ES2585105T3

ES2585105T3 - Sistema y método de visualización y caracterización de fluidos

Info

Publication number: ES2585105T3
Application number: ES12751603.7T
Authority: ES
Inventors: Johan Wiklund; Rainer HALDENWANG; Reinhardt KOTZÉ
Original assignee: SP TECHNICAL RESEARCH INSTITUTE OF SWEDEN; SP Technical Res Inst of Sweden; CAPE PENINSULA UNIV OF Tech
Current assignee: SP TECHNICAL RESEARCH INSTITUTE OF SWEDEN; SP Technical Res Inst of Sweden; CAPE PENINSULA UNIV OF Tech
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2016-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: WO2013017969A1; JP2014521968A; DK2739942T3; EP2739942B1; ZA201400839B; US9383237B2; JP5972373B2; US20130345994A1; EP2739942A1; WO2013017969A8

Abstract

Un sistema de visualización y caracterización de fluidos (10) que comprende: una sección de medición (30) que comprende un alojamiento (32) que tiene un medio (12) que define una ruta de flujo de fluido (34) para el flujo de fluido, incluyendo la sección de medición (30): al menos un transductor (40) configurado para generar y emitir una señal ultrasónica en el flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) y dispuesto para usarse junto con un elemento de línea de retardo (41) en contacto con una pared exterior (46) de dicho medio que define una ruta de flujo de fluido (34) en una configuración de medición no invasiva; y un receptor (42) configurado para recibir unas reflexiones de la señal ultrasónica emitida por el al menos un transductor de línea de retardo (40) de los reflectores en el flujo de fluido; una memoria (96) para almacenar datos; y un procesador (94) conectado operativamente a la memoria (96), comprendiendo el procesador (94): un módulo de estimación de velocidad (98) configurado para aplicar uno o más algoritmos de estimación de velocidad a las reflexiones recibidas de la señal ultrasónica, o a los datos indicativos de las mismas, para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34); un módulo de deconvolución (100) configurado para aplicar un algoritmo de deconvolución al menos al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad verdadero del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34); y un módulo de visualización y caracterización de fluidos (102) configurado para determinar las características del fluido y/o del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) usando el perfil de velocidad determinado y/o el perfil de velocidad verdadero, caracterizado por que dicho al menos un transductor (40) está configurado de manera que el punto focal (52) de la señal ultrasónica se localiza en una interfaz líquido-pared de la sección de medición (30), en la que la señal ultrasónica entra en la ruta de flujo de fluido, cuando está en funcionamiento.

Description

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DESCRIPCION

Sistema y metodo de visualizacion y caracterizacion de fluidos Antecedentes de la invencion

La presente invencion se refiere a un metodo y sistema para visualizar y caracterizar los fluidos que fluyen en un medio que define una ruta de flujo de fluido.

La velocimetna de ultrasonidos pulsados (VUP) es una tecnica para medir un perfil de velocidad instantaneo en el flujo de lfquido a lo largo de un eje de haz de ultrasonidos pulsados. El perfil de velocidad instantaneo se obtiene detectando los retardos de tiempo relativo de los ecos de ultrasonidos de retrodispersion de las partmulas en movimiento entre las emisiones de pulsos sucesivos. Como se muestra en el artmulo de D.W. Baker, "Pulsed Ultrasonic Doppler Blood-Flow Sensing", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-17, N.° 3, julio 1970, incorporado en el presente documento por referencia, las senales de ultrasonidos pueden usarse para las mediciones no invasivas de las velocidades del fluido.

Sena deseable adaptar tales tecnicas para proporcionar un metodo para la medicion, la visualizacion y la caracterizacion reologica del flujo de fluido.

Los medidores de flujo ultrasonicos disponibles comercialmente estan basados en o el tiempo de transito o los metodos Doppler pulsados. Sena deseable usar una combinacion de los metodos de tiempo de transito y de ultrasonidos pulsados para mejorar las mediciones de caudal volumetrico y por lo tanto mejorar tambien la precision de la reometna en lmea.

Los metodos para la reometna en lmea se basan a menudo en los conceptos tradicionales de viscosimetna de tubo en los que las tasas de corte se obtienen a partir de mediciones del caudal volumetrico en las tubenas y los estreses de corte en las paredes de tubena interiores se determinan a partir de mediciones simultaneas de la diferencia de presion a traves de distancias fijas a lo largo de la tubena.

La tecnica UVP con las mediciones de diferencia de presion (PD), por lo general denominada como la metodologfa UVP + PD, se usa para caracterizar los fluidos que fluyen en las rutas de flujo de fluido, por ejemplo, en las tubenas.

La metodologfa UVP + PD se ha aplicado a una amplia gama de sistemas de fluidos, incluyendo una gama de modelos y fluidos y suspensiones industriales, que contienen tanto partmulas como fibras blandas y duras con diametros de unos pocos nanometros hasta varios centimetros de longitud. Tambien se ha evaluado para varias aplicaciones industriales potenciales, tal como la reologfa de fusion de polfmero, la pasta de papel, las suspensiones minerales concentradas, y la cristalizacion de grasa.

Sin embargo, no hay un sistema PD + PD comercial disponible facilmente en el mercado y los sistemas usados hasta ahora se han basado en general en los transductores y las electronicas listos para usar y, por lo tanto, son mas adecuados para una caracterizacion de flujo sencilla con una precision limitada y sin cumplir con los requisitos industriales.

Ademas, los instrumentos de UVP + PD convencionales normalmente usados en entornos de investigacion, los sistemas/instrumentos y las metodologfas no poseen la robustez y la precision necesaria en aplicaciones industriales. Un problema es que los transductores y la instrumentacion convencionales de tipo listos para usar usados en los sistemas UVP (y UVP + PD) no estan disenados para las mediciones dentro de geometnas pequenas y complejas, tales como las tubenas de procesamiento industrial. Ademas, los instrumentos UVP convencionales se han adaptado a partir de disenos y metodologfas simplificados encontrados en la industria medica para la medicion del flujo sangumeo. Sin embargo, la sangre humana, y tambien el agua, no son atenuantes en comparacion con los sistemas de fluidos industriales actuales y por lo tanto los instrumentos UVP existentes no son capaces de proporcionar la funcionalidad deseada para estos ultimos.

Tambien se hace referencia a los tres documentos de la tecnica anterior siguientes:

La publicacion PCT N.° WO 2001/069231 desvela un metodo y un aparato que usa las senales ultrasonicas para medir las propiedades de reologfa de un flujo de fluido. El metodo incluye la determinacion y el analisis de los desplazamientos Doppler de las reflexiones acusticas asociadas con una pluralidad de regiones de muestreo para determinar una o mas propiedades reologicas del fluido. El aparato incluye un transmisor para transmitir una senal acustica en el flujo de fluido, un receptor para recibir las reflexiones acusticas de los reflectores acusticos dentro del flujo de fluido, y un modulo electronico para determinar una velocidad frente al perfil de posicion del flujo de fluido.

HUGHES P E ET AL: "Pulsatile velocity distribution and wall shear rate measurement using pulsed Doppler ultrasound", JOURNAL OF BIOMECHANICS, PERGAMON PRESS, Nueva York, NY, Estados Unidos, vol. 27, n.° 1, 1 enero de 1994 (), paginas 103 - 110, XP026264399, ISSN: 0021-9290, DOI: 10.1016/0021-9290 (94)

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90037-X. En este documento, los perfiles de velocidad pulsatil instantanea se midieron en un tubo cilmdrico usando un sistema de ultrasonido Doppler pulsado a 20 MHz. La resolucion espacial del dispositivo se mejoro con la deconvolucion usando un procedimiento que empleaba un proceso de establecimiento de ventanas en el dominio de frecuencia para suprimir el ruido de alta frecuencia. Despues de la deconvolucion tanto los perfiles de velocidad instantanea como las formas de onda de flujo se compararon con las predicciones teoricas establecidas.

BLACK ET AL: "Pulsed Doppler ultrasound system for the measurement of velocity distributions and flow disturbances in arterial prostheses", JOURNAL OF BIOMEDICAL ENGINEERING, Butterworth, Guildford, GB, vol. 11, n.° 1, 1 de enero de 1989 (), paginas 35 - 42, XP022444922, ISSN: 0141-5425, DOI: 10.1016/0141- 5425(89)90163-5. Este documento se refiere a la investigacion del flujo a traves de las arterias protesicas usando un sistema de ultrasonido Doppler pulsado. Se describen los experimentos in vitro preliminares que usan este sistema, que verifican su idoneidad para hacer las mediciones del perfil de velocidad y de la perturbacion de flujo. La salida de un rastreador de frecuencias se compara con el analisis espectral de las senales Doppler para regfmenes de flujo tanto laminares como turbulentos y las fluctuaciones de rafz cuadrada media en la senal de salida del rastreador se usan para identificar la transicion del flujo laminar al turbulento. Ademas, la intensidad de turbulencia del flujo post- estenotico se cuantifica en varias localizaciones axiales y para diferentes caudales. Finalmente, se presentan las mediciones del perfil de velocidad que se obtuvieron usando una tecnica de deconvolucion para tener en cuenta el tamano finito del volumen de muestra.

Es un objeto de la presente invencion hacer frente al menos a los problemas y cuestiones mencionados anteriormente.

Sumario de la invencion

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para visualizar y caracterizar los fluidos que fluyen en un medio que define una ruta de flujo de fluido, comprendiendo el metodo:

emitir una senal ultrasonica en un flujo de fluido en el medio que define una ruta de flujo de fluido por medio de al menos un transductor;

recibir las reflexiones, de los reflectores en la ruta de flujo de fluido, de la senal ultrasonica emitida por dicho al menos un transductor;

aplicar uno o mas algoritmos de estimacion de velocidad a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido;

aplicar un algoritmo de deconvolucion al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad deconvolucionado del flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido; y

determinar las caractensticas de flujo de fluido del fluido que fluye en el medio que define la ruta de flujo de fluido usando los perfiles de velocidad determinados y/o el perfil de velocidad deconvolucionado,

caracterizado por que el metodo incluye hacer funcionar dicho al menos un transductor con un elemento de lmea de retardo dispuesto para optimizar las caractensticas acusticas de dicho al menos un transductor, y disponer dicho al menos un transductor con el elemento de lmea de retardo del mismo en contacto con una pared exterior de dicho medio que define una ruta de flujo de fluido en una configuracion de medicion no invasiva, en el que dicho al menos un transductor esta configurado de manera que un punto focal de la senal ultrasonica se localiza en una interfaz lfquido-pared de la seccion de medicion en la que la senal ultrasonica entra en la ruta de flujo de fluido.

El metodo puede comprender determinar las caractensticas de fluido y de flujo de fluido por medio de, por ejemplo, un procedimiento de ajuste o un enfoque sin modelo.

El primer transductor puede ser un transductor de lmea de retardo. El metodo puede comprender recibir unas reflexiones y/o unas transmisiones de la senal ultrasonica emitida por el primer transductor por medio de un segundo transductor asociado con el primer transductor. Ambos transductores son capaces de funcionar en el modo de transmision y de recepcion, es decir, cada transductor es capaz de medir perfiles de velocidad independientemente. Los transductores estan montados en lados opuestos de manera que cuando uno transmite una senal el otro recibe (o viceversa) con el fin de registrar una medicion de tiempo de ejecucion usada para el calculo de la velocidad del sonido en el medio de fluido.

El primer transductor puede hacerse funcionar en un modo de transmision/recepcion y el segundo transductor puede hacerse funcionar en un modo de recepcion solamente, para la medicion de los perfiles de velocidad, la velocidad del sonido y las caractensticas acusticas de los fluidos. Como alternativa, tanto un primer transductor como un segundo transductor pueden hacerse funcionar en un modo de transmision/recepcion, para la medicion de los perfiles de velocidad en lados opuestos de la ruta de flujo de fluido por simetna, la velocidad del sonido, las

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caractensticas acusticas, y el caudal usando un metodo de calculo de tiempo de transito. En otra alternativa, el primer transductor puede hacerse funcionar solamente en un modo de transmision y un segundo transductor puede hacerse funcionar solamente en un modo de recepcion para la medicion de la velocidad del sonido y de las caractensticas acusticas.

El metodo puede comprender emitir una serie de senales de ultrasonidos en el fluido que fluye en el medio y recibir las reflexiones asociadas.

El metodo puede comprender aplicar simultaneamente una pluralidad de algoritmos de determinacion de velocidad para determinar el perfil de velocidad. Los algoritmos de determinacion de velocidad pueden ser algoritmos de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia que se aplican sustancialmente a la misma vez para mejorar la precision y la calidad de los perfiles de velocidad medidos (la informacion espectral y la estimacion de velocidad).

El medio que define la ruta de flujo de fluido puede comprender una tubena en comunicacion de fluidos con un circuito o red de fluidos.

La aplicacion del algoritmo de deconvolucion puede comprender aplicar un algoritmo de enfoque sin modelo que incluye las etapas de:

recibir el perfil de velocidad determinado del flujo de fluido desde el modulo de estimacion de velocidad, una velocidad del parametro de sonido, y una forma de onda medida correspondiente a la senal ultrasonica recibida;

aplicar un filtro de suavizado adecuado para mejorar la calidad del perfil de velocidad;

aplicar un procedimiento de deconvolucion al perfil de velocidad;

aplicar un filtro de suavizado de Savitzky-Golay a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad deconvolucionados antes de obtener un gradiente de velocidad o una distribucion de tasa de corte;

aplicar la diferenciacion numerica al perfil de velocidad procesado; y

calcular la tasa de corte maxima y distribucion de tasa de corte en el flujo de fluido.

Aplicar el algoritmo de deconvolucion puede comprender las etapas de:

recibir y almacenar el perfil de velocidad, la velocidad medida del parametro de sonido, y una forma de onda medida;

determinar una ventana de muestra normalizada a partir de la forma de onda medida detectando una envolvente de la forma de onda medida y dividiendo todos los puntos de muestra en la ventana de muestra por el valor de magnitud maximo de la ventana de muestra;

determinar una longitud de ventana de muestra multiplicando un eje de tiempo por la velocidad medida del parametro de sonido;

re-muestrear tanto el perfil de velocidad registrado como la ventana de muestra determinada de manera que el numero de muestras se corresponde para corregir las distancias de la ventana de muestra y la distancia radial del perfil de velocidad almacenado;

multiplicar el perfil de velocidad almacenado por una integral de una ventana de muestra dentro del campo de flujo para obtener un primer producto de multiplicacion;

aplicar un algoritmo de transformada rapida de Fourier (FFT) al primer producto de multiplicacion para obtener un primer resultado de FFT;

aplicar un algoritmo de FFT a la ventana de muestra para obtener un segundo resultado de FFT;

dividir el primer resultado de FFT por el segundo resultado de FFT para obtener un primer cociente de division;

aplicar un filtro de paso bajo en el dominio de frecuencia al primer cociente de division para obtener un primer cociente de division de filtrado de paso bajo; y

aplicar una FFT inversa al primer cociente de division de filtrado de paso bajo para obtener el perfil de velocidad deconvolucionado.

El metodo puede comprender aplicar un filtro de suavizado al perfil de velocidad deconvolucionado (tal como los filtros de movimientos promedio) si es necesario. El metodo puede comprender aplicar los algoritmos de compensacion de ganancia de tiempo y los filtros de pared a las reflexiones recibidas de las senales de alta

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frecuencia, por ejemplo, de paso bajo (y filtros de paso alto), tal como los filtros de Chebyshev tipo II o similares.

La velocidad del sonido puede determinarse usando solo un unico transductor.

El valor de magnitud maximo de la ventana de muestra puede ser el pico de la envolvente.

La ventana de muestra puede proporcionarse en terminos de tension normalizada frente al tiempo.

La ventana de muestra puede necesitar describirse por al menos 10 puntos de muestra para una deconvolucion precisa.

Para la etapa de re-muestreo, se apreciara que si el perfil de velocidad se mide a traves de una distancia radial de 20 mm y el perfil se compone de l0o puntos de muestra, y la longitud de ventana de muestra = 5 mm, entonces, la ventana de muestra debena componerse de 25 puntos de muestra.

El metodo puede comprender hacer funcionar el primer transductor de tal manera que un punto focal de la senal o el haz de ultrasonidos esta localizado en una superficie del material de lmea de retardo, garantizando de este modo que no se han realizado mediciones de velocidad dentro de la distancia de campo cercano del transductor, en la que el campo de presion es muy irregular. El diseno tambien garantiza que la amplitud maxima y el diametro mas estrecho del haz se localizan en una superficie del material de lmea de retardo permitiendo de este modo unas mediciones precisas directamente de la superficie del transductor.

El metodo puede comprender emitir una pluralidad de senales de ultrasonidos y recibir unas reflexiones asociadas de las mismas de los reflectores por medio de la reflexion de la senal ultrasonica desde una pluralidad de pares de transductores de lmea de retardo.

El metodo puede comprender emitir una pluralidad de senales acusticas y recibir unas reflexiones asociadas a lo largo de las ventanas de tiempo predefinidas correspondientes a un gran numero de regiones de muestreo en el fluido.

El metodo puede comprender medir una diferencia de presion a lo largo de una distancia fija en el medio que define la ruta de flujo de fluido, de tal manera que pueden determinarse sustancialmente de manera simultanea una distribucion de estres de corte y el estres de corte a partir de una medicion de la diferencia de presion. Esto ocurre sustancialmente de manera simultanea con la determinacion del perfil de velocidad, el perfil de velocidad deconvolucionado, o ambos. Se apreciara que el metodo puede comprender usar la medicion de diferencia de presion en combinacion con el perfil de velocidad deconvolucionado para determinar las viscosidades de corte y los parametros reologicos.

El perfil de velocidad determinado puede ser un perfil de velocidad radial instantaneo. El metodo puede comprender determinar continuamente los perfiles de velocidad del flujo de fluido en la tubena en tiempo real tanto en una direccion del flujo de fluido como en contra de la direccion del flujo de fluido por medio de los dos transductores de lmea directa instalados en lados opuestos el uno del otro en la tubena.

El procedimiento puede comprender aplicar unos filtros de suavizado a las reflexiones recibidas de las senales ultrasonicas, por ejemplo, la descomposicion de valor singular, la respuesta de pulso finito, la respuesta de pulso infinito, los filtros de movimientos promedio, o similares. El metodo puede comprender aplicar unos filtros de suavizado a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad deconvolucionados, por ejemplo, un filtro de suavizado de Savitzky-Golay o de movimientos promedio.

El metodo puede comprender integrar unos perfiles de velocidad determinados y/o unos perfiles de velocidad deconvolucionados para determinar los caudales volumetricos de lfquidos en el medio. En su lugar, o ademas, el metodo puede usar los tiempos de transito, por ejemplo, las mediciones de tiempo de ejecucion para determinar los caudales volumetricos.

El metodo puede comprender determinar las propiedades acusticas, tal como, la atenuacion de la velocidad de ultrasonidos y del sonido que esta continua y directamente en lmea, sustancialmente en tiempo real.

El metodo puede comprender determinar la concentracion de solidos (por ejemplo, el contenido de grasa solida, SFC) en una tubena directamente en lmea usando la velocidad del sonido y las mediciones de atenuacion.

El metodo puede comprender las etapas de adaptacion de un perfil de velocidad teorico frente a una posicion radial en los datos experimentales, es decir, las velocidades de punto frente a una posicion radial obtenida a partir de los desplazamientos Doppler asociados con sus regiones de muestreo y la cafda de presion correspondiente a traves de una distancia fija e identificar una o mas propiedades reologicas del flujo de fluido a partir de una curva de relacion matematica que se adapte mejor. Se observara que el perfil de velocidad registrado y la medicion de cafda de

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presion se 'adaptan' con los modelos reologicos disponibles almacenados en una base de datos. Ademas, se observara que la velocidad frente a la curva de posicion es normalmente la velocidad determinada.

Las caractensticas del fluido que fluye en la tubena pueden comprender unas propiedades y/o unos parametros reologicos que incluyen el mdice de consistencia de fluido, el mdice de comportamiento de flujo, el lfmite elastico, o similares.

El metodo puede comprender calcular la tasa y el estres de corte en cada una de una pluralidad de posiciones en el flujo de fluido.

El metodo puede comprender determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico de un procedimiento de ajuste no lineal de los perfiles de velocidad determinados y las diferencias de presion medidas para los modelos reologicos. Como alternativa, el metodo puede comprender usar un enfoque sin modelo, para determinar la distribucion de tasa de corte a partir de un gradiente de velocidad de los perfiles de velocidad determinados y, opcionalmente, un estres de corte en una pared de la tubena, por ejemplo, a traves de una interpolacion segmentaria cubica o un modelo de ajuste polinomial seguido por una derivacion numerica. De esta manera, la presente invencion mejora ventajosamente los problemas existentes con las distribuciones de tasa de corte inexactas provocadas por las fluctuaciones inherentes de los metodos de ajuste matematicos usados (por ejemplo, de segmentacion cubica o polinomicos).

Se apreciara que el metodo puede comprender aplicar un filtro de suavizado, por ejemplo, un filtro de suavizado Savitzky-Golay a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad deconvolucionados antes de obtener el gradiente de velocidad (distribucion de tasa de corte).

De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un sistema de visualizacion y de caracterizacion de fluidos, que comprende:

una seccion de medicion que comprende un alojamiento que tiene un medio que define una ruta de flujo de fluido para el flujo de fluido, incluyendo la seccion de medicion:

al menos un transductor configurado para generar y emitir una senal ultrasonica en el flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido y dispuesto para usarse junto con un elemento de lmea de retardo en contacto con una pared exterior de dicho medio que define una ruta de flujo de fluido en una configuracion de medicion no invasiva; y

un receptor configurado al menos para recibir unas reflexiones de la senal ultrasonica emitida por el al menos un transductor de lmea de retardo de los reflectores en el flujo de fluido;

una memoria para almacenar datos; y

un procesador conectado operativamente a la memoria, comprendiendo el procesador:

un modulo de estimacion de velocidad configurado para aplicar uno o mas algoritmos de estimacion de velocidad (dominio de tiempo y frecuencia) a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido;

un modulo de deconvolucion configurado para aplicar un algoritmo de deconvolucion al menos al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad verdadero del flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido; y

un modulo de visualizacion y caracterizacion de fluidos configurado para determinar las caractensticas del fluido y/o del flujo de fluido en el medio que define la ruta de flujo de fluido usando el perfil de velocidad determinado y/o el perfil de velocidad verdadero,

caracterizado por que dicho al menos un transductor esta configurado de manera que el punto focal de la senal ultrasonica se localiza en una interfaz lfquido-pared de la seccion de medicion en la que la senal ultrasonica entra en la ruta de flujo de fluido, cuando esta en funcionamiento.

El receptor puede incluir un segundo transductor en lmea con o adyacente al primer transductor. Se apreciara que cada transductor puede comprender un transductor acustico configurado para la velocimetna de ultrasonidos pulsados, y que esta ajustado preferentemente con una "lmea de retardo" en cada parte delantera de transductor. La lmea de retardo puede fijarse a la parte delantera de transductor.

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El elemento de lmea de retardo puede estar dispuesto para optimizar las caractensticas acusticas de dicho al menos un transductor incluyendo una o mas de entre: formacion del haz, focalizacion, acoplamiento, adaptacion de impedancia, ruta del haz y proteccion de sensores.

El sistema puede comprender una pluralidad de pares de transductores de lmea de retardo. En ciertas realizaciones de ejemplo, el primer transductor tambien puede comprender el receptor si es necesario o conveniente hacerlo.

La seccion de medicion esta configurada para alojar un alojamiento para el sensor(s) de depresion diferencial y de temperatura. El medio puede comprender una unidad que debena instalarse como una seccion en el circuito de tubenas o red de fluidos o circuito. En otras realizaciones de ejemplo, el sistema de medicion, espedficamente la seccion de medicion, puede unirse a una tubena en una tubena o una red de fluidos.

El sistema puede comprender un generador de senal configurado para generar una serie de senales o pulsos de ultrasonidos para su emision por el primer transductor de lmea de retardo.

El procesador o el sistema pueden comprender uno o mas amplificadores para amplificar tanto las senal transmitida como la recibida, las formas de onda, o los pulsos, por ejemplo, usando una compensacion de tiempo-ganancia. En particular, el procesador puede configurarse para aplicar los algoritmos de compensacion de tiempo-ganancia y los filtros de pared para las reflexiones recibidas de las senales de alta frecuencia, por ejemplo, de paso bajo (y los filtros de paso alto) tal como los filtros de Chebyshevtipo II o similares.

El modulo de estimacion de velocidad puede configurarse para aplicar simultaneamente una pluralidad de algoritmos de determinacion de velocidad para determinar el perfil de velocidad. Los algoritmos de determinacion de velocidad pueden ser unos algoritmos de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia que se aplican sustancialmente a la misma vez para mejorar la precision y la calidad de los perfiles de velocidad medidos (informacion espectral y la estimacion de velocidad). Mas espedficamente, el modulo de estimacion de velocidad puede configurarse para aplicar simultaneamente un algoritmo de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, con el fin de determinar el perfil de velocidad del flujo de fluido.

El modulo de deconvolucion puede configurarse para:

una forma de onda medida correspondiente a la senal ultrasonica recibida;

aplicar un procedimiento de deconvolucion al perfil de velocidad;

aplicar la diferenciacion numerica al perfil de velocidad procesado; y

calcular la tasa de corte maxima y la distribucion de tasa de corte en el flujo de fluido.

El modulo de deconvolucion puede configurarse para:

recibir el perfil de velocidad, la velocidad medida del parametro de sonido, y una forma de onda medida;

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aplicar un algoritmo de FFT a la ventana de muestra/volumen de muestra para obtener un segundo resultado de FFT;

aplicar un filtro de paso bajo al primer cociente de division para obtener un primer cociente de division de filtrado de paso bajo;

aplicar una FFT inversa al primer cociente de division de filtrado de paso bajo para obtener el perfil de velocidad deconvolucionado; y

aplicar un filtro de suavizado al perfil deconvolucionado con el fin de eliminar el ruido no deseado y mejorar la calidad de los datos.

La ventana de muestra puede necesitar describirse por normalmente al menos 10 puntos de muestra para una deconvolucion precisa.

Ya que el punto focal de la senal o haz ultrasonico esta localizado en una interfaz lfquido-pared, garantiza que no se han realizado las mediciones de velocidad dentro de la distancia de campo cercano del transductor, en la que el campo de presion es muy irregular.

La lmea de retardo puede comprender un material disenado para formar el haz y contener la distancia de campo cercano en la que la presion acustica no es uniforme y pasa a traves de una serie de maximos-mmimos. (Formacion de haz)

La lmea de retardo tambien puede proporcionar una ruta optima de haz acustico y un acoplamiento entre el transductor y el fluido bajo investigacion.

La forma/dimensiones y las caractensticas del material de lmea de retardo pueden optimizarse para reducir los ecos parasitos y los puntos ciegos dentro de la zona focal de los transductores y producir un haz estrecho con una zona focal extendida para aumentar la profundidad de penetracion acustica desde la parte delantera del transductor. (Focalizacion del haz)

La longitud de la lmea de retardo puede estar vinculada a una longitud de cuarto de onda de la frecuencia de funcionamiento del transductor de manera que el punto focal con la maxima presion acustica se localiza en una interfaz lfquido/pared durante el funcionamiento. (Acoplamiento/adaptacion acustica, transferencia de energfa maxima)

Debena observarse que las expresiones "lmea de retardo", "brecha acustica", "acoplador acustico", etc., se usan a veces para un tipo especial de transductor o accesorio de transductor disenado para ensayos no destructivos. Sin embargo, en el caso de la presente realizacion de ejemplo el material de "lmea de retardo" reemplazable se usa para retardar la senal de ultrasonido emitida de manera que pueda usarse para obtener las propiedades acusticas optimas de haz, tales como la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento acustico, la adaptacion de impedancia, la ruta optima de haz y la proteccion de sensores.

Por otro lado, una "brecha acustica" esta disenada, por ejemplo, para generar o eliminar diferentes tipos de onda (por ejemplo, ondas de corte/longitudinales) en cualquier material solido o semi-solido que podna usarse para las mediciones no invasivas. Un "acoplamiento acustico" se define como un material usado para garantizar la maxima transferencia de energfa entre el transductor ultrasonico y el material. En la presente invencion se prefiere usar una configuracion de sensor no invasivo para las mediciones de ultrasonidos pulsados.

Debena observarse que en la presente invencion, la expresion material de "lmea de retardo" podna significar "brecha acustica", "acoplamiento acustico", o una combinacion de las mismas, que tiene multiples funcionalidades, tales como la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento acustico, la adaptacion de impedancia, la generacion y/o eliminacion de la ruta de haz deseada y la proteccion de sensores.

El sistema puede incluir uno o mas sensores de presion absoluta o sensores de presion diferencial para obtener una diferencia de presion entre las localizaciones a lo largo de una longitud de la tubena/alojamiento. El sistema puede comprender tambien uno o mas sensores de temperatura.

El sistema puede comprender medios para pasar una seccion de la senal recibida en una ventana de tiempo ajustable con respecto a la forma de onda transmitida (pulso), proporcionando de ese modo una senal recibida cerrada que puede filtrarse, demodularse para producir una senal de muestra de frecuencia desplazada y para

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realizar unas operaciones para determinar el desplazamiento de frecuencia, el retardo de tiempo o de fase de cambio de frecuencia asociado con una region de flujo de fluido.

El procesador puede configurarse para ajustar la ventana de tiempo para determinar la velocidad local en cada volumen de muestreo y calcular la distribucion de velocidad instantanea como una funcion del tiempo o la distancia a lo largo de cada eje, lmea de medicion.

El procesador puede configurarse para determinar una o mas viscosidades de corte dependiente y los parametros del modelo del flujo de fluido y para calcular la tasa de corte y la distribucion de estres de corte.

El procesador puede configurarse ademas para determinar una o mas propiedades acusticas, tales como, la atenuacion de los ultrasonidos y la velocidad del sonido directamente en lmea, en tiempo real. La informacion puede usarse por ejemplo para determinar la concentracion total de contenido de grasa solida (SFC) directamente en lmea y el tamano de partmula (barrido de frecuencia).

El sistema puede comprender un sensor de profundidad de flujo configurado para recibir los datos de profundidad/altura de flujo del fluido que fluye en un canal abierto o aforador. El sistema puede configurarse para determinar las caractensticas de un fluido que fluye en el canal abierto o aforador obteniendo un unico perfil de velocidad en combinacion con la medicion de la altura/profundidad de flujo. (Metodologfa UVP + FD)

El sistema puede comprender una pluralidad de configuraciones de transductor con el fin de obtener unos perfiles de velocidad en tres dimensiones.

El modulo de caracterizacion de fluidos puede configurarse para determinar la distribucion de tasa de corte sustancialmente de manera simultanea a partir de una medicion de la diferencia de presion. En particular, el modulo de caracterizacion de fluidos puede configurarse para usar la diferencia de presion de dichos sensores de presion en combinacion con el perfil de velocidad para determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico del flujo de fluido.

El modulo de caracterizacion de fluidos puede configurarse para determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico mediante un procedimiento de ajuste de modelo no lineal de los perfiles de velocidad determinados y/o las diferencias de presion medidas para los modelos reologicos. Como alternativa, el modulo de caracterizacion de fluidos puede configurarse para usar un enfoque sin modelo, conocido como el metodo del gradiente, para determinar la distribucion de tasa de corte de un gradiente de velocidad de los perfiles de velocidad determinados y, opcionalmente, un estres de corte en una pared de la tubena, por ejemplo, a traves de una interpolacion segmentaria cubica o un modelo de ajuste polinomial seguido por una derivacion numerica.

La seccion de medicion del alojamiento puede comprender normalmente dos puertos de transductor para alojar los transductores de lmea de retardo primero y segundo, sustancialmente uno frente al otro y a nivel de la pared de tubena. El material de lmea de retardo de los transductores esta a nivel con el diametro de superficie interior de la tubena, garantizando de este modo una no distorsion de flujo provocada por las cavidades usadas en las metodologfas anteriores. El alojamiento puede comprender tambien unos puertos de sensor de presion para alojar los sensores de presion y uno o mas puertos de sensor de temperatura para alojar uno o mas sensores de temperatura.

El alojamiento tambien puede comprender o estar en comunicacion de flujo con uno o mas adaptadores de presion, normalmente aguas arriba y aguas abajo de la seccion de medicion. Cada adaptador de presion puede comprender un puerto de entrada y salida interespaciados por una camara de flujo, no estando los puertos de entrada y salida en alineacion de lmea recta entre sf Los puertos de entrada y salida pueden estar en comunicacion de flujo con la camara de flujo, estando el puerto de entrada localizado aguas arriba del puerto de salida. El puerto de entrada puede estar separado lateralmente del puerto de salida.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invencion, se proporciona una red de medios que definen las rutas de flujo de fluidos, incluyendo una visualizacion de fluido y un sistema de caracterizacion como se ha descrito anteriormente.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la invencion, se proporciona un transductor que comprende:

un alojamiento;

un elemento de transductor para recibir y/o transmitir una senal de ultrasonidos; y

un elemento de lmea de retardo conectado operativamente al elemento de transductor, teniendo el elemento de lmea de retardo una o mas funcionalidades que incluyen una o mas de entre la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento acustico, la adaptacion de impedancia, la generacion y/o eliminacion de la ruta de haz deseada y la proteccion de sensores.

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El elemento de transductor puede ser un elemento piezoelectrico.

El material de lmea de retardo puede fabricarse de uno o mas de entre policarbonato (PC), parileno, Epotek o Rexolan u otro material acusticamente adecuado.

Las propiedades acusticas del material de lmea de retardo pueden elegirse de manera que la impedancia acustica y la velocidad del sonido esten tan cerca como sea posible de la del agua (u otro fluido industrial) o de la de unos materiales solidos/semi-solidos tal como, por ejemplo, el acero.

El material de lmea de retardo puede pegarse o fundirse a presion directamente a un material de adaptacion de parte delantera o un elemento piezoelectrico del transductor. Las lmeas de retardo existentes estan por lo general solo en contacto con el material de adaptacion de parte delantera que usa un gel o material de acoplamiento acustico similar y solo proporciona un acoplamiento acustico (adaptacion de impedancia) entre dos capas de material.

El diametro del elemento de lmea de retardo puede ser sustancialmente identico al del elemento piezoelectrico.

Los transductores existentes que ofrecen una lmea de retardo sufren de ecos parasitos (zumbido interno o reflexiones) que producen diversos puntos ciegos locales con una amplitud cero y tambien reducen drasticamente la sensibilidad del transductor. Por otra parte, los mismos efectos negativos se producen cuando se mide de manera no invasiva a traves de las capas de la pared del material.

En la presente invencion, una zona de circunferencia, es decir, la zona de contorno de la forma cilmdrica del material de lmea de retardo, puede no ser suave. La zona de contorno puede modificarse de tal manera que se anulen las reflexiones internas indeseadas en el interior del material de lmea de retardo, que normalmente afectan al rendimiento del material de lmea de retardo y reducen la sensibilidad del transductor. Con este fin, la zona de contorno puede ser "no suave", por ejemplo en terrazas o escalonada, o estar provista de protuberancias y hendiduras a ciertas distancias del elemento piezoelectrico de manera que se cancelen los fenomenos de onda estacionaria (multiples reflexiones) que provocan los puntos ciegos. Esto, en combinacion con la optimizacion de la longitud y el angulo de la lmea de retardo puede garantizar que se transmite la energfa acustica maxima en el lfquido de interes, pero tambien que la amplitud de las senales de eco de retorno no pueden atenuarse tanto como con los materiales de lmea de retardo existentes y los transductores.

Por otra parte, una superficie delantera del material de lmea de retardo (y por lo tanto la parte delantera del transductor) puede estar configurada ademas para adaptar el radio o la curvatura interna de una tubena. La curvatura de la parte delantera del transductor puede adaptarse de este modo exactamente a la de la tubena pero tambien puede ser ligeramente diferente. Una superficie delantera con una curvatura y la circunferencia no suave puede tener una ventaja adicional de producir un haz mas focalizado con un diametro de haz mas pequeno y una zona focal mas larga en la parte delantera del transductor resultando de este modo en unas mediciones de velocidad mucho mas precisas. Tambien puede ser posible medir velocidades precisas dentro de la capa cercana a la pared cerca de la pared de la tubena.

El alojamiento puede ser un cilindro de acero inoxidable o de forma similar. El material y la forma del alojamiento pueden ser de tipo de material compuesto y pueden configurarse para reducir los gradientes de temperatura y las vibraciones a lo largo del eje de transductor.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 muestra un diagrama de bloques conceptual de un sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos de acuerdo con una realizacion de ejemplo de la invencion, conectado operativamente, durante el funcionamiento, a una tubena de una tubena o una red de fluidos o un circuito;

La figura 2 muestra una seccion a traves de un sistema de la tecnica anterior convencional del mismo tipo general que la presente invencion;

La figura 3 muestra una grafica de un perfil de velocidad medido del flujo de fluido en una tubena obtenida usando el sistema de la figura 1;

La figura 4 muestra una ilustracion en seccion parcial esquematica de un sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos, espedficamente una seccion de medicion del mismo, de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 5 muestra un dibujo esquematico que ilustra un transductor de lmea de retardo de 2 MHz, sin una compensacion de angulo de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

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La figura 6 muestra un dibujo esquematico que ilustra un transductor de lmea de retardo de 2 MHz con una compensacion de angulo de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 7 muestra un diagrama esquematico simplificado de un transductor con un elemento de lmea de retardo asociado en una configuracion de sensor no invasiva;

La figura 8 muestra un dibujo esquematico que ilustra una vista superior en seccion y una vista lateral en seccion de un adaptador de presion de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 9 muestra un dibujo esquematico que ilustra un sistema, espedficamente un bloque conceptual de la seccion de medicion del mismo, conectado entre los dos adaptadores de presion de la figura 8;

La figura 10 muestra un dibujo esquematico de una seccion del sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos, que ilustra unos componentes electronicos/de hardware del mismo con mayor detalle;

La figura 11 muestra un dibujo esquematico de una seccion del sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos, espedficamente el procesador, que ilustra los componentes funcionales del mismo;

La figura 12 muestra un dibujo que ilustra un transductor de volumen de muestra de transductor de lmea de retardo de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 13 muestra un dibujo que ilustra una respuesta de transductor de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 14 muestra un diagrama de flujo del proceso conceptual que ilustra las etapas del algoritmo de deconvolucion de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 15 muestra un diagrama de flujo de alto nivel de un metodo de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 16 muestra otro diagrama de flujo de alto nivel de un metodo de acuerdo con una realizacion de ejemplo;

La figura 17 muestra una ilustracion en seccion parcial esquematica de otra configuracion del sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos, espedficamente una seccion de medicion del mismo, de acuerdo con una realizacion de ejemplo; y

La figura 18 muestra una ilustracion de un perfil de aforador de acuerdo con una realizacion de ejemplo. Descripcion de las realizaciones preferidas

En la siguiente descripcion, con fines de explicacion, se exponen numerosos detalles espedficos con el fin de proporcionar una comprension completa de una realizacion de la presente divulgacion. Sera evidente, sin embargo, para un experto en la materia que la presente invencion puede ponerse en practica sin estos detalles espedficos.

Haciendo referencia a la figura 1 de los dibujos, un sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos de acuerdo con la invencion se indica en general por el numero de referencia 10. Al menos una seccion del sistema 10, por ejemplo, una seccion de medicion del mismo, esta normalmente integrada con o puede conectarse a una red de fluidos que comprende un medio que define las rutas de flujo de fluido para los fluidos que fluyen en la red de fluidos. El medio es normalmente una tubena 12 en una red de tubenas. Ventajosamente, las tubenas 12 pueden formar parte de una red de tubenas de procesamiento industrial o un circuito de la red de fluidos. El medio podna ser en su lugar otros conductos capaces de transportar fluidos.

El sistema 10 comprende tambien la electronica y los elementos de procesamiento de senal para procesar las mediciones obtenidas a partir de la seccion de medicion como se tratara a continuacion. La electronica y los elementos de procesamiento de senal no necesitan estar provistos de la seccion de medicion, pero pueden localizarse a distancia de la misma y configurarse para recibir unas senales de medicion, o unos datos indicativos de o asociarse con la misma, por ejemplo, de manera inalambrica (por ejemplo, a traves de Bluetooth, senales de radiofrecuencia, a traves de una red de comunicaciones inalambricas, o similares) o a traves de una conexion cableada.

El sistema 10 normalmente esta configurado al menos para determinar los perfiles de velocidad radial instantanea y las propiedades reologicas del flujo de fluido en la tubena 12 a la que el sistema esta conectado para usar el perfil de velocidad de ultrasonidos con las tecnicas de diferencia de presion (UVP + PD)/profundidad de flujo (UVP + FD), como se tratara en mayor detalle a continuacion.

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Como se ha mencionado anteriormente, haciendo referencia ahora a las figuras 2 y 3, los sistemas UVP + PD convencionales, los sistemas 14 y las metodologfas hacen uso de los transductores 16 para transmitir las senales acusticas a lo largo de una lmea o eje de medicion en un fluido para determinar las caractensticas del mismo. A este respecto, se apreciara que los fluidos bajo investigacion estan sometidos a, y muy influenciados por, el corte mas fuerte en la region cercana a la pared 18 (de las tubenas 20) con los gradientes de velocidad mas altos. Para la caracterizacion y monitorizacion reologica de las propiedades reologicas, esta region cercana a la pared 18 con los gradientes de velocidad mas altos es, por lo tanto, de gran importancia y las mediciones de velocidad precisas deben hacerse dentro de esta region del espacio.

Los sistemas convencionales UVP + PD hacen uso de, por ejemplo, las configuraciones convencionales de los transductores listos para usar o de los transductores simples en los que se coloca el transductor en contacto directo con el fluido, por ejemplo, un lfquido (para una transferencia de energfa maxima) o a traves de una tubena transparente delgada para obtener las mediciones. Sin embargo, debido a los disenos de los transductores convencionales, el campo de presion producido por el transductor ultrasonico es altamente irregular desde la superficie del transductor y que se extiende todo el camino hasta el punto focal del mismo. Esta distancia es por lo general bastante larga (normalmente alrededor de 17 mm para un transductor de 4 MHz en agua) y conocida como el campo cercano. Las mediciones de velocidad exactas no son posibles en esta region, lo que hace que la instalacion del transductor sea complicada y por lo tanto esto ha limitado la aplicabilidad practica del metodo PD + UVP para las aplicaciones industriales. Para superar este problema, se han usado unos disenos de adaptador de flujo simple para los alojamientos de transductor que permiten a la superficie del transductor estar en contacto directo con el fluido de ensayo, garantizando de este modo la maxima transferencia de energfa ultrasonica en el sistema de fluido, asf como la eliminacion de cualquier refraccion del haz.

Sin embargo, la configuracion mencionada anteriormente (ilustrada en la figura 2) deja una cavidad 22 antes de la interfaz de pared 18 que provoca una incertidumbre de medida debida al flujo de fluido y a las velocidades aumentadas mas alla de la pared de tubena real (vease la figura 3). Ademas, cuando se mide en fluidos industriales mas complejos, los problemas de sedimentacion de partmulas dentro de las cavidades 22 provocan variaciones en la velocidad del sonido y en el angulo Doppler, lo que puede distorsionar el perfil de medicion de manera significativa. Mas consecuencias de la acumulacion de partmulas y los cambios de densidad dentro de las cavidades 22 son los efectos negativos de la temperatura y de los gradientes de concentracion de fluidos. Esto tambien provoca variaciones en la velocidad del sonido y se ha demostrado que los gradientes de temperatura pueden provocar errores en la estimacion del perfil de velocidad a traves de la lmea de medicion.

Es posible medir a traves de las capas de material solido y retirar el transductor de la interfaz lfquido-pared, eliminando de este modo tanto el problema de campo de cavidad como y el de campo cercano. Sin embargo, la refraccion y la absorcion de haz ultrasonica provoca errores en los parametros tales como el angulo Doppler y la velocidad del sonido, y esto reduce significativamente la profundidad de penetracion en los fluidos de atenuacion. Se ha demostrado que la forma de haz ultrasonico ffsica cambia cuando se mide a traves de las capas de material. Si las propiedades acusticas de los pulsos emitidos y recibidos por el transductor cambian, por ejemplo, debido a la propagacion a traves de las interfaces solidas, se introducen mas errores debido a las dimensiones de volumen de muestra aumentadas (ampliacion del haz ultrasonico) en la medicion de la velocidad, lo que conduce a resultados inexactos especialmente dentro de la zona cercana a la pared que es de mayor interes.

Por lo tanto, en general, los perfiles de velocidad no se miden con una precision suficiente como resultado del efecto de las caractensticas de volumen de muestra finitas y la propagacion a traves de los lfmites solidos o capas de material de pared. La influencia de la geometna del volumen de muestra y la intensidad se describiran en mayor detalle a continuacion. Anteriormente se han propuesto sistemas y metodos para correlacionar las velocidades medidas en la region cerca de la pared, pero con un exito limitado.

La determinacion de la interfaz de pared real (cuando se mide a traves de las capas de material) o la interfaz lfquido- pared (cuando se miden en contacto directo con el fluido de ensayo) es por lo tanto de gran importancia para las mediciones reologicas. Debido a los factores mencionados anteriormente, la determinacion de la interfaz es extremadamente complicada, especialmente cuando la medicion de los perfiles de velocidad con una resolucion espacial limitada o cuando la atenuacion distorsiona la calidad de los datos de velocidad de pared cercana. Se ha demostrado que cambiando la posicion de la pared menos que 0,37 mm (o un canal) los parametros reologicos determinados usando el metodo UVP + PD vanan significativamente. Esto es porque los fluidos bajo investigacion estan sometidos a, y muy influenciados por, el corte mas fuerte en la region cercana a la pared con altos gradientes de velocidad como se ha descrito anteriormente.

El problema de las posiciones de pared de incertidumbre ha obligado a los usuarios a obtener los datos reologicos del fluido de ensayo usando otros metodos tales como la reometna rotacional fuera de lmea con el fin de ajustar las posiciones de interfaz de pared que producen las propiedades de fluido correctas. Sin embargo, esto desaffa el fin de la metodologfa UVP + PD para la reometna en lmea, ya que es deseable tener un sistema y una metodologfa de medicion basados en UVP + Pd completos que puedan medir las propiedades reologicas sin ningun conocimiento a priori de las caractensticas del fluido.

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Aun cuando se podna obtener una posicion de pared correcta, por ejemplo, por inspeccion visual, analisis o post analisis de los datos, el ajuste teorico sobre el perfil de velocidad experimental no es sencillo y por lo tanto los usuarios remotos todavfa necesitan ajustar las condiciones de contorno y las estimaciones iniciales con el fin de obtener los parametros reologicos correctos. Se han intentado diferentes enfoques para el procedimiento de ajuste de modelo, tal como el uso de polinomios de diferentes ordenes, ecuaciones de potencia irracional, segmentaciones o el uso de diferentes modelos reologicos. Sin embargo, incluso usando estas tecnicas, el problema de que requiere el conocimiento de las condiciones de contorno y las estimaciones iniciales y/o el ajuste de los diferentes modelos obliga al usuario a tener conocimiento de las caractensticas del fluido de antemano, lo que no hace de este un metodo de medicion reometrico independiente viable. Para superar este problema se introduce una nueva generacion de transductores en la presente invencion.

Haciendo referencia ahora a la figura 4 de los dibujos, en la que una medida o seccion de medicion del sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos 10 de acuerdo con la presente invencion esta indicada en general por el numero de referencia 30. Se observara que la seccion de medicion 30 puede comprender algunos o todos los elementos del sistema 10, como se describira a continuacion o algunos de los componentes pueden estar localizados a distancia de la seccion de medicion 30.

Se observara que el sistema 10 hace uso de la metodologfa UVP + PD, que permite la determinacion de los parametros reologicos combinando las mediciones del perfil de velocidad ultrasonico (UVP) con la diferencia de presion (PD). Se usa para la caracterizacion reologica no invasiva en lmea de los sistemas de fluidos complejos opacos.

La seccion de medicion 30 del sistema 10 comprende un alojamiento 32 que define un paso de flujo de fluido 34, por ejemplo, un paso de fluido cilmdrico hueco para el paso del fluido a su traves; un primer puerto de transductor 36 localizado adyacente al paso 34; y un segundo puerto de transductor 38 tambien localizado adyacente al paso 34 de tal manera que los puertos de transductor primero y segundo estan en lmea y opuestos entre sf, separados por el paso 34.

En una realizacion de ejemplo, el alojamiento 32 es un adaptador de flujo configurado para fijarse sobre un sistema de tubenas de manera que el paso de flujo de fluido 34 se ajusta perfectamente sobre una tubena del sistema de tubenas. Sin embargo, se apreciara que el alojamiento 32 puede estar adaptado para instalarse integral con un sistema de tubenas de manera que el paso de flujo de fluido 34 esta en comunicacion de flujo con el sistema de tubenas.

Las tubenas en el sistema de tubenas pueden ser tubenas cilmdricas. Sin embargo, la presente invencion no se limita a las mismas y pueden adoptar diversas geometnas, huecos, formas. Para facilitar la explicacion, "tubena" en el contexto de la presente descripcion se entendera que significa un miembro cilmdrico hueco que tiene una sustancia de fluido/lfquida que fluye a su traves, cuyas caractensticas se determinan ventajosamente por el sistema 10 como se describe en el presente documento.

En cualquier caso, con el fin de lograr la funcionalidad deseada, el sistema 10, espedficamente la seccion de medicion 30 del mismo, comprende un primer transductor de lmea de retardo 40 configurado para emitir una senal de alta frecuencia en el flujo de fluido en el paso 34. La senal de alta frecuencia es una senal acustica, normalmente una senal de ultrasonidos.

El transductor de lmea de retardo 40 comprende un material de lmea de retardo 41 para generar las senales de ultrasonidos deseadas como se tratara a continuacion.

La seccion de medicion 30 comprende tambien un receptor 42 configurado al menos para recibir las senales de reflexion, siendo las senales de reflexion la reflexion/s de la senal de ultrasonidos emitida por el primer transductor de lmea de retardo 40 del reflector/s 44 en el flujo de fluido. El receptor 42 puede comprender cualquier circuitena etc., para las senales de reflexion recibidas. Sin embargo, el receptor 42 comprende un segundo transductor de lmea de retardo 42. El primer transductor 40 puede recibirse en el primer puerto de transductor 36 del alojamiento 32 y el segundo transductor 42 puede recibirse en el segundo puerto de transductor 38 de tal manera que el primer transductor 40 y el segundo transductor 42 estan orientados o en lmea entre sf a lo largo de una lmea de medicion o en un eje de haz 43. El sistema 10 puede comprender una pluralidad de pares de transductores de lmea de retardo. Sin embargo, solo uno se ilustra para facilitar la ilustracion.

En una realizacion de ejemplo (mencionada mas adelante), el primer transductor 40 puede comprender tambien el receptor 42 si es necesario o conveniente hacerlo de manera que puede emitir o transmitir la senal de ultrasonido y recibir la senal de reflexion en consecuencia. En esta realizacion de ejemplo, el alojamiento 32 puede adaptarse en consecuencia.

El segundo transductor 42 tambien podna emitir facilmente el ultrasonido, como se ha mencionado anteriormente, que el primer transductor 40 podna recibir de una manera similar como el segundo transductor 42. Sin embargo, para facilitar la explicacion, se hara referencia a la realizacion de ejemplo en la que el primer transductor 40 esta

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configurado para emitir las ondas de ultrasonidos y el segundo transductor 42 esta configurado para recibir las reflexiones como se ha descrito anteriormente en la presente memoria.

Se apreciara que el buen y estable posicionamiento de los transductores de ultrasonido 40, 42 es esencial para el exito de la medicion de los perfiles de velocidad (tratado a continuacion).

Los transductores 40, 42 se instalan a nivel de la pared de tubena 46, no dejando de este modo una cavidad entre los transductores 40, 42 y la interfaz de pared. La eliminacion de la cavidad como se ha mencionado anteriormente permite unas mediciones de perfil de velocidad mas precisas cuando no es posible un flujo no realista mas alla de la interfaz de pared de tubena actual. Esto tambien resuelve el problema de la sedimentacion y la obstruccion (cuando se ensayan suspensiones de fluido viscosas) de las cavidades por delante de los transductores como se ha mencionado tambien anteriormente.

Debena observarse que la expresiones "lmea de retardo", "brecha acustica", "acoplador acustico", etc., se usan a veces para un tipo especial de transductor o accesorio de transductor disenado para ensayos no destructivos. Sin embargo, en el caso de la presente realizacion de ejemplo el material de "lmea de retardo" reemplazable se usa para retardar la senal de ultrasonidos emitida de manera que puede usarse para obtener las propiedades de haz acustico optimas, tales como la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento acustico, la adaptacion de impedancia, la ruta optima de haz y la proteccion de sensores.

Por otro lado una "brecha acustica" esta disenada, por ejemplo, para generar o eliminar diferentes tipos (por ejemplo, ondas de corte/longitudinales) de onda en cualquier material solido o semi-solido que podnan usarse para las mediciones no invasivas. Un "acoplamiento acustico" se define como un material usado para garantizar la maxima transferencia de energfa entre el transductor ultrasonico y el material.

Debena observarse que en el contexto de esta invencion, la expresion material de "lmea de retardo" podna significar una "brecha acustica", un "acoplador acustico", o una combinacion de los mismos que tiene multiples funcionalidades, tales como la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento acustico, la adaptacion de impedancia, la generacion y/o la eliminacion de la ruta de haz deseada y la proteccion de sensores.

En la presente invencion, la lmea de retardo 41 se construye a partir de un material adecuado para lograr varios fines. En primer lugar, la lmea de retardo 41 se usa para la formacion de haz y el material a partir del que se construye contiene la distancia de campo cercano acustica del transductor 40, 42 (en la que la presion acustica no es uniforme y pasa a traves de una serie de maximos-mmimos). El material de lmea de retardo se fabrica normalmente de uno de entre o una combinacion de policarbonato (PC), parileno, Epotek, y Rexolan o materiales similares. Las propiedades acusticas del material de lmea de retardo 41 se optimizan de manera que la impedancia acustica y la velocidad del sonido estan tan cerca como sea posible de la del agua (u otro fluido industrial), asf como de las paredes de tubena (por ejemplo, el acero inoxidable). Por lo tanto, la lmea de retardo proporciona un acoplamiento acustico optimo entre el transductor y el fluido bajo investigacion.

En segundo lugar, esta lmea de retardo 41 esta fijada por delante del transductor 40, 42 como una parte integral del diseno y esta a nivel de la pared de tubena 46. El material de lmea de retardo esta o pegado (usando un pegamento apropiado) o fundido a presion directamente a un material de adaptacion de parte delantera del transductor o el elemento piezoelectrico, o vinculado al transductor usando unos materiales de acoplamiento acustico.

Se observara que el material de adaptacion puede formar parte de una capa de adaptacion ultrasonica. Esta capa puede ser una capa pasiva, que esta fija a la cara delantera de un transductor ultrasonico con el fin de mejorar el acoplamiento de energfa hacia y desde el medio de transmision. En condiciones de banda estrecha, el acoplamiento se maximiza cuando el espesor de la capa de adaptacion es igual a un cuarto de la longitud de onda (o un multiplo impar de un cuarto de la longitud de onda).

Ademas, el transductor 40, 42 puede comprender tambien un material de refuerzo que es mas comunmente un material altamente atenuante y muy denso y se usa para controlar la vibracion del elemento de cristal/piezoelectrico de transductor absorbiendo la energfa que irradia desde una cara posterior del elemento piezoelectrico. Cuando la impedancia acustica del material de refuerzo se adapta con la del cristal piezoelectrico, el resultado es un transductor altamente amortiguado con excelente resolucion. Variando el material de refuerzo con el fin de variar la diferencia de impedancia entre el refuerzo y el cristal piezoelectrico, un transductor sufrira algo y la resolucion puede ser mucho mayor en amplitud de senal o sensibilidad.

Una parte de punta de la lmea de retardo 41 puede tener diferentes formas, por ejemplo, en angulo y en curvatura puede variarse de manera que la geometna de la misma se adapte exactamente con la del radio o la curvatura interna de la pared de tubena 46 para garantizar que no hay distorsiones en las lmeas de corriente (gradientes de velocidad) en la capa cercana a la pared. La curvatura de la superficie delantera de la lmea de retardo 41, o la parte de punta, puede adaptarse con la de la tubena exactamente pero tambien puede ser ligeramente diferente. Una superficie delantera con una curvatura y la zona de circunferencia no suave tiene las ventajas adicionales de producir un haz mas focalizado con un diametro de haz mas pequeno y una zona focal mas larga en la parte

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delantera del transductor resultando de este modo en unas mediciones de velocidad mucho mas precisas. Tambien es posible medir velocidades precisas dentro de la capa cercana a la pared cerca de la tubena.

En tercer lugar, el transductor 40, 42 esta configurado de manera que el punto focal del haz de ultrasonidos, con la maxima presion acustica, se localiza exactamente en la interfaz lfquido-pared permitiendo de este modo, ventajosamente, las mediciones precisas directamente en una seccion delantera del transductor 40, 42. Para este fin, debena entenderse que la longitud de la lmea de retardo esta vinculada a una longitud de cuarto de onda, como se ha descrito anteriormente, y la frecuencia de ultrasonidos del transductor de manera que el punto focal con la maxima presion acustica se localiza en la superficie delantera de la parte de punta de la lmea de retardo 41

Se observara que la zona de circunferencia, es decir, la zona de contorno de la forma cilmdrica del material de lmea de retardo no es suave. La zona de superficie se modifica de tal manera que se cancelan las reflexiones internas no deseadas en el interior del material de lmea de retardo, que normalmente afectan al rendimiento del material de lmea de retardo y reducen la sensibilidad del transductor. Esto, en combinacion con la optimizacion de la longitud de la lmea de retardo garantiza que la energfa acustica maxima se transmite en el lfquido de interes, pero tambien que la amplitud de las senales de eco de retorno no se atenuan tanto como con los materiales y transductores de lmea de retardo existentes.

Por otra parte, en la presente invencion, el diseno de la lmea de retardo 41 mas los componentes de transductor estan optimizados de manera que la maxima transferencia de energfa entre el transductor ultrasonico 40, 42 y el fluido esta garantizada pero tambien de manera que se evitan los ecos parasitos y los "puntos ciegos" a lo largo del eje de haz de transductor. Esto se logra mediante la optimizacion de la geometna, la longitud, la forma y las propiedades acusticas del material de lmea de retardo 41, el elemento piezoelectrico activo de los transductores 40, 42, el material de refuerzo, la placa delantera y de desgaste del transductor 40, 42, etc., algunos de los cuales se ha descrito anteriormente en el presente documento. La longitud de la lmea de retardo 41 esta vinculada a multiplos de la longitud de cuarto de onda y se elige cuidadosamente para evitar reflexiones inducidas que reducinan la eficacia del transductor 40, 42.

Se apreciara que el elemento piezoelectrico del transductor es un cristal de elemento de ceramica piezoelectrico para producir y recibir senales de alta frecuencia. El elemento piezoelectrico se fabrica normalmente de PbTiO2. El dopaje especial de las ceramicas de zirconato-titanato de plomo de los elementos piezoelectricos hace posible ajustar los parametros piezoelectricos y dielectricos individuales como se requiera. El diametro, la longitud y la forma, etc., del elemento piezoelectrico normalmente determinan las propiedades de frecuencia y acusticas del transductor.

La totalidad del transductor 40, 42 que incluye la lmea de retardo 41 y la seccion de punta del mismo esta optimizada adicionalmente para trabajar bajo condiciones de procesamiento industriales reales dentro de un amplio intervalo de presion y temperatura y tambien para resistir el desgaste de las partmulas solidas abrasivas suspendidas en el lfquido. El alojamiento puede ser un cilindro de acero inoxidable o de forma similar. El material y la forma del alojamiento pueden ser del tipo de material compuesto y pueden configurarse para reducir los gradientes de temperatura y las vibraciones a lo largo del eje de transductor.

En ciertas realizaciones de ejemplo, el transductor de lmea de retardo puede tener la funcion de un material de superficie delantera adicional que se fija al material de lmea de retardo. Este material puede ser un material ceramico acusticamente adaptado y se usa para proteger el transductor del desgaste, los fluidos y los materiales abrasivos o corrosivos y de las altas temperaturas, proporcionando una zona de amortiguamiento.

En este sentido, el material y la forma del alojamiento se eligen de manera que los gradientes de temperatura a lo largo del transductor se eliminen, por ejemplo, usando una capa de ceramica aislante.

En cualquier caso, las limitaciones actuales en relacion con la temperatura y la presion son 0 -150 °C y 0 - 30 bares (0 - 3000 kPa), pero esto puede ampliarse en funcion de la aplicacion. Por ejemplo, cuando se usa un material de lmea de retardo no invasivo.

Aunque se ha tratado anteriormente, a continuacion se hara referencia a las figuras 5 a 7 de los dibujos, en los que estan ilustradas unas realizaciones de ejemplo mas espedficas de los transductores de lmea de retardo 40, 42. Los transductores de lmea de retardo 40, 42 mostrados en las figuras 5 y 6 comprenden normalmente al menos unos elementos piezoelectricos 48 dispuestos en un alojamiento 50 con los materiales de lmea de retardo 41 acoplables adyacentes a los elementos 48. Las lmeas de retardo 41 pueden unirse de manera desmontable a las secciones de extremo de los transductores 40, 42 o pueden ser integrales con las mismas como se ha descrito anteriormente. Para las mediciones de flujo de tubena se usan normalmente los transductores 40, 42 con una frecuencia basica central de 2 MHz (figuras 5 y 6) y un diametro de haz de 10 o 5 mm con el fin de obtener un buen compromiso entre la resolucion espacial, que se debe a su corta longitud de onda, y la profundidad de penetracion (menos atenuacion). Cuando se define la frecuencia ultrasonica, un diametro del elemento piezoelectrico 48 puede optimizarse, teniendo en cuenta los siguientes puntos: un diametro pequeno significa un transductor 40, 42 menos sensible; un diametro grande significa un haz menos divergente, lo que implica un menor volumen de muestra; un diametro grande

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significa un campo cercano mas largo, lo que significa que la medicion cerca del transductor 40, 42 se vera afectada por la oscilacion del campo de presion ultrasonico y esto debe compensarse por el uso de una lrnea de retardo mas larga 41 como se ha mencionado anteriormente. Un diametro del alojamiento 50 esta normalmente entre 8-12 mm y la longitud del mismo es de 20 a 100 mm.

Se observara que los puntos focales 52 de los transductores 40, 42 se ilustran en las figuras 5 y 6. Tambien se ilustra en la figura 6 la compensacion de angulo 54 para los transductores 40, 42 que tienen una compensacion de angulo. La compensacion de angulo puede seleccionarse para que sea cualquier angulo, un angulo de instalacion del transductor en funcion del diametro de tubena, el caudal y las caractensticas de fluido, en el presente ejemplo se uso un angulo de instalacion de 20 grados. El angulo puede determinarse experimentalmente. Sin embargo, para diametros de tubena pequenos el angulo debena estar cerca de 90 grados con respecto al lateral con el fin de evitar los efectos promedio a traves del gradiente de perfil de velocidad.

A continuacion, en la Tabla 1 se proporcionan las dimensiones geometricas tfpicas y los principales parametros acusticos para un transductor 40, 42 de 2 MHz de acuerdo con la descripcion anterior con referencia a las figuras 5 y 6.

Tabla 1: Especificaciones de transductor de lrnea de retardo - 2 MHz (figuras 5 y 6)

Frecuencia central (MHz): Caractensticas de lrnea de retardo Longitud de lrnea de retardo (mm) Diametro activo (mm) Diametro del alojamiento (mm) Longitud total (mm) Semiangulo de divergencia (grados) Instalacion

2: Adaptacion de impedancia acustica para suspensiones industriales 1400-1700 (m/s) 14 5 8 90 2,2 Disco de TC de 50,5 mm, distancia desde la placa de TC a la parte delantera de transductor 34 mm

Debena observarse que los transductores ultrasonicos 40, 42 tienen un intervalo de frecuencia de 0,5 - 15 MHz, y como se ha descrito anteriormente estan disenados para funcionar tanto en modo de transmision como/o de recepcion, de manera individual o en parejas (por ejemplo, el primer transductor 40 funcionando en un modo de emision dedicado y el segundo transductor 42 funcionando en un modo de recepcion dedicado, o viceversa). Los transductores 40, 42 pueden trabajar tanto en un modo de excitacion continua como pulsada y producir rafagas cortas o largas de ultrasonidos, por lo general de tipo de onda sinusoidal o cuadrada pero tambien de otras formas de onda, tales como pitidos, si se desea. Ademas de instalarse y hacerse funcionar usando tanto de manera individual como en pares, los transductores 40, 42 pueden proporcionarse en diferentes configuraciones (opuestos entre sf, una configuracion en anillo, V y Z, etc.) para medir tanto en la direccion del flujo como en la opuesta. La presente invencion tambien abarca un diseno de transductor matricial lineal/de fases equipado con una lrnea de retardo 41 como se ha descrito anteriormente.

Ademas, el transductor 40, 42 puede fijarse opcionalmente con, por ejemplo, un disco de tres abrazaderas 56 (vease la Tabla 1 y las figuras 5 y 6) para una instalacion facil e higienica de los transductores 40, 42, que normalmente es un prerrequisito en las aplicaciones que se localizan en las industrias alimentarias o farmaceuticas.

El transductor podna fijarse tambien opcionalmente con un sistema de sujecion para la colocacion precisa de los transductores de lrnea de retardo (cuando se usa en la configuracion del sensor no invasivo).

Sin embargo, es mas importante, en la presente invencion, que el transductor 40, 42 este equipado con una lrnea de retardo optimizada 41 y un disco 56 para la instalacion facil e higienica de los transductores 40, 42, permitiendo la colocacion exacta del transductor 40, 42 y tambien una posicion de pared fija. Esto garantiza y permite no solo mediciones precisas directamente desde la parte delantera del transductor y dentro de la capa de gradiente cerca de la pared 46, sino que tambien la caracterizacion y la determinacion reologica precisa de los parametros reologicos eliminando la incertidumbre en determinar las posiciones de pared, como se describira a continuacion.

Una realizacion alternativa de una configuracion de medicion no invasiva se muestra en la figura 7. Para los fines de la presente invencion, la expresion configuracion "no invasiva" indica que ninguna parte del transductor o del material de lrnea de retardo esta en contacto con el fluido de ensayo. En otras palabras, el transductor y el elemento de lrnea de retardo se localiza en el exterior de la tubena u otros medios 12 en los que se transporta el fluido a caracterizarse.

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Un elemento o bloque formado de manera adecuada 43 de material de lmea de retardo se usa para acoplar acusticamente el transductor 40, 42 con una capa de material solido (por ejemplo, una pared de tubena). Como se ha descrito anteriormente, el material de lmea de retardo debena proporcionar unas propiedades optimas de haz acustico (tal como la formacion de haz, el enfoque de haz, el acoplamiento, la adaptacion de impedancia, la ruta optima de haz a traves de las capas de material y en el medio de fluido asf como la proteccion de sensores). Como se ha descrito anteriormente, la lmea de retardo esta disenada para generar o eliminar los diferentes tipos de ondas en los materiales solidos o semi-solidos que podnan usarse para las mediciones no invasivas.

El bloque de material de lmea de retardo, o bien podna ser una parte integral del transductor y/o la capa de pared de material (por ejemplo, la pared de tubena) o por ejemplo, un dispositivo de abrazadera. Debena observarse que en la figura 7 la direccion de la ruta del haz es solo una ilustracion.

Volviendo a la figura 4, se apreciara que el sistema 10, espedficamente la seccion de medicion 30 del mismo, comprende tambien un sensor de presion diferencial 60 para las mediciones de estres de corte de pared. El sensor 60 esta configurado para medir una diferencia de presion entre dos puntos a lo largo del flujo de fluido 34 por medio de las membranas de 60.1 y 60.2. Para este fin, el sensor 60 puede comprender tambien un tubo de vado 62 lleno de fluido de transmision de presion. Puesto que la velocidad del sonido en un medio de fluido puede cambiar significativamente con la variacion en la temperatura del fluido, el sistema 10 puede comprender tambien un sensor de temperatura 64. Se observara que cuando la reologfa del fluido es de interes, la temperatura del fluido tambien puede jugar un papel significativo en las propiedades viscosas de un fluido espedfico. La seccion de medicion 30 del sistema 10 esta disenada para mediciones simultaneas de perfiles de velocidad y propiedades acusticas en lmea.

El sistema 10 puede comprender ademas o la seccion de medicion 30 puede estar en comunicacion de flujo con los adaptadores de flujo de presion 66 (figuras 8 y 9). El adaptador de flujo de presion 66 puede estar conectado aguas arriba y aguas abajo de la seccion de medicion 30 para las mediciones de cafda de presion mas precisas (figura 10). El adaptador de flujo de presion 66 puede comprender un puerto de entrada 67 para recibir un flujo de fluido de entrada 68 y un puerto de salida 69 para proporcionar una salida 70 del flujo de fluido. El puerto de entrada 67 y el puerto de salida 69 pueden estar separados por una camara de flujo cilmdrica 72 no estando en lmea entre sf La configuracion asimetrica de los puertos de entrada y salida 67, 69 garantiza un flujo estable continuo del fluido hacia la seccion de medicion 30. Se apreciara que en ciertas realizaciones de ejemplo, el sensor de presion 60 requiere que la tubena esta totalmente llena de fluido y unas membranas 60.1 y 60.2 de sensor de paso de flujo estable 60 con el fin de medir las diferencias de presion entre las mismas con precision. Un diseno pobre del alojamiento del sensor en combinacion con pequenos cambios en la presion o errores en las mediciones podna dar lugar por lo tanto a propiedades reologicas erroneas determinadas por el sistema 10.

Como se ilustra en la figura 9, los adaptadores 66 pueden proporcionarse aguas arriba y aguas abajo de un flujo de fluido y pueden interconectarse por medio de una tubena.

La tubena puede comprender la seccion de medicion 30 del sistema 10 o la seccion de medicion 30 puede unirse a la tubena.

En cualquier caso, ademas de obtener simplemente unas mediciones por medio de la seccion de medicion 30, el sistema 10 logra la funcionalidad como se ha mencionado anteriormente en el presente documento, al menos, haciendo uso de una tecnica de perfiles de velocidad de ultrasonidos pulsados (UVP) para determinar al menos los perfiles de velocidad del flujo de fluido 34. Esta tecnica se basa en la determinacion del desplazamiento de frecuencia o del desplazamiento del dominio de tiempo de las senales de retrodispersion que reflejan las partmulas o las burbujas en un lfquido que fluye. Este desplazamiento se obtiene en tiempo real como una funcion del intervalo espacial para un gran numero de posiciones/tiempos espaciales. A partir de estas mediciones, se determina un perfil de velocidad instantaneo del flujo de fluido 34. Se apreciara que a partir de un perfil de velocidad unico en un gradiente de presion medido simultaneamente, el sistema 10 puede determinar las propiedades reologicas del fluido sobre las tasas de corte que van de cero en un centro de la tubena a la maxima tasa de corte en la pared de tubena 46.

Para este fin, se hace referencia a la figura 10 de los dibujos, en la que se ilustra el sistema 10 de la presente invencion. Ademas del bloque conceptual de la seccion de medicion 30, la figura 10 ilustra el sistema 10 comprendiendo tambien la electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 para recibir y procesar las senales de medicion a partir de los sensores y los transductores 40, 42 de la seccion de medicion 30 a traves de una conexion cableada o de manera inalambrica (por ejemplo, la seccion de medicion 30 puede comprender un transmisor inalambrico para transmitir las senales de medicion a un receptor adecuado) proporcionandose de este modo el sistema 10 con la funcionalidad deseada. La electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 y la seccion de medicion 30 componen normalmente el sistema 10. Como se ha mencionado anteriormente, los elementos 80 pueden estar localizados en la seccion de medicion 30. Sin embargo, para facilitar la ilustracion y la explicacion, estos se describen por separado estando los elementos 80 alejados de la seccion de medicion 30, a pesar de estar acoplados en comunicacion con la misma, por ejemplo, de manera inalambrica como se ha mencionado anteriormente en el presente documento.

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En ciertas realizaciones de ejemplo los elementos 80 se proporcionan en un ordenador personal (PC), ordenador portatil u otro dispositivo informatico adecuado. Sin embargo, en la presente realizacion de ejemplo, los elementos 80 pueden estar interconectados con estos tipos de dispositivos informaticos, pero forman parte de un sistema separado 10.

La electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 estan configurados convenientemente para controlar los componentes de la seccion de medicion 30, asf como para procesar las mediciones recibidas como se ha descrito en el presente documento. Se entendera por los expertos en la materia que puede lograrse la funcionalidad de la electronica y algunos de los elementos de procesamiento de senal 80 de una pluralidad de diferentes maneras. Sin embargo, esto no debe restar el espmtu de la invencion descrito en el presente documento.

En particular, el sistema 10 comprende una unidad de pulso-receptor 82 para recibir senales o pulsos de uno o ambos de los transductores 40, 42, espedficamente del transductor 42 (para facilitar la explicacion). La unidad 82 esta equipada con un multiplexor 84 y el hardware basado en los dispositivos de ganancia variable y tiempo- ganancia-compensacion (TGC) 86 que pueden programarse por un usuario de manera que pueden usarse las curvas de ganancia de varios tipos diferentes por el sistema 10.

En una realizacion, el sistema 10 comprende una forma de onda arbitraria o senal de generador (AWG), no mostrada, que produce una secuencia de senales o de pulsos a una frecuencia repetitiva pulsada (PRF). Para facilitar la explicacion, las senales y los pulsos pueden considerarse que se refieren a lo mismo.

Un generador de senales avanzado puede proporcionarse para dar una forma sofisticada a la senal de forma de PRF para controlar la forma, la amplitud, la duracion y la frecuencia de la senal de salida. La senal de salida se amplifica por un amplificador de potencia 88 y a continuacion pasa a traves de un transmisor 90 y la unidad de multiplexacion 84 antes de que se convierta en una senal acustica por el transductor 41.

La frecuencia de senal en la presente invencion esta preferentemente en el intervalo de megahercios de 0,1- 150 MHz, con una anchura de pulso que va desde 0,5 hasta 20 ciclos por pulso (por ejemplo, una senal sinusoidal) con la tasa de repeticion de pulso superior a dos veces el maximo desplazamiento de frecuencia Doppler esperado (teorema de Nyquist). El penodo de "apagado" entre los pulsos es lo suficientemente largo como para permitir cualquier reverberacion y ecos de un pulso a extinguirse antes de transmitirse el siguiente pulso.

La electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 estan disenados de manera que los transductores 40, 42 pueden trabajar tanto en modo de excitacion continua como pulsada y producir rafagas cortas o largas de ultrasonidos, por lo general de tipo de onda sinusoidal o cuadrada, pero otras formas de onda, como pitidos tambien puede usarse por la presente invencion. Despues de una emision/transmision corta de la onda de ultrasonidos a lo largo del eje de medicion (a traves del fluido), la electronica 80 conmuta al modo de recepcion ("escucha"). Cuando el pulso de ultrasonidos golpea a una pequena partfcula 44 en el lfquido/fluido, parte de la energfa de ultrasonidos se dispersa sobre la partfcula 44 y el eco vuelve. La senal de eco o reflexion llega al transductor de recepcion 42 despues de un retardo de tiempo. Si la partfcula de dispersion 44 se mueve con una componente de velocidad distinta de cero en el eje acustico del transductor 42, se realiza el desplazamiento Doppler de la frecuencia de eco, y la frecuencia de la senal recibida se convierte en 'desplazada Doppler' por la frecuencia igual a la frecuencia de desplazamiento Doppler.

El transductor 42 detecta la energfa acustica o la senal/pulso de reflexion a partir de unas pequenas partfculas o burbujas de reflexion, itinerantes 44 en el lfquido que fluye. Un bloque de adquisicion de datos recibe la senal de reflexion retardada y se usa una temporizacion de circuito para 'sincronizar' la senal recibida, de manera que las regiones de muestra pueden ser o adyacentes o separadas entre sf. Solo la senal que corresponde a un intervalo seleccionado de los tiempos de viaje acusticos se selecciona para su procesamiento. En la realizacion preferida, se procesan multiples regiones de muestra en paralelo, pero solo una unica region de muestra puede procesarse tambien a la vez. Un retraso y un intervalo de puerta pueden ajustarse para obtener el desplazamiento de frecuencia o el desplazamiento de dominio de tiempo en una o varias regiones de muestra, determinado por el software de control (vease a continuacion).

Se entendera que la senal o pulso acustica recibida por el transductor de recepcion 42 se convierte en una senal electrica que se amortigua y amplifica por un amplificador de recepcion 86 equipado con un dispositivo de tiempo- ganancia-compensacion (TGC). En la realizacion preferida, la senal de RF recibida puede demodularse y filtrarse a paso bajo para proporcionar una senal de frecuencia desplazada para la estimacion de velocidad, pero el sistema 10 en la presente invencion tambien filtra a paso alto la senal recibida para eliminar cualquier senal de baja frecuencia provocada, por ejemplo, por las paredes 46 y la reverberacion de la tubena. El sistema 10 de la presente invencion tambien filtra a paso bajo la senal recibida para eliminar los componentes de alta frecuencia no deseados. Se observara que el termino RF (Radio Frecuencia) en el presente documento se usa comunmente para describir los datos "en bruto" no procesados en el campo de ultrasonidos, a veces esta abreviatura se usa tambien para referirse a la transferencia inalambrica de datos en las aplicaciones de comunicacion electronica.

Los datos de eco de RF en bruto obtenidos de cada pulso se registran, lo que se usa en los algoritmos de estimacion de velocidad tratados a continuacion, pero tambien para la visualizacion y la monitorizacion del contenido

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espectral de las frecuencias de desplazamiento de Doppler obtenidas usando los algoritmos de transformada rapida de Fourier (FFT).

Si la electronica 80 de la presente invencion tiene exito para medir el retardo y el desplazamiento de frecuencia o el desplazamiento del dominio de tiempo de las senales de retrodispersion que se reflejan en las pardculas 44, es posible entonces calcular tanto la posicion como la velocidad de una pardcula. Ya que se supone que las partfculas de dispersion son suficientemente pequenas para seguir el flujo de lfquido, tambien se supone que el sistema 10 puede hacerse funcionar para establecer un componente de flujo de fluido en un punto de espacio dado. El perfil de velocidad instantaneo completo puede por lo tanto obtenerse en tiempo real usando varios algoritmos de estimacion de velocidad diferentes (dominio del tiempo y dominio de frecuencia) al mismo tiempo para mejorar la precision y la calidad de los perfiles de velocidad medidos (tratado a continuacion). Se observara que aunque el sistema solo mide los datos de RF en bruto, los perfiles de velocidad determinados a partir de los datos de eco son los perfiles medidos usando el sistema actual. La realizacion preferida contiene ademas un modulo de adquisicion de datos analogicos (por ejemplo, un modulo analogico a digital, DAQ) 92 con entradas de sensor y modulos de acondicionamiento de senal para la recepcion simultanea de las mediciones de diferencia de presion, temperatura, caudal volumetrico, etc. de los sensores apropiados en la seccion de medicion 30. De esta manera, el sistema 10 esta configurado para combinar una cafda de presion medida, que se usa para determinar el perfil de estres de corte con el perfil de tasa de corte correspondiente obtenido a partir del perfil de velocidad para determinar las propiedades reologicas, como se describe a continuacion.

Ademas, el sistema 10 esta configurado para determinar la velocidad promedio instantanea del sonido en el fluido a lo largo de cada haz de transductor o eje de medicion 43 usando, por ejemplo, mediciones de tiempo de ejecucion entre los dos transductores 40, 42. La atenuacion de la energfa acustica de los ultrasonidos en el fluido a lo largo de cada eje de haz de transductor 43 se mide tambien. Esta informacion se usa para calcular, por ejemplo, la posicion radial de las diversas regiones de muestra, la concentracion de solidos y el caudal volumetrico, que tambien puede obtenerse a partir de la integracion de los perfiles de velocidad medidos y por el metodo diferencial de transmision- tiempo (impulsiones predesencadenadas).

Se apreciara que el metodo puede usar metodos diferenciales de transito-tiempo usando dos transductores montados en lados opuestos (como con la presente invencion) y usando un transductor para transmitir y el otro para recibir y viceversa, registrando de este modo las mediciones de tiempo de ejecucion con y en contra de la direccion del flujo de fluido. Esta informacion puede usarse para determinar el caudal volumetrico si se asume un perfil de velocidad de flujo para el fluido espedfico bajo investigacion. Se observara que la combinacion de la integracion del perfil de velocidad y el metodo de transito-tiempo puede usarse con el fin de obtener caudales mas precisos.

El sistema 10, espedficamente la electronica y los elementos de procesamiento de senal 80, comprenden ventajosamente un procesador 94 para dirigir el funcionamiento del sistema 10, especialmente los elementos 80. La electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 pueden incluir un medio o memoria legible por maquina 96, por ejemplo, una memoria en el procesador 94, una memoria principal, y/o una unidad de disco duro, que lleva un conjunto de instrucciones o software de control como se ha mencionado anteriormente para dirigir el funcionamiento del procesador 94. Debena entenderse que el procesador 94 puede ser uno, mas, o una combinacion de microprocesadores, controladores, procesadores de senales digitales (DSP), matrices de puertas programables en campo (FPGA), o cualquier otro dispositivo informatico adecuado, recursos, hardware, software, o logica integrada.

Las instrucciones pueden ser un software de control o un software de control integrado.

Con referencia a la figura 11 de los dibujos, el procesador 94 comprende normalmente uno o mas modulos que corresponden a las tareas funcionales a realizarse por el procesador 94. A este respecto, "modulo" en el contexto de la especificacion se entendera que incluye una seccion identificable de codigo, instrucciones computacionales o ejecutables, datos u objetos computacionales para lograr una determinada funcion, funcionamiento, procesamiento o procedimiento. De ello se desprende que un modulo no tiene por que implementarse en software; y en otras realizaciones de ejemplo (no tratadas adicionalmente) un modulo puede implementarse en software, hardware, o una combinacion de software y hardware. Ademas, los modulos no necesitan necesariamente consolidarse en un solo sistema, sino que pueden extenderse a traves de una pluralidad de sistemas.

Se observara adicionalmente que en lugar, o ademas, ciertos componentes de la electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 se suministran como componentes discretos y se describen como tales, el procesador 94 puede comprender tambien algunos de estos componentes como los modulos de codigo que se han descrito anteriormente en el presente documento, por ejemplo, los diversos filtros descritos en el presente documento.

En cualquier caso, el procesador 94 comprende un modulo de estimacion de velocidad 98 configurado para aplicar uno o mas algoritmos de determinacion de velocidad a las senales de reflexion recibidas o a los datos indicativos de las mismas, para determinar el perfil de velocidad del flujo de fluido 34 en la tubena. El modulo de estimacion de velocidad 98 puede configurarse para aplicar simultaneamente una pluralidad de algoritmos de determinacion de velocidad para determinar el perfil de velocidad. Los algoritmos de determinacion de velocidad pueden ser

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algoritmos de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia que se aplican sustancialmente a la misma vez para mejorar la precision y la calidad de los perfiles de velocidad medidos (la informacion espectral y la estimacion de velocidad).

Se conoce como determinar o estimar los perfiles de velocidad de los fluidos que fluyen de las senales de eco de retorno/muestreadas, por ejemplo, por el algoritmo de Burg y un metodo de FFT compleja. El algoritmo de Burg (un metodo autorregresivo) proporciona un espectro de potencia con menor varianza (mayor precision en la estimacion de la frecuencia de Doppler). Sin embargo, cuando se considera el perfil espectral completo, es ideal tener acceso a los dos metodos, ya que la FFT puede usarse para el analisis espectral detallado de las senales Doppler.

Determinar la frecuencia Doppler correcta de una senal con una gran dispersion espectral y baja relacion senal-ruido puede ser extremadamente complicado y por lo tanto, los cientfficos estan siempre interesados en las tecnicas de procesamiento de senales alternativas. Se ha descubierto que las tecnicas de procesamiento de senal de dominio de tiempo se realizan bien en un amplio intervalo de relaciones de senal-ruido que en comparacion con los metodos de FFT convencionales.

Los algoritmos de dominio de tiempo pueden separarse en (i) estimadores de desplazamiento de fase que emplean tecnicas de autocorrelacion de la senal de banda base y (ii) estimadores de desplazamiento de tiempo que usan frecuentemente la correlacion cruzada de la senal de RF para seguir el movimiento de los dispersores 44 en el medio de fluido 34. En cualquier caso, se apreciara que con la disponibilidad de dos algoritmos, el metodo de FFT para el analisis espectral y el algoritmo del metodo autorregresivo de Burg para la frecuencia de pico, respectivamente, la velocidad de flujo sena ideal.

La senal de reflexion recibida se digitaliza convenientemente para su procesamiento por el modulo 94. Ademas, se apreciara que el modulo 94 se configura convenientemente para aplicar los algoritmos para detectar la frecuencia de desplazamiento de Doppler o el retardo de tiempo y estos pueden dividirse en algoritmos de dominio espectral (FFT) y de tiempo.

La electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 tienen acceso directo convenientemente a los "datos en bruto" de los transductores 40 y 42 para permitir un mayor control de los niveles de calidad de senal y amplificacion de ganancia, la deteccion de perturbaciones de senal, asf como la correccion del fenomeno de solapamiento.

En cualquier caso, como se ha mencionado anteriormente, el modulo 94 esta configurado para determinar el perfil de velocidad del flujo de fluido 34 en el dominio de tiempo o de frecuencia, seleccionable opcionalmente por un usuario del sistema 10. Una senal Doppler compleja esta dada por:

fit) = l{t) + iQit),

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en la que I(t) y Q(t) son los componentes de senal de en-fase y co-fase, respectivamente. La transformada de Fourier de la senal Doppler se calcula de la siguiente manera:

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y el espectro de potencia S(w) esta dado por:

S((0) =J*(u>)f((D).

(Ecuador) 3)

El modulo 94 que implementa el algoritmo de dominio de frecuencia esta configurado para implementar el algoritmo de Burg, un metodo de estimacion espectral parametrico, que determina una estimacion del espectro de potencia de la senal de eco compleja (senal de reflexion) construida a partir de los datos de eco (datos en bruto) de en-fase (I) y co-fase (Q). La frecuencia Doppler correspondiente al punto o pico de maxima potencia se selecciona por el modulo 94 para la estimacion de velocidad y se calcula por:

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El algoritmo de dominio de tiempo aplicado por el modulo 94 determina el desplazamiento de frecuencia Doppler en terminos de los componentes medidos/y Q de la senal Doppler experimental compleja (por ejemplo, de Barber, W.D., Eberhard, J.W. y Karr, S.G. 1985. "A New Time Domain Technique for Velocity Measurements Using Doppler Ultrasound". lEEE Transactions on Biomedical Engineering, BME-32 (3): 213-229):

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Este enfoque se basa en la expresion para la tasa instantanea de cambio de fase que separa los terminos que vanan rapidamente de los que vanan lentamente. Esta tecnica se basa unicamente en el procesamiento de senales en el dominio del tiempo, lo que la hace ventajosamente de manera significativa mas sencilla de implementar en relacion con el enfoque de FFT clasico.

Esto sigue usando varios algoritmos de estimacion de velocidad (dominio de tiempo y dominio de frecuencia) al mismo tiempo, el modulo 94 proporciona ventajosamente una precision y calidad mejoradas de los perfiles de velocidad medidos.

Los perfiles de velocidad como se determinan por el modulo de velocidad 94 no se conocen en general con la suficiente precision como resultado del efecto de las caractensticas de volumen de muestra finitas y la propagacion a traves de los lfmites solidos o capas de material de pared. Se entendera que esto podna ser el material de lmea de retardo, la placa delantera, o la pared de una tubena.

Haciendo referencia a la figura 12, el volumen de muestra 104 tiene una geometna de lagrima o en forma de gota. Durante un corto pulso de accionamiento los ultrasonidos aumentan la intensidad de la onda de manera exponencial hasta el final del pulso electrico seguido de un decaimiento gradual debido a la fase de zumbido del transductor 40 (un decaimiento exponencial de energfa almacenada). Las caractensticas del campo de sonido del volumen de muestra 104 estan determinadas por las propiedades focales de transductor ultrasonico 40, los dispersores de sonido 44 en el medio de flujo y la sensibilidad de la circuitena del receptor. La senal acustica transmitida por el transductor 40 es una rafaga acustica y es una region tridimensional de la intensidad del sonido y cualquiera de las partfculas de flujo que pasan por esta region produce unas senales Doppler que se detectan por el segundo transductor 42.

Ya que estan presentes multiples dispersores 44 fluyendo a velocidades diferentes en el entorno practico la senal recibida es un espectro de frecuencias que contiene los desplazamientos Doppler de todas las partfculas en movimiento 44. El resultado de este ensanchamiento espectral es que, en pequenos tubos/tubenas en los que los gradientes de velocidad son altos, los perfiles de velocidad se distorsionan considerablemente. Esta distorsion se provoca por el promediado que tiene lugar sobre el volumen de muestra 104. Se supone que la velocidad medida es proporcional al promedio de las velocidades dentro del volumen de muestra 104 ponderada por la distribucion de intensidad asociada del volumen de medicion. Matematicamente, el perfil de velocidad medido puede expresarse como una convolucion tridimensional del perfil de velocidad real con la funcion de intensidad de volumen de muestra (por ejemplo, de Jorgensen, J.E., Campau, D.N. & Baker, D.W. 1973. "Physical characteristics and mathematical modelling of the pulsed ultrasonic flowmeter". Medical and Biological Engineering, 11 (4): 404-421):

imagen4

en la que r es la variable de intervalo (la distancia a lo largo de la ruta de propagacion de ultrasonidos).

El procedimiento de convolucion puede simplificarse drasticamente suponiendo que el volumen de muestra 104 tiene una sola dimension, su longitud y que se caracteriza por la intensidad acustica a lo largo del eje de haz ultrasonico 43. Ya que la longitud del volumen de muestra es a la vez su dimension mas grande y es coincidente con la direccion de la convolucion y ya que la intensidad es la mas alta en el centro del haz, estos supuestos resultan ser razonables (Jorgensen, J.E. & Garbini, J.L. 1974. "An Analytical Procedure of Calibration for the Pulsed Ultrasonic

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Doppler Flow meter". Journal of Fluids Engineering, 96: 158-167). A continuacion, la ecuacion 6 se reduce a una convolucion unidimensional:

vr

t(r) = I vt(x) i(r — x)dx

J n

(Ecuacion 7)

Otra forma de calcular el perfil medido es aplicando el teorema de convolucion de tiempo, que establece que la transformada de Fourier de la convolucion (*) de dos funciones es igual al producto de las dos transformadas de Fourier (F((fi(t) * f2(t) = Fi(w)F2(w) en la que F es el operador de la transformada de Fourier y Fi(w) y F2(w) son las transformadas de Fourier de fi(t) y f2(t) respectivamente. Despues de unas cuantas transformaciones mas, el perfil de velocidad "verdadero" o real puede calcularse utilizando un proceso de deconvolucion:

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En la que k tiene la dimension inversa de la coordenada espacial (Flaud, P., Bensalah, A. & Peronneau, P. 1997. "Deconvolution process in measurement of arterial velocity profiles via an ultrasonic pulsed Doppler velocimeter for evaluation of the wall shear rate". Ultrasound in Medicine & Biology, 23 (3): 425-436).

A la luz de lo anterior, el procesador 94 comprende ventajosamente un modulo de deconvolucion 100 configurado para aplicar un algoritmo de deconvolucion al perfil de velocidad determinado por el modulo de estimacion de velocidad 98 para determinar un perfil de velocidad deconvolucionado o verdadero del flujo de fluido 34 en la tubena y por lo tanto se corrigen los datos de velocidad erroneos provocados por el tamano finito de las caractensticas de volumen de muestreo del perfil de velocidad determinado.

Se hace referencia ahora tambien a la figura 14, en la que un diagrama de flujo de proceso conceptual del algoritmo de deconvolucion aplicado por el modulo 100 esta indicado por el numero de referencia 110. En primer lugar, el modulo 100 esta configurado para recibir y almacenar en la memoria 96, un perfil de velocidad como se determina por el modulo de estimacion de velocidad 98, seguido por el parametro de velocidad del sonido y la forma de onda.

El parametro de velocidad del sonido se determina ventajosamente por el modulo de calculo de velocidad del sonido 103. El parametro de velocidad del sonido es la velocidad de la onda de sonido transmitida en el medio de fluido (medida usando los dos transductores montados en oposicion 40, 42). El valor de velocidad del sonido se usa para determinar la longitud del volumen de muestra como velocidad = distancia/tiempo. El volumen de muestra (o forma de onda) medida en, por ejemplo, un osciloscopio como una funcion del tiempo y por lo tanto hay una necesidad de convertir el eje de tiempo sobre el que se mide el volumen de muestra a la distancia (debido a que el perfil de velocidad es una funcion de la distancia radial), para facilidad del calculo posterior.

Por otra parte, la forma de onda es la senal medida real, es decir, una senal sinusoidal. La ventana de muestra se determina a partir de la forma de onda determinando la envolvente de la forma de onda y a continuacion normalizando la ventana de muestra.

Se hace referencia ahora a la figura 13, que muestra una ventana de muestreo 106 (la envolvente de la forma de onda) construida a partir de una forma de onda medida (volumen de muestreo) usada por el modulo 100.

Se apreciara que la 'ventana de muestra' no es el 'volumen de muestra' (forma 3D), sino la envolvente de la medicion de forma de onda de 2D (mostrada en la figura 13). La zona de la ventana de muestra se determina (por integracion) como la ventana que entra y sale de los lfmites de pared de tubena, por lo tanto la zona de la ventana en la entrada y la salida no sera estable cuando no se localiza toda la ventana dentro de la zona de flujo. En otras palabras, la forma de onda es simplemente la envolvente de la senal de ultrasonidos transmitida por el transductor (que se recibe por el transductor opuesto o viceversa). El 'volumen de muestra' es una expresion usada para describir el pulso de onda de presion ffsica que se transmite en el medio de fluido, es decir, en realidad es la envolvente de la forma de onda medida girada alrededor de su eje horizontal (vease la figura 13) para formar una 'lagrima' 3D (vease la figura 12).

Como un aparte, se apreciara que la ventana 106 se describe mediante la envolvente de la subida y el decaimiento exponencial de las intensidades que se localizan en el eje de volumen de muestra. El sistema determina la ventana de muestra usada para la deconvolucion, es decir, la longitud real de la ventana en metros, asf como la envolvente normalizada de la forma de onda medida (que se mide en tension frente al tiempo usando, por ejemplo, un osciloscopio u otro medio).

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La forma y la longitud de la ventana de muestreo 106 controla significativamente el desenlace del procedimiento de deconvolucion implementado por el modulo de deconvolucion 100, es decir, cualquier error resultara en un perfil deconvolucionado que contiene gran cantidad de ruido y distorsion. La magnitud del perfil de velocidad deconvolucionado tambien es espedficamente sensible a la forma y el area general de la ventana de muestreo 106. Por lo tanto, la tecnica descrita de monitorizar continuamente la ventana de muestreo 106 es especialmente importante cuando la forma y la longitud de la ventana vanan de acuerdo con la velocidad del sonido en el medio, la temperatura, la densidad, asf como las propiedades de atenuacion de un fluido de ensayo espedfico.

Para mayor claridad con respecto a la ventana de muestreo continuo 106, se observara que un transductor 40 transmite una onda en el medio de fluido y el transductor opuesto 42 recibe la forma de onda que se registra digitalmente para su procesamiento. Esto puede monitorizarse de manera continua en ambas direcciones (el transductor 42 transmite y el transductor 40 recibe).

En cualquier caso, los elementos electronicos 80, o el procesador 94, estan configurados para normalizar la forma de onda o ventana de muestreo 106 antes de que el modulo 100 implemente el algoritmo de deconvolucion con el fin de corregir los datos de velocidad erroneos provocados por la convolucion de la ventana de muestreo finita y el perfil de flujo verdadero en la tubena o en otra geometna.

En particular, la ventana de muestreo normalizada se determina a partir de la forma de onda medida detectando una envolvente de la forma de onda medida (la ventana de muestra) y dividiendo todos los puntos de muestra en la ventana de muestra por el valor de magnitud maximo de la ventana de muestra.

Una longitud de la ventana de muestra se determina a continuacion, multiplicando un eje de tiempo con la velocidad medida del parametro de sonido.

El perfil de velocidad registrado y la ventana de muestra determinada se vuelve a muestrear a continuacion de manera que el numero de muestras corresponde a las distancias correctas de la ventana de muestra y la distancia radial del perfil de velocidad almacenado.

En cualquier caso, el modulo 100 esta configurado para multiplicar, en el bloque 112, el perfil de velocidad medido o el perfil Doppler (ilustrado como 111) por la integral de la ventana de muestreo 106 dentro del campo de flujo, para explicar la funcion de normalizacion en la suposicion primaria del modelo, para obtener de este modo un primer producto de multiplicacion. Este no es un valor estable, porque tras la entrada y la salida solo una parte de la ventana de muestreo 106 esta contenida dentro del campo de flujo. Por razones de brevedad, se apreciara que el "campo de flujo" es el flujo a traves del diametro de tubena, a medida que la ventana de muestra se desplaza desde el transductor a traves del diametro de tubena. La ventana de muestra no estara contenida inicialmente por completo dentro de la region de flujo, lo mismo vale para cuando la ventana sale del lado opuesto de la region de flujo, la ventana se desplaza desde la superficie del transductor a traves del diametro de tubena y sale de la misma.

El modulo 100 se configura a continuacion para aplicar, en el bloque 114, un algoritmo de transformada rapida de Fourier (FFT), espedficamente una transformada discreta de Fourier (DFT), al primer producto de multiplicacion para obtener un primer resultado de FFT. El modulo 100 se dispone tambien para aplicar un algoritmo de FFT, en el bloque 116, al volumen de ventana de muestra/de muestra 106 para obtener un segundo resultado de FFT.

A continuacion, el modulo 100 se configura convenientemente para dividir, en el bloque 118, el primer resultado de FFT por el segundo resultado de FFT para obtener un primer cociente de division.

Esto puede repetirse opcionalmente como se ha descrito anteriormente y como se ilustra de acuerdo con el re- muestreo mencionado anteriormente.

El modulo 100 se configura tambien para aplicar, en el bloque 120, un filtro de paso bajo (ilustrado como 121) al primer cociente de division para obtener un primer cociente de division filtrado de paso bajo. De esta manera, el ruido no deseado se elimina con un filtro de paso bajo digital antes de usar el perfil deconvolucionado final para el analisis de flujo detallado. Se observara que, como una opcion, el perfil o los datos sin procesar pueden usarse tambien para otros calculos.

El modulo 100 se configura tambien para aplicar, en el bloque 122, una FFT inversa (IFFT) al primer cociente de division filtrado de paso bajo para obtener el perfil de velocidad deconvolucionado, en el bloque 124. Un filtro de suavizado se aplica en el bloque 125 con el fin de eliminar el ruido no deseado y mejorar la calidad de los datos, ilustrandose el perfil de velocidad deconvolucionado resultante en el bloque 126.

El modulo 100 se configura tambien convenientemente para calcular, en el bloque 108, el volumen de muestra 106 como se ha descrito anteriormente en el presente documento.

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Ventajosamente, las etapas de deconvolucion realizadas por el modulo 100 requieren solamente la informacion del perfil medido y la longitud y la forma de la ventana de muestreo. No se requiere ningun conocimiento anterior de la naturaleza del perfil de velocidad verdadero.

Con los perfiles de velocidad deconvolucionados determinados y los perfiles de velocidad determinados, asf como las mediciones del sensor, el sistema 10 puede determinar convenientemente las caractensticas del flujo de fluido 34 en una tubena. Con este fin, el sistema 10, normalmente el procesador 94, comprende un modulo de caracterizacion de fluidos 102 configurado al menos para determinar las caractensticas de fluidos, los parametros reologicos, etc. del flujo de fluido 34 usando las entradas recibidas de los sensores 60, y 64, asf como de los perfiles de velocidad determinados, y los perfiles de velocidad deconvolucionados.

El modulo de caracterizacion de fluidos 102 puede configurarse para determinar la distribucion de tasa de corte sustancialmente de manera simultanea a partir de una medicion de la diferencia de presion del sensor de presion 60. En particular, el modulo de caracterizacion de fluidos 102 puede configurarse para usar la diferencia de presion del sensor de presion 60 en combinacion con el perfil de velocidad deconvolucionado para determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico.

El modulo de caracterizacion de fluidos 102 puede configurarse para determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico por ajuste no lineal de los perfiles de velocidad determinados y las diferencias de presion medidas para los modelos reologicos. Como alternativa, y preferentemente, el modulo de caracterizacion de fluidos 102 puede configurarse para usar un enfoque sin modelo, conocido como el metodo del gradiente, para determinar la distribucion de tasa de corte de un gradiente de velocidad de los perfiles de velocidad determinados y, opcionalmente, un estres de corte en una pared de la tubena 46, por ejemplo, a traves de una interpolacion segmentaria cubica o un ajuste de modelo polinomico de seguido por una derivacion numerica.

En cualquier caso, se apreciara que el modulo 102 puede configurarse para determinar el estres de corte en la pared (y por lo tanto tambien la distribucion) a partir de la cafda de presion a traves de una distancia fija, sabiendo tambien el diametro de la tubena.

Se apreciara que, por otro lado, la distribucion de tasa de corte puede determinarse por el modulo 102 de dos maneras; 1) unos modelos matematicos que describen la distribucion de velocidad en una tubena como una funcion del radio son bien conocidos y pueden derivarse (ley de potencias, Bingham, Herschel-Bulkley etc.). Los perfiles de velocidad deconvolucionados determinados anteriormente pueden ajustarse de este modo a dicho modelo.

Como alternativa, 2) cualquier otra ecuacion matematica capaz de describir una forma algo parabolica (polinomio, potencia, segmentacion cubica, etc.) puede usarse por el modulo 102 para describir el perfil deconvolucionado. Sin embargo, un problema importante con, por ejemplo, los polinomios de alto orden y las segmentaciones es que son propensos a las fluctuaciones, lo que resulta en la descripcion inexacta de los perfiles deconvolucionados si los datos contienen ruido (que es a menudo el caso). Por lo tanto, el modulo 102, usa ventajosamente otro procedimiento que implica, por ejemplo, un filtro de suavizado que elimina las fluctuaciones mencionadas y unos resultados en una representacion matematica verdadera de los perfiles deconvolucionados.

La primera derivada de la distribucion de velocidad es la tasa de corte y por lo tanto puede obtenerse de o el procedimiento de ajuste de modelo o directamente del perfil de velocidad usando un enfoque sin modelo, por ejemplo, una interpolacion segmentaria cubica o un ajuste de modelo polinomico seguido por una derivacion numerica. Tambien debena observarse que el procedimiento de ajuste de modelo puede omitirse y por lo tanto la tasa de corte puede obtenerse por derivacion numerica directa.

Las viscosidades de corte se obtienen a partir del cociente del estres de corte sobre la distribucion de tasa de corte.

Los parametros del modelo reologico pueden obtenerse por un ajuste no lineal de los perfiles de velocidad determinados y las diferencias de presion medidas para los modelos reologicos.

El sistema 10 puede comprender, o el modulo de caracterizacion de fluidos 102 convenientemente configurado para interactuar con una interfaz de usuario de entrada/salida 87 para proporcionar una informacion determinada y/o medida a un usuario. La interfaz de usuario 87 puede comprender un ordenador portatil, un PC (ordenador personal), o un dispositivo informatico adecuado para recibir informacion desde el sistema 10 y para proporcionar la misma al usuario, por ejemplo, por medio de un dispositivo de visualizacion (por ejemplo, un LCD (pantalla de cristal lfquido), un LED (diodo de emision de luz), una pantalla CRT (tubo de rayos catodicos), o similares). La entrada del usuario puede comprender un teclado, un raton, una pantalla tactil, o similar, para recibir entradas del usuario. La informacion puede proporcionarse normalmente al usuario por medio de una interfaz grafica de usuario adecuada (GUI) o una HMI (interfaz hombre maquina) visualizable por la interfaz de usuario 87.

Se apreciara que el modulo 102 puede configurarse para mostrar los perfiles de velocidad determinados, los perfiles de velocidad deconvolucionados, las mediciones de presion, y las mediciones de temperatura en un formato visual al usuario por medio de la interfaz de usuario 87. En ciertas realizaciones de ejemplo, el modulo 102 esta configurado

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para generar unas graficas indicativas de los anteriores para mostrar al usuario. El modulo 102 tambien puede generar unos modelos para la visualizacion de las caractensticas de los fluidos que fluyen en una tubena de interes. Se apreciara que el sistema 10, espedficamente la electronica y los elementos de procesamiento de senal 80, puede comprender un medio para pasar una seccion de la senal de reflexion recibida en una ventana de tiempo ajustable con respecto a la forma de onda transmitida (pulso), proporcionando de este modo una senal recibida cerrada que puede filtrarse, demodularse para producir una senal de muestra de desplazamiento de frecuencia y para realizar unas operaciones para determinar el desplazamiento de frecuencia, el retardo de tiempo o de fase asociado con una region de flujo de fluido.

El procesador 94 puede configurarse para ajustar la ventana de tiempo para determinar la velocidad local en cada volumen de muestreo y completar la distribucion de velocidad instantanea como una funcion de tiempo o de distancia a lo largo de cada lmea, eje de medicion.

El procesador 94 puede configurarse tambien para determinar una o mas viscosidades de corte dependientes y los parametros del modelo del flujo de fluido y para calcular la tasa de corte y la distribucion de estres de corte.

Se apreciara que el sistema como se describe en el presente documento es capaz de determinar el perfil de velocidad y por lo tanto tambien los parametros reologicos en un flujo laminar estable completamente desarrollado, paro tambien en los flujos intermedios y turbulentos en los que el numero de Reynolds es mayor que 2300.

Las realizaciones de ejemplo se describiran ahora adicionalmente durante el funcionamiento con referencia a las figuras 15 y 16. Los metodos de ejemplo mostrados en las figuras 15 y 16 se describen con referencia a las figuras 1 a 14, aunque debe apreciarse que los metodos de ejemplo pueden aplicarse tambien a otros sistemas (no ilustrados).

Se hace referencia en primer lugar a la figura 15 de los dibujos, en la que un diagrama de flujo de un metodo para la caracterizacion de los fluidos que fluyen en una tubena se indica en general por el numero de referencia 130. El metodo 130 se realiza normalmente en una planta de procesamiento industrial que comprende unas redes de tubenas que contienen fluidos (por ejemplo, lfquidos, emulsiones, suspensiones, lodos, o similares) en las que se desea conocer y visualizar las caractensticas de fluido de los fluidos en las tubenas.

El metodo 130 comprende emitir, en el bloque 132 por medio del primer transductor de lmea de retardo 40, una senal de alta frecuencia en el flujo de fluido 34.

A continuacion, el metodo 130 comprende recibir, en el bloque 134 por medio del segundo transductor de lmea de retardo 42, las senales de reflexion a lo largo del eje 43 de medicion en el flujo de fluido 34.

El metodo 130 comprende aplicar, en el bloque 136 por medio del modulo de estimacion de velocidad 98, uno o mas algoritmos de determinacion de velocidad a las senales de reflexion recibidas para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido 34 en la tubena bajo investigacion/analisis, de una manera descrita anteriormente en el presente documento.

A continuacion, el metodo 130 comprende aplicar ventajosamente, en el bloque 138 por medio del modulo 100, un algoritmo de deconvolucion al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad deconvolucionado del flujo de fluido en la tubena sustancialmente de la manera como se ha descrito anteriormente.

El metodo 130 comprende determinar y registrar, en el bloque 139, la presion como se ha mencionado anteriormente en el presente documento.

A continuacion, el metodo 130 comprende determinar, en el bloque 140 por medio del modulo de caracterizacion de fluidos 102, las caractensticas de flujo de fluido del fluido que fluye en el medio que define la ruta de flujo de fluido usando los perfiles de velocidad determinados y/o el perfil de velocidad deconvolucionado como se ha descrito anteriormente.

Se hace referencia ahora a la figura 16 de los dibujos, en la que otro diagrama de flujo de un metodo de acuerdo con una realizacion de ejemplo se indica en general por el numero de referencia 150.

El metodo 150 es un metodo automatizado y se realiza normalmente en tiempo real. Los parametros experimentales (datos de eco de RF, velocidad del sonido, presion, temperatura, caudal, formas de onda de pulso, atenuacion) se registran usando el dispositivo de adquisicion de datos digital 92 con una interfaz a un PC. Como se ha descrito anteriormente, la presente invencion es capaz de estimar la velocidad usando unos algoritmos de dominio de tiempo y de frecuencia. Los datos de eco de RF en bruto obtenidos a partir de cada pulso se registran, lo que se usa en los algoritmos de estimacion de velocidad, pero tambien para la visualizacion y la monitorizacion del contenido espectral de las frecuencias de desplazamiento de Doppler para controlar la calidad mejorada de las mediciones de velocidad. Los errores provocados por solapamiento tambien pueden corregirse aplicado un software de correccion de errores (por ejemplo, por medio del procesador 94) a los datos medidos.

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Esto es especialmente importante para las aplicaciones de flujo de canal abierto (tratadas a continuacion), en las que la tecnica UVP necesita medir a traves de grandes profundidades de flujo y a velocidades de flujo altas. La tecnica UVP sufre de una doble limitacion en este sentido ya que las velocidades de flujo altas en los canales abiertos resultan en profundidades de flujo mas altas o profundidades de penetracion mas grandes al mismo tiempo.

Despues de la adquisicion de datos, la calidad de los datos medidos puede mejorarse aplicando diversos filtros de suavizado (tales como la descomposicion en valores singulares, la respuesta de impulsos finita, la respuesta de impulsos infinita y los filtros de movimiento promedio), que pueden seleccionarse por el usuario a traves de la GUI de la presente de invencion. Los instrumentos UVP comerciales emplean normalmente un filtro de paso bajo simple, que se incorpora normalmente en el hardware o el DSP del instrumento. En funcion de la aplicacion, esto podna dar lugar a datos ruidosos y de mala calidad, lo que puede dar lugar a errores significativos en las mediciones del perfil y en ultima instancia de los parametros reologicos determinados usando la metodologfa UVP + PD. El acceso a los diferentes filtros a traves de la GUI permite a los usuarios maximizar la calidad de los datos grabados seleccionando un filtro personalizado que funcione mejor para una aplicacion espedfica.

Despues de que se calculen y se visualicen los perfiles de velocidad mediante el software se aplica un procedimiento de deconvolucion con el fin de corregir los datos y los gradientes de velocidad de pared cercana para el calculo preciso de los caudales (por integracion), asf como de los parametros reologicos. Una vez que se han establecido la precision y la calidad de los parametros experimentales (presion, datos de eco de RF, perfiles de velocidad) para estar a un nivel aceptable, los parametros reologicos, el caudal volumetrico y otros parametros, tales como las propiedades de atenuacion y la concentracion de solidos se calculan por el modulo 102 de una manera convencional. La concentracion de solidos se monitoriza, por ejemplo, monitorizando continuamente el parametro de velocidad del sonido en el medio de fluido de interes. Por otro lado, la atenuacion se monitoriza registrando la forma de onda (tension frente al tiempo) y monitorizando la magnitud de la energfa (o tension) de la forma de onda. El usuario tiene acceso a diferentes tecnicas de ajuste de modelo y a los modelos reologicos (como la ley de potencias, Bingham, Herschel-Bulkley, Sisko, Casson, Cross, Ellis, Carreau o modelos similares).

Las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico pueden obtenerse de dos maneras: o a partir de un ajuste no lineal de los perfiles de velocidad medidos y los datos de cafda de presion para los modelos reologicos adecuados, como se ha descrito anteriormente, o directamente a partir del perfil de velocidad y la cafda de presion usando un enfoque sin modelo. La presente invencion hace uso principalmente, por medio del modulo 102, del ultimo enfoque, que tiene la ventaja de que no requiere ningun conocimiento "a priori" del comportamiento de flujo de los sistemas de fluidos. Tambien tiene la desventaja de requerir una alta resolucion espacial y una alta calidad de datos, lo que puede obtenerse usando los transductores de lmea de retardo 40, 42 mas la deconvolucion.

En una realizacion, la distribucion de tasa de corte se determina a continuacion directamente a partir del gradiente de velocidad de los perfiles de velocidad adquiridos, por ejemplo, por una derivacion numerica directa o a traves de una interpolacion segmentaria cubica o un ajuste de modelo polinomico seguido por una derivacion numerica. En la realizacion preferida, se aplica un filtro de suavizado al perfil de velocidad medido y deconvolucionado para determinar el valor de suavizado para cada punto antes de determinar la distribucion de tasa de corte, las viscosidades de corte y/o los parametros reologicos. La principal ventaja de este enfoque es que conserva las funciones de la distribucion, tal como maximo, mmimo y anchura relativos, que estan por lo general 'aplanados' por otras tecnicas de promediado adyacentes (como por ejemplo, los promedios de movimiento).

Las principales etapas del enfoque sin modelo mencionado anteriormente se pueden resumir de la siguiente manera:

1. Registrar el perfil de velocidad y la velocidad del sonido

2. Aplicar el filtro de suavizado adecuado para mejorar la calidad de los datos de perfil de velocidad

3. Aplicar un procedimiento de deconvolucion, si es necesario

4. Conducir una interpolacion segmentaria cubica o un ajuste de modelo polinomico al perfil de velocidad (esta es una etapa opcional)

5. Aplicar un filtro de suavizado Savitzky-Golay avanzado a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad deconvolucionados antes de obtener el gradiente de velocidad (distribucion de tasa de corte)

6. Aplicar una derivacion numerica al perfil de velocidad procesado

7. Calcular la tasa de corte maxima y la distribucion de tasa de corte

La tecnica de ajuste sin modelo aumenta la precision general de los parametros reologicos en lmea determinados usando la metodologfa UVP + PD.

Estos comentarios tambien se aplican sustancialmente a la metodologfa UVP + FD descrita a continuacion.

Se hace referencia ahora a la figura 17, en la que otra realizacion o configuracion de ejemplo de un sistema, espedficamente la seccion de medicion del mismo requerido para la reologfa en lmea en el flujo de canal abierto no newtoniano, se indica en general por el numero de referencia 200.

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La seccion de medicion 200 es similar a la seccion de medicion 30 y las partes similares se referenciaran con los mismos numeros de referencia.

Para el flujo de canal abierto en un canal 202, es posible, al igual que para el flujo de tubena (la metodologfa UVP + PD descrita anteriormente), establecer los parametros reologicos ajustando los modelos teoricos a los datos experimentales. Solo se requiere una medicion de perfil de velocidad en el centro del aforador o canal abierto y la profundidad/altura de flujo correspondiente en el flujo laminar. Este metodo tambien usa la tecnologfa de transductor de lmea de retardo como se ha descrito anteriormente en la presente memoria, asf como la misma electronica y los elementos de procesamiento de senales como se han descrito anteriormente.

Los transductores primero y segundo 40, 42 se instalan junto con el sensor de temperatura 64 en una superficie central inferior 204 de un aforador o canal abierto 202. Un sensor de medicion de profundidad de flujo 206 se instala por encima de los transductores 40, 42, que puede medir la distancia entre el sensor y el nivel de fluido para medir de este modo la profundidad de flujo del aforador 202. Se apreciara que la distancia total entre la superficie del sensor de distancia 206 se calibra y el nivel de fluido se determina a continuacion simplemente restando la distancia calibrada total con la distancia medida.

El sensor 206 es normalmente un sensor de distancia por ultrasonidos o infrarrojos convencional que esta configurado para funcionar con precision en el aire. Se entendera que la profundidad de flujo necesita medirse con gran precision ya que este parametro puede influir significativamente en los parametros reologicos determinados ajustando el modelo en los datos experimentales. El primer transductor 40 esta montado transversalmente, por ejemplo, a 90 grados del flujo de fluido principal 34 para medir la velocidad del sonido registrando el tiempo de ejecucion de un pulso ultrasonico que se desplaza a lo largo del eje de medicion 43 desde la superficie del transductor ultrasonico 40 hasta la interfaz de lfquido/aire de fluido 208 y de vuelta. La interfaz de lfquido/aire 208 tiene una gran impedancia acustica que proporciona un buen eco hacia el transductor ultrasonico 40. Sin embargo, esta configuracion tiene la desventaja de la onda ultrasonica que tiene que desplazarse dos veces la distancia de profundidad del flujo de fluido, que en los fluidos de atenuacion podna provocar problemas. A este respecto, se apreciara que el sistema y el metodo de medicion de la velocidad del sonido en el flujo de tubena (UVP + PD descrito anteriormente) no sufre este inconveniente cuando los dos transductores 40 y 42 estan montados en lados opuestos el uno del otro a lo largo del eje de medicion 45, en el que un transductor transmite y el otro recibe. Tambien debena observarse que la desventaja mencionada anteriormente puede eliminarse usando un transductor en modo de emision y de recepcion durante las mediciones de la velocidad del sonido.

Se apreciara que el transductor 40 funciona en modo transmision/emision, asf como en modo de recepcion para emitir senales de ultrasonidos en el flujo de fluido 34 y recibir en consecuencia las senales de reflexion.

Opcionalmente otro transductor 42, tambien configurado para funcionar en modo de transmision y recepcion, puede montarse en un angulo para la medicion de los perfiles de velocidad instantaneos a troves de la seccion de flujo de aforador. Los datos de velocidad cerca de la interfaz de lfquido/aire del eje de medicion se distorsionan debido a las multiples reflexiones de la interfaz de aire, que es inherente en cualquier instrumento o aplicacion UVP. En el flujo de tubena esto no importa ya que se requiere solo la mitad del perfil a traves de la lmea de medicion debido a la geometna simetrica de una tubena recta. El comportamiento del flujo en un canal 202 es asimetrico a traves de la profundidad de flujo o el eje de medicion 47 y por lo tanto los datos de velocidad cerca de la interfaz lfquido/aire necesitan corregirse aplicando unas tecnicas de procesamiento de senales, tal como la interpolacion.

Haciendo referencia a la figura 18, se observara que la correccion a la que se hace referencia es para corregir un aumento y una disminucion de las magnitudes de velocidad en la region de la interfaz lfquido/aire 300. Los datos asociados a esta region 300 se descartan y estos puntos 'desaparecidos' en esta region se corrigen interpolando a traves del perfil medido antes de la interfaz lfquido-aire, asf como un perfil imaginario representado mas alla de la interfaz lfquido-aire. El perfil imaginario que se registra se produce debido a multiples reflexiones ultrasonicas de la interfaz de aire (alta impedancia acustica). Este efecto se conoce como efecto de onda reflejada.

En cualquier caso, las medidas obtenidas por la seccion de medicion 200 pueden usarse convenientemente por la electronica y los elementos de procesamiento de senal 80 de una manera similar a como se ha descrito anteriormente en el presente documento, aunque sin aplicacion de los elementos UVP + PD como se ha descrito anteriormente en el presente documento.

La presente invencion proporciona un sistema UVP + PD independiente, comodo capaz de una visualizacion de fluidos en lmea y una caracterizacion reologica. La presente invencion podna usarse con una pluralidad de pares de transductores permitiendo de este modo las mediciones a lo largo de varias lmeas de medicion, lo que permite la monitorizacion de la simetna de flujo, pero tambien en combinacion con el procedimiento de deconvolucion, lo que corrige los datos de velocidad distorsionados provocados por la muestra finita o el volumen de medicion a traves de las capas lfmite de material. Los transductores se instalan a nivel con el diametro interior de la tubena haciendo esta configuracion ideal para controlar y monitorizar los procesos industriales. Tener la funcionalidad para determinar los perfiles de velocidad en el flujo de tubena con una alta precision cerca de las paredes de tubena es tambien ventajoso ya que esto es cntico para la caracterizacion precisa de fluido.

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Las propiedades de fluidos tales como la velocidad del sonido y la atenuacion de ultrasonidos en el medio tambien se pueden monitorizar en lmea usando dos transductores instalados en direcciones opuestas una de la otra. Ademas, la presente invencion es ventajosamente capaz de estimar los perfiles de velocidad usando varios algoritmos diferentes (dominio de tiempo y de frecuencia), diversos filtros de suavizado y de pared y tecnicas de ajuste de modelo avanzadas para mejorar la calidad y la precision de las mediciones tales como el comportamiento de flujo, los parametros reologicos, la velocidad del sonido, el SFC, las propiedades de atenuacion de fluido, asf como los gradientes de concentracion de solidos.

Los transductores de lmea de retardo como se describen anteriormente en el presente documento proporcionan unos pulsos acusticos que pueden penetrar a traves de grandes diametros de tubena comunmente encontrados en aplicaciones industriales, y al mismo tiempo preservan la forma del haz/pulso (volumen de medicion). Permiten ademas, por primera vez, las mediciones de velocidad precisas directamente desde la parte delantera del transductor y dentro de la capa cercana a la pared.

Ademas, la presente invencion proporciona un sistema y metodo que permite mediciones en tiempo real de los perfiles de velocidad radial y las propiedades reologicas, tales como el lfmite elastico directamente en lmea. Tiene ventajas sobre los reometros de proceso disponibles comercialmente y los instrumentos fuera de lmea en ser no invasivo, aplicable a suspensiones opacas y concentradas, teniendo unas dimensiones de sensor pequenas y un coste relativamente bajo.

La presente invencion proporciona tambien un sistema y un metodo para el procesamiento de datos en tiempo real y es capaz de mostrar unos resultados instantaneos, que pueden presentarse en diferentes formatos o especificaciones, por ejemplo, la viscosidad frente a la tasa de corte, el estres de corte frente a la tasa de corte, las escalas registro-registro, etc. Ademas, los instrumentos UVP comerciales actuales solo son capaces de estimar las velocidades a traves del eje de haz ultrasonico usando un algoritmo, en general, integrado en el procesador de senal digital (DSP). Los sistemas existentes tambien emplean filtros simples y convencionales para la reduccion del ruido provocado por la baja relacion senal-ruido u otras perturbaciones durante las mediciones, que resultan en datos de ruido y estimaciones de velocidad erroneas. La presente invencion y el software es capaz de conmutar entre diferentes algoritmos de estimacion de velocidad (dominio de tiempo y dominio de frecuencia) y diferentes filtros, opcionalmente seleccionables por el usuario, para mejorar la calidad de los datos, asf como la precision general.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos (10) que comprende:

una seccion de medicion (30) que comprende un alojamiento (32) que tiene un medio (12) que define una ruta de flujo de fluido (34) para el flujo de fluido, incluyendo la seccion de medicion (30):

al menos un transductor (40) configurado para generar y emitir una senal ultrasonica en el flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) y dispuesto para usarse junto con un elemento de lmea de retardo (41) en contacto con una pared exterior (46) de dicho medio que define una ruta de flujo de fluido (34) en una configuracion de medicion no invasiva; y

un receptor (42) configurado para recibir unas reflexiones de la senal ultrasonica emitida por el al menos un transductor de lmea de retardo (40) de los reflectores en el flujo de fluido;

una memoria (96) para almacenar datos; y

un procesador (94) conectado operativamente a la memoria (96), comprendiendo el procesador (94):

un modulo de estimacion de velocidad (98) configurado para aplicar uno o mas algoritmos de estimacion de velocidad a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34); un modulo de deconvolucion (100) configurado para aplicar un algoritmo de deconvolucion al menos al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad verdadero del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34); y

un modulo de visualizacion y caracterizacion de fluidos (102) configurado para determinar las caractensticas del fluido y/o del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) usando el perfil de velocidad determinado y/o el perfil de velocidad verdadero,

caracterizado por que dicho al menos un transductor (40) esta configurado de manera que el punto focal (52) de la senal ultrasonica se localiza en una interfaz lfquido-pared de la seccion de medicion (30), en la que la senal ultrasonica entra en la ruta de flujo de fluido, cuando esta en funcionamiento.
2. Un sistema (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el receptor (42) incluye un segundo transductor (42) en lmea con o adyacente a un primer transductor (40), en el que cada transductor (40, 42) comprende un transductor acustico configurado para una velocimetna de ultrasonidos pulsados.
3. Un sistema (10) de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que dicho elemento de lmea de retardo (41) esta dispuesto para optimizar las caractensticas acusticas de dicho al menos un transductor incluyendo una o mas de entre: formacion de haz, focalizacion, acoplamiento, adaptacion de impedancia, ruta del haz y proteccion de sensores.
4. Un sistema (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el modulo de estimacion de velocidad (98) esta configurado para aplicar simultaneamente un dominio de tiempo y un algoritmo de dominio de frecuencia a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, con el fin de determinar el perfil de velocidad del flujo de fluido.
5. Un sistema (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el modulo de deconvolucion (100) esta configurado para:

recibir el perfil de velocidad determinado del flujo de fluido desde el modulo de estimacion de velocidad (98), una velocidad del parametro de sonido, y una forma de onda medida correspondiente a la senal ultrasonica recibida; aplicar un filtro de suavizado adecuado para mejorar la calidad del perfil de velocidad; aplicar un procedimiento de deconvolucion al perfil de velocidad;

aplicar un filtro de suavizado Savitzky-Golay a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad

deconvolucionados antes de obtener un gradiente de velocidad o una distribucion de tasa de corte;

aplicar una diferenciacion numerica al perfil de velocidad procesado; y

calcular la tasa de corte maxima y la distribucion de tasa de corte en el flujo de fluido.
6. Un sistema (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, incluyendo el sistema (10):

uno o mas sensores de presion absoluta o diferencial (60) para obtener una diferencia de presion entre las localizaciones respectivas a lo largo de una longitud del alojamiento (32); y uno o mas sensores de temperatura (64),

en el que el modulo de caracterizacion de fluidos (102) esta configurado preferentemente para usar la diferencia de presion de dichos sensores de presion (60) en combinacion con el perfil de velocidad para determinar las viscosidades de corte y los parametros del modelo reologico del flujo de fluido.

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7. Un sistema (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el sistema (10) comprende un sensor de profundidad de flujo configurado para recibir los datos de profundidad/altura de flujo del fluido que fluye en un canal abierto o aforador (202), estando el sistema (10) configurado para determinar las caractensticas del fluido que fluye en el aforador o canal abierto (202) obteniendo un unico perfil de velocidad en combinacion con una medicion de altura/profundidad de flujo.
8. Un sistema (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema (10) comprende una pluralidad de configuraciones de transductor con el fin de obtener unos perfiles de velocidad en tres dimensiones.
9. Una red de medios que definen las rutas de flujo de fluido, que incluye un sistema de visualizacion y caracterizacion de fluidos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
10. Un metodo para visualizar y caracterizar los fluidos que fluyen en un medio (12) que define una ruta de flujo de fluido (34), comprendiendo el metodo:

emitir una senal ultrasonica en un flujo de fluido (34) en el medio (12) que define una ruta de flujo de fluido (34) por medio de al menos un transductor (40) (bloque 132);

recibir las reflexiones, de los reflectores en la ruta de flujo de fluido (34), de la senal ultrasonica emitida por dicho al menos un transductor (40) (bloque 134);

aplicar uno o mas algoritmos de estimacion de velocidad a las reflexiones recibidas de la senal ultrasonica, o a los datos indicativos de las mismas, para determinar un perfil de velocidad del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) (bloque 136);

aplicar un algoritmo de deconvolucion al perfil de velocidad determinado para determinar un perfil de velocidad deconvolucionado del flujo de fluido en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) (bloque 138); y determinar las caractensticas de flujo de fluido del fluido que fluye en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34) usando los perfiles de velocidad determinados y/o el perfil de velocidad deconvolucionado (bloque 140),

caracterizado por que el metodo incluye hacer funcionar dicho al menos un transductor (40) con un elemento de lmea de retardo (41) dispuesto para optimizar las caractensticas acusticas de dicho al menos un transductor (40), y disponer dicho al menos un transductor (40) con el elemento de lmea de retardo (41) del mismo en contacto con una pared exterior (46) de dicho medio (12) que define una ruta de flujo de fluido (34) en una configuracion de medicion no invasiva, en el que dicho al menos un transductor (40) esta configurado de manera que un punto focal (52) de la senal ultrasonica se localiza en una interfaz lfquido-pared de la seccion de medicion, en el que la senal ultrasonica entra en la ruta de flujo de fluido.
11. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 10, comprendiendo el metodo recibir unas reflexiones y/o unas transmisiones de la senal ultrasonica emitida por el primer transductor (40) por medio de un segundo transductor (42) asociado con el primer transductor (40).
12. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que un primer transductor (40) se hace funcionar en un modo de transmision/recepcion y un segundo transductor (42) se hace funcionar solo en un modo de recepcion, para la medicion de los perfiles de velocidad, la velocidad del sonido y las caractensticas acusticas de los fluidos.
13. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que tanto un primer transductor (40) como un segundo transductor (42) se hacen funcionar en un modo de transmision/recepcion, para la medicion de los perfiles de velocidad en lados opuestos de la ruta de flujo de fluido (34), por simetna, la velocidad del sonido, las caractensticas acusticas, y el caudal usando un metodo de calculo del tiempo de transito.
14. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que un primer transductor (40) se hace funcionar solamente en un modo de transmision y un segundo transductor (42) se hace funcionar solamente en un modo de recepcion para la medicion de la velocidad del sonido y las caractensticas acusticas.
15. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que la aplicacion del algoritmo de deconvolucion comprende aplicar un algoritmo de enfoque sin modelo que incluye las etapas de:

recibir el perfil de velocidad determinado del flujo de fluido desde el modulo de estimacion de velocidad (98), una velocidad del parametro de sonido, y una forma de onda medida correspondiente a la senal ultrasonica recibida; aplicar un filtro de suavizado adecuado para mejorar la calidad del perfil de velocidad; aplicar un procedimiento de deconvolucion al perfil de velocidad;

aplicar un filtro de suavizado de Savitzky-Golay a los perfiles de velocidad determinados y/o a los perfiles de velocidad deconvolucionados antes de obtener un gradiente de velocidad o una distribucion de tasa de corte; aplicar la diferenciacion numerica al perfil de velocidad procesado; y calcular la tasa de corte maxima y la distribucion de tasa de corte en el flujo de fluido.
16. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, que incluye la medicion de una diferencia de presion a lo largo de una distancia fija en el medio (12) que define la ruta de flujo de fluido (34), de manera que una distribucion de estres de corte y un estres de corte de pared se determinan sustancialmente de manera simultanea a partir de una medicion de la diferencia de presion.

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17. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, comprendiendo el metodo integrar los perfiles de velocidad determinados y/o los perfiles de velocidad deconvolucionados para determinar los caudales volumetricos de los fluidos en el medio.