MXPA99009027A - Metodo y dispositivo de analisis de proceso de asentamiento - Google Patents

Abstract

Se describe un método y sistema para verificar la dinámica del movimiento de partículas en un medio líquido sólido que incluye la velocidad de asentamiento de las partículas, la identificación de las nubes de partículas no asentadas y la identificación y control del nivel del lecho de las partículas asentadas en una suspensión dentro de un asentador. El sistema incluye un transductor de ultrasonido y un receptor para detectar los ecos de partículas en la suspensión. Los ecos son procesados para determinar el nivel del lecho de las partículas asentadas, la posición de las nubes de partículas no asentadas y la velocidad de asentamiento de las nubes de partículas.

Description

MÉTODO Y DISPOSITIVO DE ANÁLISIS DE PROCESO DE ASENTAMIENTO Antecedentes de la invensión La determinación exacta del nivel del lecho de las partículas asentadas o sedimentadas es importante para controlar los tanques de asentamiento tales como clarificadores, espesantes y asentadores de aluminio y carbón. Durante la operación de un asentador, se forma una suspensión de liquido cargado con partículas tales como aluminio, desperdicios sólidos o carbón es portado via un tubo a la parte central superior, esto es la "cavidad central" de un tanque de asentamiento. Luego la suspensión es descargada a la cavidad central y se permite que las partículas se asienten sobre el fondo del tanque. Las partículas asentadas forman un lecho y la interfase liquido-sólido entre la suspensión de desperdicio y el liquido por encima es el nivel del lecho. Sin embargo, frecuentemente las partículas en la suspensión no se asientan inmediatamente al fondo, sino que permanecen suspendidas en el tanque para formar una "nube" que puede ser creada o ser un pronosticador de una condición alterada. El conocimiento de la ubicación del nivel del lecho y/o las dimensiones e intensidad de la nube es importante para controlar la cantidad de compuestos químicos o floculantes agregados al tanque para controlar el proceso de asentamiento o sedimentación. REF.: 31226 Las velocidades de asentamiento en espesantes y clarificadores se han controlado manualmente debido a la carencia de instrumentación de medición confiable. Las velocidades de asentamiento se han determinado manualmente al depositar una muestra de la suspensión tomada del tanque de almacenamiento a un cilindro graduado y al emplear fotóceldas u observación visual para medir el tiempo en que las partículas suspendidas caen una distancia dada dentro del cilindro. Este método, aunque es simple y no es caro no es un método confiable para medir las velocidades de asentamiento puesto que depende de la obtención de una muestra representativa del asentador, se lleva a cabo al exterior del asentador y su exactitud depende del observador humano . El nivel del lecho de las partículas asentadas también se ha determinado al utilizar sistemas de ultrasonido fish finder no coherentes simple (modo A) . En un sistema de modo A, un transductor envia un impulso de ultrasonido a la suspensión de partículas contenida en un "asentador". Ecos de bajo nivel regresan de la superficie del lecho "asentado. Si se conoce la velocidad del impulso de ultrasonido, entonces se puede calcular la distancia al nivel del lecho de las partículas asentadas a partir del tiempo entre el impulso transmitido y el eco devuelto al utilizar la ecuación de rango bien conocida: en donde d = distancia al objetivo, c = velocidad del sonido en el liquido u otros medios, t = tiempo de viaje de ida y vuelta del impulso del transductor al retorno del eco. Los sistemas de modo A simple de la técnica son útiles cuando existe una frontera de nivel del lecho distinta y en donde aquella frontera es esencialmente perpendicular a la trayectoria del transductor de ultrasonido. Sin embargo, si la frontera del nivel del lecho no es casi perpendicular a la trayectoria del transductor o cuando no hay ninguna frontera de nivel del lecho distinta, entonces los ecos del nivel del lecho pueden ser confusos o indetectables . Además, en las partículas no asentadas en donde podria existir un nivel de lecho, los sistemas de ultrasonido de modo A proporcionan poca o ninguna información en cuanto al desempeño del asentador. Actualmente, los sistemas de modo A no coherente no pueden detectar confiablemente el nivel del lecho, la capa de "nube y las caracteristicas de la capa de nube. Por consiguiente existe una necesidad de una determinación confiable y exacta del nivel de lecho y la existencia de la capa de nube y la actividad de partículas en la capa de nube .

Breve descripción de la invención La invención proporciona un sistema y método para uso en la detección y control del nivel de lecho de partículas asentadas en una suspensión. La invención también puede ser utilizada para controlar la velocidad de asentamiento de partículas en suspensiones. El sistema incluye un transductor de ultrasonido para transmitir impulsos de ultrasonido en una suspensión en un tanque de asentamiento. El sistema también emplea un preamplificador-receptor para detectar los ecos de las partículas en la suspensión. Estos ecos son procesados para determinar el nivel del lecho de las partículas asentadas, la existencia de nubes y la actividad de partículas en la nube en el asentador, también como la velocidad de asentamiento de las partículas. El nivel del lecho y la velocidad de asentamiento se pueden utilizar para controlar la adición de compuestos químicos, adiciones de suspensión y los semejantes al tanque de asentamiento. El sistema empleado en la invención puede operar en cualquiera de los siguientes modos coherentes: (i) el modo pico (modo A coherente) para detectar el nivel del lecho cuando existe, (ii) el modo de detección de objetivo móvil para detectar las nubes de partículas y para determinar sus caracteristicas y también para detectar el nivel del lecho y (iii) el modo de procesamiento de Doppler para detectar la velocidad ascendente y descendente de las partículas en la suspensión liquida en el tanque de asentamiento. El método de pico y los modos de detección de objetivo móvil son llamados los modos de imagen. En otro aspecto, la invención proporciona un sistema y método para localizar el nivel del lecho de las partículas asentadas dentro de una suspensión liquida. Los métodos comprenden transmitir ondas de sonido ultrasónicas de una primera frecuencia de un transductor a una suspensión que tiene un lecho de partículas asentadas y una nube de partículas de asentamiento o sedimentación. Las ondas ultrasónicas generan ecos del lecho y ecos de las partículas de asentamiento. Señales eléctricas digitales y análogas son generadas a partir de los ecos y las señales eléctricas son procesadas para caracterizar el nivel del lecho y el asentamiento de las partículas. En otro aspecto, la invención proporciona un sistema para identificar el nivel del lecho y las partículas de asentamiento. El sistema emplea un transductor para enviar señales de ultrasonido a una suspensión. Las señales de ultrasonido son reflejadas como ecos que son capturados mediante un preamplificador-receptor . El preamplificador-receptor convierte los ecos a señales eléctricas análogas. Estas señales son dirigidas a canales de seno y coseno individuales en donde aquellas señales son multiplicadas ya sea con una señal seno o señal coseno en un mezclador y filtradas para eliminar los productos de alta frecuencia del mezclador. ün conmutador análogo multiplexa las nuevas señales análogas resultantes a un convertidor análogo-digital que convierte aquellas señales análogas a señales digitales. Las señales digitales son almacenadas en una memoria de adquisición de datos para su procesamiento numérico de acuerdo a cualquiera del método pico, método de partícula móvil o el método de Doppler como se describe posteriormente en la presente. El sistema de la invención incluye una memoria de cancelación de rango de fase para el almacenamiento de una versión retardada en el tiempo del ruido de fondo o ruido de referencia. El sistema y método de la invención emplean un rango dinámico más amplio de detección de eco que se ha empleado en los sistemas de modo A no coherentes de la técnica previa. Por consiguiente, los ecos pueden ser procesados para producir un rango más amplio de información de amplitud y fase, información de retardo de rango de tiempo, información de actividad de la capa de nube, también como información de la velocidad de las partículas, tales como la velocidad de asentamiento. En otro aspecto el sistema y método de la invención pueden ser empleados para verificar el desempeño y las condiciones del asentador independientemente de la presencia de un nivel de lecho detectable. En todavía otro aspecto, el sistema y método de la invención permiten la detección y caracterización confiable de las propiedades de las nubes no asentadas tales como la actividad de partículas internas y espesor de nube a partir del nivel del líquido al fondo del asentador. Por consiguiente, una multiplicidad de nubes sin asentar pueden ser detectadas y caracterizadas simultáneamente. Los resultados pueden ser empleados como un indicador de una condición alterada del asentador. Habiendo resumido brevemente la invención, ahora será descrita en detalle por referencia a la siguiente especificación y ejemplos no limitantes. Como se usa en la presente "asentador" incluye dispositivos tales como clarificadores, espesantes u otros aparatos similares.

Breve descripción de los dibujos Las figuras ÍA y IB muestran un esquema de la técnica para la medición del nivel del lecho. Las figuras ÍA y IB también muestran gráficas de la amplitud de eco unipolar contra profundidad en el tanque de asentamiento. La figura 2A muestra un esquema de la detección de eco en varios puntos en una suspensión. Las figuras 2B-2D representan las señales de eco detectadas en varios puntos mostrados en la figura 2A.

Las figuras 3A-3C muestran los efectos del procesamiento de señales de eco mediante la invención. La figura 4 es un diagrama de bloques del sistema de la invención. La figura 5 es un esquema de un proceso de control del nivel del lecho.

Descripción detallada de la invención El nivel del lecho de las partículas asentadas puede ser definido como el nivel en donde la velocidad hacia abajo de las partículas de asentamiento es menor que un valor dado, por ejemplo 5.1 cm (2 pulgadas) /minuto, que es una velocidad casi cero o en donde existe una frontera detectable distinta entre la nube de partículas no asentadas y el lecho asentado. La figura 1A muestra un nivel de lecho bien definido en donde una nube de partículas no asentadas está cerca del fondo de un tanque de asentamiento pero no se superpone al nivel del lecho. Por consiguiente los ecos del nivel del lecho son claros y distintos. La amplitud de las señales de"* eco del nivel del lecho también se muestran en la figura 1A. En contraste y como se muestra en la figura IB, cuando una nube de partículas no asentada se superpone al nivel del lecho, los ecos del nivel del lecho son alterados por ecos de la nube de partículas. Como resultado y como se muestra en la figura IB, los ecos del nivel del lecho son confusos . De acuerdo con la invención y como se muestra en la figura 2A, un transductor T de ultrasonido transmite un impulso ultrasónico a la nube 5 de partículas en un tanque de asentamiento. Los ecos de las partículas generados mediante el impulso ultrasónico son reflejados de regreso hacia el transductor y alimentados al preamplificador-receptor P-R cuando el impulso ultrasónico se encuentra con nubes de partículas, el nivel del lecho o el fondo del asentador. El tamaño de partículas de los materiales que sufren el tratamiento en los asentadores pueda variar de un proceso a otro. Para materiales de aproximadamente 500 a 30Q0 mieras de diámetro, las frecuencias de onda ultrasónicas de aproximadamente 200 a 500 KHz permiten la detección del nivel del lecho y "actividad" o nivel de "nube" de las partículas no asentadas con una alta proporción de señal a ruido. Para materiales de aproximadamente 200 a 500 mieras de diámetro, las frecuencias de onda ultrasónicas de aproximadamente 500 KHz a 2.25 MHz* también permiten la detección del nivel del lecho y "actividad" o nivel de "nube" con una proporción de señal a ruido equivalente. Para materiales de tamaños de partículas más pequeñas que sufren tratamiento en un asentador, por ejemplo de 50 a 200 mieras, la frecuencia de onda ultrasónica debe ser incrementada a 2.25 a 5 MHz para una proporción de señal a ruido equivalente. La figuras 2B-D presentan señales generadas mediante el método de Doppler también como el método de detección de partículas móviles empleado en la invención para los puntos Pl, P2 y P3 en las figura 2A. El punto P3 en la figura 2A representa el nivel de lecho asentado en el fondo de un tanque de asentamiento. El punto P2 representa una posición en la nube 5 ligeramente por encima de la superficie del nivel del lecho asentado y el punto Pl representa una posición en la nube 5 de partículas. En los puntos Pl y P2 las señales de eco varían con el tiempo alrededor de una referencia de 0. La proporción de varianza depende de la velocidad de las partículas, la frecuencia del transductor y la velocidad del sonido en la suspensión. Las formas de onda típicas generadas a partir de estas partículas son mostradas en las figuras 2B y 2D. Estas formas de onda pueden ser procesadas mediante transformada de Fourier rápida conocida (FFT) en el método de Doppler y el método de detección objetivo móvil para ubicar o situar el nivel del lecho. Estos datos son utilizados para estimar un nivel del lecho cuando una frontera de nivel de lecho distinta no está presente. En contraste, las señales de la frontera del nivel de lecho casi estacionaria en el punto P3 produce una señal constante o caso constante como se muestra en la figura 2C. La forma de onda en la figura 2C, cuando es analizada mediante FFT o un modo de detección de objetivo móvil proporciona una velocidad de partículas cero o casi cero. En cada uno de los modos de detección de Doppler, pico y coherente de objetivo móvil de la invención, las señales de seno (sen) y coseno (eos) son multiplicadas con las señales análogas de eco. La amplitud y la envolvente de las frecuencias de las señales análogas resultantes en cada uno de los canales de seno y coseno representan los datos de eco obtenidos a lo largo de la trayectoria del ultrasonido del transductor. La figura 3A muestra señales análogas generadas mediante ecos de un nivel del lecho lentamente ondulante, distinto con ninguna nube de partículas no asentada superpuesta al nivel del lecho. La figura 3B presenta la amplitud y frecuencia de los datos de eco obtenidos de una capa de nube no asentada que se extiende a lo largo de sustancialmente toda la trayectoria del transductor al fondo del asentador. La figura 3C muestra la amplitud de frecuencia de los datos de eco obtenidos de un solo nivel de lecho estacionario distinto. Los datos de amplitud del eco a profundidades variables en el tanque se pueden calcular a partir de los datos de canal de seno y coseno como se describe posteriormente en la presente.

Con referencia a la figura 4, se muestra un diagrama de bloques del sistema de la invención. Como se muestra en la figura 4, un oscilador de cristal disponible comercialmente, que es un elemento del oscilador principal, controla el tiempo y las funciones lógicas del sistema. Osciladores de cristal útiles están disponibles de Digikey Co. of Minnesota, ün cristal resonante de frecuencia en el oscilador principal proporciona una frecuencia básica estable para el sistema. El oscilador principal y lógico también generan frecuencias de seno y coseno para su multiplicación con las señales de eco para generar nuevas señales análogas en los mezcladores. Estas frecuencias de seno y coseno son coherentes con la frecuencia de ultrasonido del transductor y difieren entre sí por un desplazamiento de fase de 90°. Una señal de impulso de canal seno de compuerta de tiempo, generada por el oscilador principal y amplificada por el pulsador, sirve como la señal de excitación del transductor. Todas estas señales son coherentes con el oscilador de cristal. Una cadena de contador binario sincronizado (no mostrado pero es parte del bloque "del oscilador principal) divide la frecuencia del oscilador de cristal para proporcionar una frecuencia de repetición del transductor deseada. Por ejemplo, una frecuencia de repetición del transductor para uso en un asentador de tres metros (10 pies) de profundidad puede emplear un retardo de 0.003 segundos entre los impulsos de transductor sucesivos. El retardo de tiempo permite que todos los ecos que regresan de un primer impulso de ultrasonido del transductor sean recibidos mediante un preamplificador-receptor antes de que se transmita el siguiente impulso del transductor. Las señales de eco de los mezcladores de canal de seno/coseno son filtradas pare eliminar las frecuencias de orden más alto, enviadas a un amplificador y luego enviadas a un convertidor análogo a digital (ADC) vía un conmutador análogo. El ADC toma muestras alternativamente de las señales análogas de los canales de seno y coseno vía el conmutador análogo para su conversión a un código digital. El código digital resultante es enviado a la memoria de adquisición de datos. Todas las señales de sincronización y lógicas para llevar a cabo la selección del conmutador análogo, conversión análoga a digital y almacenamiento en la memoria de adquisición de datos son generadas en el bloque oscilador principal, tal como es reconocido por aquellos experimentados en la técnica. Esto permite que el sistema sea sincronizado con el oscilador de cristal principal y el sistema de tal manera que sea coherente. Los ecos son detectados y amplificados en el bloque de preamplificador-receptor. Una característica del preamplificador-receptor es la provisión de ajuste de voltaje de control de ganancia en el tiempo. El voltaje de control de ganancia en el tiempo puede ser formado o configurado para incrementar la ganancia de preamplificación para compensar la trayectoria de ultrasonido del transductor que se dispersa a medida que el impulso de ultrasonido viaja al fondo del asentador. Las amplitudes de eco para todos los objetivos a lo largo de la trayectoria del haz del transductor por consiguiente tienden a ser compensados o igualados, para proporcionar por consiguiente datos de eco análogos más confiables. Las señales de eco amplificadas del preamplificador-receptor son transmitidas a los mezcladores de seno y coseno en donde son multiplicadas por las señales de seno y coseno del oscilador principal. La salida de señal análoga de cada mezclador consiste de señales con la amplitud de eco que tiene una frecuencia igual a la diferencia entre la frecuencia de excitación del transductor y la frecuencia de eco devuelta, más los términos de frecuencia más alta. Los términos de frecuencia más alta son eliminados mediante filtros enseguida de los mezcladores como se muestra en la figura . Las salidas de señal análoga de seno/coseno de los filtros pueden ser incrementadas en un amplificador para su introducción a un convertidor análogo-digital para su conversión a señales eléctricas digitales.

Los ecos que regresan de un objetivo estacionario tal como un nivel de lecho asentado tienen la misma frecuencia como el impulso de ultrasonido del transductor original, mientras que los ecos de objetivos móviles tales como partículas son de una frecuencia desplazada igual a la frecuencia de desplazamiento de Doppler. La frecuencia de desplazamiento de Doppler es estimada mediante la ecuación: fd = (2vft/c) *cos (f) en donde fd = frecuencia de desplazamiento de Doppler, v = velocidad de las partículas, ft= frecuencia del transductor, c = velocidad del sonido y f = ángulo entre la dirección de las partículas y la trayectoria de ultrasonido del transductor. Por ejemplo, si las partículas fluyen en una dirección vertical, ya sea hacia arriba o hacia abajo, entonces f es = 0 o 180° y coseno de (f) = ± 1. Si un eco regresa de un objetivo estacionario tal como un nivel de lecho asentado, las salidas de señal análoga de canal seno/coseno aparecen como en la figura 3C. Como se "muestra en la figura 3C, la diferencia de frecuencia entre la frecuencia de ultrasonido del transductor y la frecuencia de eco es aproximadamente cero. La polaridad de la señal análoga de seno o coseno depende de la reacción entre la fase de la señal de seno/coseno y la fase del eco. Por ejemplo, una señal de amplitud unipolar de un nivel de lecho claramente definido, tal como se muestra en la figura 1, se encuentra al calcular la raíz cuadrada de la suma del cuadrado del canal de seno más el cuadrado del canal de coseno. Los ecos de objetivos aislados que se mueven lentamente tales como ecos de una frontera de nivel de lecho que se mueve lentamente, aparecen como en la figura 3A. Como también se muestra en la figura 3A, las señales de salida análogas de seno/coseno oscilan alrededor de la referencia a una frecuencia igual a la diferencia entre la frecuencia de eco y la frecuencia de impulso transmitida. Una señal análoga unipolar como se muestra en la figura IB es obtenida al tomar la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las señales análogas de seno y coseno. Los ecos de una nube no asentada aparecen como en la figura 3B. La frecuencia de oscilación de los ecos alrededor de la referencia en cualquier punto a lo largo de la trayectoria de ultrasonido del transductor depende de la diferencia de frecuencia entre los ecos devueltos y la frecuencia* de impulso transmitida en aquel punto. En general, las salidas de señal análoga de seno/coseno para las capas de nube sin asentar son menores en amplitud que para las capas de lecho asentadas.

Los ecos de ruido de fondo pueden interferir con los ecos deseados de las partículas de nubes sin asentar al introducir una fase de rango parásita. Esta fase de rango parásita puede ser identificada al dirigir un impulso ultrasónico del transductor desde el fondo del tanque para generar ecos que representan el ruido de fondo y para el almacenamiento en memorias de fase de rango. Durante los impulsos del transductor, los datos de fase de rango parásitos son leídos de la memoria de cancelación de fase de rango y restados coherentemente de las señales de eco para eliminar los datos de fase de rango parásitos. La memoria de cancelación de fase de rango requiere actualización periódica para tomar en cuenta las condiciones variables del asentador. La frecuencia de actualización puede ser determinada fácilmente por aquellos experimentados en la técnica de acuerdo con las condiciones del asentador. Las variables y modos de recolección de datos son establecidos por introducción a la computadora por el operador. El operador introduce los datos para la profundidad del asentador, velocidad de repetición del transductór y el modo deseado de operación, esto es modo pico y modo de partícula móvil y el modo de Doppler. Si el modo de Doppler es seleccionado, el operador introduce el número y ubicación (es) de la profundidad de las muestras de Doppler. Convenientemente, se puede emplear cualquiera del método de pico, método de partícula móvil y los métodos de Doppler como se describen posteriormente en la presente. Una computadora resume los datos de entrada del operador y almacena aquellos datos en un archivo en el disco duro para el arranque del ADC, elección de imagen o modos de Doppler, etc. Al inicio de la operación, esta información de memoria es leída al lógico del sistema por las profundidades preseleccionadas del transductor para el modo de Doppler. Todas las señales lógicas y de temporización subsecuentes para la operación del sistema son derivadas en el bloque del oscilador principal. Estas señales subsecuentes incluyen impulsos de temporización de ADC, direcciones de memoria e impulsos de escritura, también como señal de control del conmutador análogo. Como se menciona, las condiciones del asentador son transitorias. Por consiguiente la frontera del nivel de lecho pueden no estar en una posición satisfactoria para su detección en el tiempo de un impulso del transductor dado. Así, en un momento específico, puede existir un nivel de lecho distinto perpendicular a la trayectoria de ultrasonido del trarísductor pero en el instante siguiente, el nivel del lecho se puede volver menos distinto o ya no es perpendicular a la trayectoria de ultrasonido del transductor. Ventajosamente, en los modos de dos imágenes, los ecos pueden ser recolectados en varios impulsos del transductor y almacenados en la memoria de adquisición de datos. Los datos de los varios impulsos del transductor incrementan el tiempo de observación de la frontera del nivel del lecho, si existe y la probabilidad de detección del nivel del lecho. Los datos en la memoria de adquisición de datos pueden ser procesados mediante tres métodos distintamente diferentes como se afirma anteriormente. En el método de detección de pico, las señales de seno y coseno análogas son recuperadas de la memoria en una base de línea por línea del transductor. Como se usa en la presente, una línea del transductor es la colección de ecos que regresan de un solo impulso de ultrasonido. Ventajosamente, el método de pico permite la detección del nivel de lecho aún si solamente una línea del transductor en la memoria de adquisición de datos detectó un nivel de lecho. Además, si el nivel de lecho asentado es detectado por varias líneas de transductor en la memoria de adquisición de datos, entonces se incrementa la probabilidad de detectar un nivel de lecho. La línea resultante muestra el puntó de eco máximo por cada incremento de rango en la trayectoria de ultrasonido del traductor y presenta ecos del nivel de lecho asentado para determinar el nivel del lecho. Para ajustar a valores el sistema para uso con el método de pico, el valor inicial en cada punto de datos en las líneas resultantes para cada una de las señales análogas de seno y señales análogas de coseno es ajustado a cero. Como se usa en la presente, la línea resultante es la línea que presenta los valores de señal más altos a cada profundidad en el tanque de asentamiento de todas las líneas del transductor registradas en cada canal de seno y coseno. Para cada línea del transductor, el valor de señal a cada profundidad en el tanque de asentamiento es comparado con el valor ya presente en la línea resultante a aquella profundidad con el valor en aquella profundidad correspondiente de los canales de seno y coseno. Luego, se asigna el mayor de los dos valores de señal a la línea resultante. Por supuesto, la primera línea del transductor será mayor que los valores ajustados a valores iniciales en la línea resultante. Este proceso es repetido sobre el número de líneas del transductor registradas en la memoria. Las líneas resultantes de canal de seno y coseno son iguales a la profundidad por el valor de máxima profundidad por el valor de máxima profundidad del número de líneas del transductor. "El método de detección de pico proporciona una línea resultante combinada que es igual a la raíz cuadrada del cuadrado de los datos del canal seno mas el cuadrado de los datos del canal coseno en una base de punto a punto a lo largo de cada una de las líneas resultantes previas. El nivel de lecho se encuentra al ubicar la amplitud de pico sobre la línea resultante combinada. Cuando los datos de eco del nivel de lecho tienen un carácter desordenado o aleatorio, ya sea durante la suma de los periodos para transmitir el número deseado de impulsos de ultrasonido, esto es el periodo de interrogación o fragmentado a través del mismo periodo de interrogación, el método de pico incrementa significativamente la probabilidad de la detección del nivel de lecho al seleccionar el valor pico para cada punto de datos de la línea resultante. En el método de detección de pico, el nivel del lecho y el nivel de actividad de las partículas no asentadas se pueden encontrar al analizar los datos de ultrasonido de la línea del transductor resultante. La red neural es el método de análisis preferido. Cualquiera de los paquetes de desarrollo de software de Neural Network pueden ser utilizados en la invención. Al presentar las líneas del transductor resultantes de datos de ultrasonido como las entradas y el nivel de lecho en tiempo real medidos correspondientes y lo niveles de actividad de las partículas como las salidas, se construye una red neural que "aprende" de los conjuntos de datos medidos de entradas y salidas proporcionadas a la misma. Luego el modelo desarrollado de red neural resultante es utilizado en la parte de control de la invención.

El método de objetivo móvil puede ser usado cuando el método de detección de pico no puede encontrar un eco del nivel del lecho asentado o cuando lo ecos del nivel del lecho están demasiado cercanos a los niveles de ruido de fondo para ser confiables. Estas condiciones pueden existir cuando en las partículas pueden no asentarse bien, si es que se asientan, tal como durante una condición alterada en donde se pueden formar una o más nubes de partículas. Dentro de estas nubes, las partículas no asentadas se mueven con velocidades diferentes. Bajo estas condiciones, la identificación del número de nubes, la actividad de las partículas dentro de las nubes y el tamaño y posición de las nubes son útiles para describir la condición del asentador. El método de objetivo móvil reconoce que las partículas móviles cambian de posición entre los impulsos del transductor, para provocar mediante esto cambios en las señales análogas de seno y coseno. El método de objetivo móvil estima el movimiento de las partículas al restar una línea de señales análogas de seno y coseno del transductor de la siguiente línea de datos de señales análogas de seno y coseno del transductor y luego al tomar el valor absoluto de aquella diferencia. Los valores absolutos de las diferencias son sumados sobre el número de líneas del transductor. Estas suma representa una puntuación integrada de la actividad de las partículas del transductor al fondo del asentador. Una puntuación integrada de la actividad de partículas a través de la profundidad del asentador se encuentra al calcular la raíz cuadrada de la suma del cuadrado de la señal análoga seno más el cuadrado de la señal análoga de coseno. Las amplitudes más altas indican mayor actividad de la partícula. Las nubes se encuentran mediante el método de objetivo móvil al identificar las partículas no asentadas con una puntuación de actividad integrada (suma) por encima de un valor de referencia. El valor de referencia puede ser determinado al graficar la puntuación integrada de actividad de partículas como función de la profundidad en el asentador. Las puntuaciones de actividad de partículas integradas para la nubes son significativamente más altas que aquellos para una columna de líquido que está libre de nubes. El número de presencia en donde las puntuaciones integradas se desvían de la referencia es igual al número de nubes presentes en el tanque. Además, las ubicaciones de estas desviaciones también indican las ubicaciones de la nube. Así las puntuaciones de la actividad integrada se pueden utilizar para identificar el número de nubes, la actividad de partículas en una nube individual y la extensión de la formación de nube para evaluar el estado del asentador independientemente si se obtiene un nivel de lecho determinado del método de pico. Por ejemplo, una puntuación de alta actividad indica una nube con un alto grado de actividad de partículas individual. Las nubes más grandes presentan actividad de partículas en un amplio rango, en tanto que las nubes pequeñas presentan actividad de partículas en rangos limitados. La información de nube proporciona datos para evaluar la condición del asentador y la necesidad de ajustar la cantidad y tipo de adiciones de compuestos químicos, adiciones de suspensión, velocidad de agitación del asentador, etc. en el asentador. En ciertas situaciones, un nivel de lecho no es suficientemente compacto para que el método de pico lo detecte. Tal nivel de lecho existe cuando hay un cambio en la densidad de partículas o un cambio en el movimiento de las partículas. Este tipo de nivel de lecho puede ser llamado un nivel de lecho blando. Las puntuaciones de actividad integradas se pueden utilizar para identificar un nivel de lecho blando. Cuando existe y no hay ninguna nube superpuesta, el nivel de lecho blando provocará una desviación más aguda de la referencia en relación con una desviación provocada por la capa de nubes. Cuando una nube se superpone a un lecho, no habrá desviación aguda sino que se puede detectar un nivel de lecho sin la desviación provocada por la nube regresa aguda o abruptamente a la referencia. Al nivel del lecho, hay un mínimo movimiento de partículas. Como resultado, la puntuación de actividad integrada está cerca de las referencias. En el modo de Doppler, las direcciones ascendentes y descendentes de la velocidad de partículas se calculan en puntos específicos a lo largo de la trayectoria de ultrasonido del transductor. De acuerdo con la ecuación de rango bien conocida anterior, una profundidad en el asentador es seleccionada y se registra el tiempo T0 en el cual la señal de ultrasonido es transmitida. A un tiempo predeterminado Tf, se registra la frecuencia y amplitud de los ecos de la partícula. El tiempo T es preajustado o preestablecido de tal manera que corresponda con una profundidad particular en la suspensión en base a la velocidad del sonido en el líquido. Al hacer variar Tf, la velocidad de asentamiento de las partículas a varias distancias de la cara del transductor al tanque pueden ser verificadas. Las mediciones a diferentes profundidades pueden ser obtenidas bajo el control de computadora para integrar perfiles de velocidad de asentamiento como función del tiempo mediante FFT. En el modo de Doppler, el sistema de la invención puede acumular una diversidad de puntos de muestreo, tales como Pi y J P2 en la figura 2A. Convenientemente, se pueden utilizar ocho puntos de toma de muestras. Solamente un punto de datos en los canales de seno y coseno necesita tomarse en cada punto de muestra por cada línea de datos del transductor. Después que se consuma la adquisición de datos, la señal análoga de seno y coseno para cada punto de muestra es recuperado de la memoria de adquisición de datos. Estos datos análogos de seno y coseno son analizados al utilizar transformada de Fourier rápida (FFT) u otras técnicas espectrales de frecuencia o algoritmo analizador de espectros, tales como técnicas auto-regresivas. El periodo de tiempo de toma de muestras o periodo de interrogación requerido para uso con el método de Doppler es determinado por la velocidad de partículas mínima a ser detectada. En un asentador, las velocidades de partícula mínimas son del orden de 2.5 - 5.1 cm (1 - 2 pulgadas) /minuto. Por consiguiente el periodo de tiempo de toma de muestras es (l/fd), en donde fd es la frecuencia de Doppler correspondiente a la velocidad de partícula mínima. Las bajas velocidades corresponden a bajas frecuencias en la FFT. Tiempos de observación del orden de 10 segundos pueden ser requeridos para obtener este grado de resolución de velocidad de partículas mediante FFT. Sin embargo, la frecuencia* mínima de repetición del mínima es determinada mediante la velocidad de partícula máxima esperada. Por ejemplo, al utilizar un transductor de 500 KHz y una velocidad de partículas máxima de 0.15 m (0.5 pies) /segundo, la frecuencia de Doppler es de aproximadamente 152 Hz, que requiere una frecuencia de repetición del transductor de por lo menos 304 Hz. En el modo de Doppler, el rango para una muestra de Doppler debe estar en el rango de frecuencia de repetición del transductor. Además, se puede emplear una guía de ondas de longitud limitada o "caja silenciosa". La guía de ondas sirve como una cámara en donde las corrientes de circulación del asentador introducidas por la agitación rotativa y el flujo de entrada de la cavidad central son atenuadas significativamente. Sin la guía de ondas, las corrientes circulantes provocan que las partículas se muevan en direcciones diferentes a la vertical, lo que hace difícil interpretar la velocidad de Doppler y la información de dirección. La información de Doppler de una guía de ondas corresponde estrechamente con las velocidades de sedimentación medidas manualmente al utilizar un cilindro graduado al exterior del ambiente del asentador. En una modalidad alternativa, el nivel del lecho asentado y las nubes de partículas pueden ser medidos en dos o más sitios con un tanque de asentamiento al posicionar transductores adicionales además de la cavidad central del tanque que el primer transductor primario. Se pueden utilizar múltiples transductores para mantener una alta proporción de señal a ruido en los ecos del nivel del lecho para superar los problemas de proporción de señal a ruido producidos en los ecos del nivel de lecho debidos a las burbujas. Si las burbujas se adhieren a un área suficientemente grande de la cara del transductor, el transductor no funcionará eficientemente, si es que funciona. Si las burbujas se acumulan ya sea sobre uno u otro de los transductores, las burbujas pueden ser eliminadas mediante un limpiador que pasa debajo del transductor. La generación de burbujas puede ser un problema significativo en un clarificador de aluminio. Pueden surgir burbujas cuando los líquidos son calentados a temperaturas cerca del punto de ebullición o mayores. También pueden surgir burbujas cuando la suspensión líquida es liberada de una fuente a alta presión a un asentador. Un transductor secundario está normalmente libre de burbujas a no ser que todo el clarificador contenga líquido en ebullición. Otro modo de la presente invención involucra el uso de múltiples transductores en arreglos. Un arreglo de transductores consiste de uno o más transductores o elementos de transductor. Estos transductores o elementos de transductor son arreglados geométricamente para proporcionar características de haz de ultrasonido mejoradas con respecto a un solo transductor o elemento de transductor. El haz de ultrasonido generado tiene una mayor intensidad de sonido (potencia) y presión que aquella de un solo transductor a lo largo de la trayectoria al fondo del asentador. Mediante esto se reducen las pérdidas de los medios o suspensión líquida debidas a la potencia de sonido o saturación del nivel de presión del sonido en los medios. A condición de que haya una abertura del transductor efectiva más grande de la fuente de ultrasonido. El ángulo de divergencia del haz de ultrasonido es determinado por la geometría efectiva del transductor y la frecuencia de operación. Al utilizar un arreglo, la abertura efectiva, esto es el área del arreglo del transductor es incrementada. Al incrementar la abertura se disminuye el ángulo de divergencia del haz de ultrasonido resultante. Además, al sumar los ecos recibidos de cada elemento de transductor en el preamplificador/receptor, el ángulo de divergencia del haz es disminuido otra vez efectivamente. La sensibilidad global del sistema es incrementada mediante estas técnicas de procesamiento de señales. En el modo de tránsito, el nivel de presión de ultrasonido global es incrementado. El nivel de presión de sonido es la suma de los niveles de presión producidos por cada transductor, a condición de que el nivel de presión sea menor que el nivel de saturación de los medios. El resultado es que la sensibilidad e intensidad de retorno del eco global es incrementado, lo que mejora la identificación del nivel del lecho y la "actividad" de partículas no asentadas o ecos de retorno del nivel de "nube" en el asentador.

Los arreglos utilizados en esta invención pueden consistir por ejemplo de dos a cuatro transductores individuales espaciados en una configuración tal como un triángulo o cuadrado. De uno a tres arreglos pueden estar espaciados a lo largo del radio de la suspensión o asentador. El espaciamiento y número de transductores también pueden cambiar, dependiendo de la profundidad de la suspensión o el asentador y los medios en el asentador. Como se afirma anteriormente, una guía de ondas o "caja silenciosa" puede ser posicionada en un asentador. La guía de ondas que incluye el transductor se extiende a la suspensión del asentador. La guía de ondas atenúa los efectos de las corrientes circulantes aleatorias que pueden estar presentes en el asentador para mejorar la medición del movimiento hacia abajo o descendente de las partículas de asentamiento . La guía de ondas puede consistir de un cilindro con ranuras o hendiduras en el mismo para permitir que una suspensión líquida entre a la guía de ondas. Las guías de ondas son fabricadas de materiales capaces de soportar temperaturas mayores de 100 °C y líquidos corrosivos y que no se doblan bajo las corrientes que podrían dirigir incorrectamente el haz de ultrasonido. La guía de ondas provoca que el haz del transductor se aproxime a una onda plana que permanece esencialmente constante sobre la longitud de la guía de ondas para reducir la dispersión del haz para minimizar cualquier disminución significativa de amplitud del eco y confiabilidad de la detección. La guía de ondas también atenúa las corrientes circulantes presentes en el asentador. La atenuación de las corrientes circulantes proporciona velocidades de asentamiento verticales de las partículas que se correlacionan bien con las velocidades obtenidas manualmente con una suspensión en un cilindro graduado al exterior del asentador y un cronómetro. El posicionamiento de un transductor en el extremo superior de la guía de ondas incrementa efectivamente el diámetro del transductor a aquel de la guía de ondas en el extremo inferior y también posiciona efectivamente al transductor más cercano a la interfase de partículas del nivel del lecho por una distancia igual a la longitud de la guía de ondas. Una ventaja adicional de posicionar un transductor en el extremo superior de una guía de ondas es que la medición de un volumen de muestra requerido para obtener los datos de velocidad de asentamiento puede ser tomada electrónicamente en varios puntos en la guía de ondas . Como se menciona, las condiciones de proceso del asentamiento en un tanque pueden ser transitorias. Por consiguiente, es importante evitar condiciones las alteradas que pueden alterar las condiciones del proceso de asentamiento. Ventajosamente, la velocidad de asentamiento de las partículas y la posición del nivel del lecho asentado obtenidos por el sistema y método de la invención pueden ser empleados para controlar la velocidad de adición de aditivos químicos y suspensión de partículas al tanque. Como se muestra en la figura 5, el nivel del lecho y la velocidad de asentamiento pueden ser utilizados para controlar la velocidad de adición de los compuestos químicos 1 y 2 vía las válvulas CVl y CV2 respectivamente a una suspensión de sólidos 1 agregada al tanque de proceso de asentamiento vía el canal para provocar que los sólidos precipiten y para recuperar mediante esto un líquido sustancialmente claro. Como se muestra en la figura 5, los sólidos de desperdicio precipitados son extraídos del tanque de asentamiento vía la bomba PU2 y el líquido residual se hace recircular a la suspensión. El modelo desarrollado a base elementos de programación de red neural resultante toma las mediciones de ultrasonido en tiempo real y calcula las entradas correspondientes de nivel de lecho y nivel de actividad a un controlador de lógica confusa. El controlador de lógica confusa calcula las salidas a las válvulas CVl y CV2 (figura 5) , para controlar la adición de los compuestos químicos 1 y 2 para dar los puntos de ajuste del nivel del lecho y nivel de actividad deseados para controlar las condiciones dinámicas del asentador. El controlador de lógica confusa puede estar basado en cualquiera de los paquetes de control de elementos de programación de lógica confusa disponibles comercialmente, por ejemplo con el modelo de red neural que presenta entradas al controlador de lógica confusa, con códigos de objetos para la lógica confusa y red neural programados en C, FORTRAN o cualquier otro sistema de codificación transportable. El controlador de lógica confusa consiste de una serie de reglas que gobiernan la adición de compuestos químicos 1 y 2 y cualquier otro compuesto químico adicional y/u otros parámetros de control del asentador, tales como la bomba PU2 de la figura 5, para controlar la velocidad de salida de la bomba de flujo inferior, para controlar así los puntos de ajuste del asentador. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (3)

1. Reivindicaciones Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un método para localizar el nivel del lecho de partículas asentadas en una suspensión líquida, caracterizado porque comprende: transmitir ondas de sonido ultrasónicas a una suspensión de partículas para generar ecos de las partículas, generar señales eléctricas análogas a partir de los ecos, multiplicar las señales eléctricas análogas por cualquiera de las señales de seno o coseno para producir segundas señales análogas, generar señales eléctricas digitales a partir de las segundas señales análogas y procesar las señales eléctrica digitales para identificar un nivel del lecho de las partículas asentadas.
2. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el procesamiento se lleva a cabo mediante por lo menos uno de: un método de Doppler, método de pico o método de objetivo móvil.
3. 3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el método de pico comprende las etapas de: dividir las señales de los ecos en canales de seno y coseno; multiplicar las señales en el canal de seno por una señal de seno de la misma frecuencia como la onda de sonido ultrasónica; multiplicar las señales en el canal de coseno por una señal de coseno que tiene la misma frecuencia como las ondas de sonido ultrasónicas; convertir las señales en cada uno de los canales de seno y coseno a señales digitales; almacenar las señales digitales de acuerdo con las líneas del transductor en memoria; asignar la amplitud de eco más alta de todas las líneas del transductor como función de la profundidad a una o más líneas resultantes para cada canal; construir una línea resultante combinada a partir de la una o más líneas resultantes y ubicar el nivel del lecho al identificar el valor más alto sobre la línea resultante combinada. 4, El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el valor más alto en la línea resultante combinada es identificado al convertir las amplitudes de eco más altas en un formato de archivo de datos de entrada, procesar el archivo de datos de* entrada mediante una red neural para proporcionar salidas o resultados e identificar los resultados o salidas como señales del nivel del lecho y el nivel de actividad. 5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque las señales del nivel del lecho y el nivel de actividad son introducidas a un dispositivo controlador de lógica confusa para generar una o más señales de salida adicionales. 6. ün sistema para determinar el nivel del lecho de partículas asentadas en una suspensión, caracterizado porque comprende : medios para enviar señales de ultrasonido a una suspensión, medios para recibir los ecos provocados por la reflexión de las señales de ultrasonido de las partículas sólidas en la suspensión, medios para convertir los ecos a un primer conjunto de señales eléctricas análogas; medios para multiplicar el primer conjunto de señales análogas con señal de seno o coseno para generar segundas señales análogas; medios para multiplexar las segundas señales análogas a medios para convertir las señales análogas a señales digitales y una memoria de adquisición de datos para almacenar las señales digitales para su procesamiento numérico. 7. Un método para identificar una nube de partículas no asentadas en un tanque de almacenamiento, caracterizado porque comprende: transmitir ondas de sonido ultrasónicas a una suspensión de partículas para generar ecos de las partículas; generar señales eléctricas a partir de los ecos; dividir las señales eléctricas en canales de seno y coseno; multiplicar las señales eléctricas en el canal de seno por una señal de seno de la misma frecuencia como las ondas de sonido ultrasónicas para proporcionar un resultado de canal de seno; multiplicar las señales eléctricas en el canal de coseno por una señal de coseno de la misma frecuencia como las ondas"* de sonido ultrasónicas para proporcionar un resultado de canal de coseno; convertir las señales eléctricas en los canales a señales digitales; almacenar las señales digitales de acuerdo con las líneas del transductor en memoria; restar las señales digitales de cada línea del transductor de una línea de transductor subsecuente en una base de profundidad en profundidad; sumar los valores absolutos de las diferencias entre las líneas del transductor en cada canal; construir una línea resultante combinada a partir de los valores absolutos al determinar la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los resultados de canal seno y los cuadrados de los resultados de canal seno y localizar o ubicar las nubes de partículas al identificar las desviaciones de un referencia de la línea resultante combinada. 8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque las desviaciones de una referencia de la línea resultante combinada son identificadas al convertir las amplitudes de eco más altas a un formato de archivo de datos de entrada, procesar el archivo de datos de entrada mediante una red neural para proporcionar resultados o salidas"* e identificar los resultados o salidas como señales del nivel del lecho y el nivel de actividad. 9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque las señales del nivel del lecho y el nivel actividad son introducidas a un dispositivo controlador de lógica confusa para generar una o más señales de salida adicionales. 10. El método de conformidad con la reivindicaciones 1, 3, 5, 7, 8 o 9, caracterizado porque las ondas de sonido ultrasónicas emanan de un arreglo de 2-4 transductores . 11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los transductores se encuentran en forma de un triángulo o cuadrado.