ES2274775T3 - Dispositivo para medicion continua del consumo dinamico de combustible de un consumidor. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la medición continua del consumo dinámico de combustible de un consumidor (8) que comprende una línea de suministro de combustible (1) con una bomba (14) y, conectado posteriormente, un sensor de flujo de masa para medición continua (6), preferiblemente un sensor de Coriolis, caracterizado por un dispositivo de calibración (2) para medición discontinua para el sensor (6) de flujo de masa dispuesto en serie con el sensor de flujo de masa (6) el cual, durante una calibración individual, determina el consumo de combustible, el cual también se mide por medio del sensor de flujo de masa.

Description

Dispositivo para medición continua del consumo dinámico de combustible de un consumidor.

La presente invención se refiere a un dispositivo para la medición continua del consumo dinámico de combustible de un consumidor, que consta de una línea de conducción de combustible con una bomba y un sensor conectado posteriormente que mide continuamente flujo de masa, el cual preferiblemente es un sensor de Coriolis.

Para la medición dinámica del consumo de combustible se recurre a instrumentos de medición que efectúan una medición volumétrica del caudal. A partir de esto se determina la masa de combustible consumido y de una medición adicional de densidad, representando dicha masa propiamente la magnitud necesaria de medición. Actualmente es posible realizar una medición directa del consumo de masa que evite la desventaja de medir adicionalmente la densidad solo de manera discontinua con métodos de pesaje o continuamente con sensores de Coriolis. Pero también son concebibles otros sensores que miden caudal continua o discontinuamente (como por ejemplo la solicitud de patente austriaca A 2235/94, que se refiere a un dispositivo para la medición de flujo de masa).

Para la calibración de los instrumentos de medición de consumo de combustible en la actualidad se emplean balanzas verificadas de alta exactitud. Para esto se deja salir combustible a un caudal nominal a un recipiente de pesaje durante una determinada cantidad de tiempo y se determina la masa total que se dejó salir. Esto se organiza particularmente por medio de las líneas abiertas de conducción del combustible que se requieren para esto y se considera pesado y peligroso. Particularmente aparecen incertidumbres de calibración elevadas al evaporarse los componentes volátiles del combustible. Otra desventaja es que durante el proceso de calibración en la mayoría de casos se requiere una desconexión del consumidor.

El instrumento de medición funciona según el principio de las balanzas por lo cual se puede hacer una calibración trazable a un patrón de comparación por medio de pesas patrón. Se conoce que se incorpora un equipo automatizado de calibración, que funcione según este principio, a la balanza de combustible. La desventaja de todas las balanzas de combustible es sin embargo que en el funcionamiento de la prueba y según el consumo, siempre se debe llenar hasta completar el tanque de medición una y otra vez. Esto requiere una interrupción de la marcha de la medición en el banco de pruebas.

Para todos los instrumentos de medición de consumo de combustible que miden continua o discontinuamente la disminución de presión en el sensor de caudal es de importancia decisiva para la medición de consumo en el banco de pruebas. Luego, la presión de combustible a la salida del sistema de medición, es decir en el lugar de conexión del consumidor, debe ser prácticamente independiente del consumo momentáneo y puede alcanzar solo unos pocos mbar. Los sensores de caudal que se basan en medición volumétrica presentan solo en general pequeñas pérdidas de presión debido principalmente a su sección de corte transversal de tubo suficientemente grande. Por oposición, en el caso de sensores de flujo de masa que miden continuamente, por ejemplo sensores de Coriolis, se usan sin excepción pequeños diámetros nominales de tubo para lograr una exactitud elevada de los sensores. Esto conduce a altas pérdidas de presión dependientes de la corriente. Para compensar dichas pérdidas se emplean bombas reguladas e instalaciones para estabilizar la presión en la afluencia y eventualmente también en la boca de salida de las líneas de conducción correspondientes del tubo.

El objetivo de la invención es establecer un dispositivo para medición continua del consumo dinámico de masa de combustible que permita de manera económica y sencilla según otro ángulo de la invención una calibración del sensor de consumo que sea trazable a patrones de comparación sin interrupción de la operación del banco de prueba. Según la invención, este objetivo se logra mediante un dispositivo de calibración, de un sensor de flujo de masa, la cual mide discontinuamente y dispuesta en serie con el sensor de flujo de masa que mide continuamente; la instalación de calibración determina el consumo de combustible, determinado también por parte del sensor de flujo de masa, durante una calibración efectuada caso a caso.

Por la duración de la medición continua de consumo o bien se llena corrientemente la instalación de calibración para el suministro continuo del sensor de flujo de masa y del consumidor o bien se colma y se opera como un segundo sistema de medición. La instalación de calibración puede por ejemplo funcionar según el principio de pesaje, donde la balanza de consumo durante la medición continua de consumo por ejemplo puede ser llenada continuamente.

Como particularmente ventajoso y económico se muestra sin embargo un dispositivo de calibración con base en la medición del nivel la cual, según otra característica de la invención, tiene un tanque de calibración conectado con un sensor de flujo de masa con por lo menos sensor de presión ubicado en la zona baja de este tanque de calibración. Esta instalación de calibración también mide discontinuamente y puede llenarse o colmarse corrientemente durante la medición continua de consumo. Se combina entonces un sensor de medición continua para el consumo de masa de combustible con un dispositivo de calibración de medición discontinua establecida solo en caso de necesidad y la cual se basa en la medición de nivel a presión y no requiere una interrupción del funcionamiento del banco de pruebas.

Según otra característica de la invención se prevé que la instalación de calibración tiene una unidad de cálculo, que contiene un circuito firmemente cableado o un programa, que toma por lo menos los valores de salida del sensor de presión al comienzo y al final del proceso de calibración y de allí determina la masa consumida de combustible durante el proceso de calibración. Obviamente la unidad de cálculo puede también procesar funciones para el control general del instrumento. A través del diferencial de presión \Deltap entre la presión del combustible en el tanque de calibración antes del comienzo y después de la finalización del proceso de calibración por medio de un sensor de presión ubicado en contacto con la zona inferior del tanque de calibración se determina la masa total consumida de combustible. En este caso se efectúa el cálculo según la ecuación formal:

(1)M = A \ \Delta/g

Tanto la magnitud del diferencial de presión \Deltap como también los parámetros de medición de la superficie de sección transversal A y de la aceleración de la gravedad g son susceptibles de verificarse o bien trazables a patrones de comparación.

De manera ventajosa la unidad de cálculo contiene un circuito cableado o un programa que tome el valor de consumo de combustible del sensor de flujo de masa y lo compara con el valor de masa de combustible consumido calculado a partir del programa y de manera ventajosa halla o bien verifica a partir de allí una constante de calibración. La masa de combustible determinada a partir de la medición de presión se compara en este caso automáticamente con el consumo de masa de combustible medida por el sensor de consumo, acumulada mientras dura el proceso de calibración y de esta comparación se halla o se verifica automáticamente de manera conocida una constante de calibración.

La instalación según las formas de realización descritas previamente en las cuales se menciona una unidad de cálculo perteneciente a la instalación de calibración, la cual particularmente en el curso de una calibración toma o sondea el valor de consumo de combustible del sensor de flujo de masa según las variantes mencionadas, puede además diseñarse para que tenga lugar precisamente una transferencia de información no solo desde el sensor de flujo de masa hacia la unidad de cálculo sino también desde la unidad de cálculo hacia el sensor de flujo de masa.

Un sensor de flujo de masa utilizado usualmente contiene precisamente en general una unidad propia de cálculo que determina los valores del resultado a entregar mediante la aplicación de métodos apropiados de cálculo a partir de los datos primarios suministrados por los elementos de medida del sensor. A manera de ejemplo en este caso se puede emplear una constante de calibración o un proceso de calibración predeterminado.

Si dependiendo del caso se efectúa una calibración a través del sistema entero, los valores válidos en el momento de calibración o los valores de corrección para una calibración hecha previamente, se determinan por parte de la unidad de cálculo. Según la invención se deben poner a disposición de la unidad de cálculo del sensor de flujo de masa dichos parámetros adquiridos de una calibración actual. El sensor de flujo de masa puede tomar en cuenta estos parámetros en las mediciones corrientes y determinar y entregar siempre resultados de medición muy exactos, que se pueden seguir usando sin gastar en más cálculos considerando una calibración reciente.

Para la realización de estas medidas ventajosas es indispensable solamente una conexión bidireccional de datos por una técnica conocida de por sí entre ambas unidades de cálculo, así como la definición de los parámetros intercambiables y de su aplicación o la sincronización de los circuitos o programas empleados en las unidades de cálculo.

Según otra característica de la invención la instalación se caracteriza, según los párrafos previos, porque está provista de un dispositivo para estabilizar la presión del sensor de flujo de masa. Para poder generar precisamente la presión requerida pequeña y constante (de unos pocos mbar) en el sitio de conexión del consumidor se debe compensar variablemente la disminución de presión dependiente del caudal en el sensor de flujo de masa (de por ejemplo hasta 2 bar). Particularmente se deben tomar en consideración tomas rápidas de alta frecuencia, del tipo de pulsos o saltos.

Según una forma de realización ventajosa de la invención se prevé que esta instalación estabilizadora de presión esté acoplada volumétricamente con el tanque de calibración para que la acción de la instalación estabilizadora de presión se tome en consideración automáticamente durante la calibración.

Para esto se prevé según otra característica de la invención que el tanque de calibración y la instalación estabilizadora de presión se separen uno de la otra por medio de una membrana común. La expresión común "membrana" comprende también por ejemplo un fuelle o similares. Para esto se establece antes del sensor de caudal una presión casi constante (de por ejemplo cerca de 2 bar) mediante una bomba preferiblemente regulable y un acumulador de presión con una membrana, donde la bomba de reacción comparativamente lenta sirve para graduar la presión media requerida y el acumulador de presión puede suministrar velozmente el combustible también en el caso de entregas de alta frecuencia, del tipo salto o pulso. En este caso aparecen sin embargo cambios de volumen relacionados con el movimiento de la membrana en la zona entre la instalación de calibración y el sensor de flujo de masa, que pueden ocasionar errores de calibración si no se toman medidas para tomarlos en consideración. Según Por construcción es muy sencillo proporcionar una forma de realización en la cual la estructura del acumulador de presión en el tanque de calibración se proporcione de tal manera que un aumento del volumen del acumulador de presión provoque una disminución igualmente grande del volumen encontrado en el tanque de calibración y viceversa. Para esto se toma en consideración también a consecuencia de la presión cambiante del sistema el cambio surgido de la capacidad de volumen en el acumulador de presión durante la medición completa. La bomba del sistema operada continua o intermitentemente se controla de tal manera a su desempeño medio que la membrana de compensación del acumulador de presión en la mitad, es decir en la presión del sistema graduada en la mitad, no tiene desviación alguna o tiene una desviación constante. Para esto están dispuestos sensores en el acumulador de presión que suministran la señal de magnitud real necesaria al regulador de la bomba. Para esto se usan por ejemplo sensores electro-ópticos, o sensores de distancia y situación, pero también se puede usar un sensor para la presión de fluido en el acumulador de presión o cerca de él. Después del sensor de caudal se proporciona de manera ventajosa en todas las formas de realización mencionadas arriba un regulador de presión de fluido convencional para graduar la presión constante y baja en la conexión de consumidor.

Según una primera forma de realización muy sencilla por su construcción y segura se prevé que la membrana se impulse preferiblemente por medio de la fuerza de un resorte, el cual está opuesto a la presión de fluido en la línea de conducción de combustible hacia el sensor de flujo de masa.

Según otra forma de realización se prevé por el contrario que la membrana se acople con una masa esencialmente constante, la cual impulsa a la membrana con la fuerza de su peso, estando la masa opuesta a la presión de fluido en la línea de conducción de combustible hacia el sensor de flujo de masa. En estas variantes la fuerza ejercida es independiente de la desviación de la membrana lo cual provoca una estabilidad mejorada de la presión de marcha y con esto una exactitud elevada de medición del sensor de flujo de masa.

Según otra forma de realización se prevé que la membrana se impulsa por medio de una instalación eléctrica, magnética o electromagnética con una fuerza esencialmente independiente del movimiento de la membrana, la cual es opuesta a la presión de fluido en la línea de conducción de combustible hacia el sensor de flujo de masa. Para esto puede preverse que un imán permanente conectado con la membrana dentro de una bobina suficientemente larga se ubica de manera que se pueda mover y experimenta una acción de fuerza independiente del movimiento correspondiente al flujo eléctrico. Aunque también son concebibles instalaciones electrostáticas en las que se ejercen fuerzas sobre un condensador (electret) por medio de un campo eléctrico controlado.

Particularmente ventajoso para una de las instalaciones descritas previamente es cuando se prevé una conexión o línea de desvío (bypass) capaz de activarse por una válvula de inversión, permitiendo dicho bypass o conexión de desvío un suministro al consumidor evadiendo totalmente la instalación de calibración y del sensor de flujo de masa. Esta posibilidad puede ser usada con ventaja particularmente también en el curso de una calibración ya que con esto los tiempos muertos de pérdida de caudal se pueden ajustar para el sistema de calibración y medición al comienzo o al final del proceso de calibración sin tener que interrumpir por ello el suministro del consumidor y por lo mismo la operación del banco de pruebas.

De aquí en adelante se describe un ejemplo de realización por medio de dibujos. La figura 1 muestra un dibujo esquemático para ilustración de la forma básica de funcionamiento de la invención, la figura 2 muestra una forma posible de realización del plano de inversión hidráulica-eléctrica de un dispositivo según la invención y la figura 3 muestra un dibujo de la construcción de una forma de realización a manera de ejemplo de un tanque de calibración con acumulador de presión integrado.

En la figura 1 se muestra como se conduce el combustible de la línea de conducción de suministro 1 pasando por la válvula 4, controlada por la unidad de cálculo 3, de la instalación de calibración 2 que mide discontinuamente
- por ejemplo de una balanza de consumo de combustible - y luego hacia el sensor de flujo de caudal y/o de masa (6) que mide continuamente. Por otra válvula de inversión 7 también controlada por la unida de cálculo 3 se suministra combustible al consumidor 8. El sensor de flujo de masa 6 pasa a la unidad de cálculo 3 los resultados de medición en forma de datos para su siguiente procesamiento.

Para la calibración se suministra por el momento al consumidor por medio de la válvula de inversión 7 y la línea de desviación o bypass 9. Tanto la instalación de calibración 2 que mide discontinuamente como el sensor de flujo de masa 6 que mide continuamente se preparan para una medición acumulativa. Luego se invierte la válvula de inversión 7 a través de la unidad de cálculo 3. Después de un tiempo que se debe seleccionar correspondiente al consumo del consumidor 8 la unidad de cálculo 3 invierte la válvula de inversión 7 para que ambos sistemas de medición 2, 6 sean evadidos. Los valores de medición de ambos sistemas 2, 6 se leen en la unidad de cálculo y pueden emplearse para una verificación o determinación de una constante de calibración para el sensor de flujo de masa 6 que mide continuamente.

Para la operación de medida continua se desactiva la línea de desviación o bypass 9 mediante la válvula de inversión 7. Además el suministro continuo del sensor de flujo de masa 6 y del consumidor 8 se debe garantizar. Para el caso en que el sistema de calibración 2 no disponga de un modo de operación para el caudal continuo, se puede proporcionar una línea de desviación 5 (bypass) con la válvula de inversión 4 controlada por la unidad de cálculo 3 para evadir el sistema de calibración.

La figura 2 muestra otra forma detallada de realización de la invención en donde se representa un medidor de nivel en calidad de sistema de calibración que mide discontinuamente. El combustible se conduce por una línea de suministro 1 a un tanque de calibración 10. La conducción de combustible se puede abrir o cerrar por medio de una válvula de llenado 11. En conexión con la descarga 12 en la zona inferior del tanque de calibración 10 está un sensor de presión 13 con el cual la medición de presión para la calibración se puede efectuar tal como se describe más abajo. El combustible se bombea por medio de una bomba regulada 14 a través de un sensor de flujo de masa 6, preferiblemente un sensor Coriolis. Antes del sensor de caudal 6 se encuentra instalado un sensor de presión 15, cuya señal de salida que sirve como valor real para un regulador 16 para la bomba 14. El valor nominal o de referencia introducido al regulador 16 alcanza típicamente por ejemplo entre 2 y 5 bar. De manera correspondiente al valor real medido por el sensor de presión 15 la bomba 14 se regula de tal manera que la presión alcance el valor nominal o de referencia antes del sensor 6. Al caudal correspondiente de combustible se produce en el sensor 6 una pérdida de presión dependiente del flujo que alcanza típicamente por ejemplo < 2 bar. La presión residual que se presenta después del sensor 6 se establece enanos pocos mbar por medio de una válvula ajustable de reducción de presión 17. Esta presión residual aproximadamente constante se pone a disposición del siguiente consumidor 8.

Para un suministro del consumidor 8 evadiendo el sistema completa de medición se provee una línea de desviación 9 con una válvula de inversión 7 con cuya ayuda se puede interconectar entre la operación normal y de desviación. En este caso la válvula de inversión 7 puede disponerse como se muestra en la figura 2 después de la válvula de reducción de presión 17 o también antes, lo que particularmente tendrá repercusión en la presión constante de suministro del consumidor 8. Una operación de desviación es necesaria correspondientemente antes y después del procedimiento de calibración. Por medio de una instalación de compensación de presión prevista detrás de la bomba 14 pero antes del sensor 6, preferiblemente antes del acumulador de presión 18, por ejemplo con una membrana cargada con un resorte o con una membrana cargada de peso para el impulso de fuerza independiente de desviación, se garantiza seguramente presión nominal independiente de los picos y caídas de presión en el sensor 6.

La calibración de la medición de consumo de combustible se efectúa de la manera y tipo descrito de aquí en adelante, donde la operación del banco de pruebas no debe interrumpirse. Al inicio de un proceso de calibración se asegura que el tanque de calibración se llena por la válvula de llenado 11. Luego, la válvula de llenado 11 permanece cerrada durante toda la duración de la calibración. Luego la válvula de inversión 7 se gradúa de tal manera que al consumidor ya no se suministra combustible por el sensor 6 sino por la línea de desviación 9. Después de un tiempo corto de típicamente 10 s, por ejemplo, se determina el primer valor de presión p1 en el tanque de calibración 10 por medio del sensor de presión 13. Posteriormente, el sensor de flujo de masa 6 se inicia para una medición de caudal de masa y la válvula 7 se interconecta de nuevo para que el consumidor 8 saque el combustible del tanque de calibración 10 por el sensor 6. Después de alcanzar un valor de consumo suficientemente acumulado se interconecta nuevamente la válvula 7 y se espera un tiempo de por ejemplo 10 s, hasta que se mide la segunda presión p2, correspondiente a un nivel ahora más pequeño, en el tanque de calibración 10 por medio de un sensor de presión. Después de finalizar estas mediciones la masa de combustible sacada del tanque de calibración 10 se da por un lado a través del resultado del sensor 6 y por otro lado es susceptible de determinar según la ecuación (1) indicada arriba a partir de ambos valores medidos de presión p1 y p2. La comparación, preferiblemente en una unidad de cálculo 3 conectada con el sensor de presión 13 y el sensor 6 permite la determinación o verificación de las constantes de calibración del sensor de flujo de masa 7.

La figura 3 muestra una construcción a manera de ejemplo de un tanque de calibración 10 según la invención, el cual se encuentra en conexión activa con el acumulador de presión 18. Éste último está formado en la parte inferior del tanque de calibración 10. Para esto se definen tres volúmenes en el tanque de calibración 10. El volumen de tanque 19 superior conectado con el aire circundante y el volumen de tanque 20 medio están conectados el uno con el otro mediante una apertura 22 en la pared de separación 21 y por lo tanto se encuentran ambos bajo la presión del ambiente. El volumen de acumulador de presión 24 está separado por una membrana móvil 23. En la zona inferior del volumen de tanque medio 20 se encuentra una línea de llenado 25 que viene de la válvula de llenado 11 e igualmente sale la línea de conducción 12 de este volumen de tanque 20 a la bomba 14 y más allá por el sensor 6 hacia el consumidor 8. Del piso del tanque de calibración 10, es decir del volumen de acumulador de presión 24 sale la línea de conexión 26 del acumulador de presión 18 el sistema. Entre la parte móvil de la membrana 23 y la pared de separación 21 hay un resorte 27 estirado, que impulsa a la membrana 23 con una fuerza, la cual preferiblemente se dirige al volumen del acumulador de presión 24. Correspondiente a la presión media que hay en el volumen 24 y a la tensión previa del resorte 27 se ajusta una posición de membrana media y con ésta un valor promedio para el volumen del acumulador de presión 24. La ventaja de una disposición de este tipo está en que la cantidad total de combustible sacada a la línea de conducción 26 se puede leer por medio del nivel del volumen 19 de tal manera que en caso de instalar una bomba entre la línea de descarga 12 y la línea de conexión del acumulador de presión 26 - ver dibujo en la figura 2 - no resultan errores por una posible operación insuficientemente dinámica de una bomba económica 14. Esto también se logra cuando hay diferentes presiones (y con ellas diferentes posiciones de membrana) en el volumen del acumulador de presión 24.

Claims (11)

1. Dispositivo para la medición continua del consumo dinámico de combustible de un consumidor (8) que comprende una línea de suministro de combustible (1) con una bomba (14) y, conectado posteriormente, un sensor de flujo de masa para medición continua (6), preferiblemente un sensor de Coriolis,

caracterizado por un dispositivo de calibración (2) para medición discontinua para el sensor (6) de flujo de masa dispuesto en serie con el sensor de flujo de masa (6) el cual, durante una calibración individual, determina el consumo de combustible, el cual también se mide por medio del sensor de flujo de masa.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo de calibración (2) proporciona un tanque de calibración (10) conectado al sensor de flujo de masa (6) con al menos un sensor de presión (13) dispuesto en la región inferior de este tanque de calibración (10).

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque el dispositivo de calibración (2) proporciona una unidad de computadora u ordenador (3) que contiene un circuito de cableado duro o un programa que hace un barrido de por lo menos los valores de salida del sensor de presión (13) al comienzo y al final del procedimiento de calibración y determina a partir de éstos la masa de combustible consumida durante el procedimiento de calibración.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque la unidad de ordenador o computadora (3) contiene un circuito de cableado duro o un programa, que hace un barrido del valor de consumo de combustible del sensor de flujo de masa (6) y compara esto con un valor que ha calculado para la masa de combustible consumido y a partir de este determina y/o chequea ventajosamente una constante de calibración.

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porque un dispositivo estabilizador de presión (18) se proporciona para estabilizar la presión delantera del sensor de flujo de masa (6).

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo estabilizador de la presión (18) se conecta al tanque de calibración (10) de una manera volumétrica.

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado porque el tanque de calibración (10) y el dispositivo estabilizador de presión (18) están separados uno de otro por una membrana común (23).

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la membrana (23) se ve afectada por una fuerza, preferiblemente de un resorte (27) que está opuesto a la presión fluida de la línea de suministro de combustible (26) al sensor de flujo de masa (6).

9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado porque la membrana (23) se conecta con una masa esencialmente constante, la cual incide en la membrana con un peso que está opuesto a la presión de fluido en la línea de suministro de combustible (26) al sensor de flujo de masa (6).

10. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 7 caracterizado porque la membrana (23) está cargada por una fuerza de un dispositivo eléctrico, magnético o electro-magnético, la cual es esencialmente independiente del movimiento de la membrana y el cual está opuesta a la presión de fluido en la línea de suministro (26) al sensor de flujo de masa (6).

11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se proporciona una línea de derivación capaz de activarse por medio de una válvula interruptora (7) y la cual permite que el consumidor (8) se provea de una derivación completa del dispositivo de calibración (2) y el sensor de flujo de masa (6).