ES2573842B2 - Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular - Google Patents

Abstract

Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular.#Consiste en un anillo soporte (3) formado a partir de dos semicilindros articulados en uno de sus extremos (5) y provistos de un cierre en el otro (6), que permite su fijación en torno al componente tubular cuya temperatura se desea monitorizar. Sobre el anillo soporte se ubican una serie de módulos de posicionamiento de termopares (4), accionados mediante un muelle, que aseguran el contacto entre los termopares y el componente monitorizado durante el proceso de adquisición de datos de temperatura. El anillo soporte dispone de una serie de soportes (11) roscados radialmente en su superficie interior para mantener una distancia adecuada entre la superficie exterior del componente monitorizado y el anillo, de forma que el anillo nunca entra en contacto directo con el componente monitorizado. Asimismo, el anillo dispone de un conjunto de mordazas (10) para la fijación y conducción de los cables de termopar a lo largo de su periferia. Todo el conjunto está aislado térmicamente mediante una carcasa que evita potenciales incertidumbres en la medida de temperatura del componente monitorizado introducidas por variaciones de la temperatura ambiente.

Description

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DESCRIPCION

Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invention se refiere a un sistema externo no invasivo para la determination de la distribution espacial y variation temporal de temperaturas en componentes tubulares de instalaciones industriales, tales como tuberlas de proceso del tipo habitualmente utilizado en centrales de generation de energla electrica e instalaciones petroqulmicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Existen multiples casos de procesos industriales en los que un fluido caliente circula por un sistema de tuberlas atravesando diferentes componentes para cumplir diferentes funciones relacionadas con procesos termodinamicos de intercambio de masa, cantidad de movimiento o energla. Por ejemplo, en el caso de centrales nucleares de generacion de energla electrica de agua en ebullition, las tuberlas de agua de alimentacion conducen agua desde el condensador hasta el reactor, atravesando varios intercambiadores de calor que calientan el agua antes de su inyeccion a la vasija del reactor a traves de las toberas de agua de alimentacion. En el interior del reactor el agua se calienta hasta su punto de ebullicion, y el vapor as! generado se conduce a la turbina a traves de un nuevo sistema de tuberlas, para posteriormente condensarse en el interior del condensador y devolverse al reactor a traves de las ya mencionadas tuberlas de agua de alimentation.

Las variaciones espaciales y temporales de temperatura en el fluido de proceso generan a su vez variaciones en las tensiones termicas existentes en el material de las tuberlas y componentes por los que circula dicho fluido. Estas variaciones de tension producen ciclos de fatiga en el material, reduciendo su vida util. Una vez que el dano acumulado por fatiga agota la vida util del material, se produce la aparicion de grietas por fatiga que pueden poner en peligro la integridad estructural del componente, por lo que es necesaria la sustitucion o reparacion del mismo.

Dado que la fatiga debida a variaciones de temperatura en los fluidos de proceso tiene un impacto significativo sobre la vida util de los componentes por los que circulan dichos fluidos, es habitual monitorizar el dano acumulado por fatiga en los componentes crlticos de los diferentes sistemas de una instalacion industrial mediante el uso de programas informaticos especlficamente desarrollados para tal fin. Los documentos de patente US4764882, "Method of monitoring fatigue of structural component parts, for example, in nuclear power plants”, US4908775, "Cycle monitoring method and apparatus” y US5157619, "Abnormal thermal loading effects monitoring system”, presentan descripciones de este tipo de sistemas cuya funcion es la monitorizacion del dano acumulado por fatiga en componentes sometidos a

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variaciones de temperatura debidas a cambios termicos en el fluido que circula por su interior.

Todos los sistemas de monitorizacion del dano acumulado por fatiga requieren conocer la variation espacial y temporal de la temperatura en los componentes monitorizados. Estos datos de temperatura pueden proceder de dos fuentes. En un primer caso los datos se obtienen de sensores ya existentes en el sistema que se desea monitorizar, mientras que en el segundo caso los datos de temperatura proceden de instrumentos instalados especlficamente para proporcionar datos de entrada a los sistemas de monitorizacion de fatiga.

En el caso de utilizar lecturas procedentes de sensores ya existentes, habitualmente estos sensores fueron instalados durante el proceso de construction de la instalacion industrial con objeto de proporcionar a los operadores del sistema la information necesaria para controlar adecuadamente el proceso industrial que tuviese lugar en dicho sistema. Dado que la funcion original de estos sensores no era la de proporcionar datos para su uso en calculos estructurales de fatiga de materiales, sino la de proporcionar informacion operativa y de control a los operadores humanos, es habitual que las ubicaciones y los rangos de medida de estos instrumentos de medida no sean idoneos para el uso de sus lecturas en calculos de dano acumulado por fatiga. Es habitual que estos sensores se ubiquen relativamente lejos de los componentes sobre los que se desea realizar la monitorizacion de fatiga, por lo que se requiere el uso de correlaciones anallticas para calcular la temperatura en los puntos de interes de los componentes monitorizados a partir de la temperatura registrada en los puntos donde se ubica la instrumentation de proceso existente. Las incertidumbres asociadas a este uso de correlaciones anallticas repercuten en la precision de los calculos de acumulacion de dano por fatiga, pudiendo ocasionar errores que lleven a fallos imprevistos del componente o a su sustitucion preventiva cuando la vida util del componente aun no se ha agotado.

Las incertidumbres anteriormente comentadas asociadas al uso de instrumentacion de proceso ya existente para la realization de calculos de acumulacion de dano por fatiga obligan a la instalacion de sensores colocados directamente sobre los componentes que se desea monitorizar cuando se requieren precisiones elevadas en los calculos. Asimismo, esta colocation de sensores especlficos permite adecuar sus rangos de medida, precisiones y frecuencias de muestreo a lo requerido por el sistema de monitorizacion, disminuyendo por tanto las incertidumbres asociadas a los calculos de vida util realizados por el sistema. Sin embargo, esta instalacion de sensores especlficos tiene tambien asociados inconvenientes significativos para el dueno de la instalacion.

El primer inconveniente asociado a la instalacion de sensores de temperatura especlficamente disenados para proporcionar lecturas utilizadas por sistemas de calculo de fatiga radica en los riesgos existentes para el personal encargado de su colocacion y montaje, ya que normalmente estos sensores deben instalarse en ambientes y condiciones potencialmente peligrosas para el ser humano. Por ejemplo, en el caso de componentes crlticos para la vida util de las centrales nucleares de agua en ebullition, como son las tuberlas y toberas de agua de alimentation del reactor, la

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radiactividad existente en la zona donde deben colocarse estos sensores es muy elevada, por lo que la instalacion de sensores de temperatura convencionales que requieren su fijacion por soldadura al componente monitorizado ocasiona una acumulacion de dosis radiologica muy elevada por parte del personal encargado del montaje de dichos sensores.

En muchos casos la instalacion de sensores para la monitorizacion de la evolucion temporal y distribution espacial de temperaturas en el interior de componentes tambien representa riesgos para la instalacion. Asl por ejemplo, el documento US5157619 propone la insertion de termopares o sensores de temperatura resistivos (sensores RTD por sus siglas en ingles) en el interior de tuberlas para obtener medidas de temperatura que permitan determinar los transitorios termicos a los que se ven sometidos dichos componentes. La insercion de estos sensores requiere practicar orificios en la pared de la tuberla, lo que disminuye su resistencia mecanica y puede poner en peligro la integridad estructural del componente, ocasionando fugas del fluido de proceso que circula por su interior. En muchos casos los codigos de construction aplicables a instalaciones crlticas como son las centrales nucleares imponen requisitos muy exigentes para practicar las perforaciones requeridas para esta colocation invasiva de sensores de temperatura en el interior de componentes relacionados con la seguridad nuclear, lo que hace que dicha operacion sea excesivamente costosa.

Una alternativa sencilla a la colocacion de sensores en el interior de los componentes que se desea monitorizar consiste en la fijacion de los sensores a la superficie exterior de dichos componentes mediante bridas o abrazaderas. Sin embargo, esta alternativa presenta tres inconvenientes fundamentales. El primero de estos inconvenientes consiste en el impacto que las potenciales variaciones de temperatura ambiente tienen en las lecturas proporcionadas por los sensores de temperatura cuando estos estan ubicados en la superficie exterior del componente cuya temperatura interna se desea monitorizar. La determination de la temperatura existente en el interior del componente a partir de medidas tomadas en su superficie exterior unicamente puede llevarse a cabo de forma precisa si los sensores no se ven afectados por influencias ajenas a la temperatura del fluido que circula por el interior del componente, como es la temperatura ambiente.

El segundo inconveniente radica en la dificultad de colocar manualmente los sensores en una ubicacion precisa de forma repetible. Finalmente, en muchos casos se requiere un numero de sensores relativamente elevado para determinar con precision la distribucion espacial de temperaturas en el componente monitorizado. Por ejemplo, no es infrecuente que sea necesario colocar multiples sensores distribuidos regularmente de forma circunferencial a lo largo del perlmetro exterior de una tuberla para determinar una distribucion de temperaturas no uniforme del fluido que circula por su interior. La colocacion manual de multiples sensores de forma individual en posiciones precisas del componente y su fijacion mediante bridas o elementos similares requiere tiempos de instalacion elevados que, una vez mas, pueden suponer un riesgo para el personal encargado de llevar a cabo dicha instalacion.

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A partir de la description del estado del arte anterior se concluye que existe una necesidad para la determination precisa de las variaciones temporales y espaciales de la distribution de temperatura en el interior de componentes estructuralmente criticos de instalaciones industriales tales como las centrales nucleares de generation de energia electrica. Sin embargo, se concluye tambien que existen limitaciones en las soluciones utilizadas actualmente para la determination de dichas variaciones de temperatura. Estas limitaciones estan asociadas a varios factores, como son los riesgos estructurales y alto coste derivados de las operaciones de taladrado y soldadura requeridos para la instalacion invasiva de los sensores en el interior de los componentes monitorizados, los riesgos para el personal instalador derivados de la complejidad de instalacion de multiples sensores que requiere tiempos de permanencia prolongados en ubicaciones potencialmente peligrosas para el ser humano, y las incertidumbres de medida introducidas por el efecto de las variaciones de temperatura ambiente en el caso de utilization de sensores adheridos a la superficie exterior del componente.

A la vista de lo expuesto anteriormente, un objeto de la presente invention es proporcionar un sistema no invasivo que permite determinar la distribution espacial y la variation temporal de la temperatura en el interior de componentes tubulares en instalaciones industriales, tales como tuberias, toberas, tanques e intercambiadores tubulares, permitiendo la instalacion de multiples sensores de temperatura en ubicaciones precisas de forma repetible y en un tiempo breve.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Para lograr el objeto anterior, se proporciona de acuerdo con la presente invention un sistema que consta de un numero configurable de sensores de temperatura de tipo termopar, distribuidos circunferencialmente a lo largo del perimetro de una estructura soporte con forma de anillo que permite el posicionamiento simultaneo de todos los sensores de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular cuya temperatura se desea determinar. De esta forma se minimiza el tiempo requerido para la instalacion de los sensores. El numero de sensores depende de la precision con la que se desea caracterizar la distribucion espacial y la evolution temporal de temperaturas en el componente monitorizado.

La estructura soporte en forma de anillo esta dividida en dos secciones semicilmdricas articuladas, de tal forma que el anillo puede abrirse en uno de sus extremos para facilitar su colocation. Asimismo el anillo dispone de un mecanismo de bloqueo que permite cerrarlo y fijarlo en torno al componente monitorizado una vez instalado.

Cada termopar esta alojado en el interior de un modulo de posicionamiento que tiene varias funciones. La primera de estas funciones consiste en mantener los termopares alejados de la superficie del componente monitorizado durante el proceso de instalacion del anillo, con objeto de evitar posibles danos de los termopares por roce o aplastamiento. La segunda funcion consiste en aplicar una fuerza de empuje sobre el termopar con objeto de asegurar un contacto continuo entre el termopar y la

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superficie del componente monitorizado durante el proceso de adquisicion de medidas de temperatura.

Cada modulo de posicionamiento de termopares consta de un casquillo fijo, formado por un cilindro hueco, solidario con el anillo soporte. El termopar tiene su extremo doblado en angulo recto y esta insertado en el interior de un casquillo movil, que es coaxial con el casquillo fijo y que puede deslizar por el interior de este, de forma que permite el desplazamiento del termopar a lo largo del eje del casquillo fijo. Un muelle comprimido entre el casquillo interior movil y el casquillo exterior fijo empuja de forma continua al conjunto formado por el termopar y el casquillo movil contra la superficie exterior del componente cuya temperatura se desea medir, produciendo una deformacion del termopar, de forma que se asegura el contacto entre el termopar y el componente incluso si la superficie de este presenta irregularidades. El eje del casquillo fijo forma un angulo oblicuo menor o igual a 90° con la superficie del anillo soporte, de forma que el primer contacto del termopar con la superficie del componente monitorizado se produce en la punta del termopar, que constituye su zona mas sensible para la medida de temperatura.

El casquillo movil dispone de un mecanismo de guiado a lo largo de ranuras practicadas en el casquillo fijo. Este mecanismo impide la rotacion del casquillo movil con respecto al casquillo fijo durante el desplazamiento axial del casquillo movil a lo largo del eje del casquillo fijo. El mecanismo de guiado a lo largo de ranuras permite bloquear el casquillo movil en el extremo superior de su recorrido, manteniendo asl el termopar alejado de la superficie del componente monitorizado sin necesidad de aplicar una fuerza manual opuesta a la fuerza del muelle.

Durante el proceso de instalacion del anillo soporte, los sensores de temperatura estan retraldos para evitar que puedan danarse al rozar con la superficie exterior del componente cuya temperatura se desea monitorizar. El anillo se mantiene a una cierta distancia de la superficie exterior del componente mediante una serie de soportes roscados radialmente a la parte inferior del anillo. Estos soportes son intercambiables por el usuario, de forma que es posible la utilization de soportes con diferente longitud en funcion del perfil de la superficie exterior del componente monitorizado. Asimismo, el anillo dispone de uno o mas sensores de orientation, tales como indicadores de nivel o sensores inerciales, para facilitar su posicionamiento preciso en el acimut deseado del componente monitorizado.

El rango de movimiento del conjunto formado por el termopar y el casquillo movil presenta dos posiciones extremas que se diferencian por la distancia entre el extremo del termopar y el eje del anillo. En la position retralda, la distancia del extremo del termopar al eje del anillo es maxima, de forma que se evita el contacto entre el termopar y la superficie exterior del componente monitorizado. De acuerdo con la description proporcionada anteriormente, es posible bloquear el conjunto del termopar y el casquillo movil en esta posicion.

Cuando se desbloquea el sistema de guiado, el muelle empuja al conjunto formado por el termopar y el casquillo movil hacia su posicion extendida, hasta que el termopar hace contacto con la superficie exterior del componente monitorizado. En

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este caso la fuerza de reaccion ejercida por el componente monitorizado sobre el termopar compensa la fuerza ejercida por el muelle comprimido, impidiendo el desplazamiento del conjunto formado por el termopar y el casquillo movil.

Con objeto de mejorar la precision de las medidas de temperatura, es posible insertar los extremos de los termopares en una pastilla fabricada a partir de un material de alta conductividad termica, de forma que se aumenta la superficie de contacto entre el termopar y la superficie exterior del componente monitorizado, mejorando la transferencia de calor entre termopar y componente. Cada pastilla tiene forma de prisma en cuya seccion central se practica un taladro ciego paralelo a las caras superior e inferior del prisma. En dicho taladro ciego se inserta el extremo de un termopar de los existentes en el sistema, de forma que cada pastilla lleva insertado un unico termopar, si bien puede haber termopares en el sistema que no esten insertados en ninguna pastilla. Estas pastillas tienen un espesor reducido, siendo el espesor de cada una de ellas equivalente al 25% del espesor de la pared del componente monitorizado, si bien ese porcentaje dependera de la conductividad del material que se utilice para fabricar la pastilla.

Todo el conjunto esta aislado termicamente mediante una carcasa de aislamiento termico, de forma que se evitan potenciales interferencias debidas a variaciones de la temperatura ambiente en las medidas de temperatura del componente proporcionadas por los termopares. La carcasa esta dividida en varias secciones para facilitar su montaje y dispone de una cavidad anular en su seccion central para alojar el resto de elementos del sistema.

Los sensores de temperatura transmiten sus lecturas a traves de cables conducidos alrededor de la periferia del anillo mediante mordazas de sujecion, hasta un punto de salida unico en el que existe un conector comun al que se conecta un cable con tantos hilos conductores como sean necesarios para transmitir las senales de los diferentes sensores de temperatura hasta un sistema de adquisicion de datos que muestrea las lecturas de temperatura y las almacena para su uso posterior en un sistema de calculo de dano acumulado por fatiga o para cualquier otro uso. Es habitual utilizar estas temperaturas como input de un algoritmo de calculo inverso que permita determinar anallticamente la temperatura en cualquier punto del componente, por ejemplo en puntos de su superficie interior, a partir de las medidas proporcionadas por los termopares en diferentes puntos de su superficie exterior.

Finalmente, el sistema incluye la posibilidad de instalar conectores individuales intermedios entre el conector comun y cada uno de los termopares, con objeto de facilitar la desconexion y sustitucion de un unico termopar en caso de fallo sin necesidad de desmontar el conector comun al que se conectan todos los termopares del anillo.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para la mejor comprension de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompanan unos dibujos en los que, tan solo a tltulo de ejemplo, se representa un caso practico de realization del sistema no invasivo para la caracterizacion de la

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distribution de temperaturas en el interior de componentes estructurales descrito en el presente documento.

Figura 1. Muestra una vista lateral del sistema montado sobre un componente cillndrico y una section transversal en la que se observa la estructura soporte con forma de anillo ubicada en el interior de la cavidad anular existente en la section central de la carcasa de aislamiento termico.

Figura 2. Muestra una vista isometrica del sistema de medida de temperatura montado sobre un tramo de tuberla, con las dos secciones de aislamiento termico retiradas para permitir la visualization del anillo soporte y los modulos de posicionamiento de termopares distribuidos en su periferia.

Figura 3. Muestra una vista en alzado y su correspondiente vista en planta del sistema de medida de temperatura sin la carcasa exterior de aislamiento termico para permitir la visualization de los principales elementos del sistema. Unicamente se muestra el primer tramo de cable de conexion de cada uno de los termopares con objeto de no obstruir la visualization del resto de elementos ubicados sobre el anillo soporte.

Figura 4. Muestra una vista isometrica del sistema de medida de temperatura sin la carcasa exterior de aislamiento termico, con objeto de permitir la visualization de los principales elementos del sistema. Unicamente se muestra el primer tramo de cable de conexion de cada uno de los termopares para no obstruir la visualization del resto de elementos ubicados sobre el anillo soporte.

Figura 5. Muestra los elementos que constituyen un modulo de posicionamiento de termopares. Este modulo asegura el contacto entre cada termopar y la superficie exterior del componente que se desea monitorizar.

Figura 6. Muestra una vista frontal y una section transversal del modulo de posicionamiento de termopares que asegura el contacto entre cada termopar y la superficie exterior del componente que se desea monitorizar.

Figura 7. Muestra una vista frontal y una section transversal del modulo de posicionamiento de termopares. En este caso se ha utilizado la alternativa de incluir una pastilla de alta conductividad termica rodeando el extremo del termopar, con objeto de aumentar la conductividad termica entre el termopar y el componente monitorizado.

Figura 8. Muestra una vista lateral y una vista frontal de un modulo de posicionamiento de termopares en tres posiciones diferentes: position bloqueada, position retralda, y position extendida. En este caso el anillo soporte ha sido parcialmente seccionado para permitir una mejor visualization del modulo de posicionamiento de termopares.

Figura 9. Muestra la option de cableado directo de un termopar al conector comun al que llegan los cables de todos los termopares ubicados en el anillo.

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Figura 10. Muestra la opcion de cableado indirecto de un termopar al conector comun al que llegan los cables de todos los termopares ubicados en el anillo. Esta opcion incluye un conector individual intermedio para cada termopar.

Figura 11. Muestra un esquema simplificado del sistema instalado sobre un componente cillndrico cuya distribution de temperaturas se desea conocer. En la figura se muestran las posiciones de las temperaturas conocidas, coincidentes con las ubicaciones de los diferentes termopares distribuidos circunferencialmente alrededor del anillo soporte.

DESCRIPCION DE UNA REALIZACION PREFERIDA

Sobre el componente que se desea monitorizar (1), se coloca un anillo soporte (3) que esta recubierto de una carcasa exterior de aislamiento termico (2). En este caso la carcasa de aislamiento termico esta formada por dos semicilindros (2a) y (2b), de forma que es posible su colocation alrededor del anillo soporte sin necesidad de introducir el aislamiento por uno de los extremos del componente monitorizado. Como se muestra en la figura 2, cada uno de los dos semicilindros de aislamiento termico disponen de una cavidad anular en su section central que permite el alojamiento del anillo soporte y del resto de elementos del sistema en su interior.

El anillo soporte (3) dispone de varias ranuras espaciadas regularmente a lo largo de su periferia. En cada una de estas ranuras es posible instalar un modulo de posicionamiento de termopares (4). El numero y espaciamiento de las ranuras dependen del numero de termopares que se desea utilizar en la monitorizacion. El sistema descrito en la presente realization dispone de 10 termopares, pero esta caracterlstica es facilmente configurable en funcion de los requisitos de la aplicacion final, por lo que dicho numero de termopares se presenta unicamente a tltulo de ejemplo y no debe interpretarse como una caracterlstica fundamental o revindication asociada a la invention. El numero de termopares utilizado puede variar entre un unico termopar y el numero maximo que flsicamente sea posible instalar por restricciones de espacio en el anillo soporte.

El anillo dispone de una serie de soportes (11), espaciados regularmente a lo largo de su perlmetro y roscados radialmente en su superficie inferior. Estos soportes (11) mantienen el anillo (3) a una distancia prefijada de la superficie exterior del componente. El caso mas frecuente es que el componente tubular a monitorizar sea de geometrla cillndrica con seccion transversal aproximadamente circular, como es el caso de tuberlas, tanques, intercambiadores, toberas, etc. En este caso, todos los soportes (11) del anillo tienen la misma longitud. En caso de que el componente monitorizado no sea de seccion circular, es posible utilizar soportes de diferente longitud para compensar las irregularidades o desviaciones de la superficie exterior del componente monitorizado con respecto a la geometrla circular del anillo. Tambien es posible utilizar anillos soporte (3) de geometrla no circular que repliquen la geometrla perimetral exterior del componente monitorizado.

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Al igual que en el caso del aislamiento termico, el anillo soporte esta dividido en dos semicilindros para facilitar su montaje sobre el componente monitorizado. Ambos semicilindros estan conectados en uno de sus extremos mediante una bisagra (5) y en el extremo opuesto mediante un cierre manual (6), que permite ajustar el grado de tension aplicado al anillo, con objeto de evitar vibraciones o desplazamientos del anillo a lo largo del eje del componente monitorizado.

En un punto del anillo soporte se ubica un tubo hueco (7) con varias aberturas en su base, cuya funcion es conducir los cables de los termopares hacia el conector comun (8) ubicado en su extremo. Los cables de los diferentes termopares se conducen a lo largo de la circunferencia exterior del anillo desde cada uno de los termopares hasta el conector comun. A intervalos regulares, el anillo soporte dispone de mordazas de sujecion (10) que permiten conducir los cables de forma paralela a la superficie exterior del anillo, evitando que los diferentes cables se enreden o crucen entre ellos. Es necesario indicar que en las figuras que acompanan a este documento unicamente se muestra el primer tramo de cable (12a) conectado a cada termopar, ya que en caso de mostrar los cables completos entre cada termopar y el conector comun se perderla claridad en las figuras debido al exceso de cables existente en la periferia exterior del anillo soporte. Las figuras 9 y 10 muestran la cadena de conexion electrica completa tlpica entre cada uno de los termopares (12) y el conector comun (8).

El anillo soporte tambien dispone de un sensor de inclination (9) que muestra la position acimutal del anillo con respecto al componente monitorizado. Este sensor permite un posicionamiento preciso del anillo durante la operation de montaje.

Cada uno de los modulos de posicionamiento de termopares (4) dispone de una base (13) que esta fijada a la superficie inferior del anillo soporte (3) mediante dos tornillos avellanados (14). Asimismo, el conjunto dispone de un casquillo exterior fijo (20) unido solidariamente a la base (13) mediante dos tornillos prisioneros (15), de forma que el anillo soporte, la base y el casquillo exterior forman un conjunto rlgido. En el interior del casquillo exterior fijo se ubica un casquillo interior movil (16) que puede desplazarse axialmente a lo largo del eje del casquillo fijo.

El movimiento axial del casquillo movil con respecto al casquillo fijo esta guiado por dos vastagos roscados de section cillndrica (19) atornillados a ambos lados del casquillo movil. Los vastagos roscados deslizan a lo largo de dos ranuras longitudinales practicadas a ambos lados del casquillo fijo. El tramo inferior de dichas ranuras discurre a lo largo de dos generatrices diametralmente opuestas del casquillo fijo, evitando rotaciones indeseadas del casquillo movil. El tramo superior de las ranuras forma un angulo de 90° con respecto al tramo inferior, discurriendo paralelamente a la superficie superior del casquillo fijo. Este giro de la parte superior de las ranuras en angulo recto permite el bloqueo de los vastagos roscados (19) mediante un mecanismo de tipo bayoneta, y evita por tanto el desplazamiento axial relativo del casquillo movil con respecto al casquillo fijo cuando los vastagos roscados se encuentran ubicados en el extremo final de ambas ranuras.

El termopar (12) se inserta en el interior del casquillo movil de forma que es coaxial a este, y se fija mediante dos tornillos prisioneros (18), consiguiendo asl que el

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casquillo movil (16), el termopar (12) y los vastagos roscados (19) formen un conjunto rlgido que se desplaza solidariamente con respecto al conjunto formado por la base (13), el casquillo fijo (20) y el anillo soporte (3).

Es posible aumentar la superficie de contacto entre el termopar y el componente monitorizado mediante la insertion del extremo del termopar en el interior de una pastilla (23) fabricada de un material con elevada conductividad termica. Este tipo de configuration con pastilla es recomendable para monitorizar la temperatura de componentes con superficie rugosa o irregular sobre la que el contacto del termopar desnudo puede no ser ideal. Se ha comprobado experimentalmente que el uso de esta pastilla (23) mejora la lectura del termopar incluso en casos en los que la superficie del componente es relativamente lisa, ya que asegura que toda la superficie exterior del termopar esta a la misma temperatura que la superficie exterior del componente, mientras que en el caso del termopar desnudo, el contacto entre su superficie exterior y la superficie del componente monitorizado se produce unicamente a lo largo de una llnea definida por la generatriz de contacto.

El termopar (12) esta unido al cable de senal (12a) a traves de una conexion de acero cillndrica alrededor de la cual se coloca un muelle (17) cuya compresion produce el desplazamiento del casquillo movil a lo largo del eje del casquillo fijo. El termopar utilizado es un termopar de aislamiento mineral con carcasa cillndrica de acero inoxidable. El extremo del termopar esta doblado para conseguir que todo su extremo sensible, con una longitud de varios millmetros, se encuentre en contacto con la superficie exterior del componente monitorizado.

El desplazamiento relativo del casquillo movil con respecto al casquillo fijo permite variar la position del termopar con respecto al anillo soporte y, consecuentemente, tambien su distancia con respecto a la superficie exterior del componente monitorizado. La figura 8 muestra tres posiciones tlpicas de un modulo de posicionamiento de termopares. En la posicion bloqueada, los vastagos roscados se ubican en el extremo final del tramo superior de las ranuras practicadas a ambos lados del casquillo fijo, con lo que los vastagos chocan con la superficie inferior de la ranura, quedando por tanto impedido su desplazamiento axial a lo largo del eje del casquillo fijo. En esta posicion el termopar esta elevado por encima de la superficie del componente monitorizado. Esta configuracion se utiliza para posicionar el anillo soporte con respecto al componente monitorizado sin danar los termopares. En esta posicion no es posible realizar medidas de temperatura, ya que los termopares no estan en contacto con el componente cuya temperatura se desea monitorizar.

La posicion retralda se alcanza cuando los vastagos roscados (19) se encuentran en el extremo superior de las ranuras longitudinales coincidentes con generatrices diametralmente opuestas del casquillo fijo. El modulo de posicionamiento de termopares no puede mantener esta posicion por si mismo, ya que el muelle comprimido (17) ubicado en su interior tiende a desplazar el casquillo movil una distancia d2 hasta que los vastagos roscados alcanzan el extremo inferior de sus respectivas ranuras. Por tanto, para alcanzar esta posicion es necesario ejercer una fuerza manual sobre los vastagos roscados que compense la fuerza ejercida por el

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muelle. En esta posicion el extremo del termopar se encuentra una distancia d1 por encima de la superficie del componente monitorizado.

La posicion extendida se alcanza desde la posicion retralda cuando se elimina la fuerza manual que compensa la fuerza del muelle. En esta posicion el muelle fuerza a la seccion inferior del termopar a mantener el contacto con la superficie del componente, permitiendo una medida precisa de la temperatura de dicha superficie.

El casquillo fijo esta inclinado un angulo a, tlpicamente inferior a 90°, con respecto a la superficie de la base (13) y del anillo soporte (3), de forma que el extremo doblado del termopar forma un angulo ft, de valor 90° - a, con respecto a dichas superficies cuando el termopar se encuentra en posicion retralda. De esta forma, cuando el termopar desciende bajo la accion del muelle, su punta es la primera parte que entra en contacto con el componente monitorizado. Esta observation es importante porque la punta del termopar es su parte mas sensible para la medida de temperatura. Dado que d1 es inferior a d2, cuando la punta del termopar entra en contacto con el componente monitorizado se observa que los vastagos roscados no han alcanzado el final de las ranuras del casquillo fijo, por lo que el muelle fuerza al casquillo movil a continuar su desplazamiento axial, siendo capaz de deformar elasticamente el termopar, hasta que toda la longitud de su extremo inferior doblado esta en contacto con la superficie del componente monitorizado. Este comportamiento aumenta la precision en la medida, ya que es importante que el termopar haga contacto a lo largo de varios millmetros de longitud para minimizar las incertidumbres en la medida de temperatura reportada.

En la figura 8 se observa que en su posicion extendida el angulo formado por el extremo del termopar y el eje de ambos casquillos es igual al angulo a, mientras que en la posicion bloqueada y en la posicion retralda dicho angulo es igual a 90°.

Desde la posicion extendida es posible devolver el termopar a la posicion retralda aplicando una fuerza manual sobre los vastagos roscados (19) opuesta a la fuerza ejercida por el muelle, de forma que el conjunto formado por vastagos, casquillo movil y termopar se desplace axialmente lo largo del eje del casquillo fijo, alejandose del componente monitorizado, hasta alcanzar la posicion retralda. Desde la posicion retralda es posible alcanzar la posicion bloqueada aplicando manualmente un par de torsion a los vastagos roscados, de forma que el conjunto formado por vastagos, casquillo movil y termopar gire con respecto al casquillo fijo, desplazando los vastagos roscados a lo largo del tramo superior de las ranuras hasta alcanzar el final del mismo, de forma que su movimiento axial queda impedido.

Del extremo de cada termopar parte un cable que transmite la senal de temperatura hasta el conector comun (8) ubicado en el extremo del tubo de conduction de cables (7). Existen diferentes alternativas para realizar dicho conexionado. En las figuras 9 y 10 se muestran dos de estas alternativas. En el primer caso, el cableado entre cada uno de los termopares (12) y el conector comun (8) es directo, por lo que cada termopar esta conectado mediante un cable continuo de longitud suficiente para cubrir la distancia existente entre el termopar y el conector.

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Dicha distancia es funcion de la posicion ocupada por cada termopar en el anillo soporte, por lo que en general es diferente para cada termopar.

En la segunda configuration de conexionado, mostrada en la figura 10, el cable de conexion entre el termopar y el conector comun dispone de una conexion intermedia soportada estructuralmente por una de las mordazas de conduction de cables (10) fijadas a la superficie exterior del anillo soporte. Esta conexion intermedia esta constituida por un conector individual macho (21) y un conector individual hembra (22) que permiten desconectar el termopar sin necesidad de manipular el conector comun (8). Esta conexion intermedia permite sustituir de forma sencilla un termopar danado manteniendo intacto el tramo de cable existente entre el conector hembra (22) y el conector comun (8). Dado que el conector comun recibe los cables de todos los termopares del sistema, la conexion y desconexion de un cable de termopar directamente de dicho conector puede danar las conexiones de cables adyacentes, con lo que disponer de conexiones individuales independientes para cada termopar minimiza este riesgo.

Las senales de temperatura procedentes de todos los termopares del anillo se envlan a un sistema de adquisicion y procesado de datos a traves de un cable conectado al conector comun (8). Este sistema de procesado de datos puede disponer de algoritmos con diferente grado de sofisticacion en funcion del tipo de information deseada. El sistema objeto de la presente invention es capaz de determinar, mediante medidas directas, la temperatura en una serie de puntos ubicados sobre la superficie exterior del componente monitorizado. En el caso concreto de la realization de la invencion descrita en el presente apartado, el sistema proporciona la evolution temporal de la temperatura en los puntos definidos por las coordenadas (xs,ys,zs), donde s = 1, ...,10 es un sublndice que representa cada uno de los 10 termopares disponibles en el sistema, tal como se muestra en la figura 11.

En componentes fabricados a partir de materiales con elevadas conductividades termicas, como son los metales tlpicamente utilizados en componentes estructurales, el gradiente de temperaturas a traves del espesor de pared del material suele ser reducido en condiciones estacionarias, por lo que es posible estimar la temperatura a la que se encuentra un punto arbitrario no monitorizado, con coordenadas genericas (x,y,z), mediante la interpolation directa de las medidas proporcionadas por los termopares disponibles en los puntos (xs,ys,zs).

En regimen transitorio o condiciones donde existen gradientes de temperatura significativos a traves de la seccion del componente es posible aplicar algoritmos inversos de resolution de problemas termicos para el calculo preciso de la evolucion temporal de la temperatura en puntos del componente donde no existen termopares. Estos algoritmos utilizan las temperaturas T(xs,ys,zs,t) proporcionadas por el sistema como variables de entrada para la realizacion de los calculos inversos necesarios. Existen diferentes algoritmos de este tipo disponibles en la literatura que permiten, por ejemplo, calcular la temperatura en la superficie interior del componente a partir de las lecturas obtenidas de los termopares ubicados en su superficie exterior. El libro "Inverse Heat Transfer Fundamentals and Applications” escrito por M. Necati Ozisik y Helcio R. B. Orlande y publicado por la editorial Taylor & Francis es una buena

referenda para la implementation de este tipo de algoritmos a partir de las medidas de temperatura proporcionadas por el sistema descrito en el presente documento.

Claims (6)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

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   REIVINDICACIONES

   1. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular que comprende los siguientes elementos:

   • Una carcasa exterior de aislamiento termico dividida en varias secciones desmontables con una cavidad anular en su zona central para alojar el resto de elementos del sistema.

   • Un anillo soporte cillndrico dividido en dos semicilindros articulados con un cierre que permite su fijacion en torno al componente monitorizado.

   • Al menos un modulo de posicionamiento de termopar ubicado en un punto de la periferia del anillo soporte, provisto de un casquillo cillndrico movil con libertad de movimiento a lo largo de su eje y accionado mediante un muelle, que empuja al conjunto formado por casquillo y termopar hacia la superficie exterior del componente monitorizado, asegurando el contacto entre termopar y componente monitorizado durante el proceso de adquisicion de datos de temperatura.

   • Uno o varios sensores de inclination y orientation ubicados sobre el anillo soporte para facilitar el posicionamiento rapido y preciso del sistema sobre el componente monitorizado.

   • Un sistema para la conduction de los cables de termopar a lo largo de la periferia del anillo hasta un punto en el que se ubica un conector comun para la conexion del sistema a un cable de adquisicion de datos.
2. 2. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular, segun la revindication 1, que contiene una serie de soportes roscados radialmente a la superficie interior del anillo soporte para asegurar que la distancia entre la superficie exterior del componente monitorizado y la estructura del anillo soporte es adecuada en funcion del recorrido de los casquillos moviles de los modulos de posicionamiento, impidiendo el contacto directo entre el anillo soporte y la superficie exterior del componente monitorizado.
3. 3. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular, segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que cada uno de los modulos de posicionamiento de termopares ubicados sobre el anillo soporte disponen de un sistema de guiado mediante ranuras pasantes practicadas en los laterales de un casquillo cillndrico hueco fijo al anillo soporte y concentrico con el casquillo movil, donde dicho sistema de guiado permite bloquear el conjunto formado por el termopar y el casquillo movil en una position alejada de la superficie del componente monitorizado, con objeto de evitar dano por roce o aplastamiento de los termopares durante el proceso de instalacion del anillo soporte.
4. 4. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular, segun las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los modulos de posicionamiento de termopares estan

   5 orientados con un angulo oblicuo inferior o igual a 90° con respecto a la superficie del anillo, de forma que se asegura que el extremo sensible del termopar se mantiene siempre en contacto con la superficie del componente monitorizado.
5. 5. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la 10 superficie exterior de un componente tubular, segun las reivindicaciones anteriores,

   que contiene conectores individuales intermedios entre cada termopar y el conector comun de salida de datos, de forma que es posible la desconexion y sustitucion de un unico termopar sin necesidad de manipular el conector comun al que llegan todas las senales de temperatura del sistema.

   15
6. 6. Sistema no invasivo para la medida de temperatura en puntos precisos de la superficie exterior de un componente tubular, segun las reivindicaciones anteriores, que contiene una o varias pastillas fabricadas a partir de un material de alta conductividad termica, de espesor equivalente al 25% del espesor de la pared del

   20 componente monitorizado, si bien ese porcentaje dependera de la conductividad del material utilizado para fabricar la pastilla, con un taladro ciego practicado en la seccion central de cada pastilla cuyo eje discurre de forma paralela a las superficies superior e inferior de la pastilla, en el que se inserta el extremo de un termopar de los existentes en el sistema, de forma que cada pastilla lleve insertado un unico termopar, pudiendo 25 haber no obstante termopares en el sistema que no esten insertados en ninguna pastilla.