ES2815223A1 - SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING THE CONTAMINATION/DEGRADATION OF A FLUID (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
MÉTODO PARA LA MEDICIÓN DE LA CONTAMINACIÓN/DEGRADACIÓN DE METHOD FOR THE MEASUREMENT OF CONTAMINATION / DEGRADATION OF
UN FLUIDOA FLUID
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente invención se refiere a un sistema y método de medición de la degradación o contaminación de fluidos basado en la medida de la respuesta en frecuencia de un sensor capacitivo y su posterior análisis tras su comparación con una respuesta en frecuencia patrón.The present invention relates to a system and method for measuring the degradation or contamination of fluids based on the measurement of the frequency response of a capacitive sensor and its subsequent analysis after its comparison with a standard frequency response.
Uno de los problemas que presentan estos sistemas es que las propiedades del fluido y por tanto la respuesta en frecuencia es función de la temperatura del mismo.One of the problems that these systems present is that the properties of the fluid and therefore the frequency response is a function of its temperature.
Otro problema detectado en estos sistemas es la falta de homogeneidad del fluido en el caso que el sensor se instale de forma incorrecta o que el sensor no permita la circulación del fluido.Another problem detected in these systems is the lack of homogeneity of the fluid in the event that the sensor is installed incorrectly or that the sensor does not allow the circulation of the fluid.
La presente invención trata de solucionar estos dos problemas mediante la instalación adicional de al menos un sensor de temperatura y un elemento comparador que tiene almacenadas varias respuestas patrón para diferentes temperaturas. Adicionalmente, se utiliza un sensor capacitivo, basado en un condensador, cuyas placas están ubicadas en la misma dirección de circulación del fluido y la superficie libre entre placas permite que el caudal del fluido pueda circular a través del condensador, de forma que el fluido sea homogéneo.The present invention tries to solve these two problems by means of the additional installation of at least one temperature sensor and a comparator element that has stored several standard responses for different temperatures. Additionally, a capacitive sensor is used, based on a condenser, whose plates are located in the same direction of fluid circulation and the free surface between plates allows the flow of the fluid to circulate through the condenser, so that the fluid is homogeneous.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
En la industria actual es de gran importancia la caracterización y monitorización de todos los procesos químicos, en lo referente a fluidos, que pueden ocurrir en cada máquina o en cada proceso. Varios de estos procesos químicos se deben a reacciones de degradación del agente principal en subproductos indeseables. Por lo que una correcta monitorización y seguimiento de los fluidos puede alargar la vida útil de los mismos o definir intervalos de mantenimiento más eficaces.In today's industry, the characterization and monitoring of all chemical processes, in relation to fluids, which can occur in each machine or in each process, is of great importance. Several of these chemical processes are due to degradation reactions of the main agent into undesirable by-products. Therefore, correct monitoring and follow-up of fluids can extend their useful life or define more effective maintenance intervals.
En materia de degradación de fluidos, dicha degradación se puede dar por diversos agentes. Mayoritariamente se da por el factor de exceso de tiempo de operación o envejecimiento de dicho fluido, aunque también se puede ocasionar por trabajo en operación que supera las condiciones óptimas de diseño como puede ser un exceso de temperatura, acidez o tensión (en caso de fluidos aislantes de maquinaria eléctrica de alta tensión).In terms of fluid degradation, said degradation can occur by various agents. It is mainly due to the factor of excess operating time or aging of said fluid, although it can also be caused by work in operation that exceeds the optimal design conditions such as excess temperature, acidity or stress (in the case of fluids insulators of high voltage electrical machinery).
También existen cambios de estado de fluidos o necesidad de monitorizar fluidos que no estén sometidos a degradación, si no que realicen una reorganización de su estructura molecular por indicación del propio proceso, como puede ocurrir, por ejemplo, en una torre de destilación. En este caso, también es necesario la monitorización continua de los fluidos productos que emergen por cada etapa de la columna de destilación.There are also changes in the state of fluids or the need to monitor fluids that are not subject to degradation, but instead carry out a reorganization of their molecular structure as indicated by the process itself, as can occur, for example, in a distillation tower. In this case, continuous monitoring of the fluid products emerging from each stage of the distillation column is also necessary.
Debido a la degradación, es de práctica habitual disponer de invenciones de monitorización de fluidos, normalmente extrayendo una muestra con la máquina o proceso parado y analizándola mediante diversas técnicas con ensayos de laboratorio, por ejemplo, con métodos Karl-Fisher.Due to degradation, it is common practice to have fluid monitoring inventions available, usually by drawing a sample with the machine or process stopped and analyzing it by various techniques with laboratory tests, for example, with Karl-Fisher methods.
A su vez, también existen invenciones que contemplan la medición en operación de los agentes químicos y procesos para degradación de fluidos o cambios de estado de los mismos. Algunas de estas invenciones se recogen en las siguientes patentes:In turn, there are also inventions that contemplate the measurement in operation of chemical agents and processes for degradation of fluids or changes in their state. Some of these inventions are collected in the following patents:
La patente US7275420B2 (10.02.2007), Frederick M. Discenzco, “FLUID SENSOR FIXTURE FOR DYNAMIC FLUID TESTING” hace alusión a un sistema y método de análisis de fluidos para maquinaria de tal forma que confina el fluido a analizar en una cámara o compartimento de tal forma que el fluido está estático para ser analizado mediante la introducción de múltiples sensores entre ellos de pH, electroquímicos, de conductividad, de temperatura y de viscosidad entre otros.Patent US7275420B2 (10.02.2007), Frederick M. Discenzco, "FLUID SENSOR FIXTURE FOR DYNAMIC FLUID TESTING" refers to a system and method for analyzing fluids for machinery in such a way that it confines the fluid to be analyzed in a chamber or compartment such that the fluid is static to be analyzed by introducing multiple sensors including pH, electrochemical, conductivity, temperature and viscosity among others.
La realización de la invención propuesta en la patente US2017/0030823A1 (02.02.2017), Matthias Wagner, Charles McAllister Marshall, Donald Kuehl, Jeffrey Guasto, “MOTION MODULATION FLUIDIC ANALYZER SYSTEM” se refiere a un sistema y método de medida de degradación de fluidos mediante métodos ópticos midiendo la incidencia y reflexión de la luz diametralmente a una tubería de paso u otro contenedor o recipiente de fluido. Las variaciones de onda de tensión generadas por el sensor óptico hacen posible la detección de cambios en el fluido circulante. Sin embargo, la calibración de este tipo de aparatos para lograr precisión en la medida puede resultar difícil debido a numerosos factores externos como pueden ser las vibraciones del sistema.The realization of the invention proposed in patent US2017 / 0030823A1 (02.02.2017), Matthias Wagner, Charles McAllister Marshall, Donald Kuehl, Jeffrey Guasto, "MOTION MODULATION FLUIDIC ANALYZER SYSTEM" refers to a system and method for measuring the degradation of fluids by optical methods measuring the incidence and reflection of light diametrically to a passage pipe or other container or fluid container. The voltage wave variations generated by the optical sensor make it possible to detect changes in the circulating fluid. However, the calibration of this type of apparatus to achieve measurement precision can be difficult due to numerous external factors such as system vibrations.
Otras invenciones contemplan métodos acústicos en membranas situadas a distintas localizaciones de una tubería de paso, lo que requiere un fluido en movimiento. La variación de las tensiones o corrientes recogidas en los sensores de ondas acústicas permiten la medida de la concentración del agente principal que viaja por la tubería. La patente US7328624B2 (02.12.2008), Daniel L. Gysling, Douglas H. Loose, Thomas W. Engel, Paul F. Croteau, “PROBE FOR MEASURING PARÁMETERS OF A FLOWING FLUID AND/OR MULTIPHASE MIXTURE” refleja este estado de la técnica previamente comentado.Other inventions contemplate acoustic methods in membranes located at different locations in a through pipe, which requires a fluid in motion. The variation of the voltages or currents collected in the acoustic wave sensors allows the measurement of the concentration of the main agent that travels through the pipeline. Patent US7328624B2 (02.12.2008), Daniel L. Gysling, Douglas H. Loose, Thomas W. Engel, Paul F. Croteau, "PROBE FOR MEASURING PARAMETERS OF A FLOWING FLUID AND / OR MULTIPHASE MIXTURE" reflects this state of the art. previously commented.
Otra tecnología que es común en análisis de fluidos es mediante la respuesta en frecuencia de circuitos resonantes, como el que se muestra en la patente US7562557B2 (07.21.2009), James Bennett, Oleg Kolosov, Leonid Matsiev, “FLEXURAL RESONATOR SENSING DEVICE AND METHOD”, que consiste en el emplazamiento de un circuito capacitivo con resonadores con dos electrodos, donde se mide dicha respuesta en frecuencia y se busca la resonancia del sistema. Atendiendo a la contaminación del fluido la frecuencia de resonancia varía. Para aumentar la sensibilidad del sistema se han introducido en dos plataformas enfrentadas numerosos elementos resonadores en ambas caras de tal forma que cada uno de estos porte al menos dos electrodos. En el ámbito de dispositivos resonadores la patente US8829904B2 (09.09.2014), James R. White, Christopher John White, “METHOD OF AND APPARATUS FOR IN-SITU MEASUREMENT OF DEGRADATION OF AUTOMOTIVE FLUIDS AND THE LIKE BY MICRO-ELECTRON SPIN RESONANCE (ESR) SPECTROMETRY” refleja a su vez el estado de la técnica mediante la colocación de un sistema RLC sometido a campos magnéticos entre al menos dos imanes de NdFeB por el que se le hace circular el fluido a monitorizar y del que se registra su resonancia, cambiante con el fluido.Another technology that is common in fluid analysis is through the frequency response of resonant circuits, such as the one shown in patent US7562557B2 (07.21.2009), James Bennett, Oleg Kolosov, Leonid Matsiev, “FLEXURAL RESONATOR SENSING DEVICE AND METHOD ", Which consists of the placement of a capacitive circuit with resonators with two electrodes, where said frequency response is measured and the resonance of the system is sought. Considering the contamination of the fluid, the resonance frequency varies. To increase the sensitivity of the system, numerous resonator elements have been introduced on two facing platforms on both sides of such that each of these carries at least two electrodes. In the field of resonator devices, patent US8829904B2 (09.09.2014), James R. White, Christopher John White, “METHOD OF AND APPARATUS FOR IN-SITU MEASUREMENT OF DEGRADATION OF AUTOMOTIVE FLUIDS AND THE LIKE BY MICRO-ELECTRON SPIN RESONANCE (ESR ) SPECTROMETRY ”reflects the state of the art by placing an RLC system subjected to magnetic fields between at least two NdFeB magnets through which the fluid to be monitored is circulated and its resonance is recorded, changing with the fluid.
En el mismo campo de análisis de respuesta en frecuencia se encuentra la invención US7043402B2 (05.09.2006), Alan D. Phillips, William J. Eggers, Robert S. Rodgers, Dean Pappas, “ON-LINE OIL CONDITION SENSOR SYSTEM FOR ROTATING AND RECIPROCATING MACHINERY”, que contempla la instalación de un sensor capacitivo en el contenedor de fluido donde se procede al análisis de respuesta en frecuencia. Esta invención contempla la variación de los parámetros respecto a la frecuencia y la concentración del fluido para detectar concentraciones de contaminantes o degradación. Sin embargo, no se tienen en cuenta factores como son la necesidad homogeneización de la mezcla a analizar o la dependencia de la respuesta en frecuencia de la temperatura.In the same field of frequency response analysis is the invention US7043402B2 (09.05.2006), Alan D. Phillips, William J. Eggers, Robert S. Rodgers, Dean Pappas, “ON-LINE OIL CONDITION SENSOR SYSTEM FOR ROTATING AND RECIPROCATING MACHINERY ”, which includes the installation of a capacitive sensor in the fluid container where the frequency response analysis is carried out. This invention contemplates the variation of the parameters with respect to the frequency and the concentration of the fluid to detect concentrations of contaminants or degradation. However, factors such as the need for homogenization of the mixture to be analyzed or the dependence of the frequency response on temperature are not taken into account.
Posteriormente a la realización de múltiples ensayos de laboratorio se ha concluido que factores como la necesidad de mezcla homogénea, que se da mayoritariamente o de manera más aproximada en zonas donde exista convección, y como la temperatura del fluido son dos parámetros fundamentales en la realización de ensayos para caracterizar el fluido durante la operación de maquinaria o procesos.After conducting multiple laboratory tests, it has been concluded that factors such as the need for a homogeneous mixture, which occurs mostly or more approximately in areas where there is convection, and as the temperature of the fluid are two fundamental parameters in the performance of tests to characterize the fluid during the operation of machinery or processes.
Esto es debido a que si la mezcla no es homogénea se puede inducir a error por estar midiendo en una porción donde el contaminante puede estar más disuelto (error por defecto en la medida, por ejemplo, en el caso de análisis de aceite de un transformador en baño de aceite, agua en el fondo de una cuba) o más concentrado (error por exceso en la medida, análisis de una burbuja de aire en agua entre conductores de un sensor). Adicionalmente, las características del fluido y por tanto la respuesta en frecuencia de los circuitos utilizados como sensores puede variar considerablemente para una misma concentración de contaminante a distintas temperaturas siendo la respuesta de los sensores altamente sensible a este segundo parámetro.This is because if the mixture is not homogeneous, it can be misled by measuring in a portion where the pollutant may be more dissolved (error by default in the measurement, for example, in the case of oil analysis of a transformer in an oil bath, water at the bottom of a tank) or more concentrated (error due to excess in the measurement, analysis of an air bubble in water between conductors of a sensor). Additionally, the characteristics of the fluid and therefore the frequency response of the circuits used as sensors can vary considerably for the same pollutant concentration at different temperatures, the response of the sensors being highly sensitive to this second parameter.
Por este motivo es necesario proceder al desarrollo de invenciones que realicen análisis de contaminantes, degradación o cálculo de contenido del agente principal de un fluido con el proceso o máquina en funcionamiento, y que tenga en cuenta las variaciones de temperatura en el fluido, así como la consideración de analizar una mezcla homogeneizada de tal forma que se pueda proveer de solución al estado de la técnica previo.For this reason, it is necessary to proceed with the development of inventions that perform analysis of contaminants, degradation or calculation of the content of the main agent of a fluid with the process or machine in operation, and that take into account temperature variations in the fluid, as well as the consideration of analyzing a homogenized mixture in such a way that a solution can be provided to the prior state of the art.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención divulga un sistema y un método de medición de la degradación o contaminación de fluidos basado en la medición de la respuesta en frecuencia de un sensor capacitivo a través del cual circula el fluido a analizar. La respuesta en frecuencia es comparada con una respuesta patrón, que es elegida entre varias en función de la temperatura del fluido. Para lo cual se debe instalar al menos un sensor de temperatura y un sistema comparador que realice el diagnóstico del fluido.The present invention discloses a system and a method for measuring the degradation or contamination of fluids based on the measurement of the frequency response of a capacitive sensor through which the fluid to be analyzed circulates. The frequency response is compared with a standard response, which is chosen from among several depending on the temperature of the fluid. For which, at least one temperature sensor and a comparator system must be installed to diagnose the fluid.
Para ello, el objeto de la invención se refiere a un sistema de medición de degradación o contaminación de al menos un fluido que opere en un cierto proceso o máquina de una instalación basado en el emplazamiento de un sensor de carácter capacitivo en el recipiente de dicho fluido donde se le practica un análisis de respuesta en frecuencia pudiendo estar la línea de proceso o máquina en funcionamiento.For this, the object of the invention refers to a system for measuring degradation or contamination of at least one fluid that operates in a certain process or machine of an installation based on the location of a capacitive sensor in the container of said fluid where a frequency response analysis is performed, the process line or machine may be in operation.
Por tanto, en un primer aspecto de la invención, se divulga un sistema para la medición de la contaminación/degradación de un fluido. El sistema comprende:Therefore, in a first aspect of the invention, a system for measuring contamination / degradation of a fluid is disclosed. The system comprises:
• un condensador sumergido en un fluido contaminado/degradado; • a condenser immersed in a contaminated / degraded fluid;
• un generador de tensión de frecuencia variable que alimenta al condensador a tensión fija, donde la frecuencia variable se encuentra entre dos valores de acuerdo con un rango predeterminado de frecuencias y donde la frecuencia es variada en función de intervalos de frecuencia predeterminados (entre el valor mínimo del rango y el valor máximo del rango o viceversa, con incrementos o decrementos, respectivamente); • una impedancia conectada en serie con el condensador;• a variable frequency voltage generator that feeds the capacitor at a fixed voltage, where the variable frequency is between two values according to a predetermined range of frequencies and where the frequency is varied as a function of predetermined frequency ranges (between the value minimum of the range and the maximum value of the range or vice versa, with increments or decrements, respectively); • an impedance connected in series with the capacitor;
• un medidor de tensión que mide una tensión de entrada sobre el condensador, y una tensión de salida sobre la impedancia (es misma tensión que la que tiene el condensador a su salida);• a voltage meter that measures an input voltage on the capacitor, and an output voltage on the impedance (it is the same voltage as that of the capacitor at its output);
• un medidor de frecuencias que mide la frecuencia del generador de tensión;• a frequency meter that measures the frequency of the voltage generator;
• al menos una primera sonda de temperatura que mide la temperatura del fluido contaminado/degradado;• at least one first temperature probe that measures the temperature of the contaminated / degraded fluid;
• un procesador configurado para calcular una ganancia en frecuencia del condensador expresada como la relación entre la tensión de salida (tensión sobre la impedancia) y la tensión de entrada (tensión sobre el condensador) para cada valor de la frecuencia comprendida en el rango predeterminado de frecuencias a la temperatura medida por la sonda de temperatura;• a processor configured to calculate a capacitor frequency gain expressed as the ratio between the output voltage (voltage over the impedance) and the input voltage (voltage over the capacitor) for each value of the frequency within the predetermined range of frequencies at the temperature measured by the temperature probe;
• una memoria de referencias que almacena (ensayos) al menos una relación entre ganancia, frecuencia y concentración de contaminación/degradación conocida del fluido contaminado/degradado, a una temperatura predeterminada;• a reference memory that stores (tests) at least one relation between gain, frequency and concentration of known contamination / degradation of the contaminated / degraded fluid, at a predetermined temperature;
donde el procesador esta adicionalmente configurado para estimar una concentración de contaminación/degradación de un fluido mediante un cálculo de mínima distancia entre la ganancia medida y al menos una ganancia almacenada en la memoria de referencias para un valor de frecuencia seleccionada del rango de frecuencias, a la temperatura medida. El procesador está conectado con al menos el medidor de tensión, el medidor de frecuencias, la sonda de temperatura y la memoria de referencias.where the processor is additionally configured to estimate a contamination / degradation concentration of a fluid by calculating the minimum distance between the measured gain and at least one gain stored in the reference memory for a frequency value selected from the frequency range, at the measured temperature. The processor is connected to at least the voltage meter, the frequency meter, the temperature probe, and the reference memory.
Es decir, el sistema tiene almacenado en la memoria de referencias la ganancia en función de la frecuencia, que presenta el condensador para las distintas concentraciones de contaminación o degradación que pueden presentarse en el fluido a analizar partiendo de un fluido sin contaminación/degradación.That is, the system has the gain stored in the reference memory As a function of the frequency, which the condenser presents for the different concentrations of contamination or degradation that may occur in the fluid to be analyzed, starting from a fluid without contamination / degradation.
La relación entre la ganancia del condensador y la frecuencia se puede representar, por ejemplo, en un diagrama de Bode. El diagrama de Bode tendrá tantas líneas que relacionan la ganancia con la frecuencia como concentraciones conocidas de fluido con contaminación o degradación se quieran ensayar.The relationship between capacitor gain and frequency can be represented, for example, in a Bode plot. The Bode plot will have as many lines that relate the gain to the frequency as known concentrations of fluid with contamination or degradation are to be tested.
La relación entre la ganancia y la frecuencia para una concentración fija de fluido con contaminación o degradación depende de la temperatura. Por tanto, los ensayos se repiten para las distintas temperaturas dentro de los márgenes de temperatura de funcionamiento de las máquinas que comprenden el fluido con contaminación o degradación.The relationship between gain and frequency for a fixed concentration of fluid with contamination or degradation is temperature dependent. Therefore, the tests are repeated for the different temperatures within the operating temperature ranges of the machines that comprise the fluid with contamination or degradation.
Con todo lo anterior, el procesador puede comparar la ganancia medida en tiempo real del condensador y compararla con las ganancias almacenadas en la memoria de referencias para la temperatura medida. El valor de concentración del fluido con contaminación o degradación conocido (de los ensayos) que tenga una ganancia más próxima a la ganancia medida para una frecuencia seleccionada, será el valor estimado de contaminación o degradación que tiene el fluido. Esto es equivalente a seleccionar de todas los diagramas de Bode almacenados, aquel que coincide con la temperatura medida.With all of the above, the processor can compare the real-time measured gain of the capacitor and compare it with the gains stored in the reference memory for the measured temperature. The concentration value of the fluid with known contamination or degradation (from the tests) that has a gain closer to the gain measured for a selected frequency, will be the estimated value of contamination or degradation that the fluid has. This is equivalent to selecting from all the stored Bode plots, the one that matches the measured temperature.
Una vez recuperado el diagrama de Bode asociado a la temperatura medida, el procesador selecciona una frecuencia de entre el rango de frecuencias, y para esa frecuencia, calcula la diferencia entre el valor de ganancia medido y los valores de ganancia almacenados (ensayados) correspondientes a las distintas concentraciones almacenadas (ensayadas) de fluido con contaminación o degradación.Once the Bode plot associated with the measured temperature has been retrieved, the processor selects a frequency from the range of frequencies, and for that frequency, calculates the difference between the measured gain value and the stored (tested) gain values corresponding to the different stored (tested) concentrations of fluid with contamination or degradation.
De forma opcional, el procesador puede calcular las diferencias entre las ganancias asociadas a todas las concentraciones de fluido con contaminación o degradación para todo el rango frecuencial con objeto de calcular para qué frecuencia existe mayor diferencia (separación) entre las ganancias con objeto de mejorar la precisión de la estimación de la contaminación o degradación que soporta el fluido.Optionally, the processor can calculate the differences between the gains associated with all concentrations of contaminated fluid or degradation for the entire frequency range in order to calculate for which frequency there is the greatest difference (separation) between the gains in order to improve the precision of the estimation of the contamination or degradation that the fluid supports.
Alternativamente, si la ganancia se ha medido a diferente temperatura que las ganancias almacenadas en la memoria de referencia, es posible aplicar un factor de corrección a la ganancia medida (y más concretamente a los parámetros con que se obtiene la ganancia) que permitiría la comparación entre ganancia medida y ganancia almacenada.Alternatively, if the gain has been measured at a different temperature than the gains stored in the reference memory, it is possible to apply a correction factor to the measured gain (and more specifically to the parameters with which the gain is obtained) that would allow comparison between measured gain and stored gain.
En un segundo aspecto de la invención, se divulga un método para la medición de la contaminación/degradación de un fluido. El método comprende los siguientes pasos:In a second aspect of the invention, a method for measuring contamination / degradation of a fluid is disclosed. The method comprises the following steps:
• alimentar con una tensión fija de frecuencia variable a un condensador por donde circula un fluido, donde la frecuencia variable se encuentra entre dos valores de acuerdo con un rango predeterminado de frecuencias y donde la frecuencia es variada en función de intervalos de frecuencia predeterminados;• feeding a fixed voltage of variable frequency to a capacitor through which a fluid circulates, where the variable frequency is between two values according to a predetermined range of frequencies and where the frequency is varied as a function of predetermined frequency intervals;
• medir una tensión de entrada y una tensión de salida en el condensador para todo el rango predeterminado de frecuencias;• measure an input voltage and an output voltage across the capacitor for the entire predetermined range of frequencies;
• medir unas frecuencias de alimentación en el condensador;• measure some supply frequencies in the capacitor;
• medir una ganancia en frecuencia del condensador como una relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada para cada una de las frecuencias medidas;• measure a gain in frequency of the capacitor as a ratio between the output voltage and the input voltage for each of the measured frequencies;
• medir la temperatura del fluido;• measure the temperature of the fluid;
• estimar una concentración de contaminación/degradación del fluido mediante un cálculo de mínima distancia entre la ganancia medida y al menos una ganancia almacenada en una memoria de referencias para un valor de frecuencia seleccionada del rango de frecuencias, a la temperatura medida.• estimating a concentration of contamination / degradation of the fluid by calculating the minimum distance between the measured gain and at least one gain stored in a reference memory for a frequency value selected from the frequency range, at the measured temperature.
Para poder comparar la ganancia medida a una frecuencia y temperatura determinadas, con una o varias ganancias a esa misma frecuencia y temperatura (o distinta temperatura si se aplica un factor de corrección) para valores conocidos de la concentración de contaminación/degradación del fluido (ensayos previos), el método adicionalmente comprende almacenar en la memoria de referencias, tantas ganancias en frecuencia del condensador para concentraciones de contaminación/degradación del fluido predeterminadas (conocidas) como intervalos de frecuencia predeterminados contenidos en el rango predeterminado de frecuencias para cada temperatura de un rango predeterminado de temperaturas.To be able to compare the gain measured at a given frequency and temperature, with one or more gains at the same frequency and temperature (or different temperature if a correction factor is applied) for known values of the concentration of contamination / degradation of the fluid (previous tests), the method additionally comprises storing in the memory of references, as many gains in frequency of the condenser for contamination concentrations / predetermined (known) fluid degradation as predetermined frequency ranges contained in the predetermined range of frequencies for each temperature of a predetermined range of temperatures.
En una realización de la invención, el método adicionalmente comprende emitir una señal de alarma en caso de superar un valor de concentración límite de contaminación/degradación del fluido.In an embodiment of the invention, the method additionally comprises emitting an alarm signal in case of exceeding a limit concentration value of contamination / degradation of the fluid.
En otra realización de la invención, el método adicionalmente comprende orientar unas placas comprendidas en el condensador, en un sentido de la circulación del fluido, y siendo la superficie libre entre las placas una función de un caudal predeterminado para el fluido contaminado/degradado.In another embodiment of the invention, the method additionally comprises orienting plates comprised in the condenser, in a direction of fluid flow, and the free surface between the plates being a function of a predetermined flow rate for the contaminated / degraded fluid.
En otra realización de la invención, el método adicionalmente comprende medir la temperatura del fluido mediante al menos dos sondas de temperatura (sensores térmicos) ubicadas a la entrada y a la salida del condensador respectivamente para calcular la temperatura media del fluido, según la siguiente expresión:In another embodiment of the invention, the method additionally comprises measuring the temperature of the fluid by means of at least two temperature probes (thermal sensors) located at the inlet and at the outlet of the condenser respectively to calculate the average temperature of the fluid, according to the following expression:
donde:where:
Tin: es la temperatura de entrada en el condensador; Tin: is the inlet temperature in the condenser;
Tout: es la temperatura de salida en el condensador; Tout: is the outlet temperature in the condenser;
f : es la temperatura media calculada en el centro del condensador.f: is the average temperature calculated at the center of the condenser.
BREVE DESCRIPICIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPITION OF THE FIGURES
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A continuación, se describen de manera breve una serie de figuras que ayudan a comprender mejor la invención, que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención y se presentan como unos ejemplos no limitativos de ésta.A series of figures are briefly described below that help to better understand the invention, which expressly relate to an embodiment of said invention and are presented as non-limiting examples thereof.
La Figura 1 es un esquema general de un diseño de una posible realización del sensor capacitivo para la medida de degradación o contaminación de fluidos según la invención en alzado, planta y perfil. Este sensor capacitivo tiene una serie de placas conectadas alternativamente a dos terminales. La superficie libre entre placas debe ser suficiente para que circule el caudal a analizar.Figure 1 is a general diagram of a design of a possible embodiment of the capacitive sensor for the measurement of degradation or contamination of fluids according to the invention in elevation, plan and profile. This capacitive sensor has a series of plates alternately connected to two terminals. The free surface between plates must be sufficient for the flow to be analyzed to circulate.
La Figura 2 es una posible vista en planta de la forma de circulación recomendada del fluido a través del sensor capacitivo, donde las placas están orientadas en la misma dirección de circulación del fluido.Figure 2 is a possible plan view of the recommended form of fluid circulation through the capacitive sensor, where the plates are oriented in the same direction of fluid circulation.
La Figura 3 es un esquema general de una posible, realización de la invención instalado en la cuba de un transformador eléctrico de potencia en baño de aceite. En esta figura se ha representado un sistema con dos sensores de temperatura a la entrada y salida del sensor capacitivo.Figure 3 is a general diagram of a possible embodiment of the invention installed in the tank of an electric power transformer in oil bath. This figure represents a system with two temperature sensors at the input and output of the capacitive sensor.
La Figura 4 es una representación gráfica del método utilizado para la monitorización de la degradación y contaminación del fluido a monitorizar.Figure 4 is a graphic representation of the method used to monitor the degradation and contamination of the fluid to be monitored.
La Figura 5 es una representación gráfica del diagrama de bloques del método de la invención.Figure 5 is a graphical representation of the block diagram of the method of the invention.
La Figura 6 muestra en aumento una posible, no limitativa, realización de la invención mostrada en la figura 3 donde se visualiza mejor la circulación del fluido paralela al sensor capacitivo.Figure 6 shows in magnification a possible, non-limiting, embodiment of the invention shown in figure 3 where the flow of the fluid parallel to the capacitive sensor is better visualized.
La Figura 7 muestra la respuesta en frecuencia para un ejemplo no limitativo de la invención compuesto de aceite y contenido en agua diluido en este. Figure 7 shows the frequency response for a non-limiting example of the invention composed of oil and water content diluted therein.
La Figura 8 muestra la concentración de agua para cada valor de ganancia a 100 Hz para un ejemplo no limitativo de la invención compuesto de aceite y contenido en agua.Figure 8 shows the water concentration for each gain value at 100 Hz for a non-limiting example of the invention composed of oil and water content.
REFERENCIAS NUMÉRICAS DE LAS FIGURASNUMERICAL REFERENCES OF THE FIGURES
A continuación, se adjuntan las referencias numéricas correspondientes a cada elemento de las figuras no limitativas de la invención que ayudan a comprender mejor la misma:Next, the numerical references corresponding to each element of the non-limiting figures of the invention are attached, which help to better understand the same:
(1) Sensor capacitivo de medición de la degradación o contaminación de fluidos;(1) Capacitive sensor for measuring the degradation or contamination of fluids;
(2) Soporte superior del sensor capacitivo de medición;(2) Upper bracket of capacitive measurement sensor;
(3) Soporte inferior del sensor capacitivo de medición;(3) Lower bracket of capacitive measurement sensor;
(4) Placas conductoras planas paralelas del sensor de medición;(4) Parallel flat conductive plates of the measuring sensor;
(5) Conexiones de uno de los polos del sensor capacitivo;(5) Connections of one of the poles of the capacitive sensor;
(6) Conexiones del otro polo del sensor capacitivo;(6) Connections of the other pole of the capacitive sensor;
(7) Líneas de flujo de circulación del fluido ensayado;(7) Circulation flow lines of the tested fluid;
(8) Recipiente que alberga el fluido a monitorizar;(8) Container that houses the fluid to be monitored;
(9) Transformador eléctrico de potencia;(9) Electric power transformer;
(10) Fluido a analizar;(10) Fluid to be analyzed;
(11) Sonda de temperatura de entrada de fluido al sensor capacitivo;(11) Fluid inlet temperature probe to capacitive sensor;
(12) Sonda de temperatura de salida de fluido al sensor capacitivo;(12) Fluid outlet temperature probe to capacitive sensor;
(13) Fuente de alimentación de corriente continua;(13) DC power supply;
(14) Polo positivo de la fuente de alimentación;(14) Positive pole of the power supply;
(15) Polo negativo de la fuente de alimentación;(15) Negative pole of the power supply;
(16) Semiconductores controlados para generación de corriente alterna de frecuencia variable;(16) Semiconductors controlled for generating variable frequency alternating current;
(17) Lado de corriente alterna de frecuencia variable;(17) Variable frequency alternating current side;
(18) Medidor de tensión de inyección;(18) Injection tension meter;
(19) Impedancia de medida calibrada;(19) Calibrated measurement impedance;
(20) Medidor de tensión de salida del sensor capacitivo; (20) Capacitive sensor output voltage meter;
(21) Medidor de frecuencia del lado de corriente alterna de frecuencia variable;(21) Variable frequency alternating current side frequency meter;
(22) Señal de temperatura de entrada del fluido al sensor de medida capacitivo;(22) Fluid inlet temperature signal to the capacitive measurement sensor;
(23) Señal de temperatura de salida del fluido al sensor de medida capacitivo; (24) Señal de tensión de inyección al sensor de medida capacitivo;(23) Fluid outlet temperature signal to the capacitive measurement sensor; (24) Injection voltage signal to the capacitive measurement sensor;
(25) Señal de tensión de salida del sensor de medida capacitivo;(25) Output voltage signal of the capacitive measurement sensor;
(26) Señal de frecuencia del lado de corriente alterna de frecuencia variable; (27) Subsistema de tratamiento de señales donde previamente se han almacenado varias respuestas en frecuencia del fluido en condiciones sanas a diferentes temperaturas;(26) Variable frequency alternating current side frequency signal; (27) Signal processing subsystem where previously various frequency responses of the fluid have been stored under healthy conditions at different temperatures;
(28) Subsistema de comparación de la respuesta en frecuencia medida con la respuesta en frecuencia de referencia a la temperatura de la medida; (29) Subsistema de cálculo de concentraciones del fluido monitorizado basado en ensayos previos;(28) Subsystem for comparing the measured frequency response with the reference frequency response at the temperature of the measurement; (29) Subsystem for calculating concentrations of the monitored fluid based on previous tests;
(30) Subsistema emisor de señal de alarma en caso de que se detecten concentraciones superiores a valores previamente ajustados;(30) Subsystem emitting alarm signal in case concentrations higher than previously adjusted values are detected;
(31) Etapa de cálculo de la temperatura media en el sensor de medida capacitivo;(31) Step of calculating the average temperature in the capacitive measurement sensor;
(32) Etapa de cálculo de ganancia del sistema en el barrido de frecuencias; (33) Subprograma inicialización de base de datos;(32) Stage for calculating the system gain in the frequency sweep; (33) Database initialization applet;
(34) Etapa de obtención de la ganancia para una frecuencia concreta;(34) Stage of obtaining the gain for a specific frequency;
(35) Etapa de corrección de parámetros de base de datos por temperatura; (36) Etapa de cálculo de la concentración de contaminante o degradación del fluido monitorizado;(35) Step of correcting database parameters by temperature; (36) Step of calculating the concentration of pollutant or degradation of the monitored fluid;
(37) Etapa de comparación de degradación o contaminación de fluido con valores de disparo;(37) Stage of comparing degradation or contamination of fluid with trigger values;
(38) Etapa de emisión de alarma;(38) Stage of alarm emission;
(39) Etapa de elección de frecuencia de análisis.(39) Stage of choice of frequency of analysis.
(40) Etapa de carga de base de datos de medida de degradación de fluidos. (41) Valor de ajuste para la emisión de señal de alarma.(40) Stage of loading the fluid degradation measurement database. (41) Setting value for alarm signal output.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES
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Se procede a continuación a hacer una descripción más detallada de las figuras y que pueden considerarse un ejemplo de realización preferente de la invención no limitativa de la misma.A more detailed description of the figures follows, which may be considered an example of a preferred embodiment of the non-limiting invention thereof.
La Figura 1 representa una posible topología de un sensor capacitivo de medición de la degradación o contaminación de fluidos (1) que consta de unas placas conductoras planas paralelas del sensor capacitivo de medición (4) conectadas alternativamente en paralelo mediante conexiones con los terminales del sensor capacitivo (5, 6) de forma que ambas conexiones tengan el mismo número de placas. El conjunto de placas va soportado en dos superficies, en el soporte superior del sensor capacitivo de medición (2) y en el soporte inferior del sensor capacitivo de medición (3). En la Figura 1 se muestran el alzado, planta y perfil de una posible realización de la invención.Figure 1 represents a possible topology of a capacitive sensor for measuring the degradation or contamination of fluids (1) consisting of parallel flat conductive plates of the capacitive measuring sensor (4) alternately connected in parallel by connections with the sensor terminals capacitive (5, 6) so that both connections have the same number of plates. The set of plates is supported on two surfaces, on the upper support of the capacitive measurement sensor (2) and on the lower support of the capacitive measurement sensor (3). Figure 1 shows the elevation, plan and profile of a possible embodiment of the invention.
La Figura 2 muestra las líneas de flujo de circulación del fluido ensayado (7) a través de un sensor capacitivo (1). Es de necesaria aplicación que, para más precisión en este tipo de sistemas, la dirección de circulación del fluido permanezca paralela a las placas conductoras planas paralelas del sensor capacitivo de medición (4) y que el sensor (condensador) se ubique en una zona con una convección suficiente como para garantizar la renovación del fluido por ejemplo en la pared interior de una cuba de un transformador de potencia de baño en aceite en un lateral próximo al devanado o a la entrada de uno de los radiadores. La sección libre entre placas debe ser calculada según sea el caudal de fluido.Figure 2 shows the circulation flow lines of the tested fluid (7) through a capacitive sensor (1). It is necessary to apply that, for more precision in this type of system, the direction of fluid circulation remains parallel to the parallel flat conducting plates of the capacitive measurement sensor (4) and that the sensor (condenser) is located in an area with a sufficient convection to guarantee the renewal of the fluid, for example in the inner wall of a tank of an oil-bath power transformer on a side close to the winding or to the inlet of one of the radiators. The free section between plates must be calculated according to the fluid flow.
La Figura 3 muestra una posible realización del sistema de la invención donde un sensor capacitivo para la medición de la degradación o contaminación de fluidos (1) es emplazado en una zona de convección dentro de un recipiente que alberga el fluido a monitorizar (8) para lograr la mayor homogeneización de la mezcla posible. En el caso de la Figura 3, el fluido a analizar (10) es aceite aislante de un transformador eléctrico de potencia (9). El fluido fluye en la dirección de las líneas de flujo de circulación del fluido ensayado (7) y la temperatura es medida a la entrada y salida del sensor capacitivo (1) mediante al menos una sonda de temperatura de entrada de fluido al sensor capacitivo de medición (11) y al menos una sonda de temperatura de salida de fluido al sensor capacitivo de medición (12).Figure 3 shows a possible embodiment of the system of the invention where a capacitive sensor for measuring the degradation or contamination of fluids (1) is placed in a convection zone inside a container that houses the fluid to be monitored (8) to achieve the greatest possible homogenization of the mixture. In the case of Figure 3, the fluid to be analyzed (10) is insulating oil from an electrical power transformer (9). The fluid flows in the direction of the tested fluid circulation flow lines (7) and the Temperature is measured at the inlet and outlet of the capacitive sensor (1) by at least one fluid inlet temperature probe to the capacitive measurement sensor (11) and at least one fluid outlet temperature probe to the capacitive measurement sensor ( 12).
En el lado izquierdo de la Figura 3 se procede a la alimentación del sensor capacitivo (condensador). En este caso, ejemplo no limitativo de la invención, esta procede a ser mediante un sistema de alimentación (13) en corriente continua conectado entre el polo positivo del bus de corriente continua (14) y el polo negativo del bus de corriente continua (15) que mediante semiconductores controlados (16) se obtiene corriente alterna de frecuencia variable (17) con el objetivo de proceder a un barrido de frecuencias en el sensor capacitivo (condensador).On the left side of Figure 3, the capacitive sensor (capacitor) is fed. In this case, a non-limiting example of the invention, this proceeds to be through a direct current power supply system (13) connected between the positive pole of the direct current bus (14) and the negative pole of the direct current bus (15 ) that by means of controlled semiconductors (16) alternating current of variable frequency (17) is obtained in order to proceed to a frequency sweep in the capacitive sensor (capacitor).
La Figura 3 también contempla la instalación de instrumentos de medida como son un medidor de tensión de inyección (18) y un medidor de tensión de salida del sensor capacitivo (20) sobre una impedancia de medida calibrada (19) de valor conocido en terminales de salida del sensor capacitivo (7) además de un medidor de frecuencia del lado de corriente alterna de frecuencia variable (21).Figure 3 also contemplates the installation of measuring instruments such as an injection voltage meter (18) and a capacitive sensor output voltage meter (20) on a calibrated measurement impedance (19) of known value in terminals of output of the capacitive sensor (7) in addition to a frequency meter on the alternating current side of variable frequency (21).
Adicionalmente en la Figura 3 se han recopilado de manera general las señales recopiladas por los distintos sensores (al menos capacitivo y térmico) como son la señal de temperatura de entrada del fluido al sensor de medida capacitivo (22) , la señal de temperatura de salida del fluido al sensor de medida capacitivo (23) , la señal de tensión de inyección al sensor de medida capacitivo (24), la señal de tensión de salida del sensor de medida capacitivo (25) y la señal de frecuencia del lado de corriente alterna de frecuencia variable (26). Todas estas señales entran en un subsistema de tratamiento de señales (27) donde previamente se han almacenado varias respuestas en frecuencia del fluido en condiciones sanas (fluido sin contaminación y/o degradación) a diferentes temperaturas.Additionally, in Figure 3 the signals collected by the different sensors (at least capacitive and thermal) have been compiled in a general way, such as the input temperature signal of the fluid to the capacitive measurement sensor (22), the output temperature signal from the fluid to the capacitive measurement sensor (23), the injection voltage signal to the capacitive measurement sensor (24), the output voltage signal from the capacitive measurement sensor (25) and the frequency signal from the alternating current side variable frequency (26). All these signals enter a signal processing subsystem (27) where previously various frequency responses of the fluid have been stored under healthy conditions (fluid without contamination and / or degradation) at different temperatures.
Posteriormente se instala un subsistema de comparación (28) de la respuesta enSubsequently, a comparison subsystem (28) of the response is installed in
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frecuencia medida con la respuesta en frecuencia de referencia a la temperatura de la medida. Este sistema hace la comparación entre la respuesta en frecuencia medida y la correspondiente al fluido sano a esa temperatura. Si hay diferencias significativas, esto indica la degradación del fluido, o la presencia de algún contaminante.measured frequency with the reference frequency response at the measurement temperature. This system makes the comparison between the measured frequency response and that corresponding to the healthy fluid at that temperature. If there are significant differences, this indicates the degradation of the fluid, or the presence of some contaminant.
Posteriormente a la comparación, un subsistema de cálculo de concentraciones (29) del fluido monitorizado basado en ensayos previos, calcula la concentración basándose en ensayos previos.After the comparison, a concentration calculation subsystem (29) of the monitored fluid based on previous tests, calculates the concentration based on previous tests.
Finalmente, si el valor de concentración correspondiente es mayor que un cierto valor de ajuste se procede a la activación del subsistema emisor de señal de alarma (30).Finally, if the corresponding concentration value is greater than a certain setting value, the alarm signal emitting subsystem (30) is activated.
La Figura 4 muestra el diagrama de flujo del método utilizado en la invención para el cálculo de la concentración o bien del fluido a analizar o bien de sus productos contaminantes y el proceso para la emisión de alarma al sistema de protección o monitorización externo correspondiente. El método cuenta con una etapa de inserción de los datos correspondientes por los sensores (al menos capacitivo y térmico) que corresponden al menos con la señal de temperatura de entrada del fluido al sensor de medida capacitivo (22), la señal de temperatura de salida del fluido al sensor de medida capacitivo (23), la señal de tensión de inyección al sensor de medida capacitivo (24), la señal de tensión de salida del sensor de medida capacitivo (25) y la señal de frecuencia del lado de corriente alterna de frecuencia variable (26). Las señales de temperatura se utilizan para una etapa de cálculo de la temperatura media en el sensor de medida capacitivo (31) mientras que las otras tres señales se utilizan en una etapa de cálculo de ganancia del sistema en el barrido de frecuencias (32) que permiten la construcción de la función de transferencia (relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada) del sensor capacitivo (condensador). Posteriormente, a esto se inicializa un subprograma inicialización de base de datos (33) (memoria de referencias), que necesita la inserción de un valor de frecuencia fija característica al proceso que se quiera analizar (por ejemplo, para medir laFigure 4 shows the flow chart of the method used in the invention to calculate the concentration of either the fluid to be analyzed or its polluting products and the process for issuing an alarm to the corresponding external protection or monitoring system. The method has a stage of inserting the corresponding data by the sensors (at least capacitive and thermal) that correspond at least to the input temperature signal of the fluid to the capacitive measurement sensor (22), the output temperature signal from the fluid to the capacitive measurement sensor (23), the injection voltage signal to the capacitive measurement sensor (24), the output voltage signal from the capacitive measurement sensor (25) and the frequency signal from the alternating current side variable frequency (26). The temperature signals are used for a stage of calculating the mean temperature in the capacitive measurement sensor (31) while the other three signals are used in a stage of calculating the gain of the system in the frequency sweep (32) that They allow the construction of the transfer function (relationship between the output voltage and the input voltage) of the capacitive sensor (capacitor). Subsequently, a database initialization subprogram (33) (memory of references) is initialized, which requires the insertion of a value of fixed frequency characteristic to the process to be analyzed (for example, to measure the
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descomposición del agua de la celulosa aislante de las bobinas de un transformador eléctrico de alta tensión en aceite se propone una frecuencia fija de 50 Hz o 100 Hz), pudiendo esta estar comprendida en un rango de frecuencias de 10 Hz hasta, recomendable, no más de 20 MHz. Una vez elegida la frecuencia de operación del método en la etapa de elección de frecuencia de análisis (39) se procede a una etapa de carga de base de datos de medida de degradación de fluidos (40) que consta de los parámetros constantes o tabla de valores de un modelo específico que depende del proceso o fluido a monitorizar. Con la etapa de elección de frecuencia de análisis (39) también se procede a la extracción del valor de ganancia correspondiente a esta frecuencia incidiendo en la función de transferencia mediante una etapa de obtención de la ganancia para una frecuencia concreta (34) derivada de la etapa de cálculo de ganancia del sistema en el barrido de frecuencias (32). Opcional y adicionalmente, con la temperatura media se puede realizar una corrección de parámetros o valores por temperatura, ya que las respuestas del sensor capacitivo (condensador) son muy sensibles a pequeñas variaciones de la temperatura, en una etapa de corrección de parámetros de base de datos por temperatura (35) obteniendo los valores de los parámetros del modelo o valores de tabla de valores ya corregidos y listos para calcular con la ganancia a frecuencia fija la concentración del agente contaminante o contaminado en la etapa de cálculo de la concentración de contaminante o degradación del fluido monitorizado (36) que posteriormente se introducirá en la etapa de comparación de degradación o contaminación de fluido con valores de disparo (37) para comprobar si este valor excede o no los límites de un valor previamente ajustado y que delimita cuando el fluido debe de ser sometido a mantenimiento. En el momento que se exceda el valor se procede a una etapa de emisión de alarma (38). Si no excede los valores, se deben recopilar de nuevo las señales de temperatura (22,23), tensión (24,25) y frecuencia (26).decomposition of the water from the insulating cellulose of the coils of a high voltage electrical transformer in oil, a fixed frequency of 50 Hz or 100 Hz is proposed), which can be comprised in a frequency range of 10 Hz up to, recommended, no more of 20 MHz. Once the operating frequency of the method has been chosen in the analysis frequency selection stage (39), a stage of loading the fluid degradation measurement database (40) is carried out, which consists of the parameters constants or table of values of a specific model that depends on the process or fluid to be monitored. With the step of choosing the analysis frequency (39), the gain value corresponding to this frequency is also extracted, affecting the transfer function by means of a step of obtaining the gain for a specific frequency (34) derived from the stage of calculating the gain of the system in the frequency sweep (32). Optionally and additionally, with the average temperature a correction of parameters or values by temperature can be carried out, since the responses of the capacitive sensor (condenser) are very sensitive to small variations in temperature, in a basic parameter correction stage of data by temperature (35) obtaining the values of the model parameters or values from the table of values already corrected and ready to calculate with the gain at fixed frequency the concentration of the pollutant or polluted agent in the stage of calculating the pollutant concentration or degradation of the monitored fluid (36) that will later be introduced in the stage of comparing degradation or contamination of fluid with trigger values (37) to check whether or not this value exceeds the limits of a previously adjusted value and that defines when the fluid It must be subjected to maintenance. As soon as the value is exceeded, an alarm emission stage (38) is carried out. If it does not exceed the values, the temperature (22,23), voltage (24,25) and frequency (26) signals must be collected again.
La Figura 5 representa el diagrama de bloque del método utilizado. En este diagrama se procede de igual forma a la lectura de las señales de temperatura (22,23), tensión (24,25) y frecuencia (26) y se llevan dos desarrollos paralelos.Figure 5 represents the block diagram of the method used. In this diagram, the temperature (22,23), voltage (24,25) and frequency (26) signals are read in the same way and two parallel developments are carried out.
• Por un lado, se obtiene la temperatura media mediante la realización de una media aritmética, suponiendo que la temperatura en el centro del sensor (condensador) se puede obtener como:• On the one hand, the average temperature is obtained by carrying out an arithmetic mean, assuming the temperature at the center of the sensor (condenser) can be obtained as:
donde:where:
Tin: es la temperatura de entrada al sensor capacitivo (condensador) de medida. Tin: is the input temperature to the measurement capacitive sensor (condenser).
Tout: es la temperatura de salida del sensor capacitivo (condensador) de medida. Tout: is the output temperature of the measurement capacitive sensor (capacitor).
T : es la temperatura media calculada en el centro del sensor capacitivo (condensador) de medida. T: is the average temperature calculated in the center of the measurement capacitive sensor (condenser).
Con la temperatura media y con los datos o valores procedentes de la inicialización de un subprograma inicialización de base de datos (33) se corrigen los parámetros que se utilizarán a posteriori. Las correcciones de temperatura dependerán de los datos utilizados. Un ejemplo no limitativo sería la corrección de los parámetros de un modelo realizado a una temperatura estándar de 25 °C:With the average temperature and with the data or values from the initialization of a database initialization subroutine (33), the parameters that will be used later are corrected. Temperature corrections will depend on the data used. A non-limiting example would be the correction of the parameters of a model carried out at a standard temperature of 25 ° C:
Donde K1, K2, son parámetros puramente matemáticos para una frecuencia fijada previamente y que ajustan valores de concentración correlacionados directamente con la ganancia para ensayos de contaminación, también previamente realizados. Estos parámetros dependen de la temperatura y cada uno tendrá una función (f, g) de corrección independiente entre sí tal que:Where K1, K2, are purely mathematical parameters for a previously set frequency and that adjust concentration values directly correlated with the gain for contamination tests, also previously performed. These parameters depend on the temperature and each one will have an independent correction function (f, g) such that:
K1(T) = f(T ) K1 ( T) = f ( T)
K2(T) = g(T) K2 ( T) = g ( T)
Por lo que los parámetros quedarían corregidos a la temperatura media que en el momento de la monitorización se esté dando en el centro del sensor capacitivo (condensador).Therefore, the parameters would be corrected to the average temperature that at the time of monitoring is occurring in the center of the capacitive sensor (condenser).
De esta forma se consiguen los valores corregidos de la base de datos (memoria de referencias) que pueden ser enfrentados a los valores calculados por la otra rama.In this way, the corrected values of the database (memory of references) are obtained that can be compared to the values calculated by the other branch.
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• En la rama superior se inyectan las señales de tensión (24,25) y frecuencia (26). Con dichas señales primeramente se obtienen una matriz de ganancias del sistema empleando la ecuación:• The voltage (24,25) and frequency (26) signals are injected into the upper branch. With these signals, first a matrix of gains of the system is obtained using the equation:
\u2\\ u2 \
A[dB] A [dB] = 20 • logy = 20 • logy \\ jj uor ^ ^ i \ i \ jj
DondeWhere
U2: es la tensión de salida del sensor de medida (condensador). U1: es la tensión de entrada al sensor de medida (condensador). A[dB]: es la ganancia del sistema para una frecuencia dada.U2: is the output voltage of the measurement sensor (capacitor). U1: is the input voltage to the measurement sensor (capacitor). A [dB]: is the system gain for a given frequency.
y posteriormente se combinan las ganancias obtenidas en la matriz columna con cada valor de frecuencia recopilado en las señales (26). Con esto se obtiene la función de transferencia del sistema y se puede elegir cualquier valor de ganancia correspondiente a la frecuencia previamente fijada en la etapa de elección de frecuencia de análisis (39) en la etapa de obtención de la ganancia para una frecuencia concreta (34).and subsequently the gains obtained in the column matrix are combined with each frequency value collected in the signals (26). With this, the transfer function of the system is obtained and any gain value corresponding to the frequency previously set in the stage of choosing the analysis frequency (39) can be chosen in the stage of obtaining the gain for a specific frequency (34 ).
Con los valores de ambas ramas se procede al cálculo de la concentración correspondiente mediante el modelo ajustado previamente corregido en la etapa de cálculo de la concentración de contaminante o degradación del fluido monitorizado (36). Siguiendo la ecuación propuesta en el ejemplo no limitativo anterior, esta queda:With the values of both branches, the corresponding concentration is calculated using the adjusted model previously corrected in the stage of calculating the concentration of pollutant or degradation of the monitored fluid (36). Following the equation proposed in the non-limiting example above, this is:
Ctest[PPm\ = K1(T') ■ eK^ T>AídB]\fcte Ctest [PPm \ = K1 ( T ') ■ eK ^ T> AídB] \ fcte
Entonces, con la ganancia a frecuencia fija y los parámetros corregidos se obtiene la concentración de contaminante o de agente contaminado y queda listo para compararlo con el valor de ajuste para la emisión de señal de alarma (41) en una etapa de comparación de degradación o contaminación de fluido con valores de disparo (37).Then, with the gain at fixed frequency and the corrected parameters, the concentration of pollutant or polluted agent is obtained and it is ready to be compared with the adjustment value for the alarm signal emission (41) in a degradation comparison stage or fluid contamination with trigger values (37).
La Figura 6 muestra de forma más cercana y exacta la instalación del sensor de medida capacitivo de la figura 3, puesto que esta tiene el objetivo de mostrar lasFigure 6 shows more closely and exactly the installation of the capacitive measurement sensor of figure 3, since this has the purpose of showing the
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conexiones eléctricas. La Figura 6 muestra la correcta instalación del sensor capacitivo (condensador) para conseguir que las líneas de flujo de circulación del fluido ensayado (7) circulen de forma óptima por el sensor capacitivo (condensador) debido a convección dentro del recipiente del transformador (pudiendo ser esta natural o forzada), lo que implica atravesar el sensor capacitivo de forma paralela a las placas conductoras planas paralelas del sensor capacitivo de medición (4). A su vez, el sensor capacitivo (condensador) ha de posicionarse en una zona con convección suficiente como para proceder a la continua renovación del fluido. Adicionalmente, se muestran los sensores de temperatura a la entrada y salida (11,12) del fluido por el sensor capacitivo de medición para la corrección de la ganancia por temperatura.electric connections. Figure 6 shows the correct installation of the capacitive sensor (condenser) to ensure that the flow lines of the tested fluid (7) circulate optimally through the capacitive sensor (condenser) due to convection inside the transformer container (which may be is natural or forced), which implies passing through the capacitive sensor in a parallel way to the parallel flat conductive plates of the capacitive measurement sensor (4). In turn, the capacitive sensor (condenser) must be positioned in an area with sufficient convection to proceed with the continuous renewal of the fluid. Additionally, the temperature sensors at the inlet and outlet (11,12) of the fluid are shown by the capacitive measurement sensor for the correction of the temperature gain.
En último lugar, las figuras 7 y 8 muestran un ejemplo no limitativo de la invención donde se ha procedido a hacer una prueba de disolución de agua en aceite. El ejemplo consta de un recipiente de 1.7 L de aceite donde previamente se vierten distintas cantidades de agua para elaborar una base de datos. Se pretende con esto emular la descomposición de celulosa en aceite de transformador debido a la degradación de esta por estrés térmico de los arrollamientos de cobre.Lastly, Figures 7 and 8 show a non-limiting example of the invention where a water-in-oil dissolution test has been carried out. The example consists of a 1.7 L oil container where different amounts of water are previously poured to create a database. This is intended to emulate the decomposition of cellulose in transformer oil due to its degradation by thermal stress of the copper windings.
Las cantidades de agua a ensayar han sido calculadas para conseguir 0, 10, 11, 12,... 40, 50, 60... 100, 200, 300... hasta 1000 ppm a una temperatura de 70°C (considerada como la temperatura estándar de operación de aceite en la cuba de un transformador de potencia eléctrico), con lo que se consigue elaborar un modelo representativo, ya que el nivel de concentración de agua en aceites de transformador no debe ser mayor de 40 ppm acorde a los estándares vigentes.The quantities of water to be tested have been calculated to achieve 0, 10, 11, 12, ... 40, 50, 60 ... 100, 200, 300 ... up to 1000 ppm at a temperature of 70 ° C (considered as the standard operating temperature of oil in the tank of an electrical power transformer), which is able to elaborate a representative model, since the level of water concentration in transformer oils should not be greater than 40 ppm according to current standards.
Estos puntos hacen que se pueda obtener una base de datos (memoria de referencias) a raíz de las respuestas en frecuencia (se visualizan las respuestas en frecuencia para las cantidades de 10, 20, 50 y 100 ppm en la figura 7). Posteriormente, seleccionando una frecuencia fija donde la progresión del fluido quede visualizada, en este caso en particular se considera a 100 Hz, esta puede ser ajustada acorde a la ecuación para el ejemplo vigente:These points make it possible to obtain a database (memory of references) as a result of the frequency responses (the frequency responses are displayed for the quantities of 10, 20, 50 and 100 ppm in Figure 7). Subsequently, selecting a fixed frequency where the fluid progression is displayed, in this particular case it is considered at 100 Hz, this can be adjusted according to the equation for the current example:
2 two
donde dando valor a los parámetros se obtiene la fórmula empírica caracterizada como:where giving value to the parameters the empirical formula is obtained characterized as:
yl[dB]+46.65 yl[dB] 46.65yl [dB] +46.65 yl [dB] 46.65
C[ppm] C [ppm] 0.31540.3154
= 23.33 • e 1.041 .475 = 23.33 • e 1.041 .475
+ 0.4043 • 6 7 ' 1.041 + 0.4043 • 6 7 '1.041
Posteriormente, se realiza una prueba con el aceite en operación a 70°C con el propósito de analizar la cantidad de agua en aceite de transformador. Para esta temperatura, al ser la estipulada como temperatura estándar no se requiere etapa de corrección por temperatura.Subsequently, a test is carried out with the oil in operation at 70 ° C in order to analyze the amount of water in transformer oil. For this temperature, as it is the one stipulated as the standard temperature, no temperature correction stage is required.
Se obtiene la respuesta en frecuencia y la ganancia de dicha respuesta en frecuencia a partir del sensor capacitivo para una frecuencia fija de 100 Hz, que es la de la base de datos construida con datos previos, y se obtiene que A = -47.90 [dB]. Introduciendo dicho valor en la ecuación anterior se obtiene una concentración de 15.98 ppm (ver Figura 8).The frequency response and the gain of said frequency response are obtained from the capacitive sensor for a fixed frequency of 100 Hz, which is that of the database built with previous data, and it is obtained that A = -47.90 [dB ]. Introducing this value in the previous equation, a concentration of 15.98 ppm is obtained (see Figure 8).
Se ha ajustado en este caso el valor de emisión de alarma en 40 ppm y como 15.98 ppm es menor que el valor ajustado la etapa de emisión de alarma a dispositivos externos no es utilizada. In this case, the alarm emission value has been set at 40 ppm and since 15.98 ppm is less than the set value, the alarm emission stage to external devices is not used.
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2020
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