ES3055262T3 - System and method for determining the impedance properties of a load using load analysis signals - Google Patents

Abstract

Se describen diversas implementaciones para medir las propiedades de impedancia de una carga mediante señales de análisis de carga. En una implementación de ejemplo, se proporciona un transformador que incluye al menos un devanado primario y al menos un devanado secundario. El devanado primario está conectado en serie entre una fuente de alimentación de corriente continua (CC) y la carga. Un generador de tensión variable de corriente alterna (CA) está conectado en serie al devanado secundario y está configurado para generar al menos una señal de análisis de carga para inyectarla en la carga. Las propiedades de impedancia de la carga pueden determinarse para diferentes frecuencias en las señales de análisis de carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema y procedimiento para determinar las propiedades de impedancia de una carga usando señales de análisis de carga

[0003] Campo

[0004] Las realizaciones descritas se refieren a la determinación de las propiedades de impedancia de una carga y, en particular, a un sistema y procedimiento para determinar las propiedades de impedancia de una carga usando señales de análisis de carga.

[0005] Antecedentes

[0006] En los últimos años, la espectroscopía de impedancia ha encontrado una aplicación cada vez más extendida como una técnica no invasiva y no intrusiva para monitorear el estado y las propiedades de salud de las cargas eléctricas, electroquímicas y biológicas.

[0007] En la espectroscopía de impedancia, se inyecta una carga (por ejemplo, interrogada o perturbada o excitada) con una o más señales de corriente alterna (Alternating Current, AC) caracterizadas por diferentes frecuencias o que tienen diferentes componentes de frecuencia. A continuación, puede generarse un espectro de impedancia de carga trazando la respuesta de impedancia de la carga según las frecuencias aplicadas. En varios casos, el espectro de impedancia a continuación se analiza para determinar las propiedades eléctricas, físicas, químicas y biológicas de la carga interrogada.

[0008] El documento US 5872443 A1 describe un procedimiento electrónico a través del cual la fuerza electromotriz aplicada optimiza el comportamiento electrocinético de las partículas cargadas para que coincida estrechamente con la respuesta eléctrica natural y la estructura física del sistema.

[0009] El documento US 2018/203073 A1 describe un sistema de vehículo que proporciona una señal de excitación a un sistema electroquímico para su uso en diagnósticos de espectroscopía de impedancia electroquímica. El documento US 2016/258820 A1 describe un sistema para medir un parámetro ambiental tal como la temperatura experimentada por un componente resistivo tal como un termistor en un circuito aislado galvánicamente, o para medir el voltaje desarrollada por un componente.

[0010] El documento WO 2018/220223 A1 describe un procedimiento para detectar una falla de contacto en un sistema fotovoltaico comprendiendo un inversor y un generador fotovoltaico, que está conectado al inversor por medio de líneas de corriente continua.

[0011] Compendio

[0012] En al menos un aspecto amplio, se proporciona un sistema para medir las propiedades de impedancia de una carga, comprendiendo el sistema: un transformador que tiene al menos un devanado primario y al menos un devanado secundario; estando el al menos un devanado primario del transformador acoplado en serie entre una fuente de energía de corriente continua (Direct Current, DC) y la carga, en donde la fuente de energía de CC está configurada para generar una corriente CC a través del al menos un devanado primario para alimentar la carga; al menos un primer sensor acoplado a la carga, en donde el al menos un primer sensor está configurado para medir al menos un atributo de la carga; un generador de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable acoplado en serie al, al menos un devanado secundario, en donde el generador de CA variable está configurado para generar al menos una señal de análisis de carga; y un controlador acoplado operativamente al, al menos un primer sensor, en donde el controlador está configurado para recibir una primera señal de entrada del al menos un primer sensor y está configurado además para determinar las propiedades de impedancia de la carga según la primera señal de entrada.

[0013] En algunos casos, el sistema puede comprender además un generador de voltaje de CC variable acoplado en serie al, al menos un devanado secundario, en donde el generador de voltaje de CC variable está configurado para generar una corriente de despolarización de CC a través del al menos un devanado secundario, la corriente de despolarización de CC está configurada para invertir una polarización de flujo de CC generada en el transformador por la corriente CC que fluye a través del devanado primario.

[0014] En algunos casos, el al menos un devanado secundario comprende un primer devanado secundario y un segundo devanado secundario, y en donde: el generador de voltaje de CC variable está acoplado en serie al primer devanado secundario, y el generador de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable está acoplado en serie al segundo devanado secundario.

[0015] En algunos casos, el al menos un primer sensor comprende un primer sensor de voltaje acoplado en disposición paralela a la carga.

[0016] En algunos casos, el sistema puede comprender además al menos un segundo sensor, en donde el al menos un segundo sensor está configurado para medir un parámetro relacionado con la corriente CC que fluye a través del devanado primario del transformador.

[0017] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende al menos uno de un sensor de corriente, un segundo sensor de voltaje y un sensor de efecto Hall.

[0018] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende el sensor de corriente y el sensor de corriente está acoplado en serie a la carga, en donde el sensor de corriente está configurado para medir la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado primario del transformador.

[0019] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende el segundo sensor de voltaje, y el segundo sensor de voltaje está acoplado en disposición paralela al, al menos un devanado primario del transformador, en donde el segundo sensor de voltaje está configurado para medir un voltaje de CC a través del al menos un devanado primario del transformador.

[0020] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende el sensor de efecto Hall, y el sensor de efecto Hall está ubicado cerca del transformador, en donde el sensor de efecto Hall está configurado para medir la polarización de flujo de CC en el transformador.

[0021] En algunos casos, el controlador está acoplado de manera operativa al generador de voltaje de CC variable, y el controlador está configurado además para: determinar, según una segunda señal de entrada recibida del al menos un segundo sensor, la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado primario del transformador, y según la determinación, ajustar el generador de voltaje de CC variable para generar la corriente de despolarización de CC.

[0022] En algunos casos, el generador de voltaje de CA variable está configurado para generar señales de análisis de carga que tienen frecuencias en un intervalo de frecuencia muy alta (Very High Frequency, VHF).

[0023] En algunos casos, el generador de voltaje de CA variable está configurado para generar señales de análisis de carga que tienen frecuencias entre 0 KHz y 1 GHz.

[0024] En algunos casos, el generador de voltaje de CA variable está configurado para generar una pluralidad de señales de análisis de carga, cada una de las cuales tiene al menos una de una frecuencia, fase y amplitud diferentes. En algunos casos, el generador de voltaje de CA variable está configurado para generar una señal de análisis de carga de frecuencia mixta.

[0025] En algunos casos, el controlador está acoplado operativamente al generador de voltaje de CA variable y está configurado para controlar la frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga generada por el generador de voltaje de CA variable.

[0026] En algunos casos, el controlador está configurado para determinar las propiedades de impedancia de la carga según una frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga y la primera señal de entrada del al menos un primer sensor.

[0027] En algunos casos, la carga comprende al menos una celda de combustible, una batería, un electrolizador, una membrana para su uso en el tratamiento de aguas residuales y al menos una de una celda de tratamiento de agua de electroflotación, electrooxidación y electrocoagulación.

[0028] En otro aspecto amplio, se proporciona un procedimiento para medir las propiedades de impedancia de una carga, comprendiendo el procedimiento: alimentar una carga con una fuente de energía de corriente continua (Direct Current, DC), en donde la carga y la fuente de energía de CC están acopladas a al menos un devanado primario de un transformador; y aplicar, usando un generador de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable, al menos una señal de análisis de carga a la carga, en donde el generador de voltaje de CA variable está acoplado al, al menos un devanado secundario del transformador.

[0029] El procedimiento puede comprender además aplicar, usando un generador de voltaje de CC variable, una corriente de despolarización de CC a través de al menos un devanado secundario del transformador, en donde la fuente de voltaje de CC variable está acoplada al, al menos un devanado secundario del transformador, en donde la corriente de despolarización de CC está configurada para invertir una polarización de flujo de CC generada en el transformador por la fuente de energía de CC.

[0030] El procedimiento puede comprender además determinar la respuesta de impedancia de la carga a la al menos una señal de análisis de carga.

[0031] En algunos casos, el al menos un devanado secundario comprende un primer devanado secundario y un segundo devanado secundario, y en donde: el generador de voltaje de CC variable está acoplado en serie al primer devanado secundario, y el generador de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable está acoplado en serie al segundo devanado secundario.

[0032] En algunos casos, el al menos un primer sensor comprende un primer sensor de voltaje acoplado en disposición paralela a la carga.

[0033] El procedimiento puede comprender además medir, usando al menos un segundo sensor, un parámetro relacionado con la corriente CC que fluye a través del devanado primario del transformador.

[0034] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende al menos uno de un sensor de corriente, un segundo sensor de voltaje y un sensor de efecto Hall.

[0035] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende el sensor de corriente y el sensor de corriente está acoplado en serie a la carga, y el procedimiento puede comprender además medir, usando el sensor de corriente, la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado primario del transformador.

[0036] En algunos casos, el al menos un segundo sensor comprende el segundo sensor de voltaje, y el segundo sensor de voltaje está acoplado en disposición paralela al, al menos un devanado primario del transformador, y el procedimiento puede comprender además medir, usando el segundo sensor de voltaje, un voltaje de CC a través del al menos un devanado primario del transformador.

[0037] En algunos casos, al menos un segundo sensor comprende el sensor de efecto Hall, y el sensor de efecto Hall está ubicado cerca del transformador, y el procedimiento puede comprender además medir, usando el sensor de efecto Hall, la polarización de flujo de CC en el transformador.

[0038] En algunos casos, el controlador está acoplado operativamente al generador de voltaje de CC variable, y el procedimiento puede comprender además: determinar, usando el controlador, basándose en una segunda señal de entrada recibida del al menos un segundo sensor, la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado primario del transformador, y basándose en la determinación, ajustar, usando el controlador, el generador de voltaje de CC variable para generar la corriente de despolarización de CC.

[0039] El procedimiento comprende además generar, usando el generador de voltaje de CA variable, señales de análisis de carga que tienen frecuencias en un intervalo de muy alta frecuencia (Very High Frequency, VHF). El procedimiento puede comprender además generar, usando el generador de voltaje de CA variable, señales de análisis de carga que tienen frecuencias entre 0 KHz y 1 GHz.

[0040] El procedimiento puede comprender además generar, usando el generador de voltaje de CA variable, una pluralidad de señales de análisis de carga, teniendo cada una al menos una de una frecuencia, fase y amplitud diferentes.

[0041] El procedimiento puede comprender además generar, usando el generador de voltaje de CA variable, una señal de análisis de carga de frecuencia mixta.

[0042] En algunos casos, el controlador está acoplado de manera operativa al generador de voltaje de CA variable y el procedimiento puede comprender además controlar, usando el controlador, la frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga generada por el generador de voltaje de CA variable.

[0043] El procedimiento puede comprender además determinar, usando el controlador, las propiedades de impedancia de la carga según una frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga y la primera señal de entrada del al menos un primer sensor.

[0044] En algunos casos, la carga comprende al menos una celda de combustible, una batería, un electrolizador, una membrana para su uso en el tratamiento de aguas residuales y al menos una de una celda de tratamiento de agua de electroflotación, electrooxidación y electrocoagulación.

[0045] Otras características y ventajas de la presente solicitud se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos. Sin embargo, debe entenderse que la descripción detallada y los ejemplos específicos, si bien indican realizaciones preferidas de la invención, se proporcionan solo a modo de ilustración, ya que diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la reivindicación independiente serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la presente descripción detallada.

[0046] Breve descripción de los dibujos

[0047] Para una mejor comprensión de las diversas realizaciones descritas en esta invención, y para mostrar más claramente cómo pueden llevarse a la práctica estas diversas realizaciones, se hará referencia, a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos que muestran al menos una realización ejemplar y las figuras se describirán brevemente a continuación.

[0048] La FIG.1 ilustra un diagrama de bloques simplificado de un sistema de determinación de impedancia de carga, según algunas realizaciones;

[0049] La FIG. 2A ilustra un diagrama de circuito simplificado del sistema de determinación de impedancia de carga de la FIG.1, según algunas realizaciones;

[0050] La FIG. 2B ilustra un diagrama de circuito simplificado del sistema de determinación de impedancia de carga de la FIG.1, según otra realización;

[0051] La FIG.3 ilustra un diagrama de bloques simplificado de un controlador usado en el sistema de determinación de impedancia de carga de la FIG.1, según algunas realizaciones;

[0052] La FIG.4 ilustra una curva B-H para un transformador usado en el sistema de determinación de impedancia de carga de la FIG.1; y

[0053] La FIG. 5 es un flujo de proceso que muestra un ejemplo de proceso para determinar las propiedades de impedancia de una carga, según algunas realizaciones.

[0054] El experto en la materia entenderá que los dibujos, descritos a continuación, son solo para fines ilustrativos. Los dibujos no pretenden limitar en modo alguno el alcance de la enseñanza de los solicitantes. Se apreciará que, en aras de la simplicidad y la claridad de la ilustración, los elementos que se muestran en las figuras no se han dibujado necesariamente a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos pueden exagerarse en relación con otros elementos para mayor claridad. Además, cuando se considere apropiado, los números de referencia podrán repetirse entre las figuras para indicar elementos correspondientes o análogos.

[0055] Descripción de realizaciones ejemplares

[0056] A continuación, se describirán varios aparatos o procesos para proporcionar un ejemplo de varias realizaciones del objeto reivindicado. Ninguna realización descrita a continuación limita ninguna materia reivindicada y cualquier materia reivindicada puede cubrir procesos, aparatos, dispositivos o sistemas que difieran de los que se describen a continuación. La materia reivindicada no se limita a aparatos, dispositivos, sistemas o procesos que tengan todas las características de cualquiera de los aparatos, dispositivos, sistemas o procesos descritos a continuación o a características comunes a varios o todos los aparatos, dispositivos, sistemas o procesos descritos a continuación. Es posible que un aparato, dispositivo, sistema o proceso descrito a continuación no sea una realización de ninguna materia reivindicada. Cualquier tema que se describa en un aparato, dispositivo, sistema o proceso descrito a continuación que no se reivindique en esta invención puede ser el tema de otro instrumento de protección, por ejemplo, una solicitud de patente continua, y los solicitantes, inventores o propietarios no tienen la intención de abandonar, renunciar o dedicar al público ningún tema de este tipo a través de su descripción en esta invención.

[0057] Además, se agradecerá que, para mayor simplicidad y claridad en la ilustración, cuando se considere apropiado, los números de referencia se repitan entre las figuras para indicar elementos correspondientes o análogos. Las figuras que ilustran diferentes realizaciones pueden incluir números de referencia correspondientes para identificar componentes o elementos similares o correspondientes. Además, se exponen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión exhaustiva de las realizaciones ejemplares descritas en esta invención. Sin embargo, los expertos en la técnica comprenderán que las realizaciones descritas en esta invención pueden ponerse en práctica sin determinados detalles específicos. En otros casos, los procedimientos, procedimientos y componentes bien conocidos no se han descrito en detalle para no oscurecer las realizaciones descritas en esta invención. Además, la descripción no debe considerarse como limitante del alcance de las realizaciones ejemplares descritas en esta invención.

[0058] También cabe señalar que los términos "acoplado" o "acoplamiento", tal como se emplean en esta memoria, pueden tener varios significados diferentes dependiendo del contexto donde se use el término. Por ejemplo, como se emplean en esta memoria, los términos "acoplado" o "acoplamiento" pueden indicar que dos elementos o dispositivos pueden acoplarse directamente entre sí o acoplarse indirectamente entre sí a través de uno o más elementos o dispositivos intermedios a través de un elemento eléctrico, elemento electromagnético, señal eléctrica o un elemento mecánico tal como, entre otros, un alambre o cable, por ejemplo, dependiendo del contexto particular. Los elementos y dispositivos también pueden acoplarse de manera inalámbrica para permitir la comunicación usando cualquier estándar de comunicación inalámbrica. Por ejemplo, los dispositivos pueden acoplarse de manera inalámbrica usando comunicación Bluetooth, WiFi u otro protocolo de comunicación inalámbrica estándar o patentado.

[0059] Cabe señalar que los términos de grado como “sustancialmente”, “alrededor de” y “aproximadamente”, tal como se emplean en esta memoria, significan una cantidad razonable de desviación del término modificado de tal manera que el resultado final no cambie significativamente. Estos términos de grado deben interpretarse como que incluyen una desviación del término modificado si esta desviación no niega el significado del término que modifica.

[0060] Además, la mención de cualquier intervalo numérico a través de criterios de valoración en esta invención incluye todos los números y fracciones subsumidos dentro de ese intervalo (por ejemplo, 1 a 5 incluye 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,90, 4 y 5). También se deberá entender que se da por hecho que todos los números y fracciones de estos se modifican a través del término "alrededor de", lo que significa una variación de hasta una cierta cantidad del número al que se hace referencia si el resultado final no se cambia significativamente.

[0061] Como se indicó en la sección de antecedentes, la espectroscopía de impedancia ha encontrado una aplicación cada vez más extendida como una técnica no invasiva y no intrusiva para monitorear el estado y las propiedades de salud de varias cargas eléctricas, electroquímicas y biológicas.

[0062] Durante la espectroscopía de impedancia, se inyecta una carga (por ejemplo, interrogada o perturbada) con una o más señales de corriente alterna (Alternating Current, AC) caracterizadas por diferentes frecuencias o que tienen diferentes componentes de frecuencia. En cada frecuencia aplicada, se mide la respuesta de voltaje y corriente de la carga y la impedancia (o resistencia compleja) de la carga se determina según la Ecuación (1):

[0065]

[0069]

[0070] en donde Z es la impedancia de la carga según la frecuencia (ω) aplicada, es el potencial medido a través de la carga, eIes la corriente medida que fluye a través de la carga.

[0071] A continuación, puede generarse un espectro de impedancia de carga trazando la respuesta de impedancia calculada según las frecuencias (ω) aplicadas. En varios casos, el espectro de impedancia se traza en forma de un gráfico de impedancia real frente a impedancia compleja o un gráfico de Bode.

[0072] Los datos de impedancia (trazados como un espectro o en forma bruta) a menudo proporcionan información valiosa sobre las propiedades eléctricas, físicas, químicas y biológicas de la carga. Por ejemplo, en muchos casos, el espectro de impedancia de la carga se compara con un espectro de impedancia ideal (o esperado) para diagnosticar fallas en el rendimiento de la carga. En otros casos, el espectro de impedancia puede usarse para generar un modelo de circuito equivalente de la carga (por ejemplo, un modelo de señal pequeña), que proporciona información sobre el funcionamiento de la carga, así como la estructura física o eléctrica de la carga. En varios casos, el modelo de circuito equivalente también puede usarse para validar modelos teóricos basados en la física de la carga que se derivan de los primeros principios.

[0073] Las cargas eléctricas que pueden ser objeto de espectroscopía de impedancia incluyen, por ejemplo, motores, generadores, condensadores, cables, inductores o transformadores.

[0074] La espectroscopía de impedancia también puede realizarse en cargas electroquímicas en una técnica conocida como espectroscopía de impedancia electroquímica (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS). Las cargas electroquímicas pueden incluir, por ejemplo, baterías (por ejemplo, baterías recargables), pilas de combustible, electrolizadores, así como membranas empleadas en el tratamiento de aguas residuales a base de membranas (por ejemplo, membranas de ósmosis inversa (Reverse Osmosis, RO)). En varios casos, el EIS puede usarse para medir varios fenómenos físicos que ocurren en diferentes escalas de tiempo dentro de las cargas electroquímicas. Por ejemplo, el EIS puede usarse para medir fenómenos rápidos que ocurren dentro de la carga electroquímica en escalas de tiempo más cortas (como la transferencia de electrones) o fenómenos más lentos que ocurren dentro de la carga en escalas de tiempo más largas (como la corrosión). En varios casos, por ejemplo, el EIS puede usarse para determinar el estado de carga de una batería, las reacciones electroquímicas que ocurren dentro de las baterías y las celdas de combustible (por ejemplo, difusión y transferencia de carga), la corrosión de los metales, el flujo de alimentación y las tasas de recuperación de las membranas usadas en el tratamiento de aguas residuales, así como el ensuciamiento orgánico e inorgánico de estas membranas. Otras propiedades de las cargas electroquímicas que también pueden determinarse usando EIS incluyen: resistencia a la solución, morfología del electrodo, capacitancia de doble capa, resistencia a la transferencia de carga y capacitancia del recubrimiento.

[0075] En otros casos, la espectroscopía de impedancia puede realizarse en cargas biológicas en una técnica conocida como espectroscopía de bioimpedancia. Por ejemplo, la espectroscopía de impedancia puede usarse en cargas biológicas tales como células o membranas para determinar la estructura, composición y densidad de células y/o membranas.

[0077] En varios casos, se requieren diferentes intervalos de frecuencia para evaluar o modelar diferentes propiedades de una carga. Por ejemplo, y como se indicó anteriormente, en algunos casos, los intervalos de baja frecuencia se usan para evaluar fenómenos de carga física que ocurren en escalas de tiempo más largas, mientras que los intervalos de alta frecuencia son útiles para evaluar fenómenos de carga física que ocurren en escalas de tiempo más cortas. Por ejemplo, los ejemplos de aplicaciones que requieren el uso de intervalos de alta frecuencia pueden incluir la medición de la resistencia de la solución, así como la medición del dieléctrico de los materiales (por ejemplo, especialmente a escala industrial). Otras aplicaciones que requieren el uso de intervalos de frecuencia más bajos pueden incluir la medición de los efectos de corrosión. Por consiguiente, a menudo es necesario interrogar una carga usando un amplio intervalo de frecuencias con el fin de evaluar fenómenos en un amplio intervalo de escalas de tiempo y generar un espectro de impedancia que contenga información suficiente.

[0079] En los sistemas convencionales para espectroscopía de impedancia que se usan en aplicaciones industriales, una carga está acoplada a un convertidor de energía, como una fuente de energía en modo de conmutación (Switch-Mode Power Supply, SMPS). El SMPS puede configurarse para convertir la energía regulada o no regulada en una salida de voltaje de CC regulada deseada para alimentar la carga. En otros casos, el SMPS puede convertir un voltaje de entrada de CC regulado en un voltaje de salida de CC regulado deseado. Para efectuar la conversión, el convertidor incluye un dispositivo de conmutación (por ejemplo, un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) o un transistor bipolar de puerta aislada (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT)) que alterna entre un modo encendido y un modo apagado según una frecuencia de conmutación. La conmutación del dispositivo de transistor da como resultado una pequeña ondulación de CA que se impone sobre la salida de CC. Cuando se emplea en espectroscopía de impedancia, la frecuencia de conmutación se varía para generar diferentes frecuencias de señales de CA. La respuesta de impedancia de la carga a continuación se determina según la frecuencia de CA aplicada.

[0081] Sin embargo, los sistemas convencionales de espectroscopía de impedancia industrial adolecen de varios inconvenientes. Por ejemplo, la frecuencia de ondulación de CA de salida máxima usable, generada por el convertidor de energía, está limitada a la tasa de Nyquist (por ejemplo, la mitad de la frecuencia de conmutación). Además, el ancho de banda efectivo o funcional de las frecuencias de ondulación de CA generadas por el sistema de espectroscopía (por ejemplo, el ancho de banda que evita problemas, como el alias de muestreo) es típicamente solo una décima parte de la tasa de Nyquist. Por consiguiente, los dispositivos SMPS industriales estándar que están configurados para frecuencias de conmutación máximas de 10 KHz a 300 KHz solo pueden generar un ancho de banda efectivo de frecuencia de rizado de CA de entre 0,5 KHz a 15 KHz. Como resultado, la determinación de los datos de impedancia de carga en intervalos de alta frecuencia puede no ser posible usando solo el ancho de banda de frecuencia efectivo limitado que se genera usando estos convertidores de energía. Además, y en muchos casos, como la ondulación de CA depende de la frecuencia de conmutación de la fuente de energía, los sistemas de espectroscopía industrial convencionales ofrecen un control limitado sobre los componentes de amplitud, fase y frecuencia de la ondulación de CA de salida.

[0083] Un inconveniente adicional es que el funcionamiento de los convertidores de energía a altas frecuencias de conmutación también puede resultar en una pérdida significativa de energía. Por ejemplo, la pérdida de conmutación de un transistor aumenta en proporción a la frecuencia de conmutación, y puede ser significativa en intervalos de muy alta frecuencia (Very High Frequency, VHF) (por ejemplo, intervalos de megahercios (MHz)). La pérdida de conmutación puede afectar la eficiencia del convertidor de energía y puede hacer que el transistor genere calor excesivo (por ejemplo, lo que puede hacer que el convertidor requiera un disipador de calor más grande).

[0085] Otro inconveniente adicional de los sistemas convencionales de espectroscopía de impedancia industrial es la correlación inversa entre el nivel de energía del convertidor y la frecuencia de conmutación máxima. En particular, cuando la fuente de energía se usa para alimentar cargas grandes, la fuente de energía puede limitarse a cambiar a frecuencias de conmutación bajas (5-30 kHz) debido a la falta de componentes disponibles que puedan gestionar tanto el nivel de demanda de energía (energía nominal) de la carga como el funcionamiento del convertidor a la frecuencia más alta. Por consiguiente, los intervalos de frecuencia generados por el sistema de espectroscopía industrial pueden estar limitados por el nivel de energía del convertidor.

[0087] En vista de lo anterior, y en varias realizaciones descritas en esta invención, se proporciona un generador de señales de análisis de carga que está configurado para generar señales de análisis de carga que tienen frecuencias, o componentes de frecuencia, dentro de un amplio intervalo de frecuencias. En al menos un ejemplo de aplicación, el generador de señales puede usarse en espectroscopía de impedancia para determinar las propiedades de impedancia de una carga en un amplio espectro de frecuencia. En otros ejemplos de aplicaciones, el generador de señales de análisis de carga también puede usarse para imponer cambios sinusoidales o transitorios a una carga que pueden tener efectos positivos (por ejemplo, mejoras) en el funcionamiento o la operación del sistema de carga.

[0089] Como se explica con más detalle en esta invención, el generador de señales de análisis de carga incluye un transformador de múltiples devanados que tiene al menos un devanado primario y al menos un devanado secundario. El al menos un devanado primario está en conexión en serie entre una fuente de energía de CC y una carga interrogada. Una corriente CC, generada por la fuente de energía de CC, fluye a través del al menos un devanado primario para alimentar la carga. En varios casos, la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado primario puede dar como resultado una acumulación de flujo de CC en el núcleo del transformador, que de otro modo puede saturar el núcleo. Por consiguiente, el al menos un devanado secundario del transformador está acoplado a un generador de CC variable (también denominado fuente de voltaje de "despolarización" en esta invención). La fuente de voltaje de "despolarización" genera una corriente de "despolarización" de CC inversa a través del devanado secundario que está configurada para eliminar, o reducir, el flujo de CC acumulado en el núcleo del transformador. La corriente de "despolarización" minimiza la pérdida de energía en el transformador y mantiene la eficiencia del transformador. El al menos un segundo devanado secundario del transformador también se acopla a un generador de CA variable que genera (o induce) una o más señales de análisis de carga a través del al menos un devanado primario. Las señales de análisis de carga se superponen a la corriente CC (es decir, en el devanado primario) y las corrientes combinadas se inyectan en la carga. En varios casos, la frecuencia de las señales de análisis de carga puede variarse y las propiedades de impedancia de la carga pueden determinarse a diferentes frecuencias de la señal de análisis de carga. En otros casos, la señal de análisis de carga puede incluir más de un componente de frecuencia, y la respuesta de impedancia de la carga puede determinarse en relación con cada componente de frecuencia.

[0091] El generador de señales de análisis de carga, que se proporciona en esta invención, supera una serie de deficiencias inherentes a los sistemas de espectroscopía de impedancia industrial convencionales. En particular, como el generador de señales no depende de los dispositivos de conmutación del convertidor de energía principal (Switch-Mode Power Supply, SMPS) para variar la frecuencia de las señales de CA inyectadas en la carga, el generador de señales está configurado para generar señales de alta frecuencia sin estar limitado a la tasa de Nyquist (por ejemplo, el generador de señales no se limita a un ancho de banda efectivo de una décima parte de la tasa de Nyquist del convertidor de energía principal). Además, como el generador de señales no se basa en variar la frecuencia de conmutación para variar la frecuencia de la señal de CA, el generador de señales también puede configurarse, en varias realizaciones, para variar los componentes de amplitud, fase y frecuencia de la señal de CA. Aún más, el generador de señales puede lograr salidas de CA de alta frecuencia con una pérdida de energía mínima o nula (por ejemplo, pérdida de conmutación). El generador de señales también es configurable para desacoplar la correlación inversa que existe en los sistemas de espectroscopía industrial convencionales entre la demanda de energía de la carga y la frecuencia de conmutación máxima del sistema de espectroscopía (por ejemplo, el generador de señales puede producir señales de CA de alta frecuencia independientemente de la demanda de energía de la carga). De esta manera, el generador de señales está configurado para su uso en espectroscopía de impedancia de banda ancha con el fin de generar datos de impedancia de alta resolución en un intervalo de frecuencia extendido. Esto puede permitir evaluar una amplia gama de fenómenos físicos de una carga (por ejemplo, propiedades eléctricas, químicas, físicas y biológicas) que ocurren en escalas de tiempo cortas o largas y se determinan cuando la carga se perturba usando una amplia gama de señales de frecuencia.

[0093] Ahora se hará referencia a la FIG.1, se muestra un diagrama de bloques simplificado para un sistema 100 de determinación de impedancia de carga según algunas realizaciones. Como se muestra, el sistema 100 generalmente incluye una fuente 102 de energía de CC, un generador 104 de señales de análisis de carga y una carga 106. El sistema 100 también incluye un controlador 108.

[0095] La fuente 102 de energía de CC puede ser cualquier fuente de energía adecuada que esté configurada para suministrar corriente CC (DC current, IDC) para alimentar la carga 106 (por ejemplo, una fuente de voltaje de CC). En diversas realizaciones, la fuente 102 de energía de CC también puede incluir un convertidor de energía que convierte el voltaje de entrada de CA o CC no regulada (por ejemplo, de una fuente de voltaje o red eléctrica) en una salida de voltaje de CC regulada según las demandas de energía de la carga 106. Por ejemplo, en algunos casos, la fuente 102 de energía de CC puede incluir una fuente de energía de modo de conmutación (Switch-Mode Power Supply, SMPS) que usa una topología de circuito de reducción, aumento o reducción y aumento (por ejemplo, una topología de circuito galvánicamente aislado o no aislado) para generar una salida de voltaje de CC regulada.

[0097] El generador 104 de señales de análisis de carga se acopla en serie entre la fuente 102 de energía y la carga 106. Como se explica con más detalle en esta invención, el generador 104 de señales está configurado para generar una señal de CA sinusoidal (también denominada en esta invención "señal de análisis de carga" (lAnálisis))) que se superpone sobre la corriente CC (DC current, IDC). Las señales combinadas de CA y CC (IDC lAnálisis) se inyectan en la carga 106.

[0098] En diversas realizaciones, el generador 104 de señales puede configurarse para generar diferentes señales de análisis de carga que oscilan a diferentes frecuencias. Por ejemplo, cuando el sistema 100 se usa en espectroscopía de impedancia, el generador 104 de señales puede inyectar la carga 106 con varias señales de análisis de carga de frecuencia y puede determinar la respuesta de impedancia de la carga en cada frecuencia aplicada. En al menos algunas realizaciones, el generador 104 de señales también puede estar configurado para generar señales de análisis de carga dentro de un amplio intervalo de frecuencias (por ejemplo, que se extiende hasta un intervalo de megahercios (MHz)) para proporcionar datos de espectro de impedancia de alta resolución. En otras realizaciones, en lugar de generar múltiples señales de análisis de carga, el generador 104 de señales puede generar una única señal de análisis de carga que tiene múltiples componentes de frecuencia (también conocida como señal de frecuencia mixta o señal sinusoidal). La respuesta de impedancia de la carga a continuación puede determinarse en relación con cada componente de frecuencia aplicada.

[0099] La carga 106 es cualquier carga física adecuada que es objeto de mediciones de impedancia. Por ejemplo, cuando el sistema 100 se aplica en espectroscopía de impedancia electroquímica (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS), la carga puede ser una batería, una celda de combustible o un electrolizador. La carga también puede ser una membrana que se emplea en el tratamiento de aguas residuales a base de membrana (por ejemplo, una membrana de ósmosis inversa (Reverse Osmosis, RO)). En otros casos, la carga puede ser una celda de tratamiento de agua de electroflotación, electrocoagulación, electrooxidación y/o electrocoagulación. En al menos algunos casos, la carga 106 puede acoplarse al sistema 100 usando uno o más electrodos. Por ejemplo, la carga 106 puede colocarse entre dos electrodos configurados para aplicar el voltaje combinado de CC y CA (es decir, generado por la fuente 102 de energía y el generador de análisis de carga 106).

[0100] En diversas realizaciones, uno o más sensores 110 pueden acoplarse a la carga 106. Los sensores 110 pueden proporcionar datos y/o información al controlador 108 para su uso en la determinación de la respuesta de impedancia de la carga 106 a varias señales de análisis de carga de frecuencia (o señales de análisis de carga que incluyen diferentes componentes de frecuencia). Por ejemplo, en algunas realizaciones descritas en esta invención, el sensor 110 puede ser un sensor de voltaje o corriente que está configurado para medir el diferencial de voltaje o corriente de CA a través de la carga 106. Por ejemplo, el controlador 108 puede usar el diferencial de voltaje, junto con un valor y frecuencia conocidos para la señal (lAnálisis) de análisis de carga, para determinar la respuesta de impedancia de la carga según la Ecuación (1).

[0101] Puede proporcionarse el controlador 108 para controlar los diversos componentes del sistema 100.

[0102] En al menos algunas realizaciones, el controlador 108 puede acoplarse al generador 104 de señales de análisis de carga. El controlador 108 puede entonces controlar las frecuencias y/o amplitudes de las señales de análisis de carga generadas por el generador 104 de señales. Por ejemplo, en algunos casos, el controlador 108 puede dirigir el generador 104 de señales para generar un número predeterminado de señales de análisis de carga que tienen frecuencias predeterminadas dentro de un intervalo de frecuencias predeterminado. En otros casos, el controlador 108 puede dirigir el generador 104 de señales para generar una única señal de análisis de carga que tiene un número predeterminado de componentes de frecuencia. El controlador 108 también puede controlar el intervalo de tiempo de cada señal de análisis de carga, así como el intervalo de tiempo entre señales de análisis de carga consecutivas.

[0103] En otras realizaciones, el controlador 108 puede acoplarse además al sensor 110. El controlador 108 puede recibir mediciones de datos (por ejemplo, mediciones de voltaje y corriente) del sensor 110, y puede usar las mediciones de datos para determinar la respuesta de impedancia de la carga 106. El controlador 108 también puede generar además un espectro de impedancia de la carga 106 según la respuesta de impedancia de la carga a diferentes frecuencias aplicadas.

[0104] En aún otras realizaciones, el controlador 108 puede acoplarse a la fuente 102 de energía de CC. En particular, cuando la fuente 102 de energía de CC incluye un convertidor de energía con un dispositivo de conmutación, el controlador 108 puede ajustar la frecuencia de conmutación del dispositivo de conmutación para ajustar la frecuencia de ondulación de CA generada por el convertidor de energía (por ejemplo, para minimizar la ondulación de CA). En otros casos, el controlador 108 puede ajustar el ciclo de trabajo del convertidor de energía (y en algunos casos, la frecuencia de conmutación) para variar la salida de CC regulada generada por el convertidor de energía para adaptarse a las demandas de energía variables de la carga 106.

[0105] Como se explica con más detalle aquí, el controlador 108 también puede acoplarse a uno o más sensores que están configurados para medir la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del generador 104 de señales, u otros parámetros que se relacionan con la corriente CC (DC current, IDC).

[0106] Ahora se hará referencia a la FIG. 2A, se muestra un diagrama de circuito simplificado para el sistema 100 de determinación de impedancia de carga de la FIG.1, según algunas realizaciones.

[0107] Como se muestra, la fuente 102 de energía de CC puede incluir una fuente 202 de voltaje de CC para alimentar la carga 106. En algunos casos, la fuente 102 de energía de CC también puede incluir un convertidor 204 de energía (por ejemplo, un SMPS) que está acoplado a la fuente 202 de voltaje de CC. En la realización ilustrada, el convertidor 204 de energía es un convertidor reductor de CC/CC que está configurado para reducir un voltaje de entrada recibido de la fuente 202 de voltaje de CC. El convertidor 204 reductor incluye un diodo 204a de despolarización directa en disposición en paralelo con un condensador 204b y un inductor 204c acoplado entre el diodo 204a de despolarización directa y el condensador 204b. En otros casos, el convertidor 204 reductor puede ser un convertidor reductor síncrono y puede incluir un MOSFET en lugar del diodo 204a. En otros casos, el convertidor reductor puede tener cualquiera de una serie de topologías de circuito adecuadas. En el ejemplo ilustrado, se proporciona un transistor (por ejemplo, un MOSFET) 204d para conmutar el convertidor 204 entre un modo encendido y un modo apagado. El transistor 204d incluye un nodo de drenaje que está acoplado a la fuente 202 de voltaje de CC, y un nodo de fuente que está acoplado a un nodo compartido común tanto al diodo 204a como al inductor 204c. El transistor 204d también incluye un nodo de puerta, que, en algunas realizaciones, está acoplado al controlador 108. El controlador 108 puede controlar la frecuencia de conmutación del transistor 204d transmitiendo una señal modulada por ancho de pulso (Pulse Width Modulated, PWM) al nodo de puerta, que a su vez controla el estado operativo del transistor. En algunos casos, un controlador de puerta puede estar situado entre el controlador 108 y el nodo de puerta del transistor 204d para transformar la señal de control del controlador 108 en una señal de voltaje para controlar el nodo de puerta. Como se mencionó anteriormente, el controlador 108 puede controlar el transistor 204d para variar el ciclo de trabajo de la fuente 102 de energía según las demandas de energía de la carga 106. En algunos casos, el controlador 108 también puede variar la frecuencia de conmutación del transistor 204d para cambiar la frecuencia de oscilación de una ondulación de CA generada por el convertidor de energía. Se apreciará que la topología de circuito ilustrada para el convertidor 204 de energía solo se ha mostrado en esta invención a modo de ejemplo, y que pueden emplearse otras topologías de circuito adecuadas.

[0109] Aún con referencia a la FIG. 2A, la fuente 102 de energía de CC está configurada para generar una salida de corriente CC casi de estado estable (DC current, IDC), que, en algunos casos, puede incluir una pequeña ondulación de conmutación de CA. La corriente CC (DC current, IDC) se alimenta al generador 104 de señales de análisis de carga.

[0111] En varias realizaciones, el generador 104 de señales de análisis de carga se forma a partir de un transformador 208 de múltiples devanados que incluye al menos un devanado 210 del lado primario que tiene N1 vueltas de devanado, y al menos un devanado secundario. En la realización ejemplar ilustrada, el al menos un devanado secundario incluye un primer devanado 212 secundario que tiene N2 vueltas, y un segundo devanado 214 secundario que tiene N3 vueltas. En otras realizaciones, el primer devanado y el devanado del lado secundario pueden combinarse en un solo devanado secundario. En incluso otras realizaciones, el devanado del lado primario puede comprender, por ejemplo, un primer devanado del lado primario y un segundo devanado del lado primario.

[0113] El devanado 210 primario está acoplado en serie entre la fuente 102 de energía de CC y la carga 106. El devanado 210 primario incluye un nodo 210a de entrada acoplado a la salida de la fuente 102 de energía de CC, y un nodo de salida acoplado a la carga 106. La corriente CC (DC current, IDC), de la fuente 102 de energía de CC, fluye por consiguiente a través del devanado 210 primario para alimentar la carga 106.

[0115] El primer devanado 212 secundario está acoplado en serie a un circuito 216 de despolarización, que incluye un generador 220 de voltaje de CC variable (también denominado fuente 220 de voltaje de "despolarización"). En particular, el circuito 216 de despolarización está configurado para eliminar el flujo magnético de CC que puede generarse en el núcleo del transformador como resultado de la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario. De esta manera, el circuito 216 de despolarización garantiza que el transformador 220 no entre en saturación y, por consiguiente, no sufra una eficiencia reducida, una mayor pérdida de energía, mecanismos de degradación (por ejemplo, un mayor riesgo de sobrecalentamiento del transformador) o, de lo contrario, dé como resultado un circuito abierto que haga que el sistema no esté operativo.

[0117] Para eliminar la polarización del núcleo del transformador, el generador 220 de CC variable genera una corriente CC inversa (también denominada corriente de eliminación de despolarización (De-biasing Current, IDE-BAIS)) a través del devanado 212 secundario. La corriente de despolarización (De-biasing Current, IDE-BAIS) está configurada para ser igual en magnitud (pero inversa en dirección) a la corriente CC (DC current, IDC) y en proporción a la relación de vueltas del primer y segundo devanados, según la Ecuación (2):

[0120]

[0123] La corriente de despolarización (De-biasing Current, IDE-BAIS) genera un flujo inverso en el núcleo del transformador que elimina, o reduce, la polarización de flujo generada por la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado primario. Por consiguiente, la corriente CC (DC current, IDC) puede fluir a través del devanado primario sin saturar el transformador 208. En varios casos, la corriente de despolarización puede generar el flujo inverso configurando el generador 220 de CC variable para generar la corriente de despolarización (De-biasing Current, IDE-BAIS) para que fluya en la dirección opuesta a la corriente CC (DC current, IDC). En otros casos, la corriente de despolarización (De-biasing Current, IDE-BAIS) puede fluir en la misma dirección que la corriente CC (DC current, IDC), pero el devanado 212 secundario puede enrollarse en la dirección inversa como el devanado 210 primario para generar el flujo inverso.

[0124] En diversas realizaciones, el generador 220 de CC variable puede acoplarse al controlador 108, que está configurado para controlar la corriente de despolarización (IDc-bias) generada por el generador 220 de CC. Por ejemplo, en al menos algunos casos, el controlador 108 puede determinar la corriente de despolarización necesaria (IDe-bias) según la cantidad de corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario. Por ejemplo, en la realización ilustrada, el controlador 108 está acoplado a uno o más sensores 222 que proporcionan datos con respecto a la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario. El controlador 108 procesa los datos recibidos de los sensores 222 y determina la corriente de despolarización adecuada (IDc-bias). El controlador 108 puede ajustar el generador 220 de CC variable para generar la corriente de despolarización apropiada determinada (IDc-bias). De esta manera, el controlador 108 puede formar parte de un bucle de retroalimentación que modifica la fuente 220 de voltaje (o corriente) de despolarización según los datos de los sensores 222.

[0125] Pueden acoplarse varios sensores 222 al controlador 108 para su uso en la determinación de la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario. Por ejemplo, en la realización ilustrada, el controlador 108 puede acoplarse a un sensor 222a de voltaje conectado en paralelo al devanado 210 primario (es decir, entre el nodo 210a de entrada y el nodo 210b de salida). El sensor 222a de voltaje puede medir el voltaje de CC diferencial a través del devanado 210 primario y puede transmitir la lectura de voltaje medida al controlador 108. El controlador 108 puede entonces determinar la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario según la lectura de voltaje y una impedancia conocida del devanado 210 primario. En otras realizaciones, el controlador 108 puede acoplarse a un sensor 222b de corriente que está en conexión en serie entre el nodo 210b de salida, del devanado 210 primario y la carga 106. El sensor 222b de corriente puede medir directamente la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario y puede transmitir esta información al controlador 108. Por consiguiente, el controlador 108 puede determinar la corriente CC (DC current, IDC) a través del devanado primario directamente a partir de los datos recibidos del sensor 222b de corriente. En otras realizaciones, el sensor 222b de corriente también puede colocarse entre la fuente 102 de energía de CC y el nodo 210a de entrada (del devanado primario), así como después de la carga 106. En varios casos, el sensor 222b de corriente también puede medir la corriente CA (por ejemplo, lAnálisis), y también transmitir esta información de medición al controlador 108.

[0126] En otras realizaciones más, un sensor 222c de efecto Hall puede estar ubicado cerca del transformador 208. Los sensores 222c de efecto Hall pueden medir el nivel de flujo magnético de CC presente en el transformador 202, y pueden generar una lectura de voltaje del flujo registrado. El controlador 108 puede recibir la lectura de voltaje del sensor 222d de efecto Hall, y puede ajustar la fuente 220 de voltaje de despolarización con el fin de eliminar, o reducir, el flujo de CC medido en el núcleo del transformador.

[0127] En varios casos, los sensores 222 pueden configurarse para transmitir información de manera continua, o periódicamente a intervalos de tiempo predefinidos, al controlador 108. En otros casos, los sensores solo pueden transmitir lecturas en respuesta a la ocurrencia de ciertos eventos. Por ejemplo, los sensores pueden transmitir lecturas solo cuando se detecta un cambio (o un cambio significativo) en un parámetro monitoreado. En otros casos, los sensores pueden transmitir información solo a petición del controlador 108.

[0128] Se apreciará que la configuración del sensor ilustrada en la FIG. 2A solo se ha mostrado en esta invención a modo de ejemplo, y que pueden usarse otros sensores y/o configuraciones de sensores para determinar la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario.

[0129] En aún otras realizaciones, el generador 220 de CC variable puede no acoplarse al controlador 108, y puede preconfigurarse para generar una corriente de "despolarización" (IDe-bias) basada en un valor conocido para la corriente CC (DC current, IDC), así como una relación de vueltas conocida N2:N1 entre los devanados primario y secundario.

[0130] Siguiendo con la FIG. 2A, el segundo devanado 214 secundario está acoplado en serie a un circuito 224 de inyección de análisis de carga, que incluye un generador 228 de señales de CA variable (también denominado fuente 228 de señal de análisis de carga).

[0131] La fuente 228 de señal de análisis de carga está configurada para generar una señal de CA (AC current, IAC) variable en el tiempo a través del devanado 214 secundario. La señal de CA (AC current, IAC) fluye a través del devanado 214 secundario y, a su vez, genera la señal (lAnálisis) de análisis de carga a través del devanado 210 primario. La señal de análisis de carga es igual en frecuencia a la señal de CA (AC current, IAC) y, de lo contrario, está relacionada con la señal de CA según la Ecuación (3):

[0134]

[0137] La señal (lAnálisis) de análisis de carga se superpone sobre la corriente CC (DC current, IDC) en el devanado 210 primario para generar una señal combinada de CA y CC (es decir, IDC lAnálisis) que se inyecta en la carga 106.

[0138] En diversas realizaciones, el generador 228 de CA variable puede configurarse para generar señales de análisis de carga a frecuencias, frases y/o amplitudes variables. Por ejemplo, cuando el sistema 100 se usa en espectroscopía de impedancia, el generador 228 de CA puede generar una pluralidad de señales de análisis de carga, cada una con diferentes frecuencias. Las señales de análisis de carga pueden inyectarse luego por separado en la carga 106, y la respuesta de impedancia de la carga, en cada frecuencia, puede determinarse individualmente, es decir, para generar un espectro de impedancia. En otras realizaciones, el generador 228 de CA variable puede generar una única señal de análisis de carga que tiene múltiples componentes de frecuencia. En al menos algunas realizaciones, el generador 228 de CA puede generar señales de análisis de carga en intervalos de alta frecuencia (o que tienen componentes de alta frecuencia) que, a su vez, permiten que la respuesta de impedancia de la carga 106 se determine en un amplio intervalo de frecuencia. En particular, esto permite evaluar las propiedades eléctricas, químicas, biológicas y físicas de la carga 106 que solo se determinan cuando la carga se perturba usando señales de alta frecuencia (por ejemplo, incluidas las propiedades de la membrana y la resistencia aparente y superficial).

[0139] Como se mencionó anteriormente, la salida de frecuencia máxima del generador 228 de señales de CA no está limitada de otro modo por la tasa de Nyquist de la fuente 102 de energía de CC. Además, el generador 228 de CA puede generar señales de análisis de carga de alta frecuencia sin sufrir la consiguiente pérdida de energía (por ejemplo, pérdidas de conmutación), que de otro modo puede obstaculizar el rendimiento de los sistemas de espectroscopía de impedancia industrial convencionales. Por consiguiente, el generador 228 de CA es capaz de generar eficazmente datos de espectroscopía de impedancia de alta resolución en grandes anchos de banda de frecuencia.

[0140] En al menos algunas realizaciones, el generador 228 de CA puede acoplarse además al controlador 108. El controlador 108 puede controlar las frecuencias de las señales de análisis de carga generadas por el generador 228 de CA. Por ejemplo, el controlador 108 puede controlar el generador 228 de CA para generar un número predeterminado de señales de análisis de carga discretas a frecuencias predeterminadas dentro de un intervalo de frecuencias predeterminado. A continuación, la respuesta de impedancia de la carga 106 puede determinarse por separado en cada frecuencia aplicada. El controlador 108 también puede especificar el intervalo de tiempo entre cuando se generan señales de análisis de carga consecutivas y se inyectan en la carga 106. Por consiguiente, esto puede permitir tiempo suficiente para inyectar cada señal de análisis de carga en la carga 106 y calcular la respuesta de impedancia resultante de la carga. En otros casos, en lugar de generar múltiples señales de CA a múltiples frecuencias, el controlador 108 puede dirigir el generador 228 de señales de CA para generar una única señal de CA de frecuencia mixta que tenga un intervalo de componentes de baja y alta frecuencia.

[0141] En al menos algunos casos, el generador 228 de CA puede no estar acoplado al controlador 108, y puede estar preconfigurado para generar automáticamente varias señales de análisis de carga a frecuencias predeterminadas y a intervalos de tiempo predeterminados. Además, o como alternativa, el generador 228 de CA también puede preconfigurarse para generar una o más señales de análisis de carga con múltiples componentes de frecuencia predeterminados.

[0142] Con el fin de determinar la respuesta de impedancia de la carga a diferentes frecuencias aplicadas de señales de análisis de carga (o señales de análisis de carga con diferentes componentes de frecuencia), el controlador 108 puede acoplarse al sensor 110 y recibir datos de este. En la realización ilustrada, el sensor 110 es un sensor de voltaje que está conectado en disposición paralela a la carga 106. El sensor de voltaje mide el voltaje de CA diferencial a través de la carga 106 en respuesta a una señal de análisis de carga aplicada y transmite la lectura de voltaje al controlador 108. El controlador 108 puede entonces determinar la respuesta de impedancia de la carga usando la lectura de voltaje, así como información conocida con respecto a la magnitud y frecuencia de la señal de análisis de carga inyectada (lAnálisis) (por ejemplo, según la Ecuación (1)).

[0143] En algunos casos, cuando la carga 106 se inyecta con una única señal de análisis de carga que tiene varios componentes de frecuencia, el controlador 108 puede configurarse para descomponer la lectura de voltaje de CA, recibida del sensor 110 de voltaje, en sus diversos componentes de frecuencia usando cualquier procedimiento de descomposición espectral y/o de frecuencia apropiado (por ejemplo, una transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT) o una transformada discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform, DFT)). El controlador 108 puede entonces analizar por separado la respuesta de impedancia de la carga a cada componente de frecuencia aplicada.

[0144] Ahora se hará referencia a la FIG.2B, se muestra un diagrama de circuito simplificado para un sistema 100’ de determinación de impedancia de carga de la FIG.1, según algunas otras realizaciones.

[0145] El sistema 100’ de determinación de impedancia de carga de la FIG. 2B es generalmente análogo al sistema 100 de determinación de impedancia de carga de la FIG. 2A con la excepción de que el sistema de determinación no incluye un circuito 216 de despolarización. Además, el transformador 208 incluye solo el devanado 210 del lado primario y un único devanado 214 secundario acoplado en serie al generador 228 de CA variable del circuito 224 de inyección. En esta realización, el transformador 208 puede seleccionarse para manejar corrientes de CC (DC current, IDC) del orden de 10 a 10000 amperios-vuelta. Por consiguiente, para estas aplicaciones, es posible que no se requiera un circuito 216 de despolarización para despolarizar el núcleo del transformador y evitar la saturación.

[0146] Ahora se hará referencia a la FIG.3, se muestra un diagrama de bloques simplificado del controlador 108 según algunas realizaciones.

[0147] Como se muestra en esta, el controlador 108 generalmente incluye un procesador 302 en comunicación con una memoria 304, un módulo 306 de comunicación y una interfaz 308 de usuario.

[0148] El procesador 302 puede configurarse para ejecutar una pluralidad de instrucciones para controlar y operar los diversos componentes del controlador 108. El procesador 302 también puede configurarse para recibir información de los diversos componentes del controlador 108 y para realizar determinaciones específicas usando esta información. A continuación, las determinaciones pueden transmitirse al dispositivo de memoria 304 y/o al módulo 306 de comunicación. Por ejemplo, en diversas realizaciones, el procesador 302 puede configurarse para recibir información, a través del módulo 306 de comunicación, de uno o más de los sensores 222. El procesador puede a continuación usar esta información para determinar la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario del transformador 208. Según esta determinación, el procesador 302 puede transmitir, a través del módulo 306 de comunicación, instrucciones para modificar la corriente de despolarización (IDe-bias) generada por el generador 220 de CC variable (es decir, para eliminar una polarización de flujo de CC en el núcleo del transformador). En otras realizaciones, el procesador 302 también puede configurarse para transmitir instrucciones, a través del módulo 306 de comunicación, al generador 228 de CA variable para generar una o más señales (lAnálisis) de análisis de carga que tienen diferentes frecuencias, o que tienen diferentes componentes de frecuencia, dentro de un intervalo de frecuencia predefinido. En aún otras realizaciones, el procesador 302 puede estar configurado para recibir, a través del módulo 306 de comunicación, lecturas de voltaje del sensor 110 de voltaje. El procesador 302 puede entonces determinar la respuesta de impedancia de la carga 106 según una frecuencia conocida de una señal de análisis de carga inyectada en la carga 106. En los casos en que se inyecta una señal sinusoidal (o señal multifrecuencia) en la carga 106, el procesador 302 puede configurarse además para descomponer la lectura de voltaje en sus componentes de frecuencia separados y, por consiguiente, para determinar la respuesta de impedancia de la carga en relación con cada componente de frecuencia. En otras realizaciones más, el procesador 302 puede estar configurado para correlacionar la respuesta de impedancia de la carga con una frecuencia aplicada para generar un espectro de impedancia de la carga en un intervalo de frecuencias. En al menos algunas realizaciones, las instrucciones que son ejecutadas por el procesador 302 pueden transmitirse desde un terminal remoto y recibirse por el procesador 302 a través del módulo 306 de comunicación. En otras realizaciones, el procesador 302 puede estar preconfigurado con instrucciones específicas. Las instrucciones preconfiguradas pueden ejecutarse en respuesta a eventos específicos o secuencias específicas de eventos, o a intervalos de tiempo específicos.

[0149] La memoria 304 puede ser, por ejemplo, una memoria de lectura-escritura no volátil que almacena instrucciones y datos ejecutables por ordenador, y una memoria volátil (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio) que puede usarse como memoria de trabajo por el procesador 302. En diversas realizaciones, la memoria 304 puede usarse para almacenar determinaciones hechas por el procesador 302 con respecto a la respuesta de impedancia de la carga 106 para frecuencias particulares (o componentes de frecuencia) de señales de análisis de carga que se inyectan en ella.

[0150] El módulo 306 de comunicación puede configurarse para enviar y recibir datos, o información, a varios componentes del sistema 100 de determinación de impedancia de carga. Por ejemplo, como se explicó anteriormente, el módulo 306 de comunicación puede recibir datos de uno o más de los sensores 222 y el sensor 110 de voltaje del sistema 100. En otros casos, el módulo 306 de comunicación puede configurarse para transmitir instrucciones al generador 220 de CC variable y/o al generador 228 de CA variable. Por consiguiente, el módulo 306 de comunicación puede configurarse para proporcionar comunicación bidireccional en ambos sentidos. En aún otras realizaciones, el módulo 306 de comunicación puede estar configurado para enviar y recibir datos a un terminal remoto. Por ejemplo, el módulo 306 de comunicación puede transmitir al terminal remoto la respuesta de impedancia de la carga 106 a una o más señales de análisis de carga aplicadas. Esta información puede transmitirse en tiempo real, o casi en tiempo real, para permitir que un operador del terminal remoto monitoree el estado y la salud de la carga 106 y tome medidas correctivas inmediatas si se detecta una falla en la carga 106. El módulo 306 de comunicación también puede recibir instrucciones del terminal remoto. Por ejemplo, un operador del terminal remoto puede transmitir instrucciones para modificar el número de señales de análisis de carga generadas por el generador 208 de CA, las frecuencias (o componentes de frecuencia) de las señales de análisis de carga generadas por el generador 228 de CA y/o el intervalo de frecuencia de las señales de análisis de carga generadas. En aún otras realizaciones, el módulo 306 de comunicación puede transmitir y recibir datos e información de un controlador externo (no se muestra) que está acoplado a la carga 106. Por ejemplo, el controlador externo puede configurarse para modificar el funcionamiento de la carga 106 según la información recibida sobre la respuesta de impedancia de la carga 106. El módulo 306 de comunicación también puede transmitir información de impedancia al controlador externo en tiempo real o casi en tiempo real.

[0151] En varios casos, el módulo 306 de comunicación puede, por ejemplo, comprender un transmisor o transceptor inalámbrico y una antena. En otros casos, el módulo 306 de comunicación puede configurarse simplemente para la comunicación por cable. En varios casos, el módulo 306 de comunicación puede configurarse para la comunicación a través de redes cableadas o inalámbricas públicas o privadas.

[0152] El controlador 108 también puede incluir una interfaz 308 de usuario. La interfaz 308 de usuario puede ser uno o más dispositivos que permiten a un usuario, u operador, interactuar con el controlador 108. Por ejemplo, la interfaz 308 de usuario puede tener un teclado u otro dispositivo de entrada que permita a un usuario introducir instrucciones en el controlador 108 con respecto a la operación del sistema 100 de determinación de impedancia de carga. Por ejemplo, en algunos casos, el usuario puede introducir instrucciones para controlar el número de señales de análisis de carga generadas por el generador 228 de CA, o las frecuencias de las señales de análisis de carga generadas por el generador 228 de CA (o los componentes de frecuencia de una señal de análisis de carga de frecuencia mixta). En otros casos, el usuario puede ingresar instrucciones para controlar el intervalo de frecuencia de las señales de análisis de carga generadas por el generador 228 de CA. En otros casos, el usuario puede controlar la corriente de despolarización (IDe-bias) generada por el generador 220 de CC variable. Por consiguiente, la interfaz 306 de usuario puede permitir el control directo del sistema 100 sin requerir un terminal remoto.

[0153] En al menos algunas realizaciones, la interfaz 308 de usuario también puede incluir una pantalla que permite al usuario ver la respuesta de impedancia determinada de la carga 106 en respuesta a diferentes frecuencias de señales de análisis de carga inyectadas en la carga 106. En algunos casos, la pantalla puede permitir al usuario ver la respuesta de impedancia de la carga en tiempo real, o casi en tiempo real, para permitir al usuario monitorear el estado y la salud de la carga 106 y, por consiguiente, tomar medidas correctivas inmediatas si se detecta una falla. La interfaz 308 de usuario puede incluir además una interfaz gráfica de usuario (Graphical User Interface, GUI) que facilita la interacción del usuario.

[0154] Ahora se hará referencia a la FIG.4, se muestra un ejemplo de curva 400 B-H del transformador 208 de la FIG.

[0155] 2A. En particular, la curva B-H muestra la intensidad (H) del campo magnético según la densidad (B) de flujo magnético dentro del transformador 208 resultante del efecto combinado de: (a) la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario del transformador 208, y (b) la corriente de "despolarización" (IDe-bias) que fluye a través del devanado 212 secundario. En particular, como se muestra, el gráfico B-H se mantiene estrictamente dentro de la región lineal de la curva B-H del transformador, y no se satura de otro modo. Por consiguiente, la corriente de "despolarización" (IDe-bias) puede garantizar de manera efectiva que el transformador funcione en la zona ideal, y de otro modo no sufre una pérdida de eficiencia. Esto, a su vez, permite el funcionamiento eficaz del generador 104 de señales de análisis de carga para inyectar señales de CA en la carga 106.

[0156] Ahora se hará referencia a la FIG. 5, se muestra un flujo de proceso para un ejemplo de procedimiento 500 para determinar las propiedades de impedancia de la carga 106. El procedimiento 500 puede llevarse a cabo, por ejemplo, usando el procesador 302 del controlador 108 en la FIG.3.

[0157] En 502, se determina la corriente CC (DC current, IDC) que fluye a través del devanado 210 primario del transformador 208. Como se indicó anteriormente, la corriente CC (DC current, IDC) puede determinarse usando la información recibida de uno o más sensores 222 en la FIG.2A.

[0158] En 504, la corriente de despolarización (IDe-bias) se determina según la Ecuación (3) y es aplicada por el generador 220 de CC variable a través del devanado 212 secundario del transformador 208.

[0159] En 506, el generador 228 de CA variable, que está acoplado al segundo devanado 214 secundario, genera una o más señales (lAnálisis) de análisis de carga que tienen diferentes frecuencias, o componentes de frecuencia, para inyección en la carga 106.

[0160] En 508, pueden medirse el voltaje y la corriente a través de la carga 106. Por ejemplo, el voltaje puede medirse usando el sensor 110 de voltaje, y la corriente puede medirse usando el sensor 222b de corriente.

[0161] En 510, según las mediciones en 508, la impedancia de la carga 106 puede determinarse en respuesta a cada frecuencia (o componente de frecuencia) de las señales de análisis de carga inyectadas en la carga.

[0162] La presente invención se ha descrito aquí solo a modo de ejemplo, mientras que en la presente invención se exponen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión completa de las realizaciones ejemplares descritas en la presente invención. Sin embargo, quienes posean conocimientos técnicos en la materia comprenderán que, en algunos casos, estas realizaciones pueden llevarse a cabo sin estos detalles específicos. En otros casos, no se han descrito en detalle procedimientos, procedimientos y componentes bien conocidos para no oscurecer la descripción de las realizaciones. Pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones en estas realizaciones ejemplares sin apartarse del alcance de la invención, que está limitado solo por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) para medir propiedades de impedancia de una carga (106), comprendiendo el sistema (100):

un transformador (208) que tiene al menos un devanado (210) primario y al menos un devanado (212, 214) secundario;

el al menos un devanado (210) primario del transformador (208) está acoplado en serie entre una fuente (102) de energía de corriente continua (Direct Current, DC) y la carga (106),

en donde la fuente (102) de energía de CC está configurada para generar una corriente CC a través del al menos un devanado (210) primario para alimentar la carga (106); y

al menos un primer sensor (110, 222) acoplado a la carga (106),

en donde el al menos un primer sensor (110, 222) está configurado para medir al menos un atributo de la carga (106);

caracterizado por que el sistema comprende, además:

un generador (228) de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable acoplado en serie al, al menos un devanado (212, 214) secundario, en donde el generador de CA variable está configurado para generar al menos una señal de análisis de carga; y

un controlador (108) acoplado operativamente al, al menos un primer sensor (110, 222),

en donde el controlador (108) está configurado para recibir una primera señal de entrada del al menos un primer sensor (110, 222) y está configurado además para determinar las propiedades de impedancia de la carga (106) según la primera señal de entrada.

2. El sistema (100) de la reivindicación 1, comprendiendo además un generador (220) de voltaje de CC variable acoplado en serie al, al menos un devanado (212, 214) secundario, en donde el generador (220) de voltaje de CC variable está configurado para generar una corriente de despolarización de CC a través del al menos un devanado (212, 214) secundario, en donde la corriente de despolarización de CC está configurada para invertir una polarización de flujo de CC generada en el transformador (208) por la corriente CC que fluye a través del devanado (210) primario;

3. El sistema (100) de la reivindicación 2, en donde el al menos un devanado (212, 214) secundario comprende un primer devanado (212) secundario y un segundo devanado (214) secundario, y en donde: el generador (220) de voltaje de CC variable está acoplado en serie al primer devanado (212) secundario, y

el generador de voltaje de corriente alterna (Alternating Current, AC) variable está acoplado en serie al segundo devanado (214) secundario.

4. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el al menos un primer sensor (110, 222) comprende un primer sensor (222a) de voltaje acoplado en disposición paralela a la carga (106).

5. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, comprendiendo además al menos un segundo sensor (110, 222), en donde el al menos un segundo sensor (110, 222) está configurado para medir un parámetro relacionado con la corriente que fluye a través del devanado (210) primario del transformador (208).

6. El sistema (100) de la reivindicación 5, en donde el al menos un segundo sensor (110, 222) comprende un sensor (222b) de corriente y el sensor (222b) de corriente está acoplado a la carga (106),

en donde el sensor (222b) de corriente está configurado para medir la corriente que fluye a través del al menos un devanado (210) primario del transformador (208).

7. El sistema (100) de la reivindicación 5, en donde el al menos un segundo sensor (110, 222) comprende un segundo sensor (222a) de voltaje, y el segundo sensor (222a) de voltaje está acoplado en disposición paralela al, al menos un devanado (210) primario del transformador (208), en donde el segundo sensor (222a) de voltaje está configurado para medir un voltaje de CC a través del al menos un devanado (210) primario del transformador (208).

8. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde el controlador (108) está acoplado operativamente al generador de voltaje de CC variable, y el controlador (108) está configurado además para:

determinar, según una segunda señal de entrada recibida del al menos un segundo sensor (110, 222), la corriente CC que fluye a través del al menos un devanado (210) primario del transformador (208), y según la determinación, ajustar el generador (220) de voltaje de CC variable para generar la corriente de despolarización de CC.

9. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el generador de voltaje CA variable está configurado para generar señales de análisis de carga que tienen frecuencias entre 0 KHz y 1 GHz.

10. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el generador de voltaje CA variable está configurado para generar una pluralidad de señales de análisis de carga, teniendo cada una al menos una de una frecuencia, amplitud y fase diferentes.

11. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el generador de voltaje CA variable está configurado para generar una señal de análisis de carga de frecuencia mixta.

12. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el controlador (108) está acoplado operativamente al generador de voltaje de CA variable y está configurado para controlar la frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga generada por el generador de voltaje de CA variable.

13. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el controlador (108) está configurado para determinar las propiedades de impedancia de la carga (106) según una frecuencia de la al menos una señal de análisis de carga, y la primera señal de entrada del al menos un primer sensor (110, 222).

14. El sistema (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde la carga (106) comprende al menos una celda de combustible, una batería, un electrolizador, una membrana para su uso en el tratamiento de aguas residuales y al menos una de una celda de tratamiento de agua por electroflotación, electrooxidación y electrocoagulación.

15. Un procedimiento para medir propiedades de impedancia de una carga (106), comprendiendo el procedimiento:

alimentar una carga (106) con una fuente (102) de energía de corriente continua (Direct Current, DC), en donde la carga (106)

y la fuente (102) de energía de CC están acopladas a al menos un devanado (210) primario de un transformador (208); y caracterizado por que el procedimiento comprende, además:

aplicar, usando un generador (228) de voltaje de corriente alterna (AC) variable,

al menos una señal de análisis de carga a la carga (106), en donde el generador de voltaje de CA variable está acoplado a al menos un devanado (212, 214) secundario del transformador (208).