ES2557029T3 - Dispositivo para registrar estados críticos de una superficie - Google Patents

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ES2557029T3 ES13716171.7T ES13716171T ES2557029T3 ES 2557029 T3 ES2557029 T3 ES 2557029T3 ES 13716171 T ES13716171 T ES 13716171T ES 2557029 T3 ES2557029 T3 ES 2557029T3
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Abstract

Dispositivo (100, 100''') para el registro de estados críticos sobre una superficie de un elemento constructivo (20), caracterizado por una placa portadora (21) al menos parcialmente flexible, que puede fijarse a la superficie (O), que está integrada mecánicamente en una unidad con al menos un sensor (4) para el registro de estados críticos de la superficie, un acumulador de energía eléctrica (3, 11), un equipo para la obtención de energía eléctrica, una unidad de control (4) para registrar y procesar los datos de sensor, así como una unidad de transmisión de datos para la transmisión inalámbrica de datos, en el que al menos el sensor (4) está obturado herméticamente.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo para registrar estados crlticos de una superficie Campo tecnico
La detection de formation de hielo en superficies (tambien superficies superiores), como por ejemplo en las palas de rotor de aerogeneradores puede contribuir fundamentalmente al cumplimiento de condiciones de funcionamiento seguras. En el sector de los aerogeneradores, una capa de hielo ocasiona un rendimiento de energla menor y una carga mecanica mas alta de la instalacion y alberga al mismo tiempo el peligro de lanzamiento de hielo (un peligro tanto para personas como para bienes materiales). Ya capas delgadas provocan perdidas de rendimiento relevantes por el flujo turbulento en la superficie, condicionado por la mayor rugosidad. Las capas mas gruesas pueden llevar a danos en la maquina por las intensas vibraciones y desequilibrios, y a danos en el caso de lanzamientos. Los explotadores de aerogeneradores estan interesados ahora en lugares de emplazamiento amenazados, en conocer lo mejor posible el grado de congelation de las palas de rotor para desconectar el aerogenerador a tiempo antes de que aparezcan danos, o tambien para activar de manera encauzada un calentamiento electrico de las palas de rotor eventualmente existente.
Sin embargo, la formacion de hielo es un fenomeno relevante tambien en otros ambitos, como por ejemplo en las calles, alas de aviones o antenas, cuya deteccion y elimination tempranas facilita un funcionamiento sin fallos mediante medidas adecuadas.
Estado de la tecnica
Los sistemas comerciales actuales para la deteccion de la congelacion son aparatos de medicion normalmente complejos que en el entorno de aerogeneradores, debido a su tamano de construction, estan montados de manera fija y necesitan por su construccion normalmente una toma de corriente (por ejemplo sistemas opticos y basados en ultrasonidos). En los clrculos competentes se conoce el poder diferenciar fundamentalmente el comportamiento de formacion de hielo por ejemplo, en aerogeneradores, en el lugar de emplazamiento de la gondola y en las palas de rotor (por ejemplo mediante la velocidad del viento mas elevada que resulta de la rotation). Por lo tanto se desarrollaron sistemas adicionalmente que examinan el comportamiento de formacion de hielo de las palas de rotor, por ejemplo, mediante vigilancia del estado de la pala de rotor por medio de analisis de frecuencia propia. Este sistema alberga la desventaja de que no solo la capa de hielo exclusivamente puede llevar a la variation de las frecuencias propias. Ademas, el umbral de deteccion se situa relativamente alto (alrededor de 4 % en variacion de peso) y no es posible ninguna localization de la capa de hielo. Ademas se conoce un sistema que emplea un principio de deteccion de hielo optico al conducirse fibras opticas desde el interior a la superficie de la pala de rotor (documento DE 102005017716 A1). Esto condiciona el montaje de un aparato de medicion complejo en la pala de rotor y con ello un gasto de instalacion elevado, ademas de danos en la superficie y permite la medicion solamente en pocos puntos por cada pala de rotor.
Por ejemplo, en los documentos FR 2750494 A1 y US5177662 se describen procedimientos para la deteccion de humedad o humedad ambiental mediante la absorcion en un sustrato poroso y la evaluation de una impedancia compleja. Sin embargo, estos procedimientos debido a su principio no son capaces de detectar la presencia de hielo o de un grosor de capa, dado que el procedimiento basado en la absorcion condiciona que pueda penetrar humedad en el interior del sensor.
Por consiguiente se conocen procedimientos para la deteccion de hielo que se basan en la medicion de la capacidad electrica o impedancia (por ejemplo el documento US 5398547). Estos procedimientos se caracterizan especialmente por una construccion plana con escasa altura de construccion.
El documento DE 10205017716 emplea el envlo inalambrico de senales a traves de un tramo de transmision a un receptor como principio de medicion para el registro de depositos como obstaculos en un trayecto de transmision optico como metodo para la deteccion de hielo sobre la superficie de una pala de rotor. El documento WO 2009/052828 se considera como estado de la tecnica mas cercano.
Objetivo de la invencion
El objetivo se describe de la siguiente manera: un dispositivo para registrar estados de superficie crlticos, en el que las superficies especialmente amenazadas normalmente no son llanas (planas), (por ejemplo aviones, palas de rotor, aislantes de alta tension o antenas). La forma superficial o bien calidad no permite modificarse por el sensor, o bien no de manera determinante, para no modificar, o solo mlnimamente por ejemplo el comportamiento con respecto a una formacion de hielo. La aerodinamica no permite dejarse influir por el dispositivo, o solamente un poco. Por hielo, en el sentido de la invencion pueden entenderse todo tipo de agua congelada tambien mezclado con agua llquida. Dado el caso, pueden ser de interes una clasificacion del tipo de hielo o la deteccion de situaciones en las que seguramente no existe hielo en la superficie. En el sentido de la invencion el agua comprende tambien mezclas de agua e impurezas de la superficie.
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Como estados de superficie crlticos en el sentido de la invencion pueden entenderse especialmente los siguientes escenarios: agua y/o hielo y/o mezcla de los mismos en superficies (por ejemplo palas de rotor) de aerogeneradores, hielo y/o agua y/o impurezas en aislantes de alta tension. En este caso una meta de la invencion es registrar estados crlticos que se encuentran en el origen para que puedan tomarse contramedidas en un margen de tiempo en el que estos estados crlticos puedan dominarse todavla.
La invencion concreta consigue el objetivo, entre otros porque el dispositivo que contiene un equipo para la deteccion de hielo y/o agua, para el suministro de energla y para la transmision de datos, esta realizado al menos parcialmente de manera mecanicamente flexible para que sea posible una adaptation a superficies no llanas. El dispositivo puede estar obturado hermeticamente, es decir no puede penetrar agua ni humedad ambiental en el interior del sensor, especialmente la superficie llmite respecto al ambiente no es en ningun caso porosa. Mediante la integration en una unidad y la forma geometrica (entre otros mediante la altura de construction reducida con respecto a longitud y anchura) es posibles de manera sencilla una primera pero tambien una instalacion posterior del dispositivo en una superficie que va a registrarse y sin grandes variaciones en la superficie. Los datos registrados y evaluados pueden transmitirse de manera inalambrica o por cable a un dispositivo adicional o a una estacion base, aunque esta no necesita encontrarse obligatoriamente en la pala de rotor, ni tampoco formar con el emisor y el receptor una unida mecanica.
Adicionalmente se exponen detalles adicionales a formas de realization y ventajas de la invencion concreta.
La instalacion en superficies no llanas condiciona una realizacion flexible, sobre todo de elementos de construccion de superficie grande, especialmente una placa portadora al menos parcialmente flexible, que por ejemplo este realizada a partir de dos placas de circuitos impresos flexibles que pueden representar al mismo tiempo la envoltura exterior, con un material de relleno dispuesto entre medias (por ejemplo relleno de pollmero), por lo que esta garantizada una union mecanica de todos los componentes.
Ademas son necesarios un espesor reducido de los componentes individuales y dimensiones pequenas de elementos de construccion rlgidos. El grosor total se situa en el intervalo de millmetros bajo de una sola cifra; espesores por debajo de 5 mm son ventajosos y permiten una relation entre la longitud lateral mayor y el grosor del dispositivo mayor de 10.
El sensor para la deteccion de hielo y/o la medicion de grosor de hielo y/o clasificacion de hielo puede estar realizado, por ejemplo como sensor capacitivo. Un sensor capacitivo para la deteccion de hielo y/o la medicion de grosor de hielo se compone de varios electrodos de estructuras conductoras, que por ejemplo pueden estar aplicados sobre un material portante (es decir reducida absorcion de agua/reducida permeabilidad al agua) que va a obturarse hermeticamente de manera ideal, no poroso, flexible, y una unidad de evaluation que mide capacidades entre electrodos dispuestos en gran medida planos, y de ahl devuelve un valor para la deteccion y/o grosor. El material de la superficie llmite entre sensor y mundo exterior debe obturarse tambien hermeticamente en gran medida, es decir, que el material casi no presenta ninguna permeabilidad o capacidad de absorcion para agua o vapor de agua.
Otros sensores contenidos en el dispositivo pueden medir por ejemplo claridad, oscilaciones, temperatura y/o corrientes electricas. En este caso son de interes, sobre todo, corrientes de fuga (corrientes continuas y corrientes alternas) a lo largo de superficies aislantes, como por ejemplo, aislantes de alta tension sobre los que puede instalarse el dispositivo.
El montaje del dispositivo puede realizarse mediante adhesion a una superficie que va a observarse (con o sin aplicacion de capas de protection adicionales sobre el dispositivo) o mediante la incorporation por ejemplo en capas externas de una pala de rotor durante el proceso de fabrication. Por ello no es necesaria ninguna intervention mecanica (perforaciones, ranuras, entalladuras) en la superficie que va observarse.
En el caso de adhesion pueden ser por ejemplo laminas autoadhesivas (por encima o por debajo del dispositivo), adhesivos de aerosoles, pegamentos llquidos. En una forma de realizacion preferente se aplica un pegamento ya en el proceso de fabricacion sobre el dispositivo y se recubre con una lamina de proteccion hasta el montaje, de manera que en un montaje solamente debe retirarse la lamina de proteccion y el dispositivo puede instalarse directamente en la superficie que va a observarse.
Un tratamiento de superficie tlpico (siempre y cuando no sea electrico o solo escasamente conductor) puede aplicarse tambien por encima del dispositivo, de manera que la calidad de superficie original queda garantizada.
La energla electrica necesaria para el funcionamiento puede obtenerse del ambiente: por ejemplo son celulas solares flexibles a base de gas o silicio amorfo. Ademas puede utilizarse una obtencion de energla del calor (generador termoelectrico) o de vibraciones de la superficie. Son asimismo tecnologlas que pueden realizarse con escasa altura de construccion y/o en gran medida flexibles.
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La energla electrica necesaria para el funcionamiento se almacena temporalmente en un acumulador de energla. Estos acumuladores de energla que pueden cargarse de nuevo normalmente pueden realizarse tambien en realizacion flexible. Por ejemplo pueden ser acumuladores o condensadores (tambien supercapacitores, etc.). Ademas puede emplearse tambien una celula (baterla) primaria (flexible).
La transmision de datos de los datos de medicion registrados puede realizarse de manera ventajosa inalambricamente (es decir, por ejemplo mediante tramos de transmision opticos, o por radio) para hacer obsoletas ademas de una conexion con el suministro de corriente tambien conexiones para la transmision de datos; por tanto no son necesarios cableados. En este caso el dispositivo puede obturarse completamente de manera hermetica, es decir, ningun material (por ejemplo agua o humedad ambiental) puede penetrar en el interior del dispositivo. Esto aumenta la robustez del sistema.
Varios de los dispositivos de este tipo pueden comunicarse entre si de manera opcional para limitar por un lado el tramo (y por tanto la demanda de energla) que va a puentearse por radio por la transmision de datos, y por otro lado aumentar la seguridad frente a averlas y la calidad estadlstica de los datos de medicion.
Una aplicacion posible de tales dispositivos es la deteccion de hielo y/o la medicion de espesor de hielo sobre la superficie de palas de rotor de aerogeneradores. En este caso el dispositivo puede utilizarse ademas para controlar equipos para descongelacion de superficies de palas de rotor (por ejemplo ventiladores de aire caliente, calentadores de superficies). El peso reducido, la altura de construccion reducida, y la longevidad del dispositivo son a este respecto de especial provecho. A este respecto el dispositivo puede integrarse y aplicarse conjuntamente, por ejemplo, en una calefaccion de superficie, por lo que el dispositivo puede formar una unidad mecanica con el equipo para la descongelacion. En este caso existe la posibilidad de aprovechar la corriente de calor de la calefaccion al ambiente para la obtencion de energla termo-electrica. Ademas existe la posibilidad de emplear piezas conductoras de la calefaccion como electrodos para la deteccion de hielo o medicion de grosor de hielo (tecnologla de sensores de hielo capacitivos), por lo que el dispositivo tambien puede formar electricamente una unidad con el equipo para la descongelacion. Bajo determinadas circunstancias el dispositivo puede instalarse tambien en el lado interior de la pala de rotor.
La invencion se refiere a un dispositivo para la deteccion y medicion de espesor de hielo y agua en superficies, y se caracteriza porque los grupos constructivos para obtencion de energla del medio ambiente, almacenamiento de energla, procesamiento de datos y transmision de datos inalambrica ya estan contenidos en el dispositivo, estando realizado todo el dispositivo delgado y flexible. Por tanto el dispositivo puede instalarse sin mayores intervenciones mecanicas, tambien posteriormente, en el objeto que va a equiparse con el dispositivo. Los dispositivos individuales pueden, opcionalmente, comunicar, trabajar no solamente con una estacion base sino tambien entre si, pero independientemente unos de otros.
La presenten invencion se presenta como sigue: un dispositivo para la deteccion de estados de superficie crlticos (por ejemplo cuantificacion de hielo y agua en superficies), estando contenidos todos los grupos constructivos para el suministro de energla y procesamiento de datos as! como transmision de datos en el dispositivo, as! como todo el dispositivo esta realizado delgado (altura de construccion por debajo de 5 mm o bien relacion entre la longitud lateral mayor y el grosor > 10) y al menos parcialmente flexible (plegable). Mediante la altura de construccion reducida se minimizan variaciones de la aerodinamica, y por tanto tambien variaciones en el comportamiento de formacion de hielo mediante el dispositivo.
Enumeracion de los dibujos
La invencion se explica con mas detalle mediante un ejemplo de realizacion de acuerdo con los dibujos, en los que la figura 1 representa un diagrama de bloques a modo de ejemplo del dispositivo, la figura 2 muestra forma de realizacion a modo de ejemplo del dispositivo de perfil, la figura 3 muestra una vista desde arriba de una forma de realizacion ejemplar del dispositivo y la figura 4 muestra ejemplarmente una pala de rotor con posibles lugares de montaje para el dispositivo, la figura 5 muestra ejemplarmente el montaje del dispositivo sobre un aislante electrico.
Descripcion detallada mediante el uso de los signos de referencia en el dibujo
Tal como se representa en la figura 1, el dispositivo 100 contiene ademas de un sensor para la deteccion de hielo y/o medicion de grosor de hielo y/o clasificacion 4 de hielo un sistema para la obtencion de energla del ambiente 1 (por ejemplo, de radiacion solar, calor, vibraciones o corrientes de fuga, campo
electrico/magnetico/electromagnetico). Estas fuentes de energla no estan disponibles normalmente de manera continua, por lo que la energla puede almacenarse temporalmente en un acumulador de energla 3. Estos grupos
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constructivos se realizan opcionalmente flexibles y delgados. La regulacion se realiza por un sistema 2 de gestion de energla.
Una unidad de control 5 (por ejemplo un microprocesador) se abastece de energla electrica por el acumulador de energla 3 o el sistema para la obtencion de energla desde el ambiente 1 y registra datos de medicion del sensor para la detection de hielo y/o medicion de grosor de hielo y/o clasificacion de hielo 4. Estos datos pueden procesarse con datos de medicion adicionales de sensores 6 adicionales (por ejemplo temperatura, corriente), y se transmiten a traves de equipo para la transmision 7 de datos, por ejemplo de manera inalambrica a traves de un tramo de radio 8 a un dispositivo 100' adicional o una estacion base 9. Segun el lugar de emplazamiento y condiciones del ambiente pueden preverse diferentes equipos para la obtencion y almacenamiento de energla (tambien varios sistemas en un dispositivo 100).
Las figuras 2 y 3 muestran la construction esquematica a modo de ejemplo del dispositivo: una celula solar 10 rlgida o flexible esta situada sobre o debajo de una superficie que va a observarse y se separa del ambiente mediante una capa de protection al menos parcialmente transparente. Una baterla flexible 11 se encuentra dentro del dispositivo 100 que esta rodeado por una envoltura externa 12 (por ejemplo una placa de circuitos impresos flexible). Todo el espacio interior se llena con un material de relleno 14 (dado el caso reforzado) (por ejemplo un pollmero). La envoltura 12 externa que puede estar realizada como placa de circuitos impresos flexible forma con el material de relleno 14 una unidad mecanica con la funcion de la placa de circuitos impresos 21 flexible. Asimismo, dentro del dispositivo 100 estan situados equipos adicionales, por ejemplo componentes electronicos y modulos 13 integrados para el procesamiento de datos, medicion y transmision de datos. Los electrodos para una deteccion de hielo o medicion de grosor de hielo 15 se encuentran por debajo de la superficie a observar del dispositivo 100. La antena de radio 16 tambien esta integrada en el dispositivo 100 y puede estar situada asimismo por debajo de la superficie 0 a observar.
Mediante las caracterlsticas descritas, el dispositivo 100 puede obturarse dado el caso hermeticamente (aislado electricamente por completo), por lo que puede realizarse una vida util especialmente larga ilimitada. Ademas todo el dispositivo 100 esta realizado delgado (altura de construccion por debajo de 5 mm o relation entre longitud lateral mayor y grosor mayor de 10) y flexible (plegable). La realization flexible de elementos constructivos de superficie grande, delgados con un uso simultaneo de un material portante flexible, la disposition de los componentes entre si y las dimensiones pequenas de componentes rlgidos contribuyen esencialmente a la flexibilidad del dispositivo 100.
La figura 4 muestra tres de muchas posiciones de montaje posibles del dispositivo 100 sobre una pala de rotor 20 de un aerogenerador. El dispositivo 100 y dispositivo 100' en el borde delantero de la pala de rotor 20 estan colocados de manera notablemente mas relevante que el dispositivo 100'', dado que, de acuerdo con la experiencia, las formaciones de hielo comienzan en el borde delantero, y segun el fabricante, tambien solamente esta zona se equipa con un equipo para la descongelacion 22. Normalmente justo en estas posiciones la curvatura de la superficie 0 de la pala de rotor 20 es pronunciada de manera especialmente intensa, lo que hace necesario un dispositivo 100 al menos parcialmente flexible para la medicion. Al mismo tiempo justo en el borde delantero las intervenciones en la aerodinamica son crlticas. Por lo tanto es necesario un tipo de sujecion con demanda de altura de construccion lo mas reducida posible (adhesion o integration mediante lamination) y una altura de construccion reducida del dispositivo 100. Las capas de proteccion por encima del dispositivo 100 no son problematicas, siempre y cuando sean no conductoras y dado el caso transparentes. Ademas mediante el uso de materiales similares y altura de construccion comparable el dispositivo 100, por ejemplo, puede integrarse en una calefaccion de superficie de tal manera que sea posible un montaje comun o bien el aprovechamiento comun de estructuras conductoras.
Los datos de medicion registrados se pasan, por ejemplo por radio en una red de sensores a un dispositivo 100' adicional o dispositivo 100'' para la transmision adicional, o se transmiten directamente a una estacion base 9 para la evaluation y/o para el control de un equipo para la descongelacion 22. En este caso la realizacion como red de sensores puede ser ventajosa para reducir el tramo (y por tanto la demanda de energla) que va puentearse por la transmision por radio, por otro lado son utiles varios puntos de medicion para garantizar la redundancia del sistema y la alta calidad de los valores registrados.
La figura 5 muestra una de muchas posiciones de montaje posibles del dispositivo 100: la instalacion del dispositivo 100''' sobre la superficie O de un aislante de dispositivos de transmision de alta tension 23 (por ejemplo, torres de llneas aereas, boquillas de paso de transformador) permite, en una forma de realizacion adecuada, (por ejemplo con forma anular, instalacion en la position de montaje 24) la medicion de corrientes de fuga no deseadas a lo largo de superficies de este tipo por medio de procedimientos de contacto o sin contacto para la medicion de corriente (por ejemplo bobina Rogowski, sensor de saturation, resistencia shunt).

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo (100, 100''') para el registro de estados crlticos sobre una superficie de un elemento constructivo (20), caracterizado por una placa portadora (21) al menos parcialmente flexible, que puede fijarse a la superficie (O), que esta integrada mecanicamente en una unidad con al menos un sensor (4) para el registro de estados crlticos de la superficie, un acumulador de energla electrica (3, 11), un equipo para la obtencion de energla electrica, una unidad de control (4) para registrar y procesar los datos de sensor, as! como una unidad de transmision de datos para la transmision inalambrica de datos, en el que al menos el sensor (4) esta obturado hermeticamente.
  2. 2. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el equipo para la obtencion de energla electrica presenta una celula solar (10).
  3. 3. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que es mas delgado de 5 mm.
  4. 4. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que puede adherirse a la superficie (O).
  5. 5. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que esta integrado por debajo de la superficie (O) en el elemento constructivo (20).
  6. 6. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el sensor (4) es un sensor capacitivo para registrar una congelacion con varios electrodos (15) de estructuras conductoras.
  7. 7. Dispositivo (100, 100''') de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el sensor (4) puede fijarse a la superficie (O) de un elemento constructivo (20) que presenta un equipo (22) para la descongelacion de la superficie, recurriendose al dispositivo para el control del equipo (22) de descongelacion.
  8. 8. Dispositivo (100''') de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el sensor para la medicion de corrientes de fuga esta instalado sobre la superficie (O) de un aislante (23).
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