ES2556783T3 - Método y aparato para medir las propiedades físicas de fluidos bifásicos - Google Patents

Abstract

Un método de medición de las propiedades físicas de un flujo de fluido bifásico utilizando una pluralidad de osciladores piezoeléctricos (302-1, 302-2, 302-3, 302-4; 402-1, 402-2, 402-3, 402-4) inmersos en el flujo de fluido bifásico, comprendiendo el fluido bifásico una fracción gaseosa y una fracción líquida dispersas dentro de un volumen concreto de fluido, comprendiendo el método: a) medir (604) la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoeléctrico en función del tiempo durante un periodo de medición predeterminado; y b) determinar (606), a partir de la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoeléctrico, si el respectivo oscilador piezoeléctrico está inmerso en una fracción gaseosa o en una fracción líquida y determinar, para cada oscilador piezoeléctrico, la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medición predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoeléctrico está inmerso en una fracción gaseosa y la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medición predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoeléctrico está inmerso en una fracción líquida, caracterizado por que, para caracterizar el fluido bifásico, se determina la proporción de la fracción gaseosa a la fracción líquida medidas por cada oscilador piezoeléctrico en función del tiempo.

Description

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DESCRIPCION

Metodo y aparato para medir las propiedades flsicas de fluidos bifasicos

La presente invencion esta relacionada con un metodo y un aparato para medir las propiedades flsicas de fluidos bifasicos. Mas concretamente, la presente invencion esta relacionada con un metodo y un aparato para medir las propiedades flsicas de fluidos bifasicos utilizando un oscilador piezoelectrico.

Conocer las propiedades flsicas de un fluido - por ejemplo, la densidad o los contenidos masicos, la tasa de cambio de contenidos de fluido en un deposito de almacenamiento, o el caudal masico de un fluido a lo largo de un conducto - tiene aplicacion comercial significativa. Esta informacion es valiosa tanto para el comprador como para el suministrador del fluido.

Para los gases, en muchos casos, es necesario monitorizar los contenidos de un cilindro o recipiente a presion dado para determinar la cantidad de gas que queda en el. Esto es particularmente crltico en situaciones tales como aplicaciones sanitarias.

Es conocido calcular, de acuerdo con las leyes de los gases, los verdaderos contenidos de un cilindro a partir del conocimiento de la presion del gas en el interior de ese cilindro. La medicion de presion es una tecnica bien conocida y existen una gran variedad de dispositivos que sirven para medir presion. El tipo mas convencional utiliza un diafragma elastico provisto de elementos indicadores de la deformacion. Un tipo comun de manometro es un manometro de Bourdon.

En el caso de llquidos, el aparato de medida mas comun es un indicador de nivel de llenado, tal como por ejemplo un nivel de flotador. De forma alternativa, se puede implementar un tipo particular de indicador de nivel por flotador que tenga una densidad precisa y que, por lo tanto, sea capaz de medir de forma aproximada la densidad del llquido.

Sin embargo, ninguna tecnica de medida es apropiada para fluidos bifasicos, es decir, para fluidos que comprenden una parte llquida y una parte gaseosa en los que un menisco separa las dos fases. En otras palabras, fluidos en los que una fraccion gaseosa y una fraccion llquida coexisten dentro de un volumen concreto de fluido. Los fluidos criogenicos existen habitualmente en dos fases.

La medicion exacta de las propiedades flsicas de un fluido bifasico es diflcil utilizando tecnicas convencionales. Esto se debe a que los ejemplos mencionados anteriormente son apropiados para manejar gas o llquido, pero no para manejar ambos. Ademas, los fluidos criogenicos presentan problemas de medicion adicionales debido a la baja temperatura involucrada.

Ademas, para muchas aplicaciones, es deseable conocer el caudal masico de fluido que sale de un deposito de almacenamiento. Esto puede ser crltico para muchas aplicaciones; por ejemplo, para aplicaciones medicas. Se conocen varios sistemas diferentes de medidor de flujo masico.

Una clase de medidores de flujo masico que se utilizan habitualmente en muchas aplicaciones industriales son los medidores de flujo masico mecanicos. Estos medidores incluyen componentes mecanicos que se mueven o que giran para medir flujo masico. Un tipo de estos es el medidor de flujo inercial (o medidor de flujo de Coriolis), el cual mide el flujo de fluido a traves del efecto del fluido sobre tubos conformados. Los medidores de flujo de Coriolis pueden manejar un gran rango de caudales con gran precision. Sin embargo, para detectar el caudal, se necesitan sistemas complejos tales como rasgos de actuacion, de detection, electronicos e informaticos.

Medidores de flujo masico de tipo mecanico alternativos son los medidores de diafragma, los medidores rotativos y los medidores de turbina. Sin embargo, por lo general estos tipos de medidores son menos precisos e incluyen partes moviles que pueden verse sometidas a desgaste. Ademas, medidores tales como los medidores rotativos solo son utiles para medir caudales relativamente pequenos.

Una clase alternativa adicional de medidores de flujo masico son los medidores de flujo electronicos. Dos tipos principales son los medidores termicos y los medidores ultrasonicos. Los medidores termicos de flujo miden la transmision de calor a traves de un tubo calentado para medir caudal. Los medidores ultrasonicos de flujo miden la velocidad del sonido en un medio gaseoso, a veces promediando la velocidad del sonido entre multiples trayectorias dentro de la tuberla. Sin embargo, generalmente ambos tipos de medidor de flujo electronico requieren un significativo hardware de procesamiento de senal y, por lo general, suelen ser elementos de alto coste.

Sin embargo, muchos sistemas conocidos son inapropiados para ser usados en sistemas criogenicos. Por lo general, los medidores de flujo para fluidos criogenicos son dispositivos caros y complicados. Ademas, la precision de dichos dispositivos depende a menudo de la consistencia de las fracciones de gas y de llquido del fluido. Muchos medidores de flujo son precisos para flujos bifasicos subenfriados y con una pequena fraccion gaseosa (menos del 0,5% de gas en peso), pero son poco precisos para flujos bifasicos con mayor fraccion gaseosa, y para fluidos que

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son solo gaseosos. Sin embargo, en aplicaciones criogenicas, las fracciones gaseosa y llquida en el fluido pueden variar enormemente.

Por lo general, los sistemas conocidos para medicion de flujo criogenico operan midiendo el flujo de forma directa utilizando la velocidad y densidad del fluido, o midiendo el flujo de forma indirecta utilizando propiedades tales como la perdida de carga y ecuaciones de modelado del fluido. En las Patentes US-A-4.835.456, US-A-3.635.084 y US-A- 4.272.982 se describen ejemplos de medidores de flujo que miden el flujo de forma directa. En estos sistemas, el flujo se mide utilizando un elemento rotativo (como por ejemplo una turbina) para derivar de forma directa la velocidad del fluido. Sin embargo, estos sistemas son particularmente vulnerables a variaciones en las fracciones gaseosa y llquida del fluido criogenico y pueden tener poca precision si los reglmenes de flujo sufren cambios o si las proporciones de gas a llquido varlan o superan niveles concretos.

Las tecnicas de medicion indirecta incluyen tubos Pitot, medidores de Venturi y medidores de placa perforada. Estos sistemas determinan una perdida de carga y aplican ecuaciones de modelado del flujo, por ejemplo la ecuacion de Bernoulli, a los datos. Para flujo bifasico es necesario un modelado del flujo mas complejo y este depende mucho de las fracciones gaseosa y llquida del fluido criogenico. Un ejemplo se puede encontrar en la Patente US-A-4.168.624.

Un grupo alternativo de medidores de flujo dividen el fluido bifasico en sus fases gaseosa y llquida y miden el caudal de cada fase. En las Patentes US-A-4.881.412 y US-A-5.679.905 se describen ejemplos de medidores de flujo de este tipo. Estos medidores son complejos y caros ya que requieren dos o mas medidores de flujo para medir el flujo total.

En la Patente US-A-7.054.764 se describe un sistema alternativo. Este sistema mide la presion y la temperatura del fluido bifasico, y realiza un calculo iterativo para determinar el flujo masico.

Un tipo alternativo de dispositivo utilizado para medir las propiedades flsicas de gases es un dispositivo piezoelectrico tal como un cristal de cuarzo. Los cristales de cuarzo exhiben un comportamiento piezoelectrico, es decir, la aplicacion de tension a estos cristales produce una pequena contraccion o una pequena dilatacion del solido, y viceversa.

El documento “A Precise and Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6) - Gas Density Control”, Zeisel et al, Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236, describe un sistema en el cual se utiliza un sensor de cristal de cuarzo para medir la densidad de gas SF6 en equipos electricos de media y alta tension a bajas presiones de gas. La medicion de la densidad del gas SF6 es crltica para la seguridad del aparato. Este documento describe una aplicacion de baja presion para tecnologla de sensor de cuarzo en la cual se utilizan presiones de hasta 8 bar g.

La Patente US 4.644.796 describe un metodo y un aparato para medir la presion de un fluido utilizando un oscilador de cristal de cuarzo alojado dentro de una carcasa de volumen variable que comprende un sistema de fuelles. El volumen interno de la carcasa varla debido a compresion/expansion de los fuelles por la presion del fluido externo. Por consiguiente, la densidad del fluido dentro de la carcasa varla a medida que varla el volumen interno de la carcasa. La densidad en el interior de la carcasa se puede medir utilizando un oscilador de cristal de cuarzo.

La Patente WO-A-2006/084263 describe metodos, sensores y sistemas de monitorizacion de fluidos. Las realizaciones preferentes comprenden dos o mas resonadores mecanicos, preferiblemente dos o mas resonadores de flexion configurados para detectar, monitorizar o evaluar uno o mas fluidos en multiples posiciones dentro de uno o mas sistemas fluldicos.

El documento “Flow regime identification in cryogenic gas-liquid flow through vertical tubes”, Das et al, Cryogenics, vol. 35 n° 6, Junio de 1995, paginas 393-398, describe un metodo de identificacion de diferentes reglmenes de flujo en flujos bifasicos gas-llquido. Se describen fluidos criogenicos y otros fluidos.

Los sistemas anteriores describen el uso de un sensor de estado solido tal como un oscilador de cristal de cuarzo. Sin embargo, ninguno de los sistemas y metodos anteriores es apropiado para medir con precision las propiedades de un fluido bifasico o de un llquido criogenico.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo de medida de las propiedades flsicas de un fluido bifasico utilizando una pluralidad de osciladores piezoelectricos inmersos en el flujo de fluido bifasico, comprendiendo el fluido bifasico una fraccion gaseosa y una fraccion llquida dispersadas dentro de un volumen concreto de fluido, comprendiendo el metodo: a) medir la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo durante un periodo de medicion predeterminado; y b) determinar, a partir de la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico, si el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida y determinar, para cada oscilador piezoelectrico, la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa y la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion llquida, caracterizado por que, para

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caracterizar el fluido bifasico, se determina la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida medidas por cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo.

En una realizacion, el metodo comprende ademas comparar la frecuencia de resonancia con una frecuencia umbral predeterminada para determinar si dicho oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida. En una realizacion, al menos una propiedad flsica comprende la densidad de al menos el componente llquido del fluido bifasico.

En una realizacion, el metodo comprende ademas los pasos de: c) medir el caudal volumetrico del fluido; y d) determinar el caudal masico del fluido bifasico a partir de la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida y a partir de la densidad de la fraccion llquida.

En una realizacion, al menos una propiedad flsica es la frecuencia de deteccion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa. En una realizacion, la frecuencia de deteccion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa se utilizan para determinar el regimen de flujo de dicho fluido bifasico. En una realizacion, la frecuencia de deteccion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa se utilizan para determinar si el citado fluido bifasico esta hirviendo.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un conjunto sensor para medir las propiedades flsicas de un flujo de fluido bifasico que comprende una fraccion gaseosa y una fraccion llquida dispersadas dentro de un volumen concreto de fluido, comprendiendo el conjunto sensor un procesador y una pluralidad de osciladores piezoelectricos para su inmersion en el flujo de fluido bifasico, estando disenado el procesador para medir la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo durante un periodo de medicion predeterminado, para determinar, a partir de la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico, si el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida, y para determinar, para cada oscilador piezoelectrico, la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa y la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion llquida, caracterizado por que, para caracterizar el fluido bifasico, se determina la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida medidas por cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo.

En una realizacion, dicha pluralidad de osciladores piezoelectricos estan situados alrededor del interior de un conducto a traves del cual el citado fluido bifasico es operable para fluir. En una realizacion, el conjunto sensor es ademas operable para determinar si el oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida por comparacion de la frecuencia de resonancia con una frecuencia umbral predeterminada. En una realizacion, al menos una propiedad flsica comprende la densidad de al menos el componente llquido del fluido bifasico.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende ademas un medidor de flujo operable para determinar el caudal volumetrico del fluido bifasico, siendo el medidor de flujo masico operable para determinar el caudal masico del fluido bifasico a partir de la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida y a partir de la densidad de la fraccion llquida.

En una realizacion, el fluido bifasico es un fluido criogenico. En una realizacion, el fluido bifasico esta almacenado en un tanque de almacenamiento y se utiliza la densidad del fluido para determinar si se esta produciendo estratificacion en el tanque de almacenamiento.

En una realizacion, el paso a) comprende: excitar, por medio de un circuito de excitacion, al oscilador piezoelectrico de tal manera que dicho oscilador piezoelectrico resuene a una frecuencia de resonancia; y medir dicha frecuencia de resonancia durante un periodo de tiempo predeterminado.

En una realizacion, dicho oscilador piezoelectrico comprende un oscilador de cristal de cuarzo.

En una realizacion, el cristal de cuarzo comprende al menos un brazo. En una variacion, el cristal de cuarzo comprende un par de brazos planos.

En una realizacion, el cristal de cuarzo es de corte AT o de corte SC.

En una variacion, la superficie del cristal de cuarzo esta expuesta directamente al fluido.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende un circuito de excitacion. En una variacion, el conjunto sensor comprende un circuito de excitacion que comprende un par Darlington colocado en una configuracion de realimentacion a partir de un amplificador de emisor comun.

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En una realizacion, el conjunto sensor comprende una fuente de energla. En un sistema, la fuente de energla comprende una baterla de ion-litio.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende un procesador.

En una variacion, el citado oscilador piezoelectrico comprende un oscilador de cristal de cuarzo.

En una variacion, el gas es un gas permanente.

En una realizacion, el recipiente de alta presion es un cilindro de gas.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende un circuito de excitacion. En una realizacion, el conjunto sensor comprende un circuito de excitacion que comprende un par Darlington colocado en una configuracion de realimentacion a partir de un amplificador de emisor comun.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende una fuente de energla. En una realizacion, la fuente de energla comprende una baterla de ion-litio.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende un procesador.

En una realizacion, el conjunto sensor esta disenado para excitar al oscilador piezoelectrico de tal manera que el oscilador piezoelectrico resuene a una frecuencia de resonancia y para medir dicha frecuencia de resonancia durante un periodo de tiempo predeterminado para determinar la densidad del gas.

En una realizacion, el conjunto sensor comprende un circuito de excitacion. En una realizacion, el conjunto sensor comprende una fuente de energla. En una variacion, la fuente de energla comprende una baterla de ion-litio.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invencion, se proporciona un producto de programa informatico que puede ser ejecutado por un aparato de procesamiento programable, que comprende una o mas porciones de software para realizar los pasos del primer aspecto.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invencion, se proporciona un medio de almacenamiento informatico que tiene almacenado en su interior un producto de programa informatico de acuerdo con el tercer aspecto.

Se describiran ahora con detalle realizaciones de la presente invencion haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 es un diagrama esquematico de un sistema de fluido criogenico;

La Figura 2 es un diagrama esquematico que muestra un tanque de almacenamiento y un conjunto sensor;

La Figura 3 es un diagrama esquematico que muestra una seccion a traves de una tuberla vertical y de un conjunto sensor de acuerdo con una primera realizacion de la invencion;

La Figura 4 es una seccion transversal de la tuberla y del conjunto sensor de la Figura 3;

La Figura 5 es un diagrama esquematico que muestra una seccion a traves de una tuberla horizontal y de un

conjunto sensor de acuerdo con una segunda realizacion de la invencion;

La Figura 6 es una seccion transversal de la tuberla y del conjunto sensor de la Figura 5;

Las Figuras 7a) a 7e) muestran diferentes reglmenes de flujo en una tuberla vertical;

Las Figuras 8a) a 8f) muestran diferentes reglmenes de flujo en una tuberla horizontal;

La Figura 9 es un diagrama esquematico de un circuito de excitacion para ser usado con las realizaciones primera o segunda;

La Figura 10 es un diagrama esquematico que muestra un circuito de excitacion alternativo para ser usado con las realizaciones primera o segunda;

La Figura 11 es un diagrama esquematico que muestra un circuito de excitacion alternativo para ser usado con las realizaciones primera o segunda;

La Figura 12 muestra una grafica de frecuencia del cristal de cuarzo (kHz) sobre el eje Y en funcion de la densidad (kg/m3) para varios gases diferentes;

La Figura 13 muestra una grafica de masa de gas (en kg) sobre el eje Y en funcion de la presion (bar g) sobre el eje X para Argon, Oxlgeno y para una mezcla Argon:Dioxido de Carbono;

La Figura 14 muestra una grafica de masa de gas (en kg) sobre el eje Y en funcion de la densidad (en kg/m3) sobre el eje X para los mismos tres gases (Argon, Oxlgeno y una mezcla Argon:Dioxido de Carbono) mostrados en la Figura 13;

La Figura 15 muestra una grafica de frecuencia (en kHz) sobre el eje Y en funcion del tiempo (en milisegundos) sobre el eje X para Nitrogeno llquido que esta hirviendo vigorosamente;

La Figura 16 muestra una grafica de frecuencia (en kHz) sobre el eje Y en funcion del tiempo (en milisegundos) sobre el eje X para Nitrogeno llquido que fluye lentamente;

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La Figura 17 muestra una grafica de frecuencia (en kHz) sobre el eje Y en funcion del tiempo (en milisegundos) sobre el eje X para Nitrogeno llquido que fluye con mayor rapidez;

La Figura 18 muestra una grafica de frecuencia (en kHz) sobre el eje Y en funcion del tiempo (en segundos) sobre el eje X para Nitrogeno llquido que esta fluyendo segun un flujo tapon (“slug flow");

La Figura 19 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de acuerdo con una realizacion descrita;

La Figura 20 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de acuerdo con una realizacion descrita;

La Figura 21 muestra una grafica del comportamiento en frecuencia de diferentes tipos de cristales;

La Figura 22 es un diagrama esquematico que muestra un conjunto sensor alternativo que comprende dos cristales de cuarzo; y

La Figura 23 muestra un sistema alternativo que utiliza una unidad de datos electronica remota.

La Figura 1 muestra una vista esquematica de un sistema 10 de fluido criogenico de acuerdo con un ejemplo no en conformidad con la invencion.

El sistema 10 de fluido criogenico comprende un tanque 100 de almacenamiento que tiene un cuerpo 102 del tanque. El cuerpo 102 del tanque comprende un contenedor generalmente cillndrico que tiene una base 102a plana disenada para permitir que el tanque 100 de almacenamiento se sostenga de pie sin ayudas sobre una superficie plana. Sin embargo, se debe apreciar que el tanque 100 de almacenamiento puede adoptar otras formas apropiadas; por ejemplo cualquier deposito de almacenamiento criogenico apropiado tal como un deposito portatil, un camion cisterna, un remolque, una instalacion de produccion qulmica, una planta de separacion de aire-llquido o combinaciones de los mismos.

Cualquier fluido apropiado puede estar contenido dentro del sistema 10 de fluido criogenico. Sin embargo, una lista no exhaustiva de fluidos apropiados puede comprender: Nitrogeno llquido; Argon llquido; Hidrogeno llquido; Helio llquido; Oxlgeno llquido o mezclas de los mismos.

En esta realizacion, el cuerpo 102 del tanque tiene una estructura conformada de acero, de aluminio y/o de materiales compuestos. En el interior de las paredes se proporciona aislamiento por vaclo para aislar los contenidos a baja temperatura del entorno exterior. Sin embargo, se pueden utilizar otros tipos de aislamiento apropiados.

El tanque 100 de almacenamiento contiene un volumen de fluido criogenico. El fluido criogenico comprende un volumen de llquido criogenico que tiene un nivel L de fluido. Por encima del nivel L de fluido existe un volumen de gas o vapor. En el interior del tanque se proporciona un primer conjunto 200 sensor para medir las propiedades flsicas del fluido criogenico dentro del tanque 100 de almacenamiento. El primer conjunto 200 sensor se describira mas adelante haciendo referencia a la Figura 2.

El tanque 100 de almacenamiento comprende tres tuberlas 104, 108, 112 de alimentacion. La tuberla 104 es una tuberla de alimentacion de llquido y sale del cuerpo 102 del tanque de almacenamiento en un punto contiguo a la base 102a. La tuberla 104 es substancialmente horizontal y es operable para aspirar fluido criogenico del tanque 100 de almacenamiento o para suministrar fluido criogenico a dicho tanque y comprende una valvula 106. La valvula 106 puede ser operable manualmente como se muestra y comprender un cuerpo de la valvula que se puede ajustar axialmente acercandolo a un asiento de valvula o alejandolo de el de manera selectiva, por medio de un giro de un mango agarrable, para abrir o cerrar la valvula 106. De forma alternativa, la valvula 106 puede estar controlada de manera automatica, por ejemplo, por una valvula de solenoide.

La tuberla 108 es tambien una tuberla de alimentacion de llquido y sale del cuerpo 102 del tanque de almacenamiento en un extremo superior del mismo. Sin embargo, la tuberla 108 se extiende una distancia tal hacia el interior del cuerpo 102 del tanque que el extremo de la tuberla 108 queda situado por debajo del nivel L del llquido en el tanque 100 de almacenamiento. La tuberla 108 es operable para aspirar (por medio de una bomba o bajo la presion del gas superior) del tanque 100 de almacenamiento o para suministrar fluido criogenico a dicho tanque y comprende una valvula 110. La valvula 110 puede ser operable manualmente (como se muestra) o puede estar controlada de manera automatica, por ejemplo, por una valvula de solenoide. Al menos una porcion de la tuberla 108 esta situada en una configuracion vertical.

Las tuberlas 104, 108 comprenden tuberlas aisladas e incluyen encamisamiento de vaclo u otro revestimiento aislante para permitir que se transporten llquidos criogenicos al/desde el deposito 100 de almacenamiento.

Un segundo conjunto 300 sensor esta situado a lo largo de una seccion vertical de la tuberla 108. El segundo conjunto 300 sensor se describira haciendo referencia a las Figuras 3 y 4. Ademas, dentro de la tuberla 108 esta situado un medidor 350 de flujo volumetrico para medir el caudal del fluido como se describira mas adelante. El medidor 350 de flujo puede comprender cualquier sistema apropiado; por ejemplo una turbina, para medir el caudal de fluido.

Un tercer conjunto 400 sensor esta situado a lo largo de una seccion substancialmente horizontal de la tuberla 104. El tercer conjunto 400 sensor se describira haciendo referencia a las Figuras 4 y 5. Ademas, dentro de la tuberla 104 esta situado un medidor 450 de flujo volumetrico para medir el caudal del fluido en el interior de dicha tuberla como

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se describira mas adelante. El medidor 450 de flujo puede comprender cualquier sistema apropiado; por ejemplo una turbina, para medir el caudal de fluido.

La tuberla 112 es una tuberla de alimentacion de gas y esta situada en un extremo superior del tanque 100 de almacenamiento. El extremo de la tuberla 112 esta situado por encima del nivel L de llquido en el tanque 100 de almacenamiento y esta disenado para permitir el purgado de gas o vapores situados por encima del llquido criogenico que pueden conducir a una presion excesiva dentro del tanque 100 de almacenamiento. A este respecto, la tuberla 112 comprende una valvula 114 para permitir la extraccion selectiva de gas del tanque 100 de almacenamiento.

El sistema 10 de fluido criogenico esta provisto de un primer conjunto 200 sensor. El primer conjunto 200 sensor se describira haciendo referencia a la Figura 2. La Figura 2 muestra una vista mas detallada del interior del tanque 100 de almacenamiento.

El tanque 100 de almacenamiento tiene un volumen interno V y una altura interna vertical H (Figura 2). Durante su utilizacion, una proporcion del volumen interno V esta llena de llquido criogenico que tiene un nivel L de llquido. El primer conjunto 200 sensor es operable para medir, entre otras propiedades, el nivel L de llquido.

El conjunto 200 sensor esta disenado para medir la densidad del fluido en puntos concretos de la altura H interna del tanque 100 de almacenamiento. El conjunto 200 sensor comprende una pluralidad de osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo colocados formando una pila vertical. Cada oscilador 202 de cristal de cuarzo esta conectado a un respectivo circuito 204 de excitacion por cableado apropiado. En la Figura 2 solo se muestra un unico circuito 204 de excitacion. Sin embargo, se debe entender que se proporciona un circuito 204 de excitacion para cada oscilador 202 de cristal de cuarzo. Tambien se puede proporcionar un procesador 206, ya sea por separado o como parte del circuito 204 de excitacion. El conjunto 200 sensor puede estar alimentado por una fuente de baterla o por una fuente de energla externa (por ejemplo, una conexion a una red de energla electrica). Estos detalles se describiran mas adelante.

En el ejemplo no de acuerdo con la invencion mostrado en la Figura 2, los osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo estan dispuestos sobre una estructura 208 de soporte vertical situada dentro del volumen V interno del tanque 100 de almacenamiento. En la Figura 2, se muestran catorce osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo (es decir, N=14). Sin embargo, se podrla usar cualquier otro numero apropiado de osciladores que fuera necesario.

Cada oscilador 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo esta disenado para actuar, en un aspecto, como un sensor de nivel, y es operable para detectar la densidad dentro del volumen V interior del tanque 100 de almacenamiento a una altura concreta del tanque 100 de almacenamiento. Los sensores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo estan equiespaciados a lo largo de la estructura 208 de soporte en la direccion de la altura H vertical interior del tanque 100 de almacenamiento.

Cada oscilador 202 de cristal de cuarzo comprende una seccion pequena, delgada, de cuarzo cortado. El cuarzo exhibe comportamiento piezoelectrico, es decir, la aplicacion de una tension a traves del cristal provoca que el cristal cambie de forma, generando una fuerza mecanica. De manera inversa, una fuerza mecanica aplicada al cristal produce una carga electrica.

Dos superficies paralelas del oscilador 202 de cristal de cuarzo estan metalizadas con el fin de proporcionar conexiones electricas a traves del volumen del cristal. Cuando se aplica una tension a traves del cristal por medio de los contactos metalicos, el cristal cambia de forma. Aplicando una tension alterna al cristal, se puede hacer que el cristal oscile.

El tamano y el espesor flsicos del cristal de cuarzo determinan la frecuencia caracterlstica o de resonancia del cristal de cuarzo. Es mas, la frecuencia caracterlstica o de resonancia del cristal 202 es inversamente proporcional al espesor flsico entre las dos superficies metalizadas. Los osciladores de cristal de cuarzo son bien conocidos en la tecnica y por esta razon no se describira aqul con mayor detalle la estructura del oscilador 202 de cristal de cuarzo.

La frecuencia de vibracion de resonancia de un cristal de cuarzo variara dependiendo del ambiente en el cual este situado el cristal. En un vaclo, el cristal tendra una frecuencia concreta. Sin embargo, esta frecuencia cambiara en diferentes ambientes. Por ejemplo, en un gas, la vibracion del cristal sera amortiguada por las moleculas circundantes del fluido y esto afectara a la frecuencia de resonancia y a la energla necesaria para hacer que el cristal oscile a una amplitud dada. En un llquido apropiado, la vibracion sera aun mas amortiguada y la frecuencia de oscilacion sufrira un cambio aun mayor.

Ademas, la adsorcion de gas o la deposicion de materiales circundantes sobre el cristal afectara a la masa del cristal que vibra, alterando la frecuencia de resonancia. Esto forma la base para los analizadores de gases selectivos de uso comun, en los cuales se forma sobre el cristal una capa absorbente y la masa de dicha capa aumenta a medida que se va absorbiendo gas sobre la capa absorbente. Sin embargo, en el presente caso, no se aplica ningun recubrimiento al oscilador 202 de cristal de cuarzo. Es mas, la adsorcion o deposicion de material sobre el oscilador

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202 de cristal de cuarzo es indeseable en el presente caso, dado que se puede ver afectada la precision de la medida.

Por lo tanto, generalmente se considera que los osciladores de cristal de cuarzo son inapropiados para ser usados en llquidos debido a la deposicion de contaminantes y de fluido sobre los brazos del oscilador de cristal. Sin embargo, los inventores han descubierto que, sorprendentemente, en el caso de llquidos criogenicos un oscilador de cristal de cuarzo proporciona una medida precisa de densidad sin ninguna contaminacion del cristal, la cual conducirla a errores e imprecisiones.

El oscilador 202 de cristal de cuarzo de la presente realizacion tiene forma de diapason y comprende un par de brazos 202a (Figura 9) de aproximadamente 5 mm de longitud disenados para oscilar a una frecuencia de resonancia de 32,768 kHz. Los brazos 202a del diapason oscilan normalmente en su modo fundamental, en el cual se mueven de forma sincronizada acercandose y alejandose el uno con respecto al otro a la frecuencia de resonancia.

Ademas, es deseable utilizar cuarzo de corte AT o de corte SC. En otras palabras, una seccion plana de cuarzo se corta a angulos seleccionados concretos de tal manera que el coeficiente de variacion con la temperatura de la frecuencia de oscilacion se puede ajustar para que sea parabolico con un pico ancho a la temperatura de funcionamiento deseada. Por lo tanto, el oscilador de cristal se puede disenar de tal manera que la pendiente en la parte superior del pico sea exactamente cero en las condiciones de funcionamiento que se le piden.

Cristales de este tipo estan disponibles habitualmente a coste relativamente bajo. En contraste con la mayorla de osciladores de cristal de cuarzo que se utilizan in vacuo, en la presente realizacion el oscilador 202 de cristal de cuarzo esta expuesto al gas y al llquido presentes en el volumen V interno del tanque 100 de almacenamiento.

Dado que los osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo tienen una frecuencia de resonancia que depende de la densidad del fluido circundante, el conjunto 200 sensor es operable para detectar cuales de los osciladores 202-1 - 202-N estan inmersos en el llquido criogenico y cuales no lo estan. Esto permite la identificacion del nivel L de llquido en el tanque 100 de almacenamiento.

Por lo tanto, en un nivel simple, la pluralidad de osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo son operables para proporcionar una indicacion precisa del nivel L de llquido en el tanque 100 de almacenamiento debido a la diferencia de densidad medida entre el llquido criogenico y el gas o vapor en el tanque 100 de almacenamiento.

Ademas, la provision del conjunto 200 sensor permite monitorizar parametros mas avanzados en el interior del tanque 100 de almacenamiento.

Un problema que puede aparecer en el interior de los tanques de almacenamiento tales como el tanque 100 de almacenamiento es que la circulacion por conveccion del llquido puede conducir a una estratificacion por densidad en llquidos de un unico componente. En ausencia de mezclado mecanico continuo del llquido de un unico componente (por ejemplo, el llquido criogenico), mecanismos intrlnsecos de flujo de capa llmite de pared sobrecalentado, evaporacion incompleta en la superficie, y un chorro descendente central de llquido con menor grado de sobrecalentamiento, pueden conducir a estratificacion en dos capas.

Cada capa estratificada estara a una temperatura mas o menos uniforme pero a una temperatura diferente a la de la otra capa. Por ejemplo, una capa mas caliente, menos densa, puede estar situada por debajo de una capa mas frla, mas densa.

La diferencia de temperatura a traves de la interfaz llquido-llquido entre las dos capas es pequena, tlpicamente del orden de 0,1 a 1,0 K. Por lo tanto, el efecto de mezclado por difusion molecular excitada termicamente en ausencia de cualquier movimiento de conveccion es relativamente pequeno. Por consiguiente, la diferencia de densidad asociada a traves de la interfaz llquido-llquido actua para suprimir el mezclado por conveccion local y la estratificacion es, por lo tanto, extremadamente estable.

Sin embargo, si este estado se mantiene, el calentamiento de la capa superior por el flujo de capa llmite de pared continuara. Esto conducira a un aumento continuado de temperatura, a un aumento de espesor acompanado por una migracion hacia abajo de la interfaz o a una combinacion de los dos efectos.

Cuando la diferencia de densidad entre las dos capas se hace suficientemente grande, el flujo de capa llmite de pared sobrecalentado en la capa inferior, mas densa, de repente tiene flotabilidad e inercia suficientes para penetrar en la interfaz llquido-llquido. El flujo de capa llmite queda atrapado en la capa inferior y no se puede producir nada de evaporacion para liberar la energla termica contenida en el. En vez de esto, la capa llmite de pared da la vuelta en la interfaz, y la energla cinetica y energla termica contenidas en ella quedan bloqueadas dentro de la capa inferior de llquido. Esto provoca que, en lugar de lo anterior, la capa inferior de llquido se caliente.

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Cuando esto sucede, la velocidad de evaporacion disminuira como la primera indicacion de un efecto de estratificacion y aumento asociado en el desbordamiento termico a traves del estado sobrecalentado inestable. Este tipo de desbordamiento termico en un llquido de un unico componente sera liberado mediante una ebullicion con nucleacion violenta de la capa inferior, con consecuencias tales como la eyeccion de vapor mezclado con llquido a traves de los orificios de purgado y posibles danos mecanicos al deposito de almacenamiento.

Con un llquido criogenico multicomponente, la iniciacion y el crecimiento de la estratificacion se pueden producir de varias maneras, dependiendo de la identidad de los componentes del llquido, y de la historia previa de los elementos llquidos. Una vez mas, la estratificacion es convectivamente estable; pero ahora el mezclado a traves de la interfaz llquido-llquido esta controlado por doble difusion, contribuyendo los gradientes de temperatura y de concentracion a un mezclado por conveccion del llquido, impulsado por un gradiente de densidad.

Esta estratificacion en una mezcla de llquido criogenico conduce inevitablemente a evaporacion inestable, la cual ha adquirido el nombre de “inversion de capas” (“rollover'). La evaporacion inestable se produce cuando las capas estratificadas se mezclan espontaneamente, lo cual puede conducir a un rapido aumento en la tasa de evaporacion y, por tanto, de la presion en el tanque.

Por lo tanto, el conjunto 200 sensor es operable para detectar estas condiciones, ya sea por medio de un gradiente o perfil de densidad diferente a traves de la altura H interna del tanque 100 de almacenamiento, o por medio de deteccion de burbujas de gas que se producen por la ebullicion en el interior del tanque (dado que el gas tiene una densidad menor que el llquido circundante, esto se vera como un pico en la respuesta en frecuencia de un sensor). Mas adelante se describiran datos experimentales relacionados con esto.

En esta realizacion, los circuitos 204 de excitacion estan situados fuera del tanque 100 de almacenamiento. Por consiguiente, al menos una parte del conjunto 200 sensor esta situada fuera del tanque 100 de almacenamiento. El oscilador 202 de cristal de cuarzo y los circuitos 204 de excitacion estan conectados por cableado que pasa a traves de un orificio de paso que atraviesa la pared (no mostrado). Este sistema protege a todos los componentes electronicos delicados de las temperaturas extremas en el interior del tanque 100 de almacenamiento. Sin embargo, los osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo estan constantemente bajo presion isostatica en el interior del volumen V interno del tanque 100 de almacenamiento y, por consiguiente, no experimentan un gradiente de presion. Los beneficios de la colocacion interna de los osciladores 202-1 - 202-N de cristal de cuarzo del conjunto 200 sensor son exclusivos para los dispositivos sensores de estado solido tales como, por ejemplo, el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

En un ejemplo alternativo, todo el conjunto 200 sensor podrla estar situado en el interior del tanque 100 de almacenamiento. En este caso, serla necesario proporcionar un apantallamiento y/o aislamiento apropiados para proteger al menos algunos componentes electronicos del conjunto 200 sensor del frlo extremo del fluido criogenico en el interior del tanque 100 de almacenamiento.

Ademas, para uno o mas osciladores 202 de cristal de cuarzo se puede proporcionar un elemento 209 de calentamiento. En la Figura 2 se muestra solo un elemento 209 de calentamiento. El elemento 209 de calentamiento es aplicable cuando, por ejemplo, se vacla el tanque 100 o cuando el nivel L desciende hasta tal punto que un sensor 202 queda expuesto al aire atmosferico. En estas condiciones, la condensacion de vapor de agua y/o de hielo sobre el sensor 202 frlo puede producir imprecisiones y errores en la lectura del sensor 202, particularmente si el sensor 202 se vuelve a introducir a continuacion en fluido criogenico llquido. Por lo tanto, el calentador 209 es operable para evaporar cualquier condensado o hielo para impedir esto.

De forma alternativa, el conjunto 200 sensor puede estar conectado a una antena (no mostrada) para comunicacion remota con, por ejemplo, una estacion base. Esto se explicara mas adelante. En este caso, la antena puede estar situada fuera del tanque 100 de almacenamiento y conectada al conjunto 200 sensor por medio de un cable o conector equivalente. La propia antena puede estar adaptada y disenada para utilizar cualquier protocolo de comunicacion apropiado; por ejemplo, una lista no exhaustiva puede ser transmision por RFID, por Bluetooth, por Infrarrojos (IR), transmision inalambrica segun el estandar 802.11, por modulacion en frecuencia (FM) o una red celular.

De forma alternativa, se puede implementar comunicacion unifilar. La comunicacion unifilar solo necesita un unico conductor metalico para comunicar: el camino “de retorno” del circuito lo proporciona el acoplamiento capacitivo a traves del aire entre los dispositivos de comunicacion. La persona con experiencia en la tecnica serla rapidamente consciente de alternativas de la antena (y del hardware de transmision asociado) que se podrlan utilizar con las realizaciones explicadas en este documento.

Las Figuras 3 y 4 ilustran una primera realizacion de la presente invencion en la forma de un segundo conjunto 300 sensor. El segundo conjunto 300 sensor esta situado en una seccion substancialmente vertical de la tuberla 108. En la Figura 5 se muestra una seccion plana a traves de la tuberla 108. En la Figura 6 se muestra una tuberla 108 en seccion transversal. La tuberla 108 es operable para transportar fluidos criogenicos y, por ello, comprende superaislamiento 108a por vaclo situado entre las paredes 108b interior y 108c exterior de la tuberla 108.

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El tercer conjunto 300 sensor comprende una pluralidad de osciladores 302-1 a 302-4 de cristal de cuarzo. En esta realizacion se utilizan cuatro osciladores 302-1 a 302-4 de cristal de cuarzo. En esta realizacion, los osciladores estan situados de tal manera que el eje largo de cada oscilador se proyecta radialmente hacia dentro hacia el centro de la tuberla 108 y perpendicularmente al flujo F de fluido (el cual, en la Figura 4, es hacia fuera del papel). Los osciladores 302-1 - 302-4 estan tambien equiespaciados alrededor de la circunferencia interior de la tuberla 108.

Sin embargo, la persona con experiencia en la tecnica serla rapidamente consciente de que, si fuera necesario, se podrlan usar otros numeros y otras configuraciones de osciladores. Por ejemplo, se podrla colocar un oscilador central adicional en el centro de la tuberla 108 para proporcionar cinco osciladores.

Cada oscilador 302 de cristal de cuarzo esta conectado por cableado apropiado a un respectivo circuito 304 de excitacion. En la Figura 4 se muestra solo un unico circuito 304 de excitacion. Sin embargo, se debe entender que se proporciona un circuito 304 de excitacion para cada oscilador 302 de cristal de cuarzo. Tambien se puede proporcionar un procesador 306, ya sea independientemente o como parte de un circuito 304 de excitacion. El conjunto 300 sensor puede estar alimentado por una fuente de baterla o por una fuente de energla externa (por ejemplo, una conexion a una red de energla electrica). Estos detalles se describiran mas adelante.

Para proporcionar conexiones electronicas y flsicas entre los circuitos 304 de excitacion y los osciladores 302-1 a 302-4 de cristal de cuarzo, se proporcionan aisladores pasatapas 308 para cada oscilador 302-1 a 302-4 de cristal de cuarzo. Cada aislador pasatapas 308 permite que a traves de el pase cableado de conexion, al tiempo que mantiene un sello estanco con suficiente aislamiento para permitir que se transfiera fluido criogenico a traves de la tuberla 108.

Las Figuras 5 y 6 ilustran una segunda realizacion de la presente invention en la forma del tercer conjunto 400 sensor. El tercer conjunto 400 sensor esta situado en una section substancialmente horizontal de la tuberla 104. En la Figura 5 se muestra una seccion plana a traves de la tuberla 104. En la Figura 6 se muestra la tuberla 104 en seccion transversal. La tuberla 104 es operable para transportar fluidos criogenicos y, por ello, comprende aislamiento 104a por vaclo situado entre las paredes 104b interior y 104c exterior de la tuberla 104.

El tercer conjunto 400 sensor comprende una pluralidad de osciladores 402-1 a 402-4 de cristal de cuarzo. En esta realizacion, se utilizan cuatro osciladores 402-1 - 402-4 de cristal de cuarzo. En esta realizacion, los osciladores estan situados de tal manera que el eje largo de cada oscilador se proyecta hacia dentro hacia el lado opuesto de la tuberla 104 y perpendicularmente al flujo de fluido (el cual, en la Figura 6, es hacia dentro o hacia fuera del papel). Los osciladores 402-1 - 402-4 estan tambien situados paralelos unos a otros alrededor del interior de la tuberla 104.

En otras palabras, como se muestra en la Figura 5, los osciladores 402-1 a 402-4 de cristal de cuarzo estan situados paralelos unos a otros de tal manera que los brazos de cada oscilador de cristal estan situados planos al flujo F que viene en direction a ellos. Como se muestra en la Figura 6, los osciladores 402-1 a 402-4 de cristal de cuarzo estan situados de manera asimetrica alrededor de la pared 104b circunferencial interior de la tuberla 104. En particular, un oscilador 402-2 esta situado contiguo a la portion inferior de la tuberla 104. Esto se debe a que, para una tuberla horizontal, el efecto de gravedad puede provocar que el llquido criogenico fluya a lo largo de la superficie interior inferior de la tuberla, con gas por encima. Colocando un oscilador en el fondo, o cerca del fondo, de la tuberla 104, este llquido criogenico se puede medir directamente.

En comun con la segunda realizacion, cada oscilador 402 de cristal de cuarzo esta conectado a un respectivo circuito 404 de excitacion por cableado apropiado. En la Figura 4 se muestra solo un unico circuito 404 de excitacion. Sin embargo, se debe entender que se proporciona un circuito 404 de excitacion para cada oscilador 402 de cristal de cuarzo. Tambien se puede proporcionar un procesador 406, ya sea independientemente o como parte de un circuito 404 de excitacion. El tercer conjunto 400 sensor puede estar alimentado por una fuente de baterla o por una fuente de energla externa (por ejemplo, una conexion a una red de energla electrica). Estos detalles se describiran mas adelante.

Para proporcionar conexiones electronicas y flsicas entre los circuitos 404 de excitacion y los osciladores 402-1 a 402-4 de cristal de cuarzo, en comun con la segunda realizacion, se proporcionan aisladores pasatapas 408 para cada oscilador 402-1 a 402-4 de cristal de cuarzo. Cada aislador pasatapas 408 permite que a traves de el pase cableado de conexion, al tiempo que mantiene un sello estanco con suficiente aislamiento para permitir que se transfiera fluido criogenico a traves del interior de la tuberla 104.

Las realizaciones primera y segunda de la presente invencion son operables para medir las propiedades flsicas del flujo de fluidos criogenicos a lo largo de tuberlas verticales y/u horizontales. Cuando un fluido bifasico (tal como por ejemplo un fluido criogenico) fluye a lo largo de una tuberla, el flujo sera diferente dependiendo de la proportion de las dos fases en el fluido, de la presion del fluido y del caudal.

Las Figuras 7a) a e) muestran diagramas que ilustran los diferentes flujos de un fluido bifasico que pueden aparecer a lo largo de una seccion vertical de una tuberla. Cuando tiene una calidad muy alta, se suele encontrar que el flujo

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esta en regimen de flujo burbuja (“bubbly flow") como se muestra en la Figura 7a). Este flujo esta caracterizado por burbujas de vapor discretas dispersadas en una fase liquida continua. En flujo burbuja, el tamano medio de las burbujas es generalmente pequeno en comparacion con el diametro del tubo.

La Figura 7b) ilustra flujo tapon (“slug flow”). Este flujo es aquel en el cual, a calidades ligeramente menores, las burbujas mas pequenas se pueden fusionar formando tapones (“slugs”) que abarcan casi toda la seccion transversal de la tuberia.

La Figura 7c) muestra flujo de calidades intermedias y caudales menores, donde la tension cortante del vapor en la interfaz liquido-vapor puede ser cercana al valor en el que justo equilibra los efectos combinados del gradiente de presion impuesto y la fuerza de volumen gravitatoria hacia abajo sobre la pelicula de liquido. Como resultado de esto, el flujo de Kquido tiende a ser inestable y oscilatorio. El flujo de vapor en el centro de la tuberia fluye continuamente hacia arriba. Aunque la velocidad media de la pelicula de Kquido es hacia arriba, el liquido experimenta movimiento intermitente hacia arriba y hacia abajo. El flujo para estas condiciones es muy agitado, generando una interfaz muy irregular. A este flujo oscilatorio se le denomina flujo agitado (“churn flow”).

Las Figuras 7d) y 7e) muestran mucha menor calidad de flujo, en el cual el flujo bifasico generalmente asume una configuracion anular, fluyendo la mayoria del liquido a lo largo de la pared de la tuberia y fluyendo el gas dentro del nucleo central. Como se muestra en la Figura 7d), a calidades intermedias, se puede observar uno de dos regimenes de adicion. Si los caudales de Kquido y de vapor son grandes, se observa un flujo de tipo anular con pesadas “volutas” (“wisps”) de liquido atrapado que fluyen dentro del nucleo de vapor. Aunque esta es una forma de flujo anular, a veces se designa como un regimen diferente, al cual se denomina flujo anular “wispy". La Figura 7e) muestra flujo anular.

Las Figuras 8a) a f) muestran diagramas que ilustran los diferentes flujos de un fluido bifasico que se pueden aparecer a lo largo de una seccion horizontal de una tuberia. Una de las principales diferencias entre los regimenes observados para flujo horizontal y los observados para flujo vertical es que a menudo existe una tendencia a la estratificacion del flujo en las tuberias horizontales, en las cuales las fuerzas gravitatorias imponen una asimetria sobre el flujo a traves de la tuberia. Con independencia del regimen de flujo, el vapor tiende a migrar hacia la parte superior del tubo al mismo tiempo que la porcion inferior del canal transporta una mayor parte del liquido.

La Figura 8a) ilustra flujo burbuja, de muy alta calidad, el cual a menudo se observa para flujo horizontal. Sin embargo, como se ha indicado, las burbujas, debido a su flotabilidad, fluyen principalmente en la porcion superior del tubo.

La Figura 8b) ilustra el caso en que la calidad del flujo es menor en el regimen burbuja, la fusion de pequenas burbujas produce burbujas mayores de tipo piston, las cuales fluyen dentro de la porcion superior del tubo. A esto se le denomina regimen de flujo piston (“plug flow”).

La Figura 8c) muestra que, a bajos caudales y calidades algo menores, se puede observar flujo estratificado, en el cual Kquido que fluye en el fondo de la tuberia esta separado de vapor en la porcion superior de la tuberia por una interfaz relativamente lisa.

La Figura 8d) muestra un caso en que, si el caudal aumenta y/o la calidad disminuye en el regimen de flujo estratificado, eventualmente la interfaz se vuelve inestable, con lo cual la interfaz se vuelve ondulada. Este tipo de flujo se categoriza como flujo ondulado (“wavy flow").

La Figura 8e) muestra el caso en que, a grandes caudales de Kquido, la amplitud de las ondas puede crecer de manera que las crestas abarquen casi toda la anchura de la tuberia, conformando efectivamente grandes burbujas de tipo tapon (“slug”). Debido a su flotabilidad, los tapones de vapor que fluyen a lo largo del tubo tienden a desviarse hacia la porcion superior del tubo. En otros aspectos es identico al flujo tapon en tubos verticales y, por lo tanto, tambien se denomina flujo tapon (“slug flow").

Por ultimo, la Figura 8f) muestra la situacion en la que, a grandes velocidades de vapor y caudales de liquido moderados, se observa flujo anular para el flujo gas-liquido horizontal. Para estas condiciones, los efectos de flotabilidad pueden tender a hacer mas delgada la pelicula liquida existente en la porcion superior de la pared del tubo y a hacerla mas gruesa en la parte inferior.

Los sistemas de las realizaciones primera y segunda son operables para detectar los diferentes mecanismos de flujo en el interior de una tuberia. Esto se puede hacer debido a la marcada diferencia entre la frecuencia de resonancia de los osciladores 302, 402 de cristal de cuarzo cuando se encuentran dentro de fluido criogenico liquido y cuando se encuentran dentro de fluido criogenico gaseoso. Ademas, el corto tiempo de respuesta de los osciladores 302, 402 de cristal de cuarzo permite realizar la clasificacion del flujo en el interior de tuberias verticales y/u horizontales como se describira mas adelante.

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Se describira ahora la estructura del circuito 204, 304, 404 de excitacion haciendo referenda a la Figura 9. Aunque la siguiente descripcion esta relacionada con el circuito 204 de excitacion, se debe entender que lo que sigue tambien aplica a los circuitos 304, 404 de excitacion.

El circuito 204 de excitacion debe cumplir varios criterios especlficos. En primer lugar, el oscilador 202 de cristal de cuarzo de la presente invencion puede verse expuesto a un rango de presiones de fluido; potencialmente, las presiones pueden variar desde la presion atmosferica (cuando el tanque 100 de almacenamiento esta vaclo) hasta estar inmerso en un fluido criogenico llquido denso. De esta forma, es necesario que el cristal 202 de cuarzo funcione (y que se reencienda despues de un periodo de no uso) en un gran rango de presiones y condiciones.

Por consiguiente, el factor de calidad (Q) del oscilador 202 de cristal de cuarzo variara considerablemente durante el uso. El factor Q es un parametro adimensional relacionado con la tasa de amortiguamiento de un oscilador o resonador. De manera equivalente, puede caracterizar el ancho de banda de un resonador con respecto a su frecuencia central.

En general, cuanto mayor sea el factor Q de un oscilador, menor sera la tasa de perdida de energla con respecto a la energla almacenada del oscilador. En otras palabras, las oscilaciones de un oscilador de alto factor Q disminuyen de amplitud mas lentamente en ausencia de una fuerza externa. Los resonadores excitados sinusoidalmente que tienen mayores factores Q resuenan con mayores amplitudes a la frecuencia de resonancia pero tienen un menor ancho de banda de frecuencias alrededor de la frecuencia para las cuales resuenan.

El circuito 204 de excitacion debe ser capaz de excitar al oscilador 202 de cristal de cuarzo a pesar del factor Q cambiante. A medida que se va incrementando la presion en el tanque 100 de almacenamiento, la oscilacion del oscilador 202 de cristal de cuarzo se volvera cada vez mas amortiguada, y el factor Q disminuira. El factor Q en disminucion requiere que un amplificador del circuito 204 de excitacion proporcione una mayor ganancia. Sin embargo, si se proporciona una amplificacion demasiado grande, el circuito 204 de excitacion, la respuesta procedente del oscilador 202 de cristal de cuarzo se puede hacer diflcil de distinguir. En este caso, el circuito 204 de excitacion puede simplemente oscilar a una frecuencia no relacionada, o a la frecuencia de un modo no fundamental del oscilador 202 de cristal de cuarzo.

Como limitation adicional, el circuito 204 de excitacion debe ser de baja energla para que funcione con baterlas pequenas de baja energla durante un tiempo prolongado con o sin energla adicional tal como celulas fotovoltaicas.

Se describira ahora el circuito 204 de excitacion haciendo referencia a la Figura 9. Para excitar al oscilador 202 de cristal de cuarzo, el circuito 204 de excitacion esencialmente toma una senal de tension procedente del oscilador 202 de cristal de cuarzo, la amplifica, y envla esa senal de vuelta al oscilador 202 de cristal de cuarzo. La frecuencia de resonancia fundamental del oscilador 202 de cristal de cuarzo es funcion, basicamente, de los coeficientes de expansion y de contraction del cuarzo. Estos estan determinados en general por el corte y el tamano del cristal.

Sin embargo, a la frecuencia de resonancia tambien le afectan factores externos. Cuando la energla de las frecuencias de salida generadas coincide con las perdidas en el circuito, se puede sostener una oscilacion. El circuito 204 de excitacion esta disenado para detectar y mantener esta frecuencia de oscilacion. A continuation la frecuencia medida por el procesador 206 puede ser utilizada para calcular la propiedad apropiada del gas pedida por el usuario y, si se desea, puede ser enviada como salida a un medio de visualization adecuado (como se describira mas adelante).

El circuito 204 de excitacion esta alimentado por una fuente de energla de 6 V. La fuente de energla, en esta realization, comprende una baterla de ion litio. Sin embargo, fuentes de energla alternativas seran rapidamente evidentes para la persona con experiencia en la tecnica; por ejemplo, otros tipos de baterla tanto recargables como no recargables y un sistema de celulas solares. Ademas, se puede utilizar energla electrica de la red. Esta solution es particularmente adecuada para instalaciones de tanque de almacenamiento fijo.

El circuito 204 de excitacion comprende ademas un amplificador 210 de Emisor Comun de par Darlington. Un par Darlington comprende una estructura compuesta que consiste en dos transistores NPN bipolares configurados de tal manera que la corriente amplificada por un primer transistor es amplificada mas aun por el segundo. Esta configuration permite obtener una mayor ganancia de corriente en comparacion con el caso en que se toma cada transistor por separado. De forma alternativa, se pueden utilizar transistores PNP bipolares.

El par Darlington 210 esta colocado en una configuracion de realimentacion a partir de un amplificador 212 de Emisor Comun de un unico transistor (T1). En la Figura 9 se muestra un transistor de union bipolar NPN. Sin embargo, la persona con experiencia serla consciente de sistemas de transistor alternativos que se pueden utilizar; por ejemplo, un transistor de union bipolar PNP o Transistores de Efecto de Campo de material Semiconductor de Oxido Metalico (MOSFETs).

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El circuito 204 de excitacion comprende un transistor T2 NPN seguidor de emisor adicional que actua como un amplificador 214 separador. El amplificador 214 separador esta pensado para que funcione como un elemento separador entre el circuito y el ambiente externo.

Un condensador 216 esta colocado en serie con el oscilador 202 de cristal de cuarzo. El condensador 216, en este ejemplo, tiene un valor de 100 pF y permite que el circuito 204 de excitacion excite al oscilador 202 de cristal de cuarzo en situaciones en las que el cristal ha resultado contaminado, por ejemplo por sales u otros materiales depositados.

Se describira ahora un circuito 240 de excitacion alternativo haciendo referencia a la Figura 10. El circuito 240 de excitacion se puede utilizar en lugar del circuito 204 de excitacion descrito anteriormente. En contraste con el circuito 204 de excitacion descrito anteriormente, el circuito 240 de excitacion incluye un amplificador 242 de Transistor de Efecto de Campo de material Semiconductor de Oxido Metalico (MOSFET) en lugar del par Darlington del circuito de la Figura 9. El MOSFET 242 funciona como una entrada de alta impedancia que permite que la impedancia de entrada de la etapa amplificadora coincida con la alta impedancia del oscilador 202 de cristal de cuarzo. En otras palabras, el MOSFET 242 proporciona una ganancia unidad con una alta impedancia de entrada para reducir la carga electrica sobre el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

La salida del amplificador 242 MOSFET de drenaje comun se introduce en dos Amplificadores de Emisor Comun de un unico transistor (Q2, Q3) sucesivos. Resistencias R6 y R8 proporcionan realimentacion negativa y corriente de polarizacion para los transistores. Los Amplificadores de Emisor Comun 244 proporcionan una gran ganancia para amplificar las oscilaciones del oscilador 202 de cristal de cuarzo y, en esta realizacion, comprenden transistores de union bipolares NPN. Sin embargo, la persona con experiencia serla consciente de sistemas de transistor alternativos que se pueden utilizar; por ejemplo, un transistor de union bipolar PNP o MOSFETs.

Un condensador 246 esta conectado entre el oscilador 202 de cristal de cuarzo y tierra. El condensador 246, en esta realizacion, es operable para incrementar la excitacion del oscilador 202 de cristal de cuarzo.

Una resistencia 248 esta conectada en serie con el oscilador 202 de cristal de cuarzo. La resistencia 248, en esta realizacion, tiene un valor de 56 kW y amortigua las oscilaciones del oscilador 202 de cristal de cuarzo para permitir que el circuito oscile dentro de un amplio rango de presiones con solo cambios graduales en la forma de onda.

El circuito 240 de excitacion esta alimentado por una baterla 250 de 3 V. La baterla 250, en esta realizacion, comprende una baterla de litio. Sin embargo, fuentes de energla alternativas seran rapidamente evidentes para la persona con experiencia en la tecnica; por ejemplo, otros tipos de baterla, tanto recargables como no recargables, y un sistema de celulas solares. De forma alternativa, se puede utilizar un sistema de alimentacion a traves de la red de suministro electrico despues de rectification a DC y de una reduction de tension apropiada.

Se describira ahora un circuito 260 de excitacion alternativo haciendo referencia a la Figura 11. El circuito de excitacion mostrado en la Figura 11 esta configurado de manera similar a un oscilador de Pierce. Los osciladores de Pierce se conocen a partir de los osciladores de reloj de IC digital. Basicamente, el circuito 260 de excitacion comprende un unico inversor T digital (en la forma de un transistor), tres resistencias R1, R2 y RS, dos condensadores C1, C2, y el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

En esta sistema, el oscilador 202 de cristal de cuarzo funciona como un elemento de filtro muy selectivo. La resistencia R1 actua como resistencia de carga para el transistor T. La resistencia R2 actua como resistencia de realimentacion, polarizando el inversor T en su zona lineal de funcionamiento. Esto permite efectivamente que el inversor T funcione como un amplificador inversor de gran ganancia. Entre la salida del inversor T y el oscilador 202 de cristal de cuarzo se utiliza otra resistencia Rs para limitar la ganancia y para amortiguar oscilaciones indeseadas en el circuito.

El resonador 202 de cristal de cuarzo, en combination con C1 y C2 forma un filtro pasa-banda de red Pi. Esto permite un desplazamiento de fase de 180 grados y una ganancia de tension desde la salida a la entrada a aproximadamente la frecuencia de resonancia del oscilador de cristal de cuarzo. El circuito 260 de excitacion descrito anteriormente es fiable y barato de fabricar dado que comprende relativamente pocos componentes.

Como se ha explicado anteriormente, el conjunto 200 sensor puede incluir un procesador 206 que recibe entradas procedentes del oscilador 202 de cristal de cuarzo y del circuito 204 de excitacion. El procesador 206 puede comprender un sistema apropiado, tal como un Circuito Integrado Especlfico para la Aplicacion (ASIC) o una Matriz de Puertas Programable In-situ (FPGA). El procesador 206 esta programado para calcular, visualizar y comunicar parametros utiles a los usuarios del tanque 100 de almacenamiento.

Cuando se utiliza con el oscilador 202 de cristal de cuarzo, el procesador 206 se puede configurar para medir la frecuencia f o periodo de la senal procedente del circuito 204 de excitacion. Esto se puede lograr, por ejemplo, contando oscilaciones durante un tiempo fijo, y convertir esa frecuencia en un valor de densidad utilizando un algoritmo o una tabla de consultas. Este valor se pasa al procesador 206, el cual esta configurado para realizar,

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basandose en las entradas suministradas, un calculo para determinar la masa del gas dentro del tanque 100 de almacenamiento.

Opcionalmente, el procesador 206 puede estar disenado para la produccion en masa para que sea identico en todos los tanques de almacenamiento, con diferentes rasgos del software y del hardware habilitados para diferentes gases.

Ademas, el procesador 206 puede estar configurado para minimizar el consumo de energla por medio de la implementacion de modos de espera o de “sueno”, los cuales pueden cubrir al procesador 206 y a componentes adicionales tales como el circuito 204 de excitacion y el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

Se pueden implementar diferentes esquemas; por ejemplo, el procesador 206 puede estar en espera durante 10 de cada 11 segundos. Ademas, el procesador 206 puede controlar al oscilador 202 de cristal de cuarzo y al circuito 204 de excitacion de tal manera que estos componentes se pongan en espera durante la mayor parte del tiempo, conmutandose solo los componentes de mayor consumo de energla durante ^ segundo cada 30 segundos. De forma alternativa o adicional, los componentes de comunicacion tales como una antena se pueden apagar cuando se desee o se pueden utilizar para activar los conjuntos sensores 200, 300, 400.

Se describiran ahora la teorla y el funcionamiento de los conjuntos sensores primero 200, segundo 300 y tercero 400, haciendo referencia a las Figuras 12 a 15.

El oscilador 202 de cristal de cuarzo tiene una frecuencia de resonancia que depende de la densidad del fluido dentro del cual esta situado. La exposicion de un oscilador de cristal de tipo diapason oscilante a un gas produce un desplazamiento y un amortiguamiento de la frecuencia de resonancia del cristal (cuando se compara con la frecuencia de resonancia del cristal en el vaclo). Existen varias razones para esto. Aunque existe un efecto de amortiguamiento del gas sobre las oscilaciones del cristal, el gas se adhiere a los brazos que vibran del oscilador 202 de cristal de tipo diapason, lo cual incrementa la masa del oscilador. Esto conduce a una disminucion de la frecuencia de resonancia del oscilador de cristal de cuarzo de acuerdo con el movimiento de una viga elastica empotrada en un extremo:

imagen1

Donde f es la frecuencia de oscilacion, f0 es la frecuencia de oscilacion en el vacio; p es la densidad del gas, y M0 es una constante.

En casi todos los casos la densidad p sera pequena en comparacion con M0, de modo que la formula se puede aproximar mediante la ecuacion lineal:

2)

/ = /<,(!-

imagen2

la cual se puede volver a expresar en terminos de la desviacion en frecuencia Df con respecto a f0 como se expone en la ecuacion 3):

3) af-&(£-)p

M0

Por consiguiente, en una buena aproximacion, el cambio de la frecuencia es proporcional al cambio de densidad del gas al cual esta expuesto el oscilador de cristal de cuarzo. La Figura 12 muestra, para varios gases/mezclas de gases diferentes, que la frecuencia de resonancia del oscilador 202 de cristal de cuarzo varla linealmente en funcion de la densidad.

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En general, la sensibilidad del oscilador 202 de cristal de cuarzo es tal que, por ejemplo, con gas Oxlgeno (que tiene numero atomico 32) a 250 bares se observa un cambio del 5% en la frecuencia en comparacion con la frecuencia a presion atmosferica.

Sorprendentemente, el oscilador 202 de cristal de es particularmente apropiado para ser usado como un sensor de densidad para fluidos comerciales tales como fluidos criogenicos. En primer lugar, para detectar con precision la densidad de un gas o llquido, es necesario que el gas o llquido este libre de polvo y otros contaminantes. Generalmente esto es as! con fluidos criogenicos comerciales, pero no con el aire, el agua, el aceite o en la generalidad de situaciones de monitorizacion de presion.

La medicion de las propiedades flsicas de fluidos bifasicos criogenicos de esta manera tiene varias ventajas sobre los sistemas conocidos. Por ejemplo, la densidad medida de acuerdo con realizaciones de la invencion se corrige intrlnsecamente por temperatura. En contraste, la medida de presion utilizando, por ejemplo, un manometro de Bourdon, varla proporcionalmente con la temperatura absoluta. Por lo tanto, el presente sistema no requiere medicion y/o correction de temperatura como ocurre con los sistemas conocidos.

Ademas, la densidad del gas o llquido criogenico medida de acuerdo con una realization de la presente invencion se corrige intrlnsecamente por su compresibilidad Z. En un sistema convencional, por ejemplo en un manometro de Bourdon, es necesario corregir por la compresibilidad del gas. Esto es particularmente importante a grandes presiones, donde la compresibilidad Z no es proporcional a la presion del gas de la manera esperada en un gas ideal.

La compensation automatica por compresibilidad se ilustra haciendo referencia a las Figuras 13 y 14. La Figura 13 muestra una grafica de masa de gas (en kg) sobre el eje Y en funcion de Presion (bar g) para Argon, Oxlgeno y para una mezcla de Argon:Dioxido de Carbono. Como se muestra en la Figura 13, las masas de los diferentes gases varlan cuando aumenta la presion. Ademas, a grandes presiones mayores de 250 bar g, deja de existir una relation lineal entre masa y presion.

En ejemplos, los conjuntos sensores 200, 300, 400 se pueden utilizar para determinar la densidad p en funcion del tiempo t y se puede utilizar esta information para interpretar condiciones en el interior del tanque 100 de almacenamiento (en el caso del ejemplo del tanque de almacenamiento no de acuerdo con la invencion) y en el flujo de llquido bifasico a lo largo de una tuberla (en el caso de las realizaciones primera y segunda de la invencion).

Considerese en primer lugar la medicion de propiedades flsicas en el interior del tanque 100 de almacenamiento por el primer conjunto 200 sensor. Como se ha explicado anteriormente, los osciladores 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo son operables para resonar a una frecuencia que es proporcional a la densidad del fluido en el cual estan inmersos. Por lo tanto, la matriz de osciladores 202-1 a 202-N proporcionados en el primer conjunto sensor son operables para medir propiedades del fluido en el interior del tanque 100 de almacenamiento tales como el nivel del llquido y la densidad del llquido a diferentes alturas dentro del tanque 100 de almacenamiento. Esto ayuda en la identification de estratificacion dentro del tanque 100 de almacenamiento como se ha descrito anteriormente.

Ademas, el corto tiempo de respuesta de los osciladores 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo y las frecuencias de resonancia marcadamente diferentes de los osciladores 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo cuando se encuentran dentro del gas/vapor o del llquido permite la caracterizacion del estado del fluido dentro del tanque 100 de almacenamiento. En otras palabras, es posible detectar, utilizando el primer conjunto 200 sensor, si el llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento esta hirviendo y, si es asl, cuan vigorosamente. Esto puede proporcionar avisos de incrementos de presion potencialmente peligrosos dentro del tanque 100 de almacenamiento, permitiendo action correctiva (tal como dejar salir el exceso de gas o de vapor) antes de que se produzcan danos estructurales en el tanque 100 de almacenamiento.

Como se ha descrito, en un fluido bifasico, existiran burbujas de gas en el llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento. Si el llquido esta hirviendo, entonces las burbujas de gas ascenderan hacia la superficie del llquido y, por consiguiente, pasaran por los osciladores 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo. Por lo tanto, midiendo la frecuencia de resonancia (la cual es proporcional a la densidad) en funcion del tiempo, se pueden detectar las burbujas de gas a medida que estas van pasando por cada oscilador 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo.

Por lo tanto, para proporcionar una indication del grado de ebullition del llquido, se pueden determinar propiedades tales como, de forma no exhaustiva: la proportion de gas a llquido por unidad de tiempo; el numero de burbujas por unidad de tiempo; y el tamano de las burbujas.

La Figura 15 ilustra un ejemplo de una medicion de la frecuencia de resonancia de un oscilador 202 de cristal de cuarzo en un tanque de Nitrogeno Llquido. La Figura 15 muestra la frecuencia de resonancia (f) del oscilador 202 de cristal de cuarzo (sobre el eje Y) en kHz dibujada en funcion del tiempo (sobre el eje X) en milisegundos. El Nitrogeno Llquido esta hirviendo vigorosamente y esto se puede ver en la Figura 15 como picos en la frecuencia de resonancia f en funcion del tiempo t.

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Como se muestra, la rapida respuesta del oscilador 202 de cristal de cuarzo permite que se puedan detectar burbujas del orden de decenas de milisegundos. Sin embargo, cuando se esta operando a muy alta velocidad, el oscilador 202 de cristal de cuarzo no tiene tiempo de estabilizarse completamente en el nuevo medio (es decir, la burbuja de gas que pasa a traves de el). Por lo tanto, en algunos casos, una cifra de densidad obtenida mediante la frecuencia de resonancia pico medida cuando el oscilador esta dentro de la burbuja de gas puede no conducir a una medicion precisa de la densidad. Sin embargo, se puede realizar un analisis cuantitativo para determinar caracterlsticas del comportamiento del fluido.

Como se muestra en la Figura 15, se puede identificar un nivel umbral T. El nivel umbral T es un nivel predefinido por encima del cual se determina que se ha detectado una burbuja. Se puede implementar entonces un sistema mediante el cual se puede determinar la frecuencia fb de burbujas. En otras palabras, se puede determinar el numero de burbujas por unidad de tiempo para identificar las condiciones en el interior del tanque 100 de almacenamiento. El nivel umbral T se puede establecer en cualquier valor razonable, que excluya variaciones por error en la frecuencia de resonancia del componente llquido, al mismo tiempo que se detecte cualquier burbuja de gas.

Considerese ahora la medicion y caracterizacion de flujo de fluido bifasico a lo largo de tuberlas 104 horizontal y 108 vertical y medido utilizando los conjuntos 300, 400 sensores segundo y tercero.

Como se ha descrito anteriormente haciendo referencia a las Figuras 7 y 8, los diferentes estados de flujo de fluidos bifasicos dentro de tuberlas horizontales y verticales se pueden caracterizar por tipos concretos de formacion de burbujas. Las Figuras 16 a 18 ilustran diferentes situaciones de flujo medidas por los conjuntos 300, 400 sensores en tuberlas verticales, aunque se obtienen graficas muy similares para mediciones en tuberlas horizontales.

La Figura 16 muestra Nitrogeno Llquido que fluye a traves de una tuberla llena de gas a caudales muy lentos. Se utiliza gas Helio para que en el interior de las burbujas de gas exista un gas que no condense. Sin embargo, se apreciara que tambien estaran presentes gas Nitrogeno u otros gases.

Como se muestra, el flujo esta punteado por burbujas de gas que persisten durante aproximadamente 50 ms sobre los osciladores 302, 402 de cristal de cuarzo. Estas mediciones pueden corresponder a flujo relativamente anular tal como el mostrado en las Figuras 7d) y 7e) para tuberlas verticales, y en las Figuras 8c), 8d) y 8f) para tuberlas horizontales.

La Figura 17 muestra Nitrogeno Llquido que fluye a traves de una tuberla llena de gas Helio a caudales mas rapidos. Como se muestra, el flujo es menos regular y el oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo detecta burbujas irregulares, las cuales persisten durante cantidades de tiempo variables. Esto puede corresponder a condiciones de flujo mas caoticas en el interior de la tuberla tales como las que se muestran en las Figuras 7a) y 7c) para tuberlas verticales, y en la Figura 8a) para tuberlas horizontales.

Por ultimo, la Figura 18 muestra Nitrogeno Llquido que fluye a traves de una tuberla llena de gas Helio bajo condiciones en las que aparece flujo tapon (“slug flow"). La escala de la Figura 18 es mayor que la de las Figuras 15 a 17 y el eje X esta en unidades de segundos.

Como se muestra, el flujo es muy regular y el oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo detecta “tapones” (“slugs") de burbujas que duran aproximadamente 125 ms. La separacion entre los “tapones” es tambien aproximadamente constante. Esto puede corresponder a condiciones de flujo tapon en el interior de la tuberla tales como la que se muestra en la Figura 7b) para tuberlas verticales, y como la que se muestra en la Figura 8b) para tuberlas horizontales.

Estas mediciones se pueden interpretar de forma cualitativa y de forma cuantitativa. Por ejemplo, se puede determinar la frecuencia de burbujas fb (es decir, el numero de burbujas de gas por unidad de tiempo) y se puede determinar el tamano de las burbujas (es decir, cuanto tiempo persiste la fraccion gaseosa sobre el oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo). Esta informacion se puede utilizar para determinar la condicion de flujo en el interior de las tuberlas 104, 108 como se muestra en las Figuras 7 y 8.

Ademas, las mediciones procedentes de los conjuntos 300, 400 sensores se pueden utilizar para proporcionar informacion para ayudar en el control de otros dispositivos. Por ejemplo, una bomba criogenica operable para bombear fluido criogenico llquido puede alcanzar una condicion de embalamiento si se ve expuesta a una cantidad significativa de gas dentro del flujo llquido bifasico. Por lo tanto, un conjunto 300, 400 sensor situado aguas arriba de la admision de la bomba puede estar conectado electronicamente a un controlador de la bomba de tal manera que, en cuanto se detecte una burbuja de gas, el motor de la bomba pueda reducir la velocidad para evitar una condicion de embalamiento. Ademas, si un flujo de fluido contiene una proportion concreta de burbujas que puede provocar danos a la bomba (por ejemplo, cavitation), es posible detectar esto y controlar la bomba en consecuencia.

De forma alternativa, en la industria de los alimentos congelados se utiliza una tobera de pulverization de fluido criogenico para congelar criogenicamente comestibles. El patron de pulverizacion de la boquilla de pulverizacion determinara el grado y condicion de la congelation aplicada a los comestibles. Sin embargo, el patron de

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pulverizacion normal se vera perturbado por la presencia de gas y, por lo tanto, es importante conocer la cantidad de gas presente.

Es posible calcular caudal masico dentro de una tuberla utilizando las realizaciones anteriores. Como se ha indicado anteriormente, por lo general los osciladores 302, 402 de cristal de cuarzo no tienen tiempo de establecer una densidad precisa para las burbujas de gas antes de que dichas burbujas de gas pasen por el sensor. Esto se debe a que un llquido tal como un fluido criogenico llquido (incluso uno de muy baja viscosidad) no tiene tiempo suficiente para salir del oscilador 302, 402 antes de que haya pasado la burbuja. Sin embargo, los inventores han descubierto que la masa de gas en el interior de las burbujas de gas se puede ignorar sin afectar excesivamente a la precision de la medicion del flujo masico.

Para medir flujo masico, es necesario determinar, por medio del medidor 350, 450 de flujo, el caudal volumetrico (dV/dt) del fluido bifasico. Entonces, utilizando el conjunto 300, 400 sensor, se pueden determinar la proporcion de llquido a gas (B) y la densidad (p) del llquido. Se puede calcular entonces el caudal masico de acuerdo con la ecuacion 4)

imagen3

Se describira ahora un metodo haciendo referencia a la Figura 19. El metodo descrito mas adelante es aplicable al ejemplo descrito anteriormente haciendo referencia a las Figuras 1 y 2.

Paso 500: Inicializar la medicion

En el paso 500, se inicializa la medicion de propiedades del fluido criogenico del tanque 100 de almacenamiento. Esta medicion puede ser activada, por ejemplo, por un usuario presionando un boton situado en el exterior del tanque 100 de almacenamiento. De forma alternativa, la medicion se puede iniciar por medio de una conexion remota, por ejemplo, mediante una senal transmitida a traves de una red inalambrica y que es recibida por el conjunto 200 sensor.

Como una alternativa o adicion adicional, el conjunto 200 sensor se puede configurar para que se inicialice de forma remota o con un temporizador. El metodo avanza al paso 502.

Paso 502: Excitar al oscilador de cristal de cuarzo

Una vez inicializado, cada circuito 204 de excitacion se utiliza para excitar al respectivo oscilador 202 de cristal de cuarzo. Durante la inicializacion, el respectivo circuito 204 de excitacion aplica una tension AC de ruido aleatoria a traves de los cristales 202-1 a 202-N. Al menos una parte de esa tension aleatoria estara a una frecuencia adecuada para provocar que el cristal 202 oscile. El cristal 202 comenzara entonces a oscilar en sincronla con esa senal.

Por medio del efecto piezoelectrico, el movimiento del oscilador 202 de cristal de cuarzo generara entonces una tension en la banda de frecuencias de resonancia del oscilador 202 de cristal de cuarzo. El circuito 204 de excitacion amplifica entonces la senal generada por el oscilador 202 de cristal de cuarzo, de tal manera que las senales generadas en la banda de frecuencias del resonador 202 de cristal de cuarzo dominen la salida del circuito 204 de excitacion. La estrecha banda de resonancia del cristal de cuarzo filtra y elimina todas las frecuencias no deseadas y el circuito 204 de excitacion excita entonces al oscilador 202 de cristal de cuarzo haciendo que vibre a la frecuencia de resonancia fundamental f. Una vez que el oscilador 202 de cristal de cuarzo se ha estabilizado a una frecuencia de resonancia concreta, el metodo avanza al paso 504.

Paso 504: Medir la frecuencia de resonancia del oscilador de cristal de cuarzo

La frecuencia de resonancia f depende de las condiciones dentro del tanque 100 de almacenamiento. En la presente realization, el cambio de la frecuencia de resonancia Df es proporcional en magnitud al cambio de densidad del gas o del llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento y disminuira a medida que aumente la densidad.

Para hacer una medicion, la frecuencia del oscilador 202 de cristal de cuarzo se mide durante un periodo de aproximadamente 1 s. Esto es para permitir que la lectura se estabilice y para que se cuenten suficientes oscilaciones para determinar una medida precisa. La medicion de frecuencia se realiza en el procesador 206. El procesador 206 puede tambien registrar el tiempo, T1, en el que se inicio la medicion.

Una vez que se ha medido la frecuencia, el metodo avanza al paso 506.

Paso 506: Determinar la densidad del fluido

Una vez que se ha medido la frecuencia de cada oscilador 202 de cristal de cuarzo de forma satisfactoria en el paso 504, el procesador 206 calcula a continuation la densidad del fluido al nivel de ese oscilador 202-1 a 202-N de cristal de cuarzo concreto en el tanque 100 de almacenamiento.

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El metodo avanza entonces al paso 508.

Paso 508: Determinar las propiedades ffsicas del fluido

En el paso 506, se determina la densidad del fluido (ya sea llquido o gas) a la altura de cada oscilador 202-1 a 202- N piezoelectrico dentro de la pila vertical. Esto permite el calculo de las propiedades flsicas deseadas.

Por ejemplo, el nivel de llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento se podrla determinar identificando cuales de los osciladores 202-1 a 202-N estan inmersos en llquido y cuales no.

De forma alternativa o adicional, se puede identificar la densidad del llquido a diferentes profundidades. Esto se puede utilizar para identificar diferentes densidades de capa y para identificar estratificacion, la cual puede conducir a condiciones inseguras en el tanque.

Paso 510: Almacenar los resultados de la medicion

Una vez que se han calculado las densidades o los gradientes de densidad, los respectivos valores de densidad se podrlan simplemente grabar en una memoria interna asociada al procesador 206 del conjunto 200 sensor para su posterior recuperacion. Como una alternativa adicional mas, los datos en el instante T1 se podrlan almacenar en una memoria local a dicho procesador 206.

El metodo avanza entonces al paso 512

Paso 512: Comunicar resultados

Como un paso opcional, los parametros flsicos (por ejemplo, nivel de llenado, estratificacion en el tanque) se pueden visualizar de varias maneras. Por ejemplo, una pantalla unida al tanque 100 de almacenamiento podrla visualizar la masa de gas contenida dentro del tanque 100 de almacenamiento. En la alternativa, las mediciones se podrlan comunicar a distancia a una estacion base o a un medidor situado sobre un accesorio contiguo.

Paso 514: Apagar el conjunto sensor

No es necesario mantener al conjunto 200 sensor operativo en todo momento. Al contrario, es beneficioso reducir el consumo de energla apagando el conjunto 200 sensor cuando no se este utilizando. Esto alarga la vida de la baterla si se utiliza una, o reduce el consumo de energla si esta conectado a una red de suministro electrico.

La configuracion del circuito 204 de excitacion permite que el oscilador 202 de cristal de cuarzo pueda ser reiniciado incluso si esta sumergido en llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento. Por lo tanto, el conjunto 200 sensor se puede apagar como y cuando sea necesario para ahorrar energla.

Se describira ahora, haciendo referencia a la Figura 20, un metodo de acuerdo con una realizacion de la presente invention. El metodo descrito mas adelante es aplicable a las realizaciones primera y segunda descritas anteriormente haciendo referencia a la Figura 1 y a las Figuras 3 a 6,

Paso 600: Inicializar la medicion

En el paso 600, se realiza la medicion de propiedades del fluido criogenico en un conducto tal como la tuberla 104 o la tuberla 108. Esta medicion puede ser activada, por ejemplo, por un usuario presionando un boton situado en el exterior del respectivo conjunto 300, 400 sensor. De forma alternativa, la medicion puede ser iniciada por medio de una conexion remota, por ejemplo, una senal transmitida a traves de una red inalambrica y recibida por el respectivo conjunto 300, 400 sensor.

Como una alternativa o adicion adicional, el conjunto 300, 400 sensor se puede configurar para que se inicialice de forma remota o con un temporizador. El metodo avanza al paso 602.

Paso 602: Excitar al/a los oscilador(es) de cristal de cuarzo

Una vez inicializado, cada circuito 304, 404 de excitacion se utiliza para excitar al respectivo oscilador 302-1 - 302-4, 402-1 - 402-4 de cristal de cuarzo. Durante la initialization, el respectivo circuito 304, 404 de excitacion aplica una tension AC de ruido aleatoria a traves de los cristales 302-1 - 302-4, 402-1 - 402-4. Al menos una parte de esa tension aleatoria estara a una frecuencia apropiada para provocar que los cristales 302-1 - 302-4, 402-1 - 402-4 oscilen. Los cristales 302-1 - 302-4, 402-1 - 402-4 comenzaran entonces a oscilar en sincronla con esa senal.

Por medio del efecto piezoelectrico, el movimiento del oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo generara a continuation una tension en la banda de frecuencias de resonancia del oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo. El circuito 304, 404 de excitacion amplifica entonces la senal generada por el oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo, de tal manera que las senales generadas en la banda de frecuencias del resonador 302, 402 de cristal de cuarzo dominen la salida del circuito 304, 404 de excitacion. La estrecha banda de resonancia de los filtros de cristal de cuarzo filtra y elimina todas las frecuencias indeseadas y el circuito 304, 404 de excitacion excita entonces al oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo haciendo que vibre a la frecuencia de resonancia fundamental f. Una vez que el oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo se ha estabilizado a una frecuencia de resonancia concreta, el metodo avanza al paso 604.

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Paso 604: Medir la frecuencia de resonancia de los osciladores de cristal de cuarzo

La frecuencia de resonancia f depende de las condiciones dentro del conducto en el cual esta situado el conjunto 300, 400 sensor. En la presente realizacion, el cambio de la frecuencia de resonancia Df es de magnitud proporcional al cambio de densidad del gas o del llquido dentro del tanque 100 de almacenamiento y disminuira a medida que aumente la densidad. Por lo tanto, se observara un cambio de densidad apreciable cuando los osciladores 302, 402 estan expuestos a la fraccion gaseosa del fluido bifasico en vez de a la fraccion llquida.

La medicion de frecuencia se realiza en el procesador 306, 406. El procesador 306, 406 puede tambien registrar el instante, Ti, en el que comenzo la medicion, y puede grabar mediciones durante un periodo de tiempo posterior predeterminado.

Una vez que se ha medido la frecuencia, el metodo avanza al paso 606.

Paso 606: Determinar las propiedades ffsicas del fluido

Una vez que en el paso 604 se ha medido de forma satisfactoria la frecuencia de cada oscilador 302, 402 de cristal de cuarzo, el procesador 306, 406 es entonces operable para calcular los parametros deseados.

Cada conjunto 300, 400 sensor comprende, en las realizaciones descritas, cuatro osciladores 302, 402. Para obtener propiedades flsicas del fluido que se esta midiendo, los procesadores 306, 406 determinan la media de las frecuencias de resonancia de los cuatro respectivos osciladores 302, 402. De forma alternativa, se pueden usar otros metodos de procesamiento o numericos (como por ejemplo medias ponderadas) o se pueden usar las cuatro medidas de manera independiente.

En un sistema, se puede utilizar el nivel T umbral para detectar cuando un oscilador 302, 402 esta dentro de una burbuja de gas. El nivel T umbral se puede almacenar en el procesador 306, 406 y se puede introducir manualmente o puede obtenerse mediante un proceso de calibracion.

El procesador 306, 406 puede entonces registrar datos relacionados con el tiempo en que el oscilador 302, 402 esta dentro de gas y el tiempo en que el oscilador 302, 402 esta dentro de llquido. Despues de un periodo de medicion predeterminado (por ejemplo, del orden de segundos) el procesador 306, 406 puede determinar la proporcion de fluido que es gas y la proporcion que es llquido. Esto se puede determinar como un porcentaje para ser usado en el calculo expuesto en la ecuacion 4).

De forma alternativa o adicional, se puede monitorizar el patron de burbujas de gas, y la frecuencia y/o tamano de las burbujas pueden ser registrados por el procesador 306, 406 para determinar caracterlsticas del flujo.

De forma alternativa o adicional, el procesador 306, 406 puede calcular la densidad del llquido utilizando la frecuencia del nivel del llquido de los osciladores 302, 402.

El metodo avanza entonces al paso 608.

Paso 608: Determinar el caudal volumetrico

Este paso es opcional y solo se realizara si se necesita el caudal masico. El medidor 350, 450 de flujo se proporciona para medir caudal volumetrico. El medidor 350, 450 de flujo comprende una turbina u otro sistema motriz que genera una senal proporcional al caudal del fluido bifasico. El caudal volumetrico se comunica entonces al procesador 306, 406.

El metodo avanza al paso 610.

Paso 670: Determinar el caudal masico

De nuevo, el paso 610 es opcional y condicional a que se realice el paso 608. En el paso 608, se determina el caudal volumetrico. En el paso 610, esta informacion se utiliza en el procesador 306, 406, junto con la medicion de la densidad del llquido del paso 606 y la proporcion de gas a llquido en el fluido bifasico, para calcular el caudal masico del fluido de acuerdo con la ecuacion 4).

El metodo avanza a continuacion al paso 612.

Paso 612: Comunicar resultados

Como un paso opcional, los parametros flsicos (por ejemplo, tipo de flujo, caudal masico, densidad del llquido) se pueden visualizar de varias formas. Por ejemplo, una pantalla unida al conjunto 300, 400 sensor podrla visualizar los datos relevantes. En la alternativa, las mediciones se podrlan comunicar a distancia a una estacion base o a un medidor situado sobre un accesorio contiguo.

El metodo avanza entonces al paso 614.

Paso 614: Apagar el conjunto sensor

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No es necesario mantener al conjunto 300, 400 sensor operativo en todo momento. Al contrario, es beneficioso reducir el consumo de energia apagando el conjunto 300, 400 sensor cuando no se este utilizando. Esto alarga la vida de la bateria si se utiliza una, o reduce el consumo de energia si esta conectado a una red de suministro electrico.

Variaciones de las realizaciones anteriores resultaran evidentes para la persona con experiencia. La configuracion precisa de los componentes hardware y software puede ser diferente y seguir estando todavia dentro del alcance de la presente invencion. La persona con experiencia seria facilmente consciente de configuraciones alternativas que se podrian utilizar.

Por ejemplo, las realizaciones anteriormente descritas han utilizado un oscilador de cristal de cuarzo que tiene una frecuencia fundamental de 32,768 kHz. Sin embargo, se pueden utilizar cristales que funcionen a frecuencias alternativas. Por ejemplo, con las realizaciones descritas anteriormente se pueden utilizar osciladores de cristal de cuarzo que funcionen a 60 kHz y a 100 kHz. En la Figura 21 se muestra una grafica que muestra el cambio de la frecuencia con la densidad para diferentes cristales. Como ejemplo adicional, se podria utilizar un oscilador de cristal que funcione a una frecuencia de 1,8 MHz.

El funcionamiento a frecuencias mayores permite monitorizar la presion con mayor frecuencia porque para muestrear un numero dado de ciclos se necesita un periodo de tiempo mas corto. Ademas, los cristales de mayor frecuencia permiten utilizar un ciclo de trabajo mas corto en un modo “de sueno” de un cristal. A modo de explicacion, en la mayoria de los casos, el cristal y el circuito de excitacion pasaran la mayor parte del tiempo apagados, encendiendose solo durante un segundo o un tiempo similar cuando se necesita una medicion. Esto puede suceder, por ejemplo, una vez por minuto. Cuando se utiliza un cristal de mayor frecuencia, se puede medir la presion con mayor rapidez. Por lo tanto, se puede reducir el tiempo durante el cual esta operativo el cristal. Esto puede reducir el consumo de energia y mejorar al mismo tiempo la vida de la bateria.

Ademas, las realizaciones anteriores se han descrito midiendo la frecuencia absoluta de un oscilador de cristal de cuarzo. Sin embargo, puede ser ventajoso medir el desplazamiento en frecuencia del sensor comparando esa frecuencia con un cristal de referencia de tipo identico pero que este encerrado en un envase a vacio o a presion. El envase a presion puede contener gas a una densidad seleccionada, puede contener gas en condiciones atmosfericas o puede estar abierto a la atmosfera externa del tanque 100 de almacenamiento.

En la Figura 22 se muestra un conjunto 700 sensor apropiado. El conjunto 700 sensor comprende un primer oscilador 702 de cristal de cuarzo y un segundo oscilador 704 de cristal de cuarzo. El primer oscilador 702 de cristal de cuarzo es un cristal de referencia que esta situado en el interior de un contenedor 706 sellado bajo vacio. El primer oscilador 702 de cristal de cuarzo es excitado por un circuito 708 de excitacion.

El segundo oscilador 704 de cristal de cuarzo es un cristal similar al cristal 202 descrito en las realizaciones anteriores. El segundo oscilador 704 de cristal de cuarzo esta expuesto al ambiente de gas existente dentro del volumen interno del tanque 100 de almacenamiento. El segundo oscilador 704 de cristal de cuarzo es excitado por un circuito 710 de excitacion.

Esta comparacion se puede realizar utilizando un circuito 712 mezclador electronico que combina las dos senales de frecuencia y produce una salida a una frecuencia igual a la diferencia entre los dos cristales. Este sistema permite anular pequenos cambios debidos, por ejemplo, a temperatura.

Ademas, la circuiteria utilizada en un tanque 100 de almacenamiento se puede simplificar porque solo es necesario medir la diferencia de frecuencia. Ademas, esta tecnica es particularmente adecuada para ser usada con un oscilador de cristal de alta frecuencia (MHz), en el que puede ser dificil medir directamente la frecuencia del cristal.

Ademas, toda la electronica necesaria para medir y visualizar la densidad, la masa o el flujo masico no tiene por que estar montada sobre el tanque de almacenamiento o dentro de el. Por ejemplo, las funciones electronicas podrian estar divididas entre unidades montadas sobre el tanque de almacenamiento de manera permanente y unidades montadas en una estacion de uso del cliente o montadas temporalmente en la salida del tanque de almacenamiento, por ejemplo en la posicion utilizada normalmente para un medidor de flujo convencional.

Un ejemplo de este sistema se muestra haciendo referencia a la Figura 23. El sistema comprende un sistema 10 de fluido criogenico que comprende un tanque 100 de almacenamiento y conjuntos 200, 300, 400 sensores substancialmente como los descritos anteriormente con referencia a realizaciones anteriores.

Ademas, se proporciona una antena 804 para comunicacion por medio de cualquier protocolo de comunicacion remota apropiado; por ejemplo, Bluetooth, Infrarrojos (IR) o RFID. De forma alternativa, se puede utilizar comunicacion unifilar.

Como alternativa adicional, se pueden utilizar metodos de comunicacion acustica. La ventaja de estos metodos es que la comunicacion remota se puede efectuar sin que sea necesaria una antena externa.

Una unidad 850 de visualizacion esta provista de una unidad 852 de datos. La unidad 852 de datos comprende una pantalla 854 de visualizacion y una antena 856 para comunicacion con el sistema 10 de fluido criogenico. La pantalla 854 de visualizacion puede comprender, por ejemplo, una pantalla de tinta electronica para minimizar el consumo de 5 energla y maximizar la visibilidad de la pantalla. La unidad 852 de datos puede registrar diferentes parametros medidos por los conjuntos 200, 300, 400 sensores.

Aunque las realizaciones anteriores se han descrito haciendo referencia al uso de un oscilador de cristal de cuarzo, la persona con experiencia serla rapidamente consciente de materiales piezoelectricos alternativos que tambien se 10 podrla utilizar. Por ejemplo, una lista no exhaustiva puede incluir osciladores de cristal que comprendan: tantalato de litio, niobato de litio, borato de litio, berlinita, arseniuro de galio, tetraborato de litio, fosfato de aluminio, oxido de bismuto germanio, ceramicas de titanato de circonio policristalino, ceramicas de alto contenido en alumina, material compuesto de oxido de silicio-zinc, o tartrato de dipotasio.

15 Ademas, aunque anteriormente se han ilustrado los fluidos bifasicos en relacion a fluidos criogenicos, otros fluidos bifasicos son apropiados para ser usados con la presente invencion. Por ejemplo, se pueden utilizar hidrocarburos de cadena corta hasta el dodecano (Ci2H26).

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo de medicion de las propiedades flsicas de un flujo de fluido bifasico utilizando una pluralidad de osciladores piezoelectricos (302-1, 302-2, 302-3, 302-4; 402-1, 402-2, 402-3, 402-4) inmersos en el flujo de fluido bifasico, comprendiendo el fluido bifasico una fraccion gaseosa y una fraccion llquida dispersas dentro de un volumen concreto de fluido, comprendiendo el metodo:

   a) medir (604) la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo durante un periodo de medicion predeterminado; y

   b) determinar (606), a partir de la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico, si el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida y determinar, para cada oscilador piezoelectrico, la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa y la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion llquida, caracterizado por que, para caracterizar el fluido bifasico, se determina la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida medidas por cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo.
2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas, para cada oscilador piezoelectrico, comparar la respectiva frecuencia de resonancia con una frecuencia umbral predeterminada para determinar si dicho respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida.
3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el cual al menos una propiedad flsica comprende la densidad de al menos el componente llquido del fluido bifasico.
4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 3, que comprende ademas los pasos de:

   c) medir el caudal volumetrico del fluido; y

   d) determinar el caudal masico del fluido bifasico a partir de las mediciones de la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida y a partir de la densidad de la fraccion llquida.
5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas determinar, para cada oscilador piezoelectrico, la frecuencia de aparicion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa.
6. 6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el cual la frecuencia de aparicion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa se utilizan para determinar el regimen de flujo de dicho fluido bifasico.
7. 7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el cual la frecuencia de aparicion de una fraccion gaseosa y/o el tamano de una fraccion gaseosa se utilizan para determinar si dicho fluido bifasico esta hirviendo.
8. 8. Un conjunto (300; 400) sensor para medir las propiedades flsicas de un flujo de fluido bifasico que comprende una fraccion gaseosa y una fraccion llquida dispersas en el interior de un volumen concreto de fluido, comprendiendo el conjunto sensor un procesador (306; 406) y una pluralidad de osciladores piezoelectricos (302-1, 302-2, 302-3, 3024; 402-1, 402-2, 402-3, 402-4) para su inmersion en el flujo de fluido bifasico, estando el procesador disenado para medir la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo durante un periodo de medicion predeterminado, para determinar, a partir de la frecuencia de resonancia de cada oscilador piezoelectrico, si el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida, y para determinar, para cada oscilador piezoelectrico, la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa y la cantidad de tiempo, durante dicho periodo de medicion predeterminado, en la que el respectivo oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion llquida, caracterizado por que a partir de estas cantidades se determina la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida medidas por cada oscilador piezoelectrico en funcion del tiempo para caracterizar el fluido bifasico.
9. 9. Un conjunto sensor de acuerdo con la reivindicacion 8, en el cual la citada pluralidad de osciladores piezoelectricos estan colocados alrededor del interior de un conducto a traves del cual dicho fluido bifasico es operable para fluir.
10. 10. Un conjunto sensor de acuerdo con la reivindicacion 8 o 9, en el cual el procesador es ademas operable para determinar si el oscilador piezoelectrico esta inmerso en una fraccion gaseosa o en una fraccion llquida por comparacion de la frecuencia de resonancia con una frecuencia umbral predeterminada.
11. 11. Un conjunto sensor de acuerdo con la reivindicacion 8, 9 o 10, en el cual el procesador esta ademas disenado para determinar la densidad de al menos el componente llquido del fluido bifasico.
12. 12. Un medidor de flujo masico que comprende el conjunto sensor de la reivindicacion 11, y un medidor de flujo operable para determinar el caudal volumetrico del fluido bifasico, siendo el medidor de flujo masico operable para determinar el caudal masico del fluido bifasico a partir de la proporcion de la fraccion gaseosa a la fraccion llquida y a partir de la densidad de la fraccion llquida.

    5
13. 13. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual el fluido bifasico es un fluido criogenico.
14. 14. Un conjunto sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el cual el fluido bifasico es un 10 fluido criogenico.