ES2340749B1 - Metodo y aparato para medir el nivel de liquidos y el espesor de capas de liquidos estratificados mediante medidas de temperatura. - Google Patents
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Abstract
Método y aparato para medir el nivel de líquidos
y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de
temperatura.
Método y aparato para medir el nivel de líquidos
y el espesor de capas de líquidos estratificados que se basa en (a)
un conjunto o varios conjuntos de sensores de temperatura alineados
(dentro de cada conjunto) según la dirección perpendicular a la
superficie del líquido, y que se utilizan para medir, simultánea o
sucesivamente, las diferencias de temperatura existentes de forma
natural en el seno del líquido o producidas en él al disipar calor
en uno o varios puntos de su volumen, y (b) un procedimiento para
combinar dichas diferencias de temperatura y reconstruir el perfil
de diferencias de temperatura existentes o producidas por la
disipación de calor en el líquido, y analizar dicho perfil basándose
en las temperaturas teóricamente previsibles en el medio según su
composición y estructura.
Description
Método y aparato para medir el nivel de líquidos
y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de
temperatura.
Instrumentación de medida y control.
El nivel de un líquido se mide normalmente a
partir de alguna propiedad física del propio líquido. Los medidores
basados en un flotador, por ejemplo, miden, directa o
indirectamente, la posición del flotador que se sabe que está en la
superficie del líquido. Los medidores basados en el peso del líquido
miden la presión ejercida por la columna de líquido en un punto
cerca del fondo del depósito, o emplean células de carga en los
soportes del depósito.
La limitada fiabilidad mecánica de los
flotadores y los inconvenientes de la instalación de sensores en el
fondo o debajo de los depósitos, han estimulado la búsqueda de
soluciones que emplean algún tipo de radiación (rayos x, radiación
gamma, microondas, luz, ultrasonidos), cuya reflexión en la
superficie del líquido indica su posición, o cuya atenuación aumenta
con la longitud de su recorrido dentro del líquido, y por ende con
el nivel. Pero, a pesar de su notable complejidad, estos métodos no
pueden determinar fácilmente el espesor de capas de líquidos
estratificados.
Los medidores que se basan en un cable u otra
estructura eléctrica inmersa en el líquido aplican la reflectometría
en el dominio del tiempo (TDR), en la que se mide el retardo con que
llega un pulso aplicado a una línea de transmisión, y que depende de
las discontinuidades de impedancia eléctrica en el medio por donde
se propaga el pulso, las más notable de las cuales es la que hay
entre el aire y el líquido (ver por ejemplo las patentes EP0937231 y
EP1314967). Este mismo principio de la reflectometría se puede
aplicar cuando hay líquidos estratificados, pero, obviamente, si las
primeras discontinuidades en el medio reflejan la mayor parte de la
energía del pulso eléctrico, no es fácil conocer más allá de dichas
discontinuidades; por ejemplo, no se puede detectar la presencia de
capas de líquidos estratificados en niveles más profundos.
Los medidores basados en las propiedades
eléctricas del líquido ofrecen múltiples posibilidades aunque
necesitan una sonda o electrodos inmersos en el líquido. Los
sistemas más sencillos sólo detectan si el nivel alcanza un punto
concreto, mientras que los sistemas más avanzados determinan el
nivel mediante una sonda o un cable inmersos verticalmente en el
líquido. Se han propuesto diversas sondas formadas por dos
electrodos que constituyen un condensador cuya capacidad depende del
nivel del líquido (dieléctrico) y cuya relación entre capacidad y
nivel debe ser calibrada antes de usar el sistema, habida cuenta de
la influencia de la constante dieléctrica del líquido en la
capacidad eléctrica medida. Igualmente requieren calibración previa
los métodos basados en la medida de resistencia eléctrica, y los
métodos basados en la medida del cambio que sufre una resistencia
dependiente de la temperatura según sea su nivel de inmersión en el
líquido (véase por ejemplo la patente US5201223). En este último
caso, la resistencia, que tiene una longitud igual a la profundidad
del continente del líquido, se calienta haciendo fluir corriente
eléctrica por ella y, dado que la difusión del calor es mucho mayor
en la parte sumergida de la resistencia que en la parte emergente,
el valor que alcanza dicha resistencia es proporcional al nivel de
líquido presente.
Los denominados medidores de nivel múltiple
(multinivel) sirven para líquidos estratificados. Utilizan sondas
múltiples dispuestas a distintas profundidades, bien mediante el
acceso a través de una pared lateral del depósito (ver por ejemplo
la patente GB967771), bien desde la superficie del líquido (ver por
ejemplo la patente US4382382), en cuyo caso basta que el cable que
soporta cada sonda individual tenga distinta longitud. Las sondas
pueden medir una propiedad local, por ejemplo la conductividad
eléctrica, o una propiedad entre el extremo más profundo y cada uno
de los demás extremos que están a distintas profundidades. Pero en
ambos casos la detección es binaria: si la propiedad medida tiene un
valor bajo (o alto, según el caso), se considera que los dos puntos
de medida están inmersos; en caso contrario, uno de los dos puntos
está fuera del líquido. Estos medidores tienen la ventaja de que
evitan la calibración previa del sistema pero su resolución en la
medida de nivel coincide con la distancia entre los múltiples puntos
de medida dispuestos a lo largo de la sonda, de modo que, para
obtener una buena resolución, la sonda múltiple debe tener muchos
puntos de medida, y ello la hace voluminosa y pesada. Ese es el caso
de la patente ES396947, donde se usa una columna de sensores de
temperatura para detectar el nivel de un líquido caliente basándose
en el cambio de temperatura medida por cada sensor al llegar el
liquido a ella y alcanzando por lo tanto una resolución igual a la
distancia entre sensores. El método y aparato descritos en la
patente que aquí se presenta permiten evitar la calibración previa
del sistema y obtener una resolución mejor que la distancia entre
los sensores de temperatura más próximos.
Una alternativa para medir un nivel de forma
continua incluso si está estratificado, es emplear una sola sonda
que se pueda desplazar en dirección perpendicular a la superficie
del líquido. Este método es propiamente una automatización de la
medición manual consistente en ir sumergiendo progresivamente una
sonda cada vez más, y anotar para cada profundidad el valor de la
propiedad medida. Cuando se entra en el líquido, y cada vez que se
pase de una capa a la siguiente en líquidos estratificados, habrá un
cambio en el valor de dicha propiedad. La automatización elimina la
laboriosidad del método, a costa de incorporar un mecanismo complejo
para ir desplazando la sonda dentro del fluido, pero no aumenta
notablemente la velocidad de la medición, que será tanto más lenta
cuanto mayores sean el nivel y la resolución deseada.
La presente invención consiste en un método y un
aparato para determinar el nivel de líquidos y el espesor de capas
de líquidos estratificados, utilizando medidas de temperatura. El
método consiste en uno o varios soportes rígidos construidos
mediante materiales que sean buenos aislantes térmicos, a cada uno
de los cuales se sujetan una serie de sensores de temperatura
separados entre sí una distancia que puede ser o no uniforme, según
se desee obtener una resolución uniforme o se prefiera una
resolución no uniforme, por ejemplo para conseguir que sea mejor en
alguna parte del rango de medida, en cuyo caso la separación del los
sensores en dicha zona será menor. En dichos soportes se pueden
sujetar también dos o más elementos calefactores, a distintas
alturas, para producir un gradiente de temperaturas en el líquido,
en la dirección vertical. Esos calefactores podrán ser elementos que
disipen calor de manera constante (por ejemplo resistencias por las
que se haga circular una corriente eléctrica) o bien elementos con
una alta conductividad térmica (por ejemplo hechos de materiales
metálicos) mantenidos a una temperatura constante, de modo que fluya
calor entre ellos y el líquido. En el depósito debe haber al menos
un elemento de temperatura constante que deberá ser mantenido a
temperatura ambiente o inferior para permitir que el calor disipado
en el líquido pueda fluir fuera de él preferentemente a través de
dicho elemento, en vez de hacerlo mayoritariamente a través de las
paredes. Cuando en el líquido ya exista, por causas naturales o
artificiales ajenas al aparato aquí descrito, un gradiente de
temperatura suficiente, no será necesario ninguno de los elementos
descritos para generarlo. El gradiente de temperaturas en el seno
del líquido depende de su conductividad térmica, de la proximidad
del fondo y de la superficie (es decir, del nivel), de la presencia
de capas o estratos en el líquido y de su grosor. Por ello, se mide
sucesiva o simultáneamente la temperatura en los diversos sensores
de temperatura, y a partir de esas temperaturas se ajusta una curva
cuyos parámetros permiten determinar el nivel y el grosor de
cada
capa.
capa.
La identificación de los parámetros del líquido
se basa en la determinación previa de la relación entre ellos y el
perfil de temperaturas que se tiene dentro del líquido debido a
fuentes de calor externas (naturales o artificiales, ajenas al
aparato de medida objeto de esta invención), o debido a los
calefactores incorporados en el aparato. Esa relación se obtiene
resolviendo la ecuación general de la conducción del calor para un
modelo geométrico del continente del líquido (depósito o canal
natural o artificial, o recipiente). Si las dimensiones de los
soportes y la separación entre sensores son suficientemente pequeñas
respecto a las dimensiones del continente, dicho modelo geométrico
tiene que contemplar sólo la presencia del fondo y, si alguno de los
soportes de los sensores de temperatura se dispone junto a una
pared, debe contemplar además la presencia de dicha pared.
El método descrito goza de la fiabilidad
inherente a la ausencia de elementos mecánicos móviles, puede ser
aplicado mediante un solo conjunto de sensores de temperatura
anclados en un soporte sujeto, por ejemplo, a una pared del depósito
si está abierto, o a la cubierta si es un depósito cerrado, o
suspendido en un elemento que flote en su superficie, o puede
aplicarse en un vaso o tubo vertical conectado en paralelo con el
depósito. El método descrito aventaja a los métodos actuales que
emplean un conjunto de sondas de temperatura en contacto con el
líquido, porque utiliza la información obtenida con todos los
sensores a la vez, no para saber cuáles quedan inmersos y cuáles no
(como se hace en las medidas de nivel discretas en puntos o
profundidades específicas), sino para reconstruir el perfil de
diferencias de temperatura en la vertical del depósito, y a partir
de éstas estimar el nivel, obteniendo así una medida de nivel
continua con resolución y exactitud mejor que la separación entre
sensores.
Figura 1: Se muestra en ella una forma de
realizar el método en una aplicación donde se desea medir el nivel
de un líquido cuando su superficie libre está en contacto con aire u
otro gas o aislante térmico.
Figura 2: Perfil de temperaturas obtenido del
modo de realización de la figura 1 para una separación entre
sensores consecutivos es uniforme e igual a 5 cm para la medida de
un nivel de 45 cm.
La figura 1 muestra una forma de realizar el
método en una aplicación donde se desea medir el nivel de un líquido
(1) cuando su superficie libre (2) está en contacto con aire (3) u
otro gas o aislante térmico. El soporte de los sensores de
temperatura (4) está sujeto a una pared del depósito, que se supone
descubierto, y se introduce verticalmente en el líquido.
Alternativamente, el soporte se puede sumergir desde un flotador en
la superficie del líquido. En un depósito cubierto, el soporte se
puede suspender verticalmente desde un punto de la cubierta. También
se pueden emplear varios soportes, dispuestos en la misma o en
distintas zonas del depósito. En este ejemplo se ha considerado que
el sistema emplea 10 calefactores ((5) a (14)) y que hay un sensor
de temperatura junto a cada calefactor. Los calefactores de (5) a
(13) serán los que podrán ser usados para disipar calor en el
líquido y el (14) será un elemento mantenido a temperatura ambiente
para permitir que el calor fluya de nuevo al exterior. La sonda
formada por el soporte, los transmisores y los sensores de
temperatura, está conectada a un aparato que: a) genera las señales
de activación de cada calefactor (15); b) tiene un sistema de
conmutación (16) para seleccionar automáticamente qué calefactor o
conjunto de calefactores se activará, y el sensor o sensores con los
que se miden las temperaturas; c) un sistema para medir la
temperatura de los sensores de la sonda (17); e) un sistema de
control de las secuencias de activación y medida, y de interfaz con
el usuario (18); y f) un sistema de cálculo (19) que ajusta la curva
de temperaturas y determina a partir de ella el nivel del
líquido.
Dado que el líquido tiene una capacidad
calorífica mucho mayor que el aire, una posible alternativa para
aplicar el método es hacer la medición en dos etapas. En la primera
etapa se disipa calor en el calefactor (5) y se mide la temperatura
en todos los sensores. Al estar el calefactor (5) en un medio de
poca capacidad calorífica, la variación de temperatura medida en el
sensor que se halla junto a él será mucho más rápida que en los
sensores sumergidos, indicando que dicho calefactor se halla fuera
del líquido. El mismo procedimiento se aplicará sucesivamente con el
resto de los calefactores hasta hallar aquél con el cual las
variaciones de temperatura medidas en el sensor junto a él varíe
mucho más lentamente (en el ejemplo, sucederá en el disipador (6)).
Este hecho indica que calefactor (6) se halla sumergido en el
líquido. A partir de esta información, el sistema utiliza el método
de esta invención: se disipa calor en el calefactor (6), y una vez
se ha establecido el gradiente de temperatura en el líquido, se
miden las temperaturas en los sensores de (7) a (14). A partir de
las temperaturas se ajusta una curva similar a la de la figura 2,
que corresponde a la distribución de diferencias de temperatura
respecto de la temperatura ambiente que se obtendría al seguir la
secuencia de disipación de calor y medida de temperatura mencionada,
aplicando 1 W en el disipador (6). En el caso de la figura 2, la
separación entre sensores consecutivos es uniforme e igual a 5 cm
para la medida de un nivel de 45 cm. El eje de abcisas indica la
posición respecto al fondo del depósito del sensor de temperatura. A
partir de la distribución de temperaturas obtenida y el modelo que
relaciona dichos temperaturas con los parámetros del líquido (nivel,
conductividad térmica...) se usa, en este ejemplo de realización, un
algoritmo iterativo de ajuste de mínimos cuadrados no lineal del
tipo Levenberg-Marquardt para obtener el valor del
nivel correspondiente.
El alcance de medida del sistema depende de la
longitud del soporte. Si el único punto de referencia geométrica es
el fondo, el soporte debe apoyarse en el fondo. Si hay un punto de
referencia cuya posición respecto al fondo es conocida, el soporte
puede ubicarse en dicho punto.
Claims (7)
-
\global\parskip0.930000\baselineskip
1. Método para medir el nivel de líquidos homogéneos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura caracterizado porque:- a)
- se emplea un conjunto de sensores de temperatura alineados verticalmente, o varios conjuntos de sensores (alineados verticalmente dentro de cada conjunto), con los sensores en contacto con el líquido, y
- b)
- se emplea un conjunto de calefactores alineados verticalmente, o varios conjuntos de calefactores (alineados verticalmente dentro de cada conjunto), con los calefactores en contacto con el líquido, y
- c)
- donde al menos dos calefactores y dos sensores de temperatura intervienen en cada medición, los calefactores para inducir un flujo de calor en el líquido y los sensores para medir el gradiente de temperaturas producido por dicho flujo de calor, y
- d)
- se reconstruye a partir de las temperaturas medidas, el perfil (distribución espacial en la dirección vertical) de diferencias de temperaturas generadas en el líquido por el flujo aplicado, y
- e)
- el nivel de líquido, si es homogéneo, y el espesor de cada capa en líquidos estratificados, se determinan por ajuste de los parámetros de la curva que representa el perfil de diferencias de temperatura obtenido en la dirección perpendicular a la superficie del líquido.
\vskip1.000000\baselineskip
- 2. Método para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura, según la reivindicación 1, caracterizado porque se disipa calor de manera constante con uno o más calefactores y se mantiene al menos otro a una temperatura constante igual o inferior a la temperatura ambiente de modo que se establezca un flujo de calor entre ellos.
- 3. Método para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura, según la reivindicación 1, caracterizado porque uno o más elementos calefactores se mantienen a una temperatura constante y superior a la temperatura ambiente y al menos un elemento se mantiene a temperatura constante igual o inferior a la temperatura ambiente, de modo que un flujo de calor se establezca entre ellos.
- 4. Un aparato para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura, y que contenga:
- a)
- un conjunto de sensores de temperatura alineados verticalmente, o varios conjuntos de sensores de temperatura (alineados verticalmente dentro de cada conjunto), con los sensores en contacto con el líquido.
- b)
- un conjunto de calefactores alineados verticalmente, o varios conjuntos de calefactores (alineados verticalmente dentro de cada conjunto), con los calefactores en contacto con el líquido.
- c)
- un sistema de conmutación para seleccionar los calefactores a través de los que ha de fluir el calor y los sensores de temperatura a través de los que se miden las diferencias de temperatura.
- d)
- un sistema para medir diferencias de temperatura.
- e)
- un sistema de control de las secuencias de disipación de calor y medida de temperatura.
- f)
- un sistema de cálculo que ajusta la curva de diferencias de temperatura y determina a partir de ella el nivel de líquidos o el espesor de capas en líquidos estratificados.
\vskip1.000000\baselineskip
- 5. Un aparato para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos calefactores son uno o más elementos que disipan calor de manera constante y al menos un elemento mantenido a una temperatura constante igual o inferior a la temperatura ambiente de modo que se establezca un flujo de calor entre ellos.
- 6. Un aparato para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos calefactores son uno o más elementos de conductividad térmica mayor que la del líquido y mantenidos a una temperatura constante y superior a la temperatura ambiente y al menos un elemento mantenido a temperatura constante igual o inferior a la temperatura ambiente, de modo que un flujo de calor se establezca entre ellos.
- 7. Un aparato para medir el nivel de líquidos y el espesor de capas de líquidos estratificados mediante medidas de temperatura, según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos disipadores de calor (calefactores) y los sensores de temperatura son un solo dispositivo, usado en un caso como disipador de calor y en el segundo caso, como sensor.
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|---|---|---|---|
| ES200703434A ES2340749B1 (es) | 2007-12-13 | 2007-12-13 | Metodo y aparato para medir el nivel de liquidos y el espesor de capas de liquidos estratificados mediante medidas de temperatura. |
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| ES2340749A1 ES2340749A1 (es) | 2010-06-08 |
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| ES2311317A1 (es) * | 2005-09-08 | 2009-02-01 | Universitat Politecnica De Catalunya | Metodo y aparato para medir el nivel de liquidos, el espesor de capas de liquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en liquidos no homogeneos. |
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2007
- 2007-12-13 ES ES200703434A patent/ES2340749B1/es active Active
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|---|---|
| ES2340749A1 (es) | 2010-06-08 |
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