Dispositivo y método para la medición de corrientes de fluidos mediante mecanismo paralelo esférico actuado por fuerzas de arrastre.

La presente invención consiste en un medidor de corrientes de fluidos que calcula la velocidad y dirección de un fluido según la fuerza de arrastre que éste ejerce sobre un cuerpo sólido.

Consta de un mecanismo paralelo esférico formado por una base fija (1) que permite movimiento esférico a una plataforma móvil (7) mediante un mástil (2) y dos cadenas cinemáticas (3). Solidaria a la plataforma (7) un tubo (8) soporta un recipiente esférico (9) provisto en su interior de una unidad de medición inercial (10), que registra la orientación espacial de la plataforma (7) respecto de la base fija (1) generada por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9). Este dispositivo puede utilizarse para medición de corrientes de agua o aire, como instrumento de apoyo en navegación de embarcaciones y para medición de corrientes de fluidos en canales o tuberías.

Dispositivo y método para la medición de corrientes de fluidos mediante mecanismo paralelo esférico actuado por fuerzas de arrastre.

Sector técnico

La presente invención queda incluida principalmente en el sector naval como instrumento de apoyo a la navegación de embarcaciones, midiendo la deriva que experimenta un barco por acción de las corrientes en aguas abiertas o midiendo las perturbaciones que ejercen las 10 corrientes de agua sobre un vehículo submarino operado de forma remota. Además, la invención puede utilizarse como instrumento oceanográfico en medición de corrientes de agua o aire y como instrumento de medición en canales de pruebas hidrodinámicas. También queda incluida en la industria de procesos, en aplicaciones de medición de corrientes de fluidos en tuberías. 15

Antecedentes de la invención

Los medidores de corrientes de fluidos, también llamados correntómetros o correntímetros, pueden clasificarse por su principio de medición en: medidores de hélice, medidores de 20 bola, medidores electromagnéticos y medidores acústicos. Los medidores de hélice y los medidores de bola fueron los instrumentos pioneros en la medición de corrientes y hoy en día son utilizados por su bajo coste y simplicidad. Pueden calibrarse fácilmente ya que no son afectados por la proximidad a objetos metálicos, como sucede con los medidores electromagnéticos. Además, son capaces de medir fluidos en estado puro y en aguas poco 25 profundas, lo cual no es posible con los medidores acústicos, que requieren la presencia de partículas suspendidas en el fluido para poder efectuar la medición.

Los medidores de hélice se caracterizan porque presentan un rotor, compuesto por varios álabes, que gira alrededor de un eje bajo la acción del fluido. El movimiento de rotación se 30 convierte en una señal eléctrica de tensión o frecuencia, según el dispositivo. Entre los medidores de hélice encontramos las referencias EP0106010A1, US4399695A, ES0288314U y US4555938A. Estos dispositivos presentan el inconveniente de carecer de precisión o fiabilidad, debido a que las piezas que giran a altas revoluciones son siempre una fuente de desgaste y deterioro. Además los rotores solo miden la velocidad del fluido y 35 no son capaces de medir su dirección, por lo que requieren el uso de elementos adicionales para orientar el rotor en la dirección de movimiento del fluido.

Los medidores de bola se caracterizan porque utilizan la fuerza de arrastre que el fluido ejerce sobre un cuerpo esférico, para medir simultáneamente la velocidad y dirección del 40 fluido. Las referencias FR2625567A1, US2008/0066539A1 y CN201955348U presentan medidores de corrientes que utilizan una esfera rígida unida a una barra orientable, la cual se conecta a una pieza fija de referencia mediante una articulación universal o esférica de dos y tres grados de libertad, respectivamente. La velocidad y dirección del fluido se miden a partir del desplazamiento que experimenta la barra, por acción del fluido sobre el cuerpo 45 esférico. Estos instrumentos se diferencian entre sí por los medios que utilizan para medir dicho desplazamiento. En la referencia FR2625567A1 se utilizan sensores ópticos, en US2008/0066539A1 se utilizan campos magnéticos y en CN201955348U se utiliza fibra óptica. Estos dispositivos presentan el inconveniente de que la barra describe un casquete esférico al desplazarse por acción del fluido. Por lo tanto, no resulta sencillo realizar el 50 sistema de medición de amplitud y orientación de un desplazamiento sobre un casquete esférico. En efecto, cualquier dispositivo de medición será más fácilmente realizable si el desplazamiento a medir se comporta de forma lineal.

Una solución a este inconveniente consiste en descomponer el movimiento esférico de la barra en movimientos de traslación o rotación más sencillos de medir y fácilmente 5 realizables. Esta solución puede llevarse a cabo mediante mecanismos paralelos. Se entiende por mecanismo paralelo a todo mecanismo de cadena cinemática cerrada, que presenta un eslabón móvil vinculado a un eslabón fijo por varias cadenas cinemáticas independientes. El uso de este tipo de mecanismos en un medidor de bola, permite descomponer el movimiento de la barra en movimientos más sencillos de medir. Dichos 10 movimientos son realizados por cada una de las cadenas cinemáticas independientes del mecanismo paralelo.

Se considera, por lo tanto, de especial interés la referencia CN201589784U que trata de un medidor de bola para corrientes de aire, formado por un cuerpo esférico que se conecta 15 mediante una barra a un mecanismo paralelo de seis grados de libertad. Este mecanismo, conocido como Plataforma de Stewart, comprende una plataforma móvil conectada a una base fija mediante seis soportes elásticos. El mecanismo paralelo está equipado con sensores de presión que miden la fuerza que ejerce el aire sobre la esfera a través de los seis soportes elásticos del mecanismo. Según esto, el instrumento mide la velocidad y 20 dirección del fluido en el espacio a partir de seis movimientos de traslación que actúan sobre seis sensores de presión. Sin embargo, este dispositivo presenta ciertos inconvenientes:

- El mecanismo paralelo de seis grados de libertad presenta singularidades. En estas situaciones el mecanismo puede ganar o perder grados de libertad. Por lo tanto, cuando 25 el mecanismo adopta una configuración singular puede realizar mediciones erróneas. Es importante destacar que existen mecanismos paralelos libres de singularidades.

- Para medir direcciones de un fluido en el espacio que incide sobre un cuerpo esférico, es suficiente con tres grados de libertad. Por lo tanto un mecanismo paralelo de seis grados de libertad resulta redundante para este fin. Existen numerosos mecanismos paralelos de 30 tres grados de libertad.

- Por utilizar un mecanismo de seis grados de libertad, este dispositivo requiere seis sensores de presión independientes para realizar las mediciones. Por el contrario, un dispositivo con menos grados de libertad utilizaría menor cantidad de sensores.

La presente invención se refiere a un medidor de bola, basado en un mecanismo paralelo esférico, que resuelve los inconvenientes mencionados anteriormente y ofrece nuevas posibilidades de medición.

Descripción de la invención 40

La presente invención consiste en un medidor de corrientes de fluidos que utiliza un mecanismo paralelo esférico para la medición de la velocidad y dirección de un fluido a partir de la fuerza de arrastre que el fluido ejerce sobre un cuerpo sólido que forma parte del medidor. Este instrumento se caracteriza porque posee un mecanismo paralelo de tres 45 grados de libertad, formado por una base fija que permite movimiento esférico a una plataforma móvil, mediante un mástil y dos cadenas cinemáticas. Solidario a la plataforma móvil del mecanismo, un tubo soporta un recipiente esférico provisto en su interior de una unidad de medición inercial que registra la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. Dicha orientación es provocada por la fuerza de arrastre que el 50 fluido ejerce sobre el recipiente esférico. A partir de la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija, se mide la velocidad y dirección del fluido en el espacio.

Cuando la aplicación lo requiere, es posible instalar entre la base fija y la plataforma móvil una cubierta deformable para proteger al mecanismo de posibles agentes externos presentes en el fluido. Además, la base fija del dispositivo posee una brida circular que permite instalarlo en diferentes posiciones de una embarcación, estructura, canal o tubería.

Se entiende por mecanismo paralelo esférico a todo mecanismo paralelo cuyo eslabón móvil describe trayectorias esféricas concéntricas a un punto fijo. La presente invención posee un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad, el cual comprende un mástil que rota respecto de la base fija y se conecta a la plataforma móvil mediante una articulación universal, lo cual constituye una cadena cinemática rotacional-universal. El mástil es 10 mantenido en un ángulo de reposo por un muelle de torsión y es desviado de dicho ángulo según varía la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. De tal forma que la rotación del mástil aporta uno de los tres parámetros cinemáticos necesarios para determinar la orientación espacial de la plataforma móvil respecto de la base fija. El mástil posee un agujero perpendicular al eje longitudinal de rotación que permite, 15 opcionalmente, con un prisionero, bloquear su rotación respecto de la base fija para reducir los grados de libertad del mecanismo de tres a dos....

1. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, caracterizado porque consta de un mecanismo paralelo esférico de tres grados de libertad formado por:

- una base fija (1) que permite movimiento esférico a una plataforma móvil (7) mediante un mástil (2) , que rota respecto de la base fija (1) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante una articulación universal (11) , y dos cadenas cinemáticas (3) que comprenden, cada una, una articulación prismática (5) que se conecta a la base fija (1) mediante una articulación universal (4) y se conecta a la plataforma móvil (7) mediante 10 una articulación esférica (6) ,

- un recipiente esférico (9) conectado mediante un tubo (8) a la plataforma móvil (7) , que soporta en su interior una unidad de medición inercial (10) que dispone de medios de procesamiento y almacenamiento de datos, para calcular la velocidad (60) y dirección 15 (61) del fluido en el espacio a partir de la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) .

2. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicación 1, caracterizado porque el mástil (2) se mantiene en un ángulo de reposo por un muelle de 20 torsión (13) y es desviado de dicho ángulo de reposo según varía la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9) .

3. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 y 2, 25 caracterizado porque la cadena cinemática (3) se mantiene en una posición intermedia de su carrera por dos muelles de tracción (33) y (35) antagonistas, y es desviada de dicha posición según varía la orientación espacial de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) por acción del fluido sobre el recipiente esférico (9) .

4. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el mástil (2) presenta un agujero (14) perpendicular al eje longitudinal de rotación del mástil (2) que permite bloquear la rotación del mástil (2) respecto de la base fija (1) con un prisionero (17) , para reducir los grados de libertad del mecanismo de tres a dos y limitar el dispositivo a la medición de velocidad y dirección de un fluido en un plano, en 35 lugar del espacio.

5. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la base fija (1) posee una brida circular (18) que permite instalar el dispositivo en diferentes posiciones de una embarcación, estructura, canal o tubería. 40

6. Dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque puede instalarse entre la base fija (1) y la plataforma móvil (7) una cubierta deformable para proteger el mecanismo de posibles agentes externos presentes en el fluido. 45

7. Método de cálculo del dispositivo para la medición de corrientes de fluidos, descrito en las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- Etapa de cálculo de posiciones del dispositivo que comprende a su vez las siguientes 50 fases:

- la unidad de medición inercial (10) calcula la orientación espacial (45) de la plataforma móvil (7) respecto de la base fija (1) , - los medios de almacenamiento proporcionan la distancia (46) desde el centro del recipiente esférico (9) hasta el centro de la articulación universal (11) y la longitud (47) del mástil (2) , 5

- los medios de procesamiento utilizan la orientación (45) , la distancia (46) y la longitud (47) para calcular la posición (52) del centro del recipiente esférico (9) respecto de la base fija (1) , - los medios de procesamiento utilizan la orientación (45) y posición (52) para calcular, a partir de un modelo cinemático inverso (53) del mecanismo, tres posiciones articulares 10 (54) .

- Etapa de cálculo de fuerzas experimentadas por el dispositivo que comprende las siguientes fases:

- los medios de almacenamiento proporcionan la constantes elásticas lineal (48) y 15 angular (49) de los muelles del mecanismo, - los medios de procesamiento utilizan las constantes elásticas y las posiciones articulares (54) para calcular, mediante los multiplicadores (55) , tres fuerzas articulares (56) correspondientes a las fuerzas axiales experimentadas por las articulaciones prismáticas del mecanismo y el torque experimentado por el mástil 20

- los medios de procesamiento utilizan las fuerzas articulares (56) para calcular, a partir del jacobiano transpuesto (57) del mecanismo, la fuerza de arrastre (58) ejercida por el fluido sobre el recipiente esférico (9) .

- Etapa de cálculo de velocidad y dirección del fluido que comprende a su vez las siguientes fases: 25

- los medios de almacenamiento proporcionan el radio (50) del recipiente esférico (9) , - la unidad de medición inercial (10) calcula la aceleración (44) correspondiente al vector de aceleraciones lineales del recipiente esférico (9) , - los medios de procesamiento utilizan la aceleración (44) para verificar o corregir la dirección de la fuerza de arrastre (58) y evitar errores en las mediciones, 30

- los medios de procesamiento utilizan el radio (50) del recipiente esférico (9) y la fuerza de arrastre (58) para calcular, mediante un modelo hidrodinámico (59) , la velocidad (60) y dirección (61) del fluido en el espacio.