosigue hasta Ui = U2 en el bloque 70.

Después de determinar la velocidad nominal U del flujo 13 (bloque 72) , se calculan velocidad de convección promedio en varios rangos de frecuencias relativamente pequeñas ?F2. En el método 60, esto se logra identificando varias porciones 125 (Figura 5) de la cresta convectiva 124 en una pluralidad de rangos de segundas frecuencias ?F (bloque 76) , en donde cada rango de segundas frecuencias ?F2 es menor que el rango de primeras frecuencias ?FX y tiene una frecuencia de punto medio única, como se muestra en 127 en la Figura 5. El identificador de cresta convectiva 134 determina entonces una pendiente de cada porción 125 de la cresta convectiva 124 como la línea de mejor ajuste forzada para ajustar entre el origen y la porción de la cresta convectiva (bloque 78) . Utilizando la pendiente de cada porción 125, el analizador 136 determina una velocidad de convección nominal de estructuras coherentes que tienen un rango de escalas de longitudes que corresponden al rango de segundas frecuencias asociado ?F2 (bloque 80) . Después, en el bloque 82, el analizador 136 normaliza estas velocidades de convección nominales utilizando la velocidad nominal U, y después gráfica cada velocidad de convección normalizada en función de la frecuencia de punto medio respectiva 127 (no dimensionalizada por la velocidad nominal U y el diámetro D de la tubería) para crear una gráfica de dispersión (bloque 84).

La dependencia funcional de la velocidad versus frecuencia es capturada por un ajuste lineal (bloque 86) . En el caso de flujos no dispersivos, el ajuste lineal tendrá una pendiente de 0.0 y una intersección de y de 1.0. Cualquier variación puede ser atribuida a la dispersión. En el caso de flujos con dispersión, la pendiente del ajuste lineal sirve como una medición cuantificable de la estratificación (bloque 88) . La Figura 7 ilustra un ejemplo de una gráfica de dispersión para un línea de hidrotransporte de 76.2 centímetros (30 pulgadas) con una velocidad nominal U de 3.67 metros/segundo (12 pies/segundo) , creada utilizando el método de la presente invención. Para el ejemplo dado en la Figura 7, la métrica de dispersión, es decir, la pendiente de la gráfica de dispersión, es del 19%, lo que indica una cantidad significativa de dispersión. La velocidad de convección, determinada de conformidad con lo descrito arriba para longitudes de onda de un diámetro es 0.8 de la velocidad de la longitud de onda con una longitud de 0.667 diámetro (es decir, FD/U = 1.5). Estructuras con longitudes de onda centradas alrededor de 1/4 diámetro (es decir, FD/U = 4) presentan una convección aproximadamente 1.4 veces la velocidad de convección de longitudes de onda centradas alrededor de 0.667 diámetro. La gráfica de dispersión puede también utilizarse como parte de un procedimiento de calibración para determinar con exactitud la velocidad de caudal de flujo en presencia de estratificación. Por ejemplo, el rango de escalas de longitudes no dimensionales FD/U utilizado para determinar la velocidad de flujo nominal U puede seleccionarse como este rango que es menos sensible a la estratificación. Esto puede lograrse, por ejemplo, mediante la creación de dos o más gráficas de dispersión, cada una en un nivel diferente de estratificación. Por ejemplo, en el hidrotransporte de sólidos, gráficas de dispersión pueden ser creadas para concentraciones diferentes de sólidos. Se ha determinado que, puesto que la pendiente de un ajuste lineal de la gráfica de dispersión se incrementa desde un nivel de estratificación a otro, el punto alrededor del cual el ajuste lineal pivota ofrece una buena aproximación de la escala de longitud no dimensional FD/U que es menos sensible a la estratificación. Así, la escala de longitud de no dimensional FD/U que es menos sensible a la estratificación puede ser aproximada comparando las gráficas de dispersión para niveles diferentes de estratificación e identificando el punto de pivote del ajuste lineal de la gráfica de dispersión de una gráfica de dispersión a otra. La escala de longitud no dimensional FD/U asociada con el punto de pivote puede utilizarse como el punto medio para el rango de escalas de longitudes no dimensionales de FD/U que se utiliza en el método 60 de la Figura 6 para determinar la velocidad de flujo nominal U y la gráfica de dispersión. Las Figuras 7-12 ilustran varios ejemplos de gráficas de dispersión creadas utilizando el método de la presente invención. En cada uno de estos ejemplos, un número de onda espacial (es decir, FD/U) dentro de un rango de 0.66 a 2.33 con un número de onda de centro de 1.5 fue utilizado. La Figura 8 muestra un ejemplo de un hidrotransporte de bitumen, arena, agua, y aire. En este caso, el flujo se efectúa en una tubería de 68.58 centímetros (27 pulgadas), desplazándose a una velocidad de flujo nominal de 4.57 metros/segundo (15 pies/segundo) . Aquí, la pendiente de la gráfica de dispersión se calcula en 0.078 (es decir, un parámetro de dispersión de 7.8%) . La Figura 9 muestra una gráfica de dispersión para una suspensión de pulpa-en-agua de una consistencia del 1% que fluye a un caudal de flujo volumétrico nominal de 3.05 metros/segundo (10 pies/segundo) . La ecuación de ajuste de curva lineal resultante, mostrada en la Figura 9, tiene una pendiente de -0.023, que puede clasificarse como flujo no dispersivo. La Figura 10 muestra una gráfica de dispersión para una mezcla de bitumen, arena, agua y aire a 7.62 metros/segundo (25 pies/segundo) en una tubería de un diámetro de 10.16 centímetros (4 pulgadas) . La ecuación de ajuste de curva lineal resultante, mostrada en la Figura 10 tiene una pendiente de -0.003, que puede ser clasificada como flujo no dispersivo. La Figura 1 muestra un diagrama de dispersión de agua que fluye en una tubería de 40.6 centímetros (16 pulgadas) a una velocidad de flujo nominal de 3.05 metros/segundo (10 pies/segundo) . La ecuación de ajuste de curva lineal resultante, mostrada en la Figura 11, tiene un pendiente de -0.013, que puede ser clasificado como flujo no dispersivo. La Figura 12 muestra las características de dispersión para una línea de colas de 60.96 centímetros (24 pulgadas) que opera a 2.44 metros/segundo (8 pies/segundo). Como se muestra, la línea de colas está presentando una métrica de dispersión de aproximadamente 18%. Utilizando un rango de número de onda espaciada (es decir FD/U) de 0.66 a 2.33 con un número de onda de centro de 1.5, la velocidad de terminado por el método de la presente invención demostró una buena correspondencia con un medidor de flujo magnético en línea de conformidad con lo demostrado en la Figura 13. Centrando el rango de frecuencias en estructura con una escala de longitudes de 2/3 del diámetro de la tubería parece razonable y consistente con el modelo conceptual. Aún cuando datos de referencia exactos de otros flujos estratificados no están disponibles, las características de dispersión similares sugieren que la utilización de esta escala de longitud no dimensional o de escalas de longitudes no dimensionales similares debería ser un enfoque razonable para interpretar los caudales de flujo volumétrico de otros flujos estratificados utilizando medición de flujo basado en sonar. La comparación de los ejemplos proporcionados en las Figuras 7-12 revela que la pendiente de la curva de dispersión rastrea, al menos cualitativamente, el nivel de estratificación presente. La pendiente se acerca a cero en el caso de pastas bien mezcladas y fluidos newtonianos y se incrementa con caudales de flujo decrecientes, lo que es consistente con el incremento de la estratificación con la disminución de los caudales de flujo. La Figura 14 muestra un corte transversal longitudinal de un aparato 100 para determinar el nivel de estratificación del flujo 13 de conformidad con una modalidad alternativa de la presente invención, y la Figura 15 muestra un corte transversal (radial) del aparato 100. En esta modalidad, el aparato 100 determina el nivel de estratificación del flujo 13 y un caudal de flujo volumétrico del flujo 13 mediante la comparación de velocidades medidas localmente en la parte superior y en la parte inferior de la tubería 14. El aparato 100 incluye un primer conjunto espacial 11 de al menos dos sensores 15 colocados en ubicaciones axiales diferentes xi ... xN a lo largo de la parte superior de la tubería 14. Cada uno de los sensores 15 ofrece una señal de presión P(t) que indica la presión irregular creada por estructuras coherentes 120 que hacen convección con una porción del flujo 13 cerca de la parte superior de la tubería 14. El aparato incluye además un segundo conjunto espacial 11 ' de al menos dos sensores 15 colocados en las ubicaciones axiales diferentes xi ... xN a lo largo del fondo de la tubería 14. Cada uno de los sensores 15 en el segundo conjunto espacial 11' ofrece una señal digital P(t)' que indica una presión irregular creada por estructuras coherentes 120 que hacen convección con una porción del flujo 13 cerca del fondo de la tubería 14. Los sensores 15 de cada conjunto 11 y 11' ofrecen señales analógicas de presión que varían con el tiempo Ri (t) , P2 (t) , P3 (t) ...PN(t) a uno o varios procesadores de señales 19 para determinar la velocidad de flujo de cada conjunto. El procesador de señales 19 aplica las señales de presión provenientes de los sensores 15 en el conjunto 11 a la lógica de flujo 36 ejecutada por el procesador de señales 19 para determinar la velocidad del flujo 13 cerca de la parte superior de la tubería 14. El procesador de señales 19 aplica las señales de presión provenientes de los sensores 15 en el conjunto 11' a la lógica de flujo 36 ejecutada por el procesador de señales 19 para determinar la velocidad del flujo 13 cerca del fondo de la tubería 14. La lógica de flujo 36 aplica un algoritmo de procesamiento de conjunto de sonar de conformidad con lo descrito arriba con relación a las Figuras 3 y 4 para determinar las velocidades. En la modalidad ilustrada, cada uno de los sensores 15 se forma de una tira de material piezoeléctrico, por ejemplo, el polímero, fluoropolímero polarizado, PVDF, que mide la deformación inducida dentro de la tubería 14 debido a las estructuras coherentes que hacen convección con el flujo 13. Los sensores 15 pueden ser formados a partir de películas de PVDF, películas de copolímero, o sensores PZT flexibles, de manera similar a lo descrito en "Piezo Film Sensors technical Manual" [Manual Técnido de Sensores de Película Piezo] proporcionado por Measurement Specialties, Inc. De Fairfield, Nueva Jersey, que se incorpora aquí por referencia. Las tiras de material de película piezoléctrica que forman los sensores 15 a lo largo de cada ubicación axial i...xN de la tubería 14 pueden ser adheridas sobre la superficie de la banda de acero 206 (por ejemplo, una abrazadera para manguera) que se extiende alrededor y sujeta en la superficie externa de la tubería 14. Como se comentará más adelante, otros tipos de sensores 15 y otros métodos de sujetar los sensores 15 sobre la tubería 14 pueden emplearse. En la modalidad mostrada, los sensores 15 se extienden sobre una superficie externa en forma de arco de la tubería 14 que se define a través del ángulo ?, el cual es centrado en una línea vertical 203. Por ejemplo, uno de los sensores 15 puede extenderse aproximadamente 1/4 de la circunferencia de la tubería 14. Puesto que los sensores no se extienden a través de las superficies laterales de la tubería 14, y puesto que los sensores 15 tienden a detectar perturbaciones locales dentro del flujo 13, los sensores 15 detectan estructuras coherentes 120 que hacen convección con una porción del flujo 13 cerca de la parte superior o la parte inferior de la tubería 14. Por consiguiente, conforme disminuye el tamaño de los sensores 15 (es decir, conforme disminuye el ángulo ?) , las porciones irregulares detectadas por los sensores 15 indican más exactamente la velocidad de flujo nominal de la porción del flujo 13 cerca de la parte superior o la parte inferior de la tubería 14. Sin embargo, el grado de exactitud proporcionado por la disminución del tamaño de los sensores es compensado por la disminución de la fuerza de la señal proporcionada por los sensores 15. Por consiguiente, el tamaño de los sensores 15 (es decir, el ángulo ?) depende al menos del grado de exactitud que se desea y de la fuerza de las señales Pi (t) , P2 (t) , P3 (t) ... PN (t) requerida por el procesador de señales 19. Mientras el aparato 100 se muestra incluyendo cuatro sensores 15 en cada conjunto 11 y 11', se contempla que cada conjunto 11 y 11' puede incluir dos o más sensores 15, cada sensor 15 proporcionando una señal de presión P(t) que indica una presión irregular dentro de la tubería 14 en una ubicación axial correspondiente X de la tubería 14. Por ejemplo, el aparato puede incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ó 24 sensores 15. En general, la exactitud de la medición mejora conforme se eleva el número de sensores 15 en los conjuntos 11 y 11' . El grado de exactitud proporcionado por el número mayor de sensores 15 es compensado por el incremento de la complejidad y tiempo para calcular el parámetro de salida deseado del flujo. Por consiguiente, el número de sensores 15 utilizado depende al menos del grado de exactitud que se desea y de la velocidad de actualización deseada del parámetro de salida proporcionado por el aparato 100. La Figura 16 muestra una gráfica de la velocidad normalizada para los conjuntos de parte superior y parte inferior 11 y 11' . La proporción entre las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería 14 se correlaciona con el nivel de estratificación del flujo 13. Bajo condiciones en las cuales no hay estratificación, un flujo cercano a la parte superior y a la parte inferior de la tubería (es decir, las estructuras coherentes que hacen convección con el flujo) se desplazarán aproximadamente a la misma velocidad. Conforme el nivel de estratificación se eleva, el conjunto superior 11 mediré una velocidad normalizada más elevada y el conjunto de fondo 11' medirá una velocidad normalizada menor. Así, comparando las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería 14, se puede determinar el nivel de estratificación de la tubería 13. Las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería 14 pueden también ser utilizadas para estimar la velocidad nominal de flujo 13 que a su vez puede emplearse para determinar el caudal volumétrico del flujo 13. Por ejemplo, la velocidad nominal puede ser determinada utilizando un promedio de dos velocidades o cualquier otra proporción de las dos velocidades, en donde la proporción depende del nivel de estratificación (o diferencia entre las dos velocidades) . En otro ejemplo, como se muestra en la Figura 16, las velocidades cerca de la parte superior y la parte inferior de la tubería pueden graficadas en función de la distancia entre los conjuntos de parte superior y parte inferior. En este ejemplo, la distancia entre los conjuntos de parte superior y de parte inferior es aproximadamente igual al diámetro de la tubería, y cada incremento en el eje x representa una porción de esta distancia. Las velocidades en la parte superior y en la parte inferior de la tubería definen una línea recta 210, que tiene una pendiente que cambia con el nivel de estratificación. Utilizando esta línea recta, las velocidades en distancias diferentes entre la parte superior y la parte inferior de la tubería pueden ser estimadas, y la velocidad en la ubicación de tubería apropiada puede ser utilizada como la velocidad nominal. En el ejemplo mostrado, se estima la velocidad en el centro de la tubería (media distancia entre los conjuntos de arriba y de abajo) . La Figura 17 ilustra un corte transversal (radial) del aparato 100 de la Figura 15, que incluye además al menos un conjunto espacial adicional 11'' de sensores 15 alineados axialmente a lo largo de la tubería 14 y colocados entre el primer conjunto espaciado 11 y el segundo conjunto espacial 11' . La Figura 18 ilustra una vista en elevación lateral de esta modalidad. El sensor 15 en cada conjunto adicional 11'' proporciona señales analógicas de presión que varían con el tiempo Pi (t) , P2 (t) , P3 (t) ...PN(t) a uno o varios procesadores de señales 19, lo que determina la velocidad de flujo del fluido cerca de cada conjunto adicional 11' ' . Opcionalmente, cada conjunto 11' ' puede comprender un par de sensores 15 colocados en la tubería a un nivel correspondiente entre los conjuntos superior e inferior 11 y 11' , de conformidad con lo indicado en 215, 216 y 217. Estos sensores opcionales 15 se muestran en línea fantasma en la Figura 17. Para cada conjunto, las señales emitidas por el par de sensores 15 en ubicaciones axiales correspondientes Xi...xN se combinan (por ejemplo se suman) como una sola entrada al procesador de señales 19 para eliminar porciones de la señal causados por modos de doblado horizontal de la tubería 14. La Figura 19 ilustra una gráfica de la velocidad normalizada para cada conjunto 11, 11' y 11''. Como en el ejemplo de la Figura 16, la proporción entre las velocidades cerca de la parte superior y cerca de la parte inferior de la tubería 14 se correlaciona con el nivel de estratificación del flujo 13. Los conjuntos adicionales 11'' permiten la construcción de un perfil de velocidades, con el número de puntos de datos en el perfil siendo igual al número de conjuntos 11, 11' y 11''. Mediante la comparación de los perfiles de velocidad de la Figura 16 y de la Figura 19, se puede observar que los conjuntos adicionales 11'' utilizados para crear el perfil de la Figura 19 permiten una representación más exacta de las velocidades en ubicaciones diferentes en la tubería 14 que la aproximación de línea recta de la Figura 16. Como se puede observar en el perfil de velocidad de la Figura 19, las lecturas de velocidad de parte superior y parte inferior extremas (las lecturas de velocidades en los conjuntos 1 y 7, respectivamente) tienden a ser más diversas, y la lectura en los lados transversales de la tubería 14 (la lectura del conjunto 4) proporcionan una velocidad nominal para el perfil entero. Por consiguiente, se puede observar que para la medición de la velocidad nominal en flujo estratificado utilizando un conjunto de sensores, puede ser provechoso detectar presiones irregulares a lo largo de los lados transversales de la tubería, de tal manera que las áreas de diversidad extrema en cuanto a velocidad (esto es, la parte superior y la parte inferior de la tubería) sean ignoradas. Por ejemplo, el conjunto más central (conjunto 4) puede ser utilizado para determinar la velocidad nominal del flujo 13, y los conjuntos más centrados (por ejemplo conjuntos 3, 4 y 5) pueden ser utilizados para determinar la velocidad nominal del flujo. La presente invención contempla también que cualquier desfase del conjunto del conjunto horizontal central (es decir, conjunto 4), como por ejemplo los conjuntos 3 y 5 o combinaciones de otros conjuntos (por ejemplo conjuntos 2 y 3 o conjuntos 5 y 6) pueda ser utilizad para determinar la velocidad nominal o promedio del flujo de proceso 13. La determinación de qué conjunto o grupo de conjuntos para determinar la velocidad nominal depende del nivel de estratificación. La Figura 20 ilustra un corte transversal (radial) de un aparato 200 para determinar el nivel de estratificación del flujo 13 de conformidad con otra modalidad ilustrativa de la presente invención, y la Figura 221 ilustra una vista en elevación lateral de la modalidad alternativa de la Figura 20. En esta modalidad, el aparato 10 incluye un conjunto espacial 11 de al menos dos sensores 15 colocado en ubicaciones axiales diferentes xi... xN a lo largo de la tubería 14. Cada uno de los sensores 15 incluye un par de medias porciones de sensor 202 colocadas en superficies laterales opuestas de la tubería 14. Cada par de medias porciones de sensor 202 proporciona una señal de presión P(t) que indica la presión irregular creada por estructuras coherentes 120 (Figura 1) que hacen convención con el flujo 13 dentro de la tubería 14 en una ubicación axial correspondiente x?...xN de la tubería 14. Los sensores 15 proporcionan señales analógicas de presión que varían con el tiempo Pi (t) ,P2 (t) , P3 (t) ... PN(t) a un procesador de señales 19, que determina el parámetro del flujo 13 utilizando señales de presión provenientes de los sensores 15, y produce el parámetro en forma de una señal 21. Las señales proporcionadas por semi-pares de sensor correspondientes 202 en cada sensor 15 pueden ser combinadas (por ejemplo, sumadas) como una sola entrada al procesador de señales 19, eliminando así porciones de la señal causadas por modos de doblado horizontales de la tubería 14. En la presente modalidad, las medias porciones de sensor 202 se colocan de manera provechosa en las superficies del lado lateral de la tubería 12. Las medias porciones de sensor 202 se extienden sobre una superficie externa en forma de arco de la tubería 14 definida por el ángulo ?, que es centrado en una línea horizontal 204. Por ejemplo, cada uno de los sensores 15 puede extenderse aproximadamente 1/4 de la circunferencia de la tubería 14. Puesto que las medias porciones de sensor 202 no se extienden a través de las superficies de arriba y abajo de la tubería 14, y puesto que las medias porciones de sensor 202 tienden a detectar perturbaciones locales dentro del flujo 13, las regiones de extremo del perfil de velocidad son ignoradas. Por consiguiente, conforme la longitud de las medias porciones de sensor 202 es incrementada (es decir conforme disminuye el ángulo ?) , las presiones irregulares detectadas por las medias porciones de sensor 202 ofrecen una medición más localizada de la velocidad y en ciertos casos una indicación más exacta de la velocidad de flujo nominal para flujo estratificado. Sin embargo, el grado de exactitud proporcionada por la disminución del tamaño de las medias porciones de sensor 202 es compensado por la disminución de la fuerza de la señal proporcionada por las medias porciones de sensor 202. Por consiguiente, el tamaño de las medias porciones de sensor 202 (es decir, el ángulo ? utilizado) depende al menos del grado de exactitud deseado y de la fuerza de la señales Px (t) , P2 (t) , P3 (t) ... PN (t) que se requiere por parte del procesador de señales 19. Mientras que las porciones de sensor 202 están centradas alrededor del plano horizontal de la tubería, puede ser provechoso colocar las porciones de sensor 202 arriba o abajo del centro horizontal de la tubería según el nivel esperado de estratificación. Mientras que el aparato 10 se muestra incluyendo cuatro sensores 15, se contempla que el conjunto 11 de sensores 15 incluya dos o más sensores 15, cada uno proporcionando una señal de presión P(t) que indica una presión irregular dentro de la tubería 14, en una ubicación axial correspondiente X de la tubería 14. Por ejemplo, el aparato puede incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, ó 24 sensores 15. En general, la exactitud de la medición mejora conforme al número de sensores en el conjunto se eleva. El grado de exactitud proporcionado por el número mayor de sensores es compensado por el incremento de la complejidad y el tiempo de cálculo del parámetro de salida deseado del flujo. Por consiguiente, el número de sensores utilizado dependerá al menos del grado de exactitud que se desea y de la velocidad de actualización deseada del parámetro de salida proporcionado por el aparato 10. Las señales Pi (t) ...PN(t) proporcionadas por los sensores 15 en el conjunto 11 son procesadas por el procesador de señales de 19, que puede ser parte de una unidad de procesamiento de mayor tamaño 20. Por ejemplo, el procesador de señales 19 puede ser un microprocesador y la unidad de procesamiento 20 puede ser una computadora personal u otra computadora para propósitos generales. Se contempla que el procesador de señales 19 pueda ser uno o varios dispositivos analógicos o digitales de procesamiento de señales para ejecutar instrucciones programadas, como por ejemplo uno o varios microprocesadores o circuitos integrados específicos para aplicación (ASICS) y puede incluir memoria para almacenar instrucciones programadas, puntos de ajustes, parámetros y para conservar datos en memoria intermedia o para almacenarlos de otra manera. Para determinar el parámetro o los varios parámetros 21 del flujo 13, el procesador de señales 19 aplica los datos de los sensores 15 a la lógica de flujo 36 ejecutados por el procesador de señales 19. La lógica de flujo 36 aplica un algoritmo de procesamiento de conjunto de sonar de conformidad con lo descrito arriba con relación a las Figuras 3 y 4 para determinar las velocidades. Algunas de las funciones o la totalidad de las funciones dentro de la lógica de flujo 36 pueden ser implementadas en software (utilizando un microprocesador o una computadora) y/o firmware, o bien pueden ser implementados utilizando hardware analógico y/o digital que tiene memoria, interfaces y capacidad suficientes para desempeñar las funciones descritas aquí. En la modalidad mostrada, cada una de las semiporciones de sensor 202 se forma a través de un material piezoeléctrico, por ejemplo el polímero, fluoropolímero polarizado, PVDF, que mide la deformación inducida dentro de la tubería 14 debido a las estructuras coherentes que hacen convección con el flujo 13. Las semiporciones de sensor 202 pueden ser formadas a partir de películas de PVDF, películas de copolímero, o bien sensores PZT flexibles, similares a lo descrito en "Piezo Film Sensors technical Manual" [Manual técnico de sensores de película piezoeléctrica] proporcionado por Measurement Specialities, Inc. de Fairfield, Nueva Jersey, que se incorpora aquí por referencia. El material de PVDF que forma cada semiporción de sensor 202 puede estar adherido sobre la superficie de una banda de acero 206 (por ejemplo, una abrazadera de manguera) que se extiende alrededor y sujeta en la superficie externa de la tubería 14. Se contempla también que otros métodos de sujeción de las semiporciones de sensor 202 sobre la tubería 14 puedan utilizarse. Por ejemplo, las semiporciones de sensor 202 pueden ser adheridas directamente sobre la tubería 14. Como se comentará más adelante, otros tipos de sensores 15 y otros métodos de sujeción de los sensores 15 sobre la tubería 14 pueden utilizarse. De conformidad con lo previamente indicado, conforme disminuye el tamaño de las semiporciones de sensor 202 (es decir, conforme disminuye el ángulo ?, las presiones irregulares detectadas por las semiporciones de sensor 202 indican con mayor exactitud la velocidad de flujo nominal para el flujo estratificado. Sin embargo, el grado de exactitud proporcionado por la disminución del tamaño de las semiporciones de sensor 202 es compensado por la disminución de la fuerza de la señal proporcionado por las semiporciones de sensor 202. Además, conforme al flujo 13 se vuelve menos estratificado, es provechoso incrementar el tamaño de los sensores 15 con el objeto de detectar una porción mayor del flujo 13. Combinando las enseñanzas de las Figuras 14-21, se puede describir todavía otra modalidad de la presente invención en donde el tamaño de las semiporciones de sensor 202 es incrementado o disminuido según el nivel de estratificación del flujo 13. Esta modalidad emplea un arreglo de sensor similar al ilustrado en las Figuras 17, 18, en donde varios sensores 15 están colocados alrededor del perímetro de la tubería 14 en cada ubicación axial x?...xN de la tubería 14 (incluyendo los sensores opcionales 15 mostrados en la Figura 17) . Por ejemplo, los sensores 15 a lo largo de cada ubicación axial X?...xN de la tubería 14 pueden comprender tiras de material de película piezoeléctrica adheridos sobre la superficie de una banda de acero 206 (por ejemplo, una abrazadera de manguera) que se extiende alrededor y se sujeta sobre la superficie externa de la tubería 14. Como se comentará más adelante, se pueden emplear otros tipos de sensores 15 y otros métodos de sujeción de los sensores 15 sobre la tubería 14. En esta modalidad, los conjuntos 11 y 11' de sensores 15 se utilizan como se describió previamente con referencia a las Figuras 14-19. Es decir, el sensor de señales 19 aplica las señales de presión provenientes de los sensores 15 en el conjunto 11 a la lógica de flujo 36 efectuada por el procesador de señales 19 para determinar la velocidad del flujo 13 cerca de la parte superior de la tubería 14, y el procesador de señales 19 aplica las señales de presión provenientes de los sensores 15 en el conjunto 11' a la lógica de flujo 36 ejecutada por el procesador de señales 19 para determinar la velocidad del flujo 13 cerca del fondo de la tubería 14. El procesador de señales 19 compara entonces las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería 14 para determinar el nivel de estratificación del flujo 13. A sí mismo, en esta modalidad, como se muestra en las Figuras 17 y 18, para cada ubicación axial x?...xN de la tubería 14 (por ejemplo, para cada banda 206) los sensores 15 colocados en un lado de la tubería (por ejemplo, los sensores 15 a la izquierda de la línea vertical 203) representan una semiporción de sensor y los sensores 15 colocados en el lado opuesto de la tubería (por ejemplo, los sensores 15 a la derecha de la línea vertical 203) representan la otra semiporción de sensor. Para cada ubicación axial x?...xN, las señales de salida de cada uno de los sensores 15 que forman las semiporciones de sensor son combinadas (por ejemplo, sumadas) y procesadas para determinar la velocidad nominal del flujo 13 de conformidad con lo descrito con referencia a las Figuras 20 y 21. En respuesta al nivel determinado de estratificación, el procesador de señales 19 puede ajustar el tamaño de las semiporciones de sensor mediante la selección del número de sensores 15 en cada semiporción de sensor. Por ejemplo, si un nivel de estratificación es alto (por ejemplo, existe una diferencia importante entre las velocidades en la parte superior y en la parte inferior de la tubería 14), el procesador de señales 19 puede procesar solamente las señales provenientes de un par de sensores 15 (por ejemplo, los sensores más centrados 15 localizados en la línea 216 de la Figura 17) para cada ubicación axial X?...xN para determinar la velocidad nominal del flujo 13. Si el nivel de estratificación disminuye (por ejemplo, existe una reducción de la diferencia entre las velocidades en la parte superior y en la parte inferior de la tubería 14) el procesador de señales 19 puede combinar las señales proveniente de un número mayor de sensores 15 en cada ubicación axial xi...xN (por ejemplo, los sensores 15 localizados en las líneas 215, 216, y 217 de la Figura 17) para determinar la velocidad nominal del flujo 13. Además, sino se detecta estratificación, el procesador de señales puede combinar las señales de todos los sensores 15 en cada ubicación axial x?...xN para determinar la velocidad nominal del flujo 13. Como se comentó arriba con referencia a las Figuras 17-19, la presente invención contempla también que cualquier desfase de conjunto en comparación con el conjunto horizontal de centro (es decir conjunto 4) como por ejemplo los conjuntos 3 y 5 o combinaciones de otros conjuntos (conjunto 2 y 3 o conjunto 5 y 6) puede utilizarse para determinar la velocidad nominal o promedio del flujo de proceso. La determinación de qué conjunto o grupo de conjunto para determinar la velocidad nominal depende del nivel estratificación. Se contempla además que los conjuntos seleccionados para determinar la velocidad nominal y el flujo volumétrico del fluido de proceso pueden seleccionarse dinámicamente en respuesta al nivel medido de la estratificación. En cualquiera de las modalidades descritas aquí, los sensores 15 pueden incluir medidores de deformación eléctrica, fibras ópticas y/o rejillas, sensores portados, sensores ultrasónicos, entre otros de conformidad con lo descrito aquí, y pueden sujetarse sobre la tubería a través de adhesivo, pegamento, material epóxico, cinta u otro medio de fijación adecuado con el objeto de asegurar un contacto adecuado entre el sensor y la tubería 14. Los sensores 15 pueden ser alternativamente removibles o permanentemente fijados a través de técnicas mecánicas conocidas como por ejemplo arreglo de sujetador mecánico, cargado con resorte, sujetado con abrazaderas, arreglo de concha de almeja, fijación a través de bandas y otros equivalentes. Alternativamente, medidores de deformación, incluyendo fibras ópticas y/o rejillas pueden estar integrados en una tubería compuesta 14. Si se desea, para ciertas aplicaciones, se pueden separar las rejillas de la tubería 14 (o bien aisladas acústicamente o por deformación de) la tubería 14 si se desea. Se contempla también que cualquier otra técnica de detección de deformación puede ser utilizada para medir la variación de la deformación en la tubería 14, como por ejemplo medidores de deformación, electrónicos o eléctricos, piezoeléctricos altamente sensibles fijados o integrados en la tubería 14. En varias modalidades de la presente invención, se puede utilizar un transductor de presión piezoeléctrico como uno o varios sensores de presión y puede medir las variaciones de presión irregulares (o dinámica o ac) dentro de la tubería 14 mediante la medición de los niveles de presión dentro de la tubería. En una modalidad de la presente invención, los sensores 14 comprenden sensores de presión fabricados por PCB Piezotronics de Depew, Nueva York. Por ejemplo, en un sensor de presión están integrados sensores de tipo de modo de tensión piezoeléctrico de circuito que presentan amplificadores microelectrónicos integrados y convierten la carga de impedancia alta en una salida de tensión de baja impedancia. Específicamente, un modelo 106B fabricado por PCB Piezotronics es utilizado, el cual es un sensor de presión de cuarzo piezoeléctrico de circuito integrado compensado por aceleración de alta sensibilidad adecuado para medir fenómenos acústicos de baja presión en sistemas hidráulicos y neumáticos. Tiene la capacidad única de medir pequeños cambios de presión de menos de 9.1 DB (0.001 psi) bajo condiciones estáticas altas. El 106B tiene una sensibilidad de 300 mV/7 kPa (1 psi) y una resolución de 91 dB (0.0001 psi) . Los sensores 15 pueden incorporar un amplificador microelectrónico MOSFET integrado para convertir la salida de carga de impedancia alta en una señal de tensión de impedancia baja. Los sensores 15 pueden ser activados a partir de una fuente de corriente constante y pueden operar sobre un cable de cinta o coaxial largo sin degradación de señales. La señal de tensión de baja impedancia no es afectada por el ruido de cable triboeléctrico ni por contaminantes que degradan la resistencia al aislamiento. La potencia para operar los sensores piezoeléctricos de circuito integrado toma habitualmente la forma de una alimentación de corriente constante de bajo costo, de 24 a 27 VDC de 2 a 20 A. La mayoría de los sensores de presión piezoeléctricos son construidos ya sea con cristales de cuarzo de modo de compresión precargados en un bastidor regido o bien por cristales de turmalina sin restricción. Estos diseños proporcionan a los sensores tiempos de respuesta de microsegundos y frecuencias de resonancia de cientos de kHz, con una interferencia mínima. Diámetros de diafragma pequeños aseguran una resolución espacial de ondas de choque estrechas. La característica de salida de los sistemas de sensor de presión piezoeléctricos es la de un sistema acoplado a CA en donde señales repetitivas decaen hasta que exista un área igual arriba y abajo de la línea de base original. Puesto que los niveles de magnitud del evento monitoreado fluctúan, la salida permanece estabilizada alrededor de la línea de base con las áreas positivas y negativas de la curva permaneciendo iguales. Además se contempla que cada uno de los sensores 15 pueda incluir un sensor piezoeléctrico que proporciona un material piezoeléctrico para medir las presiones irregulares del flujo 13. El material piezoeléctrico, como por ejemplo polímero, fluoropolímero polimerizado, PVDF mide la deformación inducida dentro de la tubería de proceso 14 debido a las variaciones de presión inestable dentro del flujo 13. La deformación dentro de una tubería 14 es transducida en una tensión de salida o corriente por los sensores piezoeléctricos sujetados 15. El material de PVDF que forma cada sensor piezoeléctrico 15 puede estar adherido sobre la superficie externa de una abrazadera de acero que se extiende alrededor y se sujeta en la superficie externa de la tubería 14. El elemento de detección piezoeléctrico se conforma típicamente para permitir una medición circunferencial completa o casi completa de la deformación inducida. Los sensores pueden ser formados de película de PVDF, películas de copolímeros o sensores PZT flexibles, similares a los descritos en "Piezo Film Sensors technical Manual" [Manual técnico de sensores de películas piezoeléctricas] proporcionado por Measurement Specialities, Inc. de Fairfield, Nueva Jersey, que se incorpora aquí por referencia. Las ventajas de esta técnica son las siguientes: 1. Mediciones no intrusiva del caudal de flujo 2. Bajo costo 3. Una técnica de medición que no requiere de fuente de excitación. El ruido de flujo ambiente es utilizado como fuente. 4. Los sensores piezoeléctricos flexibles pueden ser montados en varias configuraciones con el objeto de mejorar los esquemas de detección de señales. Estas configuraciones incluyen a) sensores co-localizado, b) sensores segmentados con configuraciones de polaridades opuestas, c) sensores anchos para realzar la dirección de señal acústica y minimizar la detección de ruido de vórtice, d) geometría de sensor adecuadas para minimizar la sensibilidad a modos de tubería, e) diferenciar los sensores para eliminar el ruido acústico proveniente de señales de vórtice. 5. Temperaturas más elevadas (140° C) (copolímeros) La presente invención puede incorporarse en forma de procesos y aparatos implementados en computadora para practicar esos procesos. La presente invención puede también incorporarse en forma de un código de programa de cómputo que contiene instrucciones integradas en medios tangibles, por ejemplo discos blando, CD-ROM, discos duros, o cualquier otro medio de almacenamiento legible en computadora, en donde cuando el código de programa de computadora es cargado y ejecutado por una computadora, la computadora se vuelve un aparato para practicar la invención. La presente invención puede también incorporarse en forma de un código de programas de cómputo, por ejemplo, ya sea que esté almacenado en un medio de almacenamiento, cargado en una computadora y ejecutado por dicha computadora, o bien transmitida a través de cualquier otro medio de transmisión, como por ejemplo a través de alambrado o cableado eléctrico, a través de fibras ópticas, o bien a través de radiación electromagnética, en donde cuando el código de programa de computadora es cargado en una computadora y ejecutado por una computadora, la computadora se vuelve un aparato para practicar la presente invención. Cuando se implementa en un microprocesador para propósitos generales, los segmentos de código de programa de computación configuran el microprocesador para crear circuitos lógicos específicos. Se entenderá que cualquiera de las características, alternativas o modificaciones descritas en cuanto a una modalidad particular aquí puede también aplicarse, utilizarse o incorporarse con cualquier otra modalidad descrita aquí. Además, se contemplará que, mientras las modalidades descritas aquí son útiles para un flujo que tiene propiedades dispersantes (es decir, flujo estratificado), las modalidades descritas aquí pueden también ser utilizadas para flujo homogéneo sin propiedades dispersivas. Aún cuando la invención ha sido descrita e ilustrada con relación a ejemplos de modalidad, lo anterior y varias otras adiciones y omisiones pueden efectuarse sin salirse del espíritu y alcance de la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un aparato para medir un parámetro de un flujo que pasa por una tubería, el aparato comprende: un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores ofrece una señal de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con el flujo; y un procesador de señales configurado para: determinar, a partir de las señales, velocidades de convección de estructuras coherentes que tienen escalas de longitudes diferentes, y comparar las velocidades de convección para determinar un nivel de estratificación del flujo.
2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, en donde, en la comparación de las velocidades de convección, el procesador de señales es configurable para: construir una gráfica de las velocidades de convección en función de las escalas de longitudes, y determinar una pendiente de una línea de mejor ajuste a través de la gráfica, la pendiente de la línea indica el nivel de estratificación del flujo.
3. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, en donde la gráfica es normalizada por una velocidad nominal del flujo y un diámetro de la tubería.
4. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, en donde la pendiente se utiliza para calibrar el procesador de señales para determinar el caudal de flujo volumétrico del flujo.
5. El aparato de conformidad con la reivindicación 4, en donde el procesador de señales es configurado para: construir a partir de las señales al menos una porción de una gráfica k-?; y determinar un rango de frecuencias en el cual el procesador de señales analiza una cresta convectiva en la gráfica k-? para determinar el caudal de flujo volumétrico.
6. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, en donde, en la construcción de la gráfica de velocidad de convección de las estructuras coherentes en función de la frecuencia, el procesador de señales está configurado para: construir a partir de las señales al menos una porción de una gráfica k-?; identificar una cresta convectiva en la gráfica k-? en un primer rango de frecuencias; determinar una primera pendiente de la cresta convectiva, la primera pendiente es indicadora de una velocidad nominal del flujo; identificar varias porciones de la cresta convectiva en varios segundos rangos de frecuencias, cada segundo rango de frecuencias es inferior al primer rango de frecuencias y tiene un punto medio respectivo; determinar una segunda pendiente para cada una de las porciones de la cresta convectiva, cada segunda pendiente es indicadora de una velocidad de convección nominal de estructuras coherentes que tienen un rango de escalas de longitudes que corresponden a un segundo rango de frecuencias asociado; normalizar las velocidades de convección nominales de estructuras coherentes utilizando la velocidad nominal del flujo para proporcionar velocidades de convección normalizadas; y graficar cada velocidad de convección normalizada en función del punto medio respectivo no dimensionalizado por la velocidad nominal del flujo y el diámetro de la tubería para proporcionar la gráfica.
7. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, en donde el primer rango de frecuencias es ajustado con base en la pendiente.
8. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, en donde una escala de longitudes no dimensionales que es menos sensibles a la estratificación se utiliza para determinar el punto medio del primer rango de frecuencias, la escala no dimensional que es menos sensible a la estratificación se determina comparando varias gráficas de dispersión para niveles diferentes de estratificación y mediante la identificación del punto de pivote de las gráficas de dispersión de una gráfica de dispersión a otra.
9. Un aparato para medir un parámetro de un flujo que pasa por una tubería, el aparato comprende: un primer conjunto espacial de al menos dos sensores colocados en ubicaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores en el primer conjunto ofrece una primera señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con una porción del flujo que pasa a través de una porción superior de la tubería; un segundo conjunto espacial de al menos dos sensores colocados en ubicaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores en el segundo conjunto ofrece una segunda señal indicadora de presión inestable creada por estructuras coherentes que hacen convección con una porción del flujo que pasa a través de una porción inferior de la tubería; y al menos un procesador de señales configurado para: determinar una primera velocidad del flujo que pasa a través de la porción superior de la tubería utilizando las primeras señales, determinar una segunda velocidad del flujo que pasa a través de la porción inferior de la tubería utilizando las segundas señales, y comparar la primera velocidad y la segunda velocidad para determinar el parámetro del flujo.
10. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, en donde el parámetro del flujo incluye al menos uno de los siguientes: nivel de estratificación del flujo y caudal de flujo volumétrico del flujo.
11. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, en donde el microprocesador normaliza la primera velocidad y la segunda velocidad antes de comparar la primera velocidad y la segunda velocidad.
12. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, en donde el primer conjunto espacial está alineado axialmente a lo largo de una parte superior de la tubería y el segundo conjunto espacial está alineado axialmente a lo largo del fondo de la tubería.
13. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, que comprende además : al menos un conjunto espacial adicional de al menos dos sensores colocados en ubicaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores en el al menos un conjunto adicional ofrece una tercera señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con una parte del flujo cercano al sensor, el al menos un conjunto espacial adicional está alineado axialmente a lo largo de la tubería y está colocado entre el primer conjunto espacial y el segundo conjunto espacial; y en donde, para cada conjunto espacial adicional, el al menos un procesador de señales está configurado para: determinar una tercera velocidad del flujo cerca del conjunto espacial adicional utilizando las terceras señales, y comparar la primera velocidad, la segunda velocidad y la tercera velocidad para determinar el parámetro del flujo.
14. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, en donde la comparación de la primera velocidad, segunda velocidad, y tercera velocidad ofrece un perfil de velocidades del flujo que pasa a través de la tubería.
15. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, en donde el parámetro del flujo incluye al menos uno de los siguientes: nivel de estratificación del flujo y caudal de flujo volumétrico del flujo.
16. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, en donde el microprocesador normaliza la primera velocidad, segunda velocidad y tercera velocidad antes de comparar la primera velocidad, segunda velocidad y tercera velocidad.
17. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, en donde el parámetro del flujo incluye un nivel de estratificación del flujo y en donde, en respuesta al nivel de estratificación del flujo, el microprocesador selecciona un número de sensores para su uso para determinar una velocidad media del flujo.
18. Un aparato para medir un parámetro de un flujo que pasa por una tubería, el aparato comprende: un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores comprende un par de semiporciones de sensor colocadas en superficies laterales opuestas de la tubería, cada par de semiporciones de sensor ofrece una señal de presión indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con el flujo dentro de la tubería en una ubicación axial correspondiente de la tubería; y un procesador de señales configurado para determinar una velocidad nominal del flujo dentro de la tubería utilizando las señales.
19. Un método para medir un parámetro de un flujo que pasa a través de una tubería utilizando un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería, cada uno de los sensores ofrece una señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que hacen convección con el flujo, el método comprende: determinar a partir de las señales velocidades de convección de estructuras coherentes que tienen escalas de longitudes diferentes, y comparar las velocidades de conexión para determinar un nivel de estratificación del flujo.
20. El método de conformidad con la reivindicación 19, en donde la comparación de las velocidades de convección incluye: construir una gráfica de las velocidades de convección en función de las escalas de longitudes, y determinar una pendiente de una línea de mejor ajuste a través de la gráfica, la pendiente de la línea indica el nivel de estratificación del flujo.
21. El método de conformidad con la reivindicación 20, en donde la gráfica es normalizada por una velocidad nominal del flujo y un diámetro de la tubería.
22. El método de conformidad con la reivindicación 20, que comprende además : construir a partir de las señales al menos una porción de una gráfica k-?; y utilizando la pendiente, determinar un rango de frecuencias en el cual el procesador de señales analiza una cresta convectiva en la gráfica k-? para determinar el caudal de flujo volumétrico.
23. El método de conformidad con la reivindicación 20, en donde la construcción de la gráfica de velocidad de convección de las estructuras coherentes en función de la frecuencia comprende : construir a partir de las señales al menos una porción de una gráfica k-?; identificar una cresta convectiva en la gráfica k-? en un primer rango de frecuencias; determinar una primera pendiente de la cresta convectiva, la primera pendiente es indicadora de una velocidad nominal del flujo; identificar varias porciones de la cresta convectiva en varios segundos rangos de frecuencias, cada segundo rango de frecuencias es menor que el primer rango de frecuencia y tiene un punto medio respectivo; determinar una segunda pendiente para cada una de las porciones de la cresta convectiva, cada segunda pendiente es indicadora de una velocidad de convección nominal de estructuras coherentes que tienen un rango de escalas de longitudes que corresponde a un segundo rango de frecuencias asociado; normalizar las velocidades de convección nominales de estructuras coherentes utilizando la velocidad nominal del flujo para proporcionar velocidades de convección normalizadas; y graficar cada velocidad de convección normalizada en función del punto medio respectivo no dimensionalizado por la velocidad nominal del flujo y el diámetro de la tubería para proporcionar la gráfica.
24. El método de conformidad con la reivindicación 23, en donde el primer rango de frecuencias es ajustado con base en la pendiente.
25. El método de conformidad con la reivindicación 24, en donde una escala de longitudes no dimensional que es menos sensible a la estratificación se utiliza para determinar el punto medio del rango de frecuencias, la escala de longitudes no dimensional que es menos sensible a la estratificación determinándose mediante la comparación de varias gráficas de dispersión para niveles diferentes de estratificación y mediante la identificación del punto de pivote de las gráficas de dispersión de una gráfica de dispersión a otra. RESUMEN DE LA INVENCIÓN Se describen varios métodos para medir parámetros de un flujo estratificado mediante la utilización de al menos un conjunto espacial de sensores colocados en diferentes ubicaciones axiales a lo largo de la tubería. Cada uno de los sensores ofrece una señal indicadora de presión irregular creada por estructuras coherentes que están en convección con el flujo. En un aspecto, un procesador de señales determina, a partir de las señales, las velocidades de convección de estructuras coherentes que tienen diferentes escalas de longitudes. El procesador de señales compara entonces las velocidades de convección para determinar un nivel de estratificación del flujo. El nivel de estratificación puede ser utilizado como parte de un procedimiento de calibración para determinar el caudal de flujo volumétrico del flujo. En otro aspecto, el nivel de estratificación del flujo es determinado comparando las velocidades medidas localmente en la parte superior y en la parte inferior de la tubería. La relación entre las velocidades cerca de la parte superior y de la parte inferior de la tubería se correlaciona con el nivel de estratificación del flujo. Conjuntos de sensores adicionales pueden ofrecer un perfil de velocidad del flujo. En otro aspecto, cada uno de los sensores en el conjunto incluye un par de medias porciones de sensor colocadas en superficies laterales opuestas de la tubería, y el procesador de señales determina una velocidad nominal del flujo dentro de la tubería utilizando las señales.