ES2260491T3 - Dispositivo y metodo de medicion de caudal. - Google Patents

Dispositivo y metodo de medicion de caudal.

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ES2260491T3 ES02786250T ES02786250T ES2260491T3 ES 2260491 T3 ES2260491 T3 ES 2260491T3 ES 02786250 T ES02786250 T ES 02786250T ES 02786250 T ES02786250 T ES 02786250T ES 2260491 T3 ES2260491 T3 ES 2260491T3
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Abstract

Dispositivo de medida, preferentemente para medir el caudal de viento o de fluido, que comprende un elemento sensor (3) en forma de poste que sobresale del alojamiento (2) a través de un dispositivo de sujeción (4), donde un haz de luz enfocado (5) está situado en una parte del elemento sensor (3) y el caudal de viento o de fluido se mide como el punto de incidencia de la fuente de luz (5) en relación a un punto de incidencia neutro en el detector sensor de posición (12) conectado a un dispositivo procesador de datos que calcula el caudal de viento o de fluido a partir de los datos medidos y de los datos de calibración, caracterizado porque el dispositivo de sujeción (4) comprende una cubierta sustancialmente cónica (7) realizada en material elástico, donde un canal (14) está dispuesto axialmente a través del dispositivo de sujeción (4), estando situado el elemento sensor (3) en el canal (14) y sobresaliendo de ambos extremos del elemento de sujeción (4), de modo que cuando se aplica una fuerza al elemento sensor (3), el material elástico se deforma y como consecuencia, el punto de incidencia de la luz en el dispositivo sensor de posición (12) cambia.

Description

Dispositivo y método de medición de caudal.
La presente invención se refiere a un dispositivo tal como se expone en la introducción de la reivindicación 1, para la medición del caudal de viento o de fluido.
Antecedentes de la invención
Son conocidos varios dispositivos de medida para la medición del caudal de aire y de fluido. Algunos de estos dispositivos incluyen rotores/hélices en movimiento. Estos dispositivos pueden estar expuestos a la acumulación de hielo, y también pueden quedar destruidos durante condiciones ambientales extremas. Por otra parte, la rotación a lo largo del tiempo origina el desgaste de los rodamientos. Existen también dispositivos de medición basados en ultrasonidos, pero en caso de precipitación están expuestos a errores de medida.
US 5.059.789 describe un sensor óptico de posición y orientación que determina los grados de libertad de un objeto. Se utiliza un Detector Sensor de Posición (PSD) bidimensional.
Un PSD es un sensor que registra la posición de un haz de luz en lo que se denomina substrato PSD. Estos elementos se suministran en diferentes variantes como productos manufacturados y un nuevo tipo, más preciso, denominado NT-PSD, fue patentado por SiTek (1994). Los chips se usan para medir posición, movimiento, vibración y ángulo, junto con inspección de superficies, análisis espectral, etc. (PSD - Manual del Usuario SiTek 1996). Los PSD se utilizan mas comúnmente en sistemas de control para producción automática, por ejemplo en la medida de la posición de las diferentes parte móviles de un robot industrial.
Objeto de la invención
El objetivo principal de la invención es proporcionar un dispositivo de medida para la medición del caudal de viento o de fluido, que sea efectivo en todo tipo de condiciones ambientales, y como consecuencia, el dispositivo no se vea afectado por la temperatura, hielo, polvo y precipitación.
El dispositivo de medida también será capaz de amortiguar las oscilaciones indeseables que puedan producirse debido a una señal de entrada de respuesta en escalón o similar.
El dispositivo de medida también tendrá un bajo consumo de energía y deberá estar compuesto por materiales de larga duración, es decir, materiales que mantengan sus características durante un largo período de tiempo. Como consecuencia, es objetivo de la invención que el dispositivo de medida tenga una vida operativa sin mantenimiento substancial.
El dispositivo de medida puede incluir también un radio transmisor, mediante el cual los datos medidos pueden enviarse a una estación meteorológica o a otro lugar central. De este modo, se elimina la necesidad de leer los datos medidos en el lugar de instalación.
La invención
La presente invención proporciona un dispositivo de medida que consigue los objetivos arriba mencionados. La invención se define en la reivindicación 1, y las formas de realización preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes. En la sección siguiente se describirán más detalles de la invención.
Ejemplo
Se describirá a continuación, mediante un ejemplo, una forma de realización de la presente invención. En el ejemplo se pone de relieve la disponibilidad de un dispositivo de medida que cumple las exigencias arriba mencionadas, es decir, buena precisión en una amplia gama de medición, vida operativa duradera y fiable y bajo consumo de energía. La selección de los materiales y componentes se realiza teniendo en cuenta estas exigencias, pero son aplicables otras consideraciones. De este modo, el dispositivo de medida puede adaptarse a la gama de aplicación con respecto a la construcción y/o costes.
En los dibujos:
la Fig. 1 ilustra una vista en perspectiva del dispositivo de medida, donde la envoltura del alojamiento se muestra parcialmente transparente a fin de permitir la visión del interior del dispositivo de medida,
la Fig. 2 ilustra un vista en sección del dispositivo de sujeción que sujeta el elemento sensor al alojamiento, y
la Fig. 3 ilustra una vista en sección de otro dispositivo de sujeción.
Un dispositivo de medida 1 comprende un alojamiento 2 y un elemento sensor 3, donde el elemento sensor 3 es guiado al alojamiento 2 y sujetado a dicho alojamiento por medio de un dispositivo de sujeción 4. Esta partes principales se describirán en detalle a continuación.
El elemento sensor 3 comprende preferentemente un poste, y está confeccionado preferentemente de un material resistente y muy ligero. Ejemplos de tales materiales pueden ser fibra de carbono, titanio, etc. El peso del elemento sensor 3 es de particular importancia si el dispositivo de medida se ha de usar a bordo de buques, donde es deseable que las mediciones no estén influenciadas por el movimiento causado por las olas, etc. En la parte del elemento sensor 3 que se extiende dentro del alojamiento 2, en su parte tubular, se incluye una fuente de luz 5, tal como un LED (diodo emisor de luz). En el extremo del elemento sensor 3 se dispone una lente 6 frente al LED 5.
El dispositivo de sujeción 4 se ilustra en detalle en la Fig. 2, y en su forma de realización más simple comprende una cubierta cónica sólida 7 situada en la parte superior del alojamiento 2, en donde se forma un canal axial 14 para el elemento sensor 3 a lo largo del eje longitudinal del cono 7. El dispositivo de sujeción está compuesto por un material que presenta propiedades amortiguadoras elásticas, tal como silicona. El elemento sensor 3 está moldeado en el interior del dispositivo de sujeción, con objeto de que no entre humedad en el alojamiento 2 entre el dispositivo de sujeción y el elemento sensor 3.
Otra forma de realización del dispositivo de sujeción 4 se ilustra en la Fig. 3. A diferencia de la forma de realización arriba expuesta, aquí se incorpora un dispositivo rígido de soporte 8 que rodea a la cubierta cónica 7 por su lado y parcialmente por su parte inferior. Alrededor de la circunferencia del elemento sensor 3, directamente sobre la parte superior de la cubierta cónica, el dispositivo de soporte 8 está sujeto al elemento sensor 3. La sujeción entre el elemento sensor 3 y el dispositivo de soporte 8 define un origen de fuerza 9 para el movimiento del elemento sensor 3. En la parte inferior del dispositivo de soporte 8 existe una abertura 10 que tiene un diámetro sustancialmente mayor que el orificio de la cubierta cónica, lo que impide que el dispositivo rígido de soporte afecte al movimiento del elemento sensor 3 en la cubierta elástica cónica 7.
En el alojamiento 2 existe una parte de base 11 (Fig. 1) que incorpora una fuente de alimentación, un microcontrolador y los otros componentes electrónicos necesarios, como chips de memoria RAM, ROM, etc.
Por otra parte, se dispone en la parte de base 11 un radio transmisor, que envía los resultados de la medición a una unidad central, tal como una estación meteorológica, etc. En el interior del alojamiento 2 se dispone un chip PSD 12 en la parte superior de la parte de base 11, bajo el LED 5. Una eventual selección de la lente 6 en frente del LED 5 decide la distancia entre el LED 5 y el PSD 12 , con el fin de obtener un haz de luz enfocado con más precisión sobre el substrato del PSD.
Una cubierta rígida 13 encierra el PSD y soporta el dispositivo de sujeción 4 en relación con la parte de base 11. La cubierta 13 está formada de modo que se obtenga un caudal favorable y hace que las mediciones no queden influenciadas. Preferentemente, la cubierta 13 también rodea el dispositivo de sujeción 4 en su totalidad o parcialmente. Con objeto de impedir que se adhieran al alojamiento 2 hielo, polvo y otras partículas, ocasionando errores de medida, la superficie ha de ser lisa. Por ejemplo, la superficie de la cubierta puede tratarse con Lotusan^{TM} o por otros medios adecuados, de forma que el polvo y las partículas se eliminen durante la lluvia. El cableado eléctrico para la fuente de alimentación y el LED también se conduce a través del dispositivo de sujeción 4 mediante un acoplamiento flexible (no ilustrado).
Operación del dispositivo de medida
La operación del dispositivo de medida para el viento según la invención se describe a continuación. En primer lugar, el dispositivo de medida se calibra, es decir, se miden diferentes fuerzas y direcciones del viento en el lugar de operación con el dispositivo de medida según la invención y con otro dispositivo de medida del viento conocido. Las mediciones se comparan y el microcontrolador se calibra según los resultados del otro dispositivo de medida. Si las condiciones geográficas locales no afectan a las medidas, la fuerza del viento puede calibrarse previamente, por ejemplo en un túnel de viento. El único ajuste que debe hacerse en el lugar de operación es la orientación del dispositivo de medida.
El caudal de viento aplica una fuerza al dispositivo de medida 3, que hace que se doble por un lado. Como consecuencia, el dispositivo elástico de sujeción 4 se deformará debido al momento que se produce en relación con el dispositivo de sujeción 4 o el origen de la fuerza 9. Debido a ello, el haz de luz del LED 5 sobre el PSD 12 se desplazará desde el punto de datos (el punto en el cual el haz de luz incide cuando la entrada es cero). El PSD realiza un muestreo de las mediciones como coordenadas x e y con alta frecuencia, y a partir de cada par de coordenadas (x, y) el microcontrolador calcula la distancia desde el origen y la orientación en relación al punto de datos. Mediante la utilización de los datos de calibración almacenados, el microcontrolador calcula la fuerza y la dirección del viento. A continuación, los datos medidos se transfieren, a través del radio transmisor, a una estación central de recogida de datos meteorológicos, por ejemplo en la banda de UHF.
El mismo principio se utiliza para medir el caudal de fluido, en cuyo caso el dispositivo de medida ha de calibrarse para este tipo de medición y para el lugar de operación. El dispositivo de medida ha de montarse de forma que no afecte a las medidas. Si el dispositivo de medida ha de usarse para medir el caudal de fluido en un conducto, etc, el PSD bidimensional puede reemplazarse por un PSD unidimensional.
Modificaciones
El dispositivo de medida puede tener otras formas de realización según la aplicación final y los requisitos de medición. Además, el dispositivo de medida puede tener otras formas de realización.
El LED puede situarse en cualquier punto del elemento sensor 3. Si se desea, el haz de luz del LED puede transmitirse mediante reflectores antes de que incida en el PSD. Alternativamente, el PSD puede disponerse como unidad separada. En este caso, el LED se situará preferentemente en el otro extremo del elemento sensor 3 separado del alojamiento 2.
Puede realizarse un dispositivo de medida auto calibrado por un dispositivo de medida según la invención provisto de un dispositivo de control interno. El control interno se dispone preferentemente en el interior de la cubierta directamente bajo el dispositivo de sujeción 4. El dispositivo de control está controlado por el microprocesador, e introduce o extrae la parte del elemento sensor 3 extendiéndola por debajo del dispositivo de sujeción una o varias distancias conocidas a partir del origen, preferentemente en dos direcciones diferentes. El dispositivo de medida se calibra midiendo el punto de incidencia del haz de luz procedente del LED en el PSD. Esta autocalibración tiene lugar preferentemente cuando la entrada en el elemento sensor 3 desde el exterior es cero; de este modo la calibración será tan precisa como sea posible.
Si el dispositivo de medida ha de estar situado en un lugar expuesto a temperaturas frías y el tratamiento de la superficie del elemento sensor 3 y la cubierta 13 no es suficiente para evitar la formación de hielo, el elemento sensor 3 puede equiparse con un hilo calefactor (no ilustrado). Preferentemente, el hilo calefactor se empotra o conforma en el elemento sensor 3, y se alimenta a través del mismo acoplamiento flexible que une la fuente de alimentación al LED.
Si es necesario, el elemento sensor 3 puede tener otra forma. Cuando se han de medir con precisión fuerzas de viento muy reducidas, puede ser deseable aumentar la superficie de ataque del viento contra el elemento sensor 3. Esto puede conseguirse incorporando al elemento sensor 3 una bola muy ligera en el extremo superior. Por ejemplo, la bola puede tener una superficie apropiada con relación al viento, por ejemplo aplicando a la bola pequeños surcos hemisféricos en su superficie, como sucede en una pelota de golf.
Por otra parte, al dispositivo de medida se le pueden añadir otros aparatos de medida, por ejemplo dispositivos de medida de temperatura y presión. Como consecuencia, el dispositivo de medida puede funcionar como una estación meteorológica completa que es capaz de enviar diferentes tipos de observaciones ambientales a una estación meteorológica central. Estos otros dispositivos de medida también pueden utilizarse para calibrar las mediciones de caudal de viento o de fluido, ya que las características de los materiales y como consecuencia el punto de incidencia del haz de luz, pueden variar a diferentes temperaturas.

Claims (4)

1. Dispositivo de medida, preferentemente para medir el caudal de viento o de fluido, que comprende un elemento sensor (3) en forma de poste que sobresale del alojamiento (2) a través de un dispositivo de sujeción (4), donde un haz de luz enfocado (5) está situado en una parte del elemento sensor (3) y el caudal de viento o de fluido se mide como el punto de incidencia de la fuente de luz (5) en relación a un punto de incidencia neutro en el detector sensor de posición (12) conectado a un dispositivo procesador de datos que calcula el caudal de viento o de fluido a partir de los datos medidos y de los datos de calibración, caracterizado porque el dispositivo de sujeción (4) comprende una cubierta sustancialmente cónica (7) realizada en material elástico, donde un canal (14) está dispuesto axialmente a través del dispositivo de sujeción (4), estando situado el elemento sensor (3) en el canal (14) y sobresaliendo de ambos extremos del elemento de sujeción (4), de modo que cuando se aplica una fuerza al elemento sensor (3), el material elástico se deforma y como consecuencia, el punto de incidencia de la luz en el dispositivo sensor de posición (12) cambia.
2. Dispositivo de medida según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de sujeción (4) comprende un dispositivo de soporte rígido (8) que rodea el lado y parcialmente la parte inferior de la envoltura cónica (7), y donde existe una abertura (10) que tiene un diámetro sustancialmente mayor que el diámetro del canal (14).
3. Dispositivo de medida según la reivindicación 2, caracterizado porque el dispositivo de soporte (8) está fijado al elemento sensor (3) proporcionado de este modo un origen de fuerza (9).
4. Dispositivo de medida según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la envoltura cónica (7) está hecha de silicona.
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