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