ES2920279T3

ES2920279T3 - Procedimiento y aparato para detectar acústicamente fugas de fluido

Info

Publication number: ES2920279T3
Application number: ES18780613T
Authority: ES
Inventors: Marco Luccini; Vittorio Scipolo
Original assignee: Tenova Goodfellow Inc
Current assignee: Tenova Goodfellow Inc
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP2020515850A; US11255743B2; US11913857B2; CN110546475A; EP3607290A4; PL3607290T3; CA3054311A1; CN110546475B; US20220128430A1; WO2018184089A1; JP7316939B2; BR112019020917A2; EP3607290B1; EP3607290A1; MX2019011676A; US20200386648A1

Abstract

Un sistema utilizado para monitorear uno o más parámetros operativos de una instalación industrial enfriada con fluido de refrigerante incluye uno o más sensores acústicos posicionados para recibir y detectar una o más señales acústicas en un flujo de fluido de refrigerante de instalación. El ensamblaje del sensor acústico opera para emitir y detectar señales acústicas en rangos de frecuencia por encima y/o debajo de los rangos de frecuencia de ruido de fondo que están asociados con la operación de instalación industrial normal. Las señales de datos de salida representativas de señales acústicas detectadas se comparan con los perfiles de frecuencia objetivo predeterminados como que representan una frecuencia acústica asociada con un parámetro o evento de operación de instalación predeterminado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y aparato para detectar acústicamente fugas de fluido

SOLICITUDES RELACIONADAS

La presente solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de 35 USC §119(e) a la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos n° 62/481753, depositada el 05 de abril de 2017.

ALCANCE DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de monitoreo y detección para monitorear los parámetros operativos del fluido contenido y que fluye en una tubería o canal. Más específicamente, la invención se refiere a un procedimiento y aparato para detectar fugas en una tubería de un sistema de distribución de fluido en aplicaciones industriales, y más específicamente un aparato que funciona para proporcionar la detección acústica de fugas de fluido en conductos o tuberías, tales como fugas de agua que ocurren debido a fracturas del panel de enfriamiento en hornos de fabricación de acero, tales como Horno de Arco Eléctrico (HAE).

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la solicitud de fabricación de acero HAE más preferida, se han introducido paneles refrigerados por fluido o agua para proteger la cubierta superior, el techo y las paredes laterales de los hornos del calor extremo generado por el acero fundido y la radiación del arco eléctrico. Los excelentes resultados obtenidos han dado lugar a un amplio uso de esta solución. Sin embargo, la introducción de paneles refrigerados por agua ha introducido el riesgo de fugas de agua en el horno desde los paneles dañados. En particular, las estructuras de panel de refrigerante están provistas de una o más tuberías o conductos de enfriamiento que se extienden en forma de serpentina en contacto térmico con las paredes laterales del horno. El agua se hace circular a través de las tuberías de enfriamiento como un líquido refrigerante para enfriar el horno y disipar el calor. Los paneles de refrigerante están sujetos a una fuerte tensión termomecánica debido a las variaciones extremas de calor dentro del horno y el impacto de la chatarra durante las fases de carga del HAE. Eventualmente, debido al procedimiento de expansión/contracción, el estrés por calor y el impacto de la chatarra, la estructura del panel puede agrietarse, lo que conduce al derrame de agua directamente en el horno.

Cuando agua líquida entra en el HAE, inmediatamente comenzará a hervir produciendo vapor (vapor de H²O). El vapor de H²O en evolución puede formar posteriormente una manta de gas alrededor del agua líquida, reduciendo así la transferencia de calor y prolongando la ebullición durante un período de tiempo prolongado. Existe un riesgo de explosión siempre que haya escoria fundida y metal en el horno, sin embargo, esto puede volverse particularmente agudo si hay una perturbación repentina, como por ejemplo, por la caída de chatarra sin fundir en la cavidad del horno o cuando el HAE es balanceado o inclinado. El "chapoteo" fundido resultante puede sumergir fácilmente el agua líquida debajo de la escoria y el acero fundidos.

En tales situaciones de chapoteo a menudo puede haber dos explosiones, la primera explosión relacionada con una evolución repentina de la sub-superficie atrapada por el vapor que expulsa metal fundido y escoria, y una posible segunda explosión mucho más grave debido a la rápida ignición de los gases combustibles CO e H²presentes dentro del HAE. En este sentido, la concentración de H²en el francobordo del HAE puede elevarse debido a la reducción de la H²O derivada de la fuga de agua.

Se ha reconocido que la comercialización de tecnología de detección de fugas de agua efectiva en HAE y en tiempo real representaría una herramienta de seguridad importante para todos los talleres con HAE. El desarrollo de esta tecnología a un nivel fiable ha resultado difícil.

Por lo general, la detección de fugas de agua en hornos HAE se basa en una inspección visual del horno durante el apagado del horno. Esta práctica se basa únicamente en la experiencia del operador del HAE y puede ser susceptible de error humano. Se han propuesto sistemas automatizados para detectar fugas desde los paneles refrigerados por agua, incluido el monitoreo de la presión/flujo del sistema de enfriamiento por agua, el análisis de la humedad en los gases residuales del horno y el análisis de vibraciones de la estructura del panel.

Se ha propuesto la medición directa del flujo de agua de entrada/salida para detectar fugas de agua. La experiencia ha demostrado que una simple medición global del flujo de entrada/salida es propensa a un ruido de señal alto y tiempos de respuesta deficientes. Con respecto al monitoreo de presión/flujo del sistema de enfriamiento por agua, típicamente los paneles de agua del horno son un sub-sistema de un esquema de enfriamiento de planta más complejo. Debido a las operaciones normales de la planta se producen variaciones significativas en el flujo y la presión, y el efecto de una fuga de agua puede enmascararse en el comportamiento normal de presión/flujo. En tales situaciones, una mayor efectividad para la detección de fugas de agua requiere múltiples circuitos de agua de refrigeración en la cubierta, con cada panel en el circuito equipado con sensores de flujo, temperatura y presión, ver, por ejemplo, L.S. Valentas y E.P. Tierney, Patente EE. UU. 7832367. La red de sensores a gran escala resultante aumenta la complejidad del sistema, lo que puede afectar a la fiabilidad, el mantenimiento y el coste de capital. También se ha propuesto como procedimiento de detección el análisis de la humedad en los gases de escape del horno. Debido a que el subproducto de una fuga de agua es gaseoso (H²y vapor de H²O), el análisis de los gases residuales puede ser un procedimiento de respuesta eficaz y rápido para la detección de agua en HAE. Dichos sistemas de análisis de gases residuales deben ser capaces de proporcionar un análisis fiable y preciso del H²y del vapor de H²O en los gases residuales. Existen muchas fuentes "normales" de vapor de H²O en el gas residual, incluidos los productos de la combustión de los restos de aceites residuales en el material de chatarra cargado hacia y desde los quemadores de combustible, así como de la humedad en la chatarra y los aerosoles de agua usados normalmente para enfriar los electrodos. Como tal, se ha apreciado que el sistema de detección de fugas de agua en el gas residual preferentemente está equipado con un software que puede distinguir entre estos niveles "normales" de H²y de vapor de H²O en la química de los gases residuales y los niveles "anormales" asociados con una fuga en el panel de agua. Hasta ahora, una limitación importante de las técnicas convencionales de análisis de gases residuales usadas en la detección de vapor de agua sigue siendo el desarrollo de software que pueda diferenciar de manera confiable las fugas de agua reales de las variaciones normales de humedad generadas por el procedimiento y las operaciones típicas del horno, manteniendo, al mismo tiempo, una tasa de falsa alarma aceptable para las fugas de agua.

Un sistema de detección basado en el análisis de vibraciones proporcionado por el desplazamiento de fluidos en la estructura del panel ha sido propuesto recientemente por Lumar Metals y que se describe en la publicación de patente internacional n° WO2014013362 A1. Esta metodología se basa en el uso de sensores piezoeléctricos que se instalan en una dirección de flujo de fluido directo con una tubería refrigerada. El sistema monitorea el comportamiento turbulento del agua que se alimenta a través de tuberías refrigeradas. En funcionamiento, antes de la puesta en marcha del sistema, se determina un estudio detallado del comportamiento vibratorio estándar del sistema. Cuando los sensores piezoeléctricos detectan un cambio en dicho comportamiento vibratorio, el software analiza la perturbación para determinar si se debe a una fuga de agua. El ruido vibracional producido por la fuga se compara con el ruido de flujo que ocurre en "condiciones normales", generando por tanto una alarma cuando se detecta una diferencia significativa. Se ha apreciado que una limitación principal de esta estrategia consiste en el ruido vibratorio significativo del entorno del HAE, que podría enmascarar la aparición de la fuga.

US6389881B1 se refiere a un procedimiento y aparato para la detección de fugas acústicas que utiliza técnicas de filtrado por coincidencia de patrones para localizar la fuente de una fuga en una tubería.

WO2012159208A1 se refiere a un sistema de monitoreo de emisiones acústicas para monitorear la integridad estructural de un horno que tiene una cubierta de horno, comprendiendo el sistema un controlador y una pluralidad de sensores de emisiones acústicas montados en la cubierta del horno y al controlador para proporcionar señales eléctricas correspondientes a eventos de emisiones acústicas generados en el horno al controlador.

WO2007042277A1 se refiere a un detector de fugas para detectar una fuga en una línea que comprende un dispositivo transmisor para generar radiación y un dispositivo receptor. La radiación generada puede acoplarse a la línea. El dispositivo receptor está diseñado para recibir radiación que ha surgido de la línea a través de una fuga y, en consecuencia, la fuga se vuelve detectable.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La característica común de todas las solicitudes para la presente invención incluye la detección de fugas de fluido en una tubería o canal. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato y metodología mejorados que se utilizarán para monitorear audiblemente uno o más parámetros de funcionamiento asociados con el fluido contenido en tuberías o canales. Más específicamente, el sistema proporciona un aparato que funciona para detectar audiblemente un evento de fuga en una tubería, canal o conducto de fluido usado para enfriar paneles de la pared lateral del horno, paneles de conductos de humo y en lanzas, toberas u otros equipos refrigerados auxiliares y que, por ejemplo, pueden usarse en hornos industriales, tales como hornos usados en la fabricación de hierro y las industrias siderúrgicas.

Otro objeto es proporcionar un dispositivo de detección de fugas para una tubería de combustible o aceite, conducto u otro tubo de fluido, y que reduce las limitaciones y desventajas de los dispositivos/soluciones de detección de fugas anteriores, y preferentemente los usados en circuitos de enfriamiento de aplicaciones industriales tales como en paneles, conductos, lanzas, toberas, moldes de fundición de metal o similares y lo más preferentemente los usados para responder al problema de detección de fugas de agua en un HAE u otros hornos metalúrgicos donde existe una amenaza de explosión grave si el agua líquida entra en contacto con metal fundido.

Un objeto adicional de la presente invención aborda la necesidad de obtener una detección rápida y confiable de una fuga de agua de un panel debido a una fractura mecánica de un HAE u otra estructura del panel de enfriamiento de un horno industrial. Para superar al menos algunas de las desventajas asociadas con los sistemas de la técnica anterior, la presente invención proporciona un sistema de monitoreo y/o detección que se puede utilizar en el monitoreo de uno o más parámetros operativos de una instalación industrial de fluido refrigerante de forma audible. El sistema de monitoreo y/o detección incluye un conjunto de sensor acústico que está posicionado y configurado para transmitir, recibir y detectar una o más señales acústicas en el flujo de líquido refrigerante de la instalación. Más preferentemente, el conjunto de sensor acústico incluye uno o más sensores acústicos que se colocan en el fluido, y lo más preferentemente que incluyen uno o más elementos de transmisión de señales respectivos y uno o más elementos de recepción de señales, ambos dispuestos directamente dentro del flujo de refrigerante-fluido, y donde el conjunto de sensor acústico se selecciona para transmitir y detectar señales acústicas en intervalos de frecuencia por encima y/o por debajo de los intervalos de frecuencia del ruido de fondo que están asociados con el funcionamiento normal o típico de la instalación.

Según la invención, el conjunto de sensor acústico funciona tanto para transmitir como para recibir señales acústicas que son representativas de las condiciones de propagación en el circuito en el que fluye el fluido. Las señales acústicas detectadas comprenden las frecuencias diana emitidas por el sistema lejos del ruido de fondo, así como el ruido de fondo dentro del flujo. Los datos se envían a un procesador que funciona para comparar las señales de datos recibidas del conjunto de sensor acústico con uno o más perfiles de frecuencia diana. Los perfiles de frecuencia diana se predeterminan preferentemente como que representan las frecuencias acústicas asociadas con la señal conocida transmitida. Las frecuencias acústicas adicionales se asocian con un parámetro o evento de funcionamiento de instalación predeterminado, y que puede incluir, de modo no taxativo, una frecuencia asociada con procedimientos normales de inicio y/o apagado de la instalación; una frecuencia asociada con operaciones de funcionamiento de instalación normales u óptimas, así como frecuencias asociadas con un riesgo de instalación particular, tal como una ruptura del recipiente, una fuga de agua o similares. El procesador es operable para comparar uno o más componentes de frecuencia de la señal acústica detectada por el conjunto de sensor acústico con una o más de las frecuencias diana predeterminadas asociadas con la señal transmitida y los parámetros de funcionamiento de la instalación, y señales de advertencia y/o control de salida donde un componente de frecuencia comparado se desvía de su frecuencia diana en una cantidad umbral predeterminada.

Más preferentemente, la presente invención proporciona un procedimiento y aparato para la detección de fugas de fluido de conductos y tuberías, y más preferentemente fugas de líquido refrigerante que ocurren en aplicaciones industriales utilizando paneles de enfriamiento y otros equipos auxiliares tales como, pero limitado a, conductos, lanzas, toberas, moldes de fundición y similares y más preferentemente en hornos metalúrgicos tales como un horno HAE de fabricación de acero y un horno de oxígeno básico (HOB).

El solicitante ha apreciado que proporcionar un conjunto de sensor acústico que funciona para detectar y/o reconocer señales acústicas conocidas transmitidas en un flujo de fluido refrigerante de un conducto de fluido refrigerante de una instalación, ventajosamente se pueden reducir los ruidos de fondo incidentes que podrían conducir a lecturas falsas. En particular, el solicitante ha reconocido que un flujo de líquido refrigerante y, en particular, un flujo de refrigerante a través de paneles o canales de enfriamiento tales como los usados en aplicaciones de fabricación de acero ventajosamente pueden proporcionar una vía de señal más directa al horno de fabricación de acero o equipo auxiliar. Al detectar las señales de audio emitidas conocidas transmitidas a través de los flujos de líquido refrigerante, es posible no solo monitorear la vía de propagación entre el transmisor y el receptor y las operaciones en curso del horno, sino también detectar anomalías del horno de manera audible, mientras se logra una interferencia reducida de las señales de ruido ambiental. En una realización, la presente invención proporciona un aparato y procedimiento de detección de fugas basado al menos en parte en los siguientes principios:

- la posibilidad de que una onda acústica transmitida se desplace hacia y/o a lo largo de un flujo en movimiento de agua refrigerante u otro flujo de fluido; y

- el hecho de que cualquier discontinuidad que ocurra en la infraestructura del conducto o tubería de enfriamiento, tal como una fuga o en el fluido transportado, produce o influye en las señales transitorias acústicas en la onda acústica transmitida que se propagan como anomalías o variabilidades de la onda dentro del flujo de refrigerante-fluido.

En una realización no taxativa, la presente invención proporciona un sistema para monitorear el funcionamiento de una instalación industrial refrigerada por líquido refrigerante, tal como un horno industrial y que es operable para identificar acústicamente tanto los parámetros de funcionamiento planificados como los inesperados de la instalación. El solicitante ha apreciado que mediante el monitoreo de los cambios en la frecuencia acústica detectada, es posible monitorear tanto los parámetros de funcionamiento continuo anticipados del horno, como detectar problemas de mantenimiento o seguridad que podrían surgir. En una construcción simplificada, el sistema se proporciona con un conjunto de sensor acústico que tiene uno o más sensores acústicos que se colocan en y/o a lo largo de uno o más conductos de fluido que en la aplicación más preferida se proporcionan en contacto térmico con la parte del horno de la instalación a enfriar. El conjunto de sensor acústico está adaptado para transmitir y recibir electrónicamente datos representativos de señales acústicas que se propagan a través del fluido para su procesamiento. Preferentemente, las señales acústicas seleccionadas para el procesamiento se eligen con una frecuencia ya sea por debajo o más preferentemente por encima de un ruido de fondo determinado de la instalación.

El solicitante ha apreciado que la mayoría de las instalaciones, durante su ciclo de funcionamiento normal, emitirán, por su funcionamiento, ruido de fondo de funcionamiento dentro de un intervalo identificable. A modo de ejemplo, se ha reconocido que en el caso de hornos de acero industriales, tales como un horno de arco eléctrico (horno HAE), el horno HAE que funciona en condiciones normales emitirá señales de ruido acústico con una frecuencia en el intervalo de entre 0 y menos de 10 kHz. Del mismo modo, la determinación de la frecuencia de ruido de fondo emitida por otros hornos industriales individuales y/o equipos auxiliares y otras instalaciones durante su funcionamiento diario típico u óptimo puede identificarse fácilmente a través de técnicas básicas de monitoreo de audio.

El solicitante ha apreciado que es posible monitorear acústicamente no solo los parámetros de funcionamiento normal de los hornos industriales, y que en el caso de los hornos HAE incluirían, por ejemplo, operaciones de fusión y carga, sino también el uso de sensores acústicos para identificar parámetros de funcionamiento del horno anormales o potencialmente peligrosos, tales como fugas de agua, inyección o entrada de oxígeno y/o combustible del horno incompletos o ineficaces, y/o combustión y/o reacción incompletas. En un aspecto preferido, se prevé que al detectar un evento de funcionamiento anormal, el sistema emitiría una señal adecuada para notificar a un operador o más preferentemente iniciar protocolos de seguridad automáticos y/o ajustar los controles o entradas del horno para mitigar o mejorar cualquier defecto o peligro.

Más preferentemente, la invención proporciona un sistema y procedimiento para evaluar la integridad del conducto de fluido y/o la estructura del panel mediante el monitoreo de la respuesta acústica y/o las variabilidades del flujo de fluido que se desplaza dentro del panel. Más preferentemente, la invención proporciona un sistema que tiene al menos uno, y preferentemente dos o más hidrófonos o sensores vibroacústicos, que funcionan como transductores/receptores de audio. Los sensores de audio se colocan en, y más preferentemente dentro de la estructura del conducto o tubería a monitorear, y preferentemente en contacto con el fluido de enfriamiento móvil. Para minimizar el ruido de fondo asociado con la turbidez del fluido a medida que el fluido fluye a través del conducto o tubería, el sistema funciona de modo que el flujo de fluido a lo largo de la tubería se proporciona sin un espacio de aire, y por lo tanto el fluido no se proporciona como un flujo de superficie libre o canal abierto. El solicitante ha apreciado que proporcionar el flujo de fluido como un flujo de tubería sin superficie libre ventajosamente puede minimizar el arrastre de aire y la turbidez en la tubería que desventajosamente puede resultar en la generación de señales acústicas o de ruido secundario no deseadas.

En una realización técnica, que no forma parte de la invención, y que no se encuentra dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, se puede operar un sistema mediante el cual cualquier deformación o defecto que ocurra en el conducto guía o estructura a lo largo de la cual se desplaza el flujo de fluido afectará las características de propagación del flujo y, en consecuencia, las ondas de audio o de presión que se desplazan dentro del propio fluido. Como tal, al monitorear y detectar cambios o variaciones en señales u ondas transmitidas a lo largo, a través y/o por los conductos de fluido en frecuencias acústicas preseleccionadas, se pueden identificar fugas de fluido e irregularidades de flujo.

En otra realización, uno o más transmisores o emisores acústicos se colocan a lo largo, o más preferentemente directamente dentro de un conducto o tubería de fluido, tal como, pero no limitado, al conducto de fluido de enfriamiento de un panel de enfriamiento de horno industrial. Los emisores acústicos son preferentemente transmisores omnidireccionales, sin embargo, los transmisores de señales lineales y/o direccionales también podrían usarse y funcionar para emitir una señal acústica de salida. Uno o más sensores acústicos se colocan a lo largo y preferentemente dentro del conducto de fluido a una distancia del transmisor de señales para detectar y reconocer la señal acústica emitida. Más preferentemente, al menos un sensor acústico se coloca en una ubicación corriente abajo separada hacia una porción media de la corriente de flujo de fluido, y se separa una distancia de la pared lateral del conducto de fluido. Dicho posicionamiento puede reducir ventajosamente los problemas de ruido de fondo asociados con la vibración del panel de enfriamiento de la tubería y/o el horno.

Según la invención, el sistema funciona de manera que un emisor de señales acústicas o un conjunto de transmisores emita una señal acústica conocida (forma de onda) o sonido en una o más frecuencias o bandas de frecuencias seleccionadas. Un conjunto de sensor acústico es operable para detectar una frecuencia de referencia preseleccionada que está relacionada con la señal emitida. Los sensores acústicos son operables para detectar un cambio en una o más bandas de frecuencia o frecuencia en la señal de audio emitida, o la presencia de frecuencias o señales acústicas secundarias como un indicador de la presencia de una fuga de fluido.

En una realización no taxativa, el transmisor o emisores acústicos pueden funcionar para emitir una o más señales acústicas de salida a frecuencias que están correlacionadas con la frecuencia de resonancia del conducto o tubería de fluido. En un modo posible, las señales acústicas son emitidas por los emisores acústicos a frecuencias seleccionadas para propagarse preferentemente a lo largo del conducto o tubería de fluido, para proporcionar un perfil de señal comparativamente fuerte en uno o más de los transductores/receptores de audio del sistema. Las frecuencias de señal de las señales de salida pueden, en una realización simplificada posible, preseleccionarse mediante pruebas acústicas y/o modelado experimental para identificar previamente intervalos de frecuencia que exhiben características de propagación óptimas para una configuración o geometría de tubería o conducto de fluido seleccionado.

En una realización técnica, que no forma parte de la invención, y que no está dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, el sistema puede funcionar con los emisores acústicos y los transductores/receptores de audio para inicializar y/o recalibrar y seleccionar automáticamente frecuencias óptimas para salida y detección. En un modo de funcionamiento no limitante, en la inicialización, y preferentemente también en un período preestablecido de recalibración, los emisores acústicos operan para emitir una cantidad de señales acústicas de prueba diferentes a través de un intervalo de espectro de frecuencia. En un modo, las frecuencias de salida individuales pueden variar de aproximadamente 10 kHz a aproximadamente 75 kHz a incrementos de 1 a 5 kHz. Las señales de salida de prueba individuales que se propagan a lo largo de la tubería o conducto son detectadas respectivamente por el transductor/receptores de audio del sistema. La intensidad de señal de cada perfil de señal de prueba individual se compara a continuación entre sí, como por ejemplo por un procesador de sistema y memoria. Una o más frecuencias de referencia preseleccionadas se eligen sobre la base de su fuerza de propagación u otras características. En un modo posible, las frecuencias de referencia seleccionadas para la salida se eligen preferentemente como frecuencias de señal que exhiben en una base relativa ya sea más fuerte, o la propagación de señales más fuerte a lo largo del conducto de fluido o tubería entre los emisores de señales y el transductor/receptores de audio. En un modo alternativo posible, las frecuencias de señales de referencia se pueden preseleccionar para la salida como las frecuencias de señales que proporcionan una intensidad de señal que excede una intensidad de señal media o mediana de todas las señales acústicas de prueba en una cantidad umbral mínima.

Opcionalmente, después de la inicialización y/o recalibración del sistema para identificar las frecuencias de referencia óptimas preseleccionadas, el emisor de señales acústicas puede accionarse para emitir como la señal acústica conocida, una señal adaptada a la frecuencia de referencia. En un modo, los sensores acústicos pueden funcionar para detectar en la frecuencia de referencia específica que se emite directamente. En un modo alternativo posible, el sistema puede actuar junto con los sensores acústicos para detectar un cambio en la frecuencia de referencia principal de salida (fe) y/o una o más de sus frecuencias armónicas asociadas (es decir, f²= 2 fi; f3 = 3fi; y múltiples armónicos superiores).

Según la invención, el sistema puede funcionar para emitir la señal acústica en una primera ubicación y con la frecuencia de referencia preseleccionada. El conjunto de sensor de audio detecta la señal emitida en una segunda ubicación y emite señales de datos usadas para identificar cuándo un componente seleccionado de la frecuencia de referencia se desvía de una diana preseleccionada o frecuencia normal en una cantidad umbral. Al identificar dicha ocurrencia, enviar a un usuario o a un sistema de control una señal indicativa de un parámetro operativo de instalación particular, y lo más preferiblemente, la presencia de una fuga probable en un panel de enfriamiento o en un conducto. El sistema es operable para detectar la frecuencia de referencia emitida e identificar si uno o más picos de frecuencia preseleccionados de los mismos suben o bajan en una cantidad umbral preseleccionada que es indicativa de una posible fuga en el conducto. El sistema puede funcionar conforme la identificación de uno o más picos de frecuencia diana detectados aumenta y/o disminuye en un factor de al menos 2, preferentemente al menos 5, y más preferentemente al menos aproximadamente 10 se utiliza para indicar una fuga potencial.

Más preferentemente, el sistema es operable para detectar fugas de agua en un panel de enfriamiento de HAE o similar. Preferentemente, el sistema está provisto de un emisor de señales de audio que se utiliza para transmitir una señal de audio emitida con un intervalo de frecuencia diana que se selecciona a continuación, y más preferentemente por encima de la frecuencia del ruido de fondo del horno HAE. En una construcción más preferida, el emisor de señales de audio está configurado para emitir y propagar la señal de audio de salida a lo largo de una tubería de enfriamiento del panel de enfriamiento en una ubicación separada corriente arriba de los sensores del sistema de audio.

Se reconoce además que en otra realización del presente sistema, el conjunto de transmisor emisor acústico y/o el conjunto de sensor acústico se pueden extender cada uno para incluir múltiples emisores o transmisores de señales acoplados y/o sensores o transductores acústicos individuales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Ahora se puede hacer referencia a la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 ilustra esquemáticamente el funcionamiento del sistema en la detección de fugas de agua de fluido refrigerante de acuerdo con la primera realización de la invención;

La Figura 2 ilustra esquemáticamente un sistema para el monitoreo de la cubierta del horno HAE y la detección de fugas de acuerdo con una realización preferida de la invención;

La Figura 3 ilustra esquemáticamente un panel de enfriamiento usado para enfriar las paredes laterales del horno en el sistema de la Figura 2;

La Figura 4 ilustra esquemáticamente un sistema de detección de fugas de agua para el panel de enfriamiento del horno HAE que se muestra en la Figura 3;

La Figura 5 ilustra esquemáticamente el funcionamiento del sistema que se muestra en la Figura 3 y la detección de fluidos de enfriamiento y fugas de agua de acuerdo con una segunda realización de la invención;

La Figura 6 ilustra un ejemplo de emisor/transductor de señales acústicas usado en la emisión de una señal de frecuencia de referencia preseleccionada de acuerdo con la realización preferida de la invención;

Las Figuras 7a y 7b ilustran esquemáticamente una vista en sección transversal parcial que muestra el montaje del emisor/transductor de señales que se muestra en la Figura 6 en la pared lateral de una tubería del conducto de fluido de enfriamiento del panel de enfriamiento que se muestra en la Figura 2;

La Figura 8 muestra un ejemplo de receptor/sensor acústico usado en el sistema de detección de fugas que se muestra en la Figura 3 para detectar y reconocer señales acústicas en la tubería del conducto de fluido de enfriamiento del panel de enfriamiento;

Las Figuras 9a y 9b ilustran esquemáticamente una vista en sección transversal parcial que muestra el montaje del receptor/sensor acústico de la Figura 9 en la pared lateral de la tubería del conducto de fluido refrigerante; Las Figuras 10A y 10B muestran esquemáticamente la transmisión y recepción de señales de frecuencia acústica en la detección de fugas de agua utilizando el sistema de la Figura 3;

La Figura 11 muestra gráficamente el patrón de sonido de frecuencia de fondo monitoreado que es emitido por el horno HAE que se muestra en la Figura 1 durante las operaciones de horno HAE convencionales;

La Figura 12 muestra el análisis de espectro que ilustra el cambio en los componentes de frecuencia detectados de una señal de frecuencia de referencia emitida en condiciones experimentales que simulan condiciones normales y de fuga/grieta;

Las Figuras 13, 14 y 15 muestran un análisis de espectro que ilustra el cambio en múltiples frecuencias de longitud de onda diana detectadas que forman parte de la señal de frecuencia de referencia detectada en condiciones experimentales selladas y simuladas de fuga/grieta;

Las Figuras 16a y 16b muestran un análisis de espectro de la señal acústica de fondo detectada emitida por el horno HAE que muestra el cambio en el efecto de señal producido por el flujo de gas de combustión;

Las Figuras 17a y 17B muestran un análisis de espectro de la señal acústica de fondo detectada emitida por el horno HAE que muestra el cambio en la señal efectuada por el flujo de lanza de O²;

Las Figuras 18a a 18C muestran un análisis de espectro de la señal acústica de fondo detectada emitida por el horno HAE que muestra el cambio en la señal efectuado por inyección de carbono; y

Las Figuras 19a a 19C muestran un análisis de espectro de la señal acústica de fondo detectada emitida por el horno HAE que muestra el cambio en la señal con estabilidad del arco.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN

La descripción a continuación describe la metodología para el diseño del sistema de detección de fugas acústicas en la realización preferida de la invención. Se entiende que una metodología similar es aplicable para el diseño de sistemas de detección de fugas acústicas para otras realizaciones.

Se puede hacer referencia a la Figura 1, en la que se muestra un sistema de detección de fugas 26, que incluye respectivamente un emisor de señales acústicas 38 y un conjunto de receptor de señales acústicas 40 que incluye al menos un receptor o detector acústico 42. El detector acústico 42 y el emisor 38 están preferentemente separados a lo largo de un conducto 28. Aunque no es esencial, el sistema de detección 26 incluye preferentemente un procesador del sistema de sensores 44. En un aspecto no taxativo, el procesador de sensores 44 se puede proporcionar como parte del conjunto de receptor de señales acústicas 40, y que preferentemente se comunica electrónicamente con y controla tanto el emisor de señales acústicas 38 como el detector de señales acústicas 42. Más preferentemente, el procesador del sistema de sensores 44 se proporciona además en comunicación electrónica con una CPU de control 20 y funciona para emitir señales de datos a esta que representan componentes de señales de audio detectadas. El emisor de señales 38 se selecciona preferentemente para generar señales de audio o acústicas en una o más frecuencias diana preseleccionadas. Más preferentemente, el emisor 38 funciona para emitir una señal acústica so(t) en un intervalo de frecuencia diana de entre alrededor de 10 a 100 kHz y preferentemente alrededor de 40 a 75 kHz como una señal pulsada que se recicla con una duración de pulso seleccionada de entre alrededor de 0,25 y 5 minutos, y preferentemente alrededor de 1 a 3 minutos.

La frecuencia diana (fo) se preselecciona preferentemente para propagarse preferentemente a lo largo del conducto de fluido de enfriamiento 28 teniendo en cuenta la frecuencia de resonancia de la tubería 30. La frecuencia diana (fo) se puede preseleccionar mediante la emisión y detección individual de una serie de señales de prueba en diferentes frecuencias conocidas para identificar las frecuencias que proporcionan una propagación de señal más fuerte distinta y preferible entre el emisor 38 y el detector 42. En una realización alternativa, tras la activación inicial y/o en una recalibración temporizada o forzada, el emisor de señales acústicas 38 puede accionarse para emitir una serie de señales de prueba, donde cada una tiene una frecuencia de señal asociada. Las señales de prueba pueden emitirse en incrementos de frecuencia de 1 a 5 kHz en un intervalo de espectro de señales que oscile entre 10 kHz y 100 kHz. En el detector de señales 42 que detecta y envía a la CPU 20 señales de datos representativas de cada señal de prueba, la CPU 20 puede activarse para seleccionar automáticamente la señal de prueba acústica particular So(t) como que tiene la frecuencia diana óptima para su uso. En un modo, la señal de reposo seleccionada se elige como la frecuencia de señal que exhibe características de propagación satisfactorias a lo largo del conducto de fluido de enfriamiento 28. Dichas características pueden incluir, por ejemplo, sin limitación, frecuencias de señal que exhiben la propagación de señal más fuerte entre el emisor de señales y el detector de señales, en comparación con un resto de las señales de prueba analizadas, y/o señales de prueba a frecuencias de señal que han detectado intensidades de señal que exceden la intensidad de señal media o media de las señales de prueba detectadas en una cantidad umbral. El receptor de señales 42 se proporciona como un sensor vibroacústico seleccionado para recibir señales vibratorias y acústicas en el intervalo de frecuencia diana generado por el emisor de señales 38, para permitir una comparación entre cualquier cambio en la señal de la fuente de referencia conocida y los perfiles de señal detectados. El emisor de señales 38 se monta preferentemente cerca de la entrada de fluido 32, y se coloca para emitir señales acústicas de salida en una porción media del flujo de agua 101. El receptor de señales 42 se coloca preferentemente corriente arriba y adyacente a la salida de fluido 34, y para detectar y recibir señales acústicas en la parte media del flujo de agua 101.

Como se muestra en la Figura 1, el sistema de circulación de fluido se activa para hacer circular el flujo de agua de enfriamiento 101 a través del conducto 28 para moverse a lo largo de la vía de flujo 100. Al mismo tiempo, el procesador de sensores 44 se utiliza para activar el emisor de señales 38 para emitir la señal acústica preseleccionada so(t) desde el emisor de señales 38 para una duración de pulso de entre 0,25 segundos a 1 minuto y una repetición del ciclo de pulso de entre 1 y 5 minutos. El receptor de señales 42 se activa simultáneamente para recibir y detectar la energía de la señal emitida que se propaga a lo largo del conducto a través del flujo de agua 101 a medida que fluye a lo largo del conducto 28.

El receptor de señales 42 se calibra preferentemente para adquirir señales vibroacústicas en la banda de frecuencia de referencia diana específica (fe) (modo de receptor) y/o sus frecuencias armónicas (fi,f²...) correlacionadas con la frecuencia de referencia emitida preseleccionada. En un posible modo de funcionamiento, las frecuencias armónicas para cada señal de salida de referencia son identificadas por el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon.

Dado Fo la frecuencia principal de un pulso rectangular, y F^s la frecuencia de muestreo del dispositivo receptor, los armónicos de la señal transmitida son

II - 2* Fo

III - 3* Fo

IV - 4* Fo

V - 5* Fo

El espectro de la señal de referencia diana recibida será de 0 a FS/2 en el dominio de frecuencia (por transformada de Fourier), los armónicos de señal > FS/2 se colocarán en el intervalo 0 - FS/2 de acuerdo con:

FaüaS = Fs/2 - (F-Fs/2) = FS- F para Fs/2 <F<Fs Folias = F- Fs para Fs<F< 3/2 Fs Fa,ias = Fs /2 - ( F - 3/2 F ^s) = 2FS- F para3/2 Fs< F <2 Fs Con base en las ecuaciones anteriores, las frecuencias armónicas para cada una de las señales de referencia de salida se pueden calcular para F^s= 150 kHz.

Conjunto de datos: W6TX4_20171023_142326

- Fo (ortadora principal) 48,3 kHz

- II: 53,4 kHz

- III: 69,9 kHz

- IV: 43,2 kHz

- V: 58,5 kHz

En el caso del horno HAE enfriado por agua 12 (Figura 2), la banda de frecuencia diana emitida está típicamente en el intervalo de entre alrededor de 40 a 75 kHz. El solicitante ha apreciado que dependiendo de la instalación industrial individual, o tipo de horno, se pueden seleccionar diferentes frecuencias diana, dependiendo de la señal de ruido de fondo que se genera por la instalación industrial durante sus operaciones normales. Más preferentemente, el emisor de señales 38 puede funcionar para producir y emitir la onda sonora diana específica (modo transductor), que se ajusta en el procesador 44 a las características de propagación específicas de las condiciones de enfriamiento que se monitorean.

Se puede hacer referencia a la Figura 2 que ilustra un sistema 10 para el monitoreo de horno de arco eléctrico (HAE) y la detección de fugas de refrigerante. El sistema 10 incluye un horno HAE 12 que tiene una pared lateral del horno 14 que se enfría mediante un conjunto de panel de enfriamiento 16 y una unidad de procesamiento central (CPU) 20. Tal como se describirá, la CPU (20) se utiliza tanto para emitir señales de control que regulan el funcionamiento del horno (12) y sus sistemas auxiliares, así como para proporcionar una salida a una pantalla de usuario (22) indicativa de los parámetros y condiciones de funcionamiento del horno en curso.

En la realización mostrada, el conjunto de paneles de enfriamiento 16 comprende paneles de enfriamiento individuales 18a, 18b, 18c,18d. Como se muestra mejor en la Figura 2, cada panel de enfriamiento 18 está provisto además de un sistema de detección de fugas de agua 26 asociado que se proporciona en comunicación electrónica con la CPU 20.

Más particularmente, cada panel de enfriamiento 18 se proporciona como un panel de enfriamiento por agua que, por ejemplo, se utiliza para formar parte de la pared del horno HAE 14. Como se muestra en la Figura 3, el panel 18 está provisto de un conducto de fluido de enfriamiento que se extiende en forma de serpentina 28 que está provisto para la colocación en contacto térmico con una porción del horno 12 que se va a enfriar. El conducto de fluido de enfriamiento 28 está formado por la conexión soldada de una serie de tuberías de enfriamiento de metal cilíndricas generalmente alineadas 30a, 30b, 30c...30n que preferentemente están unidas en una disposición sustancialmente lado a lado, y con el extremo corriente abajo de cada tubería 30 que se comunica fluidamente con el extremo corriente arriba de la siguiente tubería adyacente 30 mediante un codo a la misma para definir una trayectoria tortuosa de flujo de fluido refrigerante 100 a lo largo de la misma. El conducto de enfriamiento 28 se extiende desde una entrada de fluido más corriente arriba 32 a través de la cual un flujo de agua de refrigerante entra en el panel 18, hasta una salida más corriente abajo 34. La entrada 32 y la salida 34 se proporcionan en comunicación fluida con un sistema de circulación de enfriamiento de agua (no se muestra). El sistema de circulación de enfriamiento de agua es controlado por la CPU 20 y funciona para bombear agua de enfriamiento como un flujo de fluido refrigerante a través del conducto 28f del panel de enfriamiento 18. El agua de enfriamiento bombeada fluye a través y a lo largo de las tuberías metálicas 30a,30b, 30c...30n de la vía de flujo de enfriamiento 100 a la salida 34. Preferentemente, el sistema de circulación de enfriamiento de agua funciona para proporcionar el flujo de agua de enfriamiento 101 (Figura 4) a lo largo de la vía de flujo de fluido refrigerante 100 como flujo de fluido sin superficie libre, por lo que el agua de enfriamiento ocupa sustancialmente la totalidad del volumen de la tubería de enfriamiento y no como un flujo de canal abierto. Al moverse desde la salida 34, el agua caliente se devuelve al sistema de circulación de enfriamiento de agua para enfriamiento y posterior recirculación.

Las Figuras 3 y 4 ilustran cada sistema de detección de fugas 26 que incluye respectivamente un emisor de señales acústicas 38 y un conjunto de receptor de señales acústicas 40 que incluye al menos un receptor o detector acústico 42. El detector acústico 42 y el emisor 38 están preferentemente separados a lo largo del conducto 28 a una distancia entre sí de aproximadamente 5 a 50 metros entre sí. Aunque no es esencial, cada sistema de detección 26 incluye preferentemente un procesador de sistema de sensores 44. En un aspecto no taxativo, el procesador de sensores 44 se puede proporcionar como parte del conjunto de receptor de señales acústicas 40, y que preferentemente se comunica electrónicamente con y controla tanto el emisor de señales acústicas 38 como el detector de señales acústicas 42. Más preferentemente, el procesador del sistema de sensores 44 se proporciona además en comunicación electrónica con la CPU del horno HAE 20 y funciona para emitir señales de datos a esta que representan componentes de señal de audio detectados. Al recibir señales de datos de salida del circuito de panel 18, la CPU 20 funciona para proporcionar señales de advertencia y/o apagado u otras señales de control al horno 12 en caso de que se detecte una fuga de agua en el panel de enfriamiento 18. Alternativamente, las señales de datos emitidas por el sistema de detección de fugas 26 pueden transmitirse y procesarse directamente en la CPU 20 para proporcionar sistemas de advertencia y/o control automático para regular el funcionamiento del horno.

Aunque la Figura 1 ilustra una realización de la invención en la que el conjunto del receptor de señales acústicas 40 incluye un único detector acústico 42, la invención no está tan limitada. Se puede hacer referencia a las Figuras 5 que ilustran una realización alternativa de la invención en la que se pueden utilizar números de referencia similares para identificar componentes similares. En la construcción mostrada, el conjunto del receptor de señales acústicas 40 está provisto de detectores acústicos separados 42a, 42b colocados en ubicaciones separadas a lo largo del conducto 28. Debe apreciarse que en una construcción alternativa, el sistema 26 podría estar provisto de múltiples emisores 38 y/o más receptores de señales 42, así como un único sensor que incluya capacidades de emisión/recepción. A modo de ejemplo no limitativo, se podrían proporcionar múltiples receptores 42 en diferentes ubicaciones separadas a lo largo de cada tubería 30a, 30b, 30c...30n de la vía de flujo de fluido refrigerante 100, para identificar variabilidades en la propagación de la señal acústica a lo largo de diferentes segmentos de la vía de flujo. En una posible construcción alternativa, se pueden proporcionar múltiples emisores 38 para emitir simultáneamente o secuencialmente señales acústicas de diferentes frecuencias y/o para diferentes duraciones para su detección por uno o más receptores 42. Las Figuras 6 y 7a y 7b muestran una construcción preferida del emisor de señales acústicas 38 usado en el sistema de detección de agua 26 que se muestra en la Figura 3; y su colocación a través de la pared lateral de una tubería del conducto 30. El emisor 38 está provisto de un cabezal transductor en forma de bombilla 62 que está montado en un extremo delantero de una columna de soporte roscada 64. Como se muestra mejor con referencia a la Figura 7b, la columna de soporte 64 está provista de una longitud seleccionada de modo que cuando el emisor 38 está montado en el orificio 70 perforado a través de la pared lateral de la tubería del conducto 30, el cabezal transductor 62 se ubica en una porción media del flujo de agua 101. El cabezal transductor 62 está provisto de un perfil general cónico o redondeado seleccionado para minimizar la creación de remolinos turbulentos dentro del conducto 28 a medida que el flujo de agua de enfriamiento 101 se mueve más allá de este. Un conjunto de collar de bloqueo 66 que consiste en un anillo de bloqueo 68 y una tuerca roscada 72 se utilizan para acoplar de forma fija el cabezal transductor 62 en el orificio 70 formado en la pared lateral de la tubería de enfriamiento, de modo que la punta emisora de frecuencia de señal del transductor 62 se ubica generalmente adyacente a una porción central del flujo de la corriente de fluido de enfriamiento 101 y separada a una distancia de la tubería.

Las Figuras 8, 9a y 9b muestran que el detector acústico 42 incluye un transductor de detección de señales acústicas 78 montado en una columna de soporte roscada 80. El transductor de detección 78 se proporciona preferentemente con un perfil de cuerpo ovalado alargado cilíndrico seleccionado para minimizar la turbulencia y la formación de corrientes parásitas en el flujo de agua 101. La Figura 9b muestra mejor, un conjunto de anillo de bloqueo 82 que incluye una arandela de bloqueo 84 y una tuerca de bloqueo 86 como se usa para montar el detector acústico 42. La arandela 84 y la tuerca de bloqueo 86 se utilizan para sujetar el transductor 78 en una abertura formada corriente abajo 74 en la pared lateral de la tubería 30, con el transductor 78 posicionado hacia el centro de la tubería 30, y en una porción media del flujo de agua refrigerante 101, separada de la pared lateral de la tubería.

Durante el uso, el sensor/procesador 44 se opera inicialmente para llevar a cabo la caracterización de una respuesta acústica de referencia entre el emisor de señales 38 y el conjunto del receptor 40 para cada panel de enfriamiento 18 en condiciones normales de funcionamiento del horno. Al procesar las mediciones de sonido de la fuente de señal conocida, el procesador de sensores 44 puede, por lo tanto, procesar y caracterizar la respuesta del canal acústico de la estructura guía intacta (no alterada) del conducto 28.

Al determinar la respuesta del canal acústico, la posterior propagación y medición de las señales de sonido emitidas por los detectores acústicos 42 permite el análisis de las señales acústicas detectadas y los datos resultantes que se procesarán para identificar fallas o anomalías en la estructura del panel de enfriamiento que ocurren entre el emisor de señales 38 y el detector acústico 42 que pueden indicar una fractura que puede ser indicativa de una ruptura o fuga de la tubería.

En un modo preferido, el procesamiento de señal típico por parte del procesador de sensores 44 y/o la CPU 20 puede incluir, pero no se limita a, amplificación de señal, análisis de series de tiempo, transformada de Fourier (incluida la transformada de Fourier corta), análisis de frecuencia-tiempo, análisis espectral, teoría de filtrado, auto señal y correlación cruzada. El sistema de detección de fugas 26 explota así el uso de detectores receptores de señales acústicas 42 que funcionan para detectar y adquirir señales vibroacústicas o energía de onda en la frecuencia diana preseleccionada que se desplaza dentro del flujo de agua 101 dentro del conducto de enfriamiento 28.

Como se muestra en las Figuras 10A y 10B, el sistema 26 funciona para emitir y transmitir señales acústicas a frecuencias preseleccionadas conocidas y para intervalos de tiempo pulsados elegidos para derivar la respuesta del canal acústico de la estructura del conducto guía 28. Como se muestra esquemáticamente en las Figuras 10A y 10B, el emisor de señales 38 puede funcionar para emitir y transmitir una señal acústica de referencia predeterminada que tiene una forma de onda preseleccionada a una frecuencia o banda de frecuencia de 10 a 100 kHz. Más preferentemente, la señal de referencia es emitida por el emisor 38 desde un punto dentro del flujo de agua 101 que fluye dentro del conducto 28. La frecuencia de referencia emitida se propaga a través del flujo de agua 101 y a lo largo del conducto 28 como una señal acústica So(f) donde, en la ubicación corriente abajo, es reconocida y detectada por el detector acústico 42. El sistema 26 es más precisamente capaz de aislar e identificar variaciones en la respuesta de señal detectada debido a rupturas o fracturas. En particular, el emisor de señales 38 y el detector de señales 42 funcionan respectivamente como sensores activos capaces respectivamente de transmitir (modo transductor) y recibir (modo receptor) una onda acústica en el intervalo de frecuencia diana específico. El procesador de sensores 44 incluye además software almacenado que contiene un algoritmo de procesamiento de señales para estimar la respuesta del canal acústico entre el emisor 38 y el detector acústico 42 y viceversa. El algoritmo de detección de fugas se basa preferentemente en la variación de una señal acústica detectada y/o sus frecuencias armónicas a partir de una señal de referencia o fuente conocida (onda de prueba), y lo más preferentemente que se ha seleccionado o ajustado para estar fuera del ruido del procedimiento de horno normal, y preseleccionado como que proporciona propagación de señal superior a lo largo del conducto 28, en comparación con la fuerza detectada de otras frecuencias detectadas por el detector de señales 42.

Las Figuras 10A y 10B muestran esquemáticamente el sistema en caso de que no haya fugas y situaciones de fugas. En funcionamiento, la señal de fuente acústica so(t) es generada por el emisor de señales 38 y propagada directamente en y a lo largo del flujo de agua de enfriamiento 101 que se desplaza en el conducto 28. El detector de señales 42 colocado hacia el extremo de salida 34 del conducto 28 recibe y mide la señal de fuente propagada y/o sus señales armónicas. Al comparar la señal recibida y/o sus señales armónicas con la señal de fuente emitida, se pueden estimar las respuestas acústicas hAB(t) del conducto de enfriamiento 28. La respuesta del canal se puede usar a continuación para correlacionar las características de propagación de la señal a través del flujo de agua de enfriamiento 101 a medida que se mueve a lo largo de la vía de flujo 100 en una estructura normal. Esto permite la reducción del ruido acústico normal a partir de las mediciones obtenidas por los receptores de señales, y estimar la respuesta del canal acústico hAB(t) a partir de la señal de fuente conocida so(t).

Las fugas de agua, rupturas u otras anomalías similares que ocurren en la posición z entre el emisor 38 y un detector de señales 42 darán como resultado una distorsión de la respuesta acústica detectada hAB(t) registrada en el detector de señales 42. La comparación entre las señales medidas en el detector de señales 42 permite la detección de la anomalía de la estructura del panel y la salida por parte del procesador de sensores 44 y/o la CPU 20 de una señal de advertencia y/o control al horno 12 que indica y/o responde a una fuga de agua detectada.

Se puede hacer referencia a las Figuras 11 a 15 que ilustran gráficamente salidas de señales de muestra del sistema de detección de fugas de agua 26 en señales de prueba experimentales que simulan una fuga de fluido de agua en un panel de enfriamiento de HAE. En la operación inicial, el sistema 26 se operó usando el conjunto receptor de señales acústicas 40 para identificar el patrón de señal de ruido de fondo emitido por el horno HAE 12 durante un ciclo de operación normal. En la Figura 11 se muestra gráficamente el funcionamiento del horno HAE 12 durante un procedimiento de calor completo, y se encontró que produce una señal de ruido de fondo en un intervalo de frecuencia de 0 a aproximadamente 10 kHz. Además, se demostró que el perfil de la señal de ruido de fondo varía con una respuesta modelada teniendo en cuenta la etapa o parámetro de funcionamiento del horno específico, con la señal de frecuencia de ruido de fondo que varía entre la fusión y carga inicial y la refinación y procesamiento de fusión secundaria.

En las pruebas experimentales que se muestran mejor con referencia a la Figura 12, el sistema de detección de fugas 26 se operó para efectuar la salida por el emisor de señales acústicas 38 de frecuencias de referencia predeterminadas que se seleccionaron en el intervalo de alrededor de 48,3, 53,4, 69,6 kHz, y que se eligieron por encima del intervalo de frecuencia de fondo de 0 a 10 kHz del horno HAE 12. En las pruebas experimentales, el emisor de señales 38 se utilizó para emitir las señales de frecuencia de referencia predeterminadas so(t) en el flujo de agua de enfriamiento 101, las señales emitidas detectadas por el detector acústico 42 se transmitieron luego como datos al procesador de sensores 44.

Como se muestra mejor gráficamente en las Figuras 13 a 15, la simulación establece la operabilidad del sistema de detección de fugas de agua 26 para identificar posibles fugas de fluido en el circuito 28. En particular, en el caso de una fuga de fluido o grieta, la señal de frecuencia emitida detectada por el sensor acústico 42 ilustró un cambio marcado (es decir, reducción o variación de amplitud) en uno o más picos de frecuencia diana detectados preseleccionados contenidos dentro de las señales de frecuencia de referencia emitidas. En los estudios de prueba que simulan fugas de tubería, las frecuencias diana seleccionadas en intervalos de 40.000 a 50.000 Hz; exhibieron cambios de frecuencia por factores de más de 10; con frecuencias diana de 50.000 a 70.000 Hz; mostraron cambios detectados de un factor de 2 o más; en comparación con la señal de frecuencia detectada por el receptor en condiciones de prueba de funcionamiento selladas.

Se ha reconocido que al identificar un cambio en las frecuencias diana detectadas dentro de la señal de referencia emitida, el sistema puede funcionar para proporcionar a un usuario o un controlador automático, una señal indicativa de una probable fuga de fluido.

Si bien las Figuras 2 y 3 ilustran el panel de enfriamiento del horno 18 como un panel generalmente rectangular, se entiende y aprecia que en el contexto de la presente invención, el panel 18 podría formarse alternativamente como un conducto de enfriamiento de horno HAE tipo tubo que, por ejemplo, está formado por tuberías paralelas conectadas de una manera de extremo a extremo y/o por cabezales que definen una trayectoria de flujo de refrigerante-fluido en forma de serpentina, y que, por ejemplo, pueden formar parte de una pared lateral y/o techo del horno HAE.

Aunque las Figuras 2 y 3 ilustran el sistema de detección de fugas 26 como se usa en la detección de fugas de agua de refrigerante de un panel de enfriamiento del horno HAE 18, se apreciará que la presente invención es igualmente operable para detectar fugas de fluido en una variedad de entornos diferentes. A modo de ejemplo no limitativo, el sistema de detección de fugas 26 se podría utilizar para detectar fugas de fluido líquido en conductos de líquido o tuberías usadas en instalaciones industriales en una variedad de industrias y procedimientos industriales. Dichos posibles usos incluyen, sin restricción, la detección de fugas en otras tuberías de calentamiento y/o enfriamiento de agua, aplicaciones de tuberías de petróleo y/o en conductos de gas u otros líquidos de enfriamiento. Deberá apreciarse que al modificar el sistema de detección de fugas 26 para su uso en diferentes instalaciones industriales, primero se identifica una frecuencia de ruido de fondo de la instalación, como por ejemplo mediante monitoreo acústico convencional. A continuación, se elige una frecuencia diana para la emisión y propagación por el emisor de señales 38 que tiene un ancho de banda de perfil de firma y/o duración que es única, y que, por ejemplo, permite la detección, extracción y análisis de un componente de frecuencia de señal emitida por uno o más detectores acústicos colocados adecuadamente 42.

El solicitante ha apreciado que en otro modo de funcionamiento, que no forma parte de la invención, el sistema 26 puede usarse para monitorear los parámetros de funcionamiento continuos del horno HAE 12. En particular, el solicitante ha reconocido que el conjunto receptor de señales acústicas 40 puede usarse para monitorear continuamente el ruido de fondo que emite el horno 12. Las señales de ruido de fondo recibidas se pueden comparar con un perfil de señal pre-almacenado que es representativo de un perfil de ruido de fondo emitido por el horno durante las operaciones óptimas y/o normales. Las desviaciones entre la señal de ruido de fondo detectada y la señal de ruido de fondo almacenada se pueden usar ventajosamente para identificar otras condiciones de funcionamiento de "falla". A modo de ejemplos, las Figuras 16a y 16b ilustran gráficamente un perfil de señal de ruido de fondo detectado para un horno HAE 12, que ilustra el componente de señal detectado y el cambio representado por la entrada de gas de combustión al final del ciclo de carga inicial.

Las Figuras 17a y 17b ilustran gráficamente el cambio en las frecuencias de señal de ruido detectadas representadas por la introducción de oxígeno a través de la lanza de oxígeno del horno durante las operaciones de refinación y finalización. Las Figuras 18a a 18C y 19a a 19C ilustran espectros de ruido medidos gráficamente y el cambio en las frecuencias de señal de ruido detectadas y la intensidad del sonido medida con inyección de carbono y factor de estabilidad del arco del horno durante el funcionamiento del horno. El solicitante ha apreciado que las desviaciones en la señal detectada, en comparación con un perfil de señal convencional o de referencia, se podrían usar para identificar problemas de desgaste de la lanza y/o inyección de oxígeno incompleta.

Si bien la descripción detallada describe que cada panel de enfriamiento 18 tiene su propio emisor de señales 38 y procesador 44, la invención no está tan limitada. En otra realización, puede ser posible usar un único emisor de señales 38 o una fuente de sonido y/o un procesador de sensor de señales 44 para monitorear múltiples paneles de enfriamiento 18. El procesamiento de señales permite la identificación de fugas de agua entre el emisor y los detectores acústicos y/o en el caso de múltiples detectores 42, entre cualesquiera dos detectores/receptores de señales.

Aunque la descripción detallada describe varias realizaciones preferidas de la invención de acuerdo con el mejor modo de la invención, la invención no se limita estrictamente a la construcción expresa que se describe. Muchas variaciones y modificaciones ocurrirán ahora a los expertos en la materia, como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de detección de fugas de fluido (26) para detectar fugas de fluido en un conjunto industrial, dicho conjunto industrial incluye una tubería o conducto (28) para recibir un flujo (101) de fluido a lo largo del mismo que no se proporciona como un flujo de superficie libre, y se caracteriza por,

un emisor acústico (38) que funciona para emitir y propagar una señal acústica de salida emitida a lo largo de al menos parte de dicho conducto, dicha señal acústica de salida emitida incluye uno o más componentes de frecuencia de referencia preseleccionados en un intervalo de frecuencia seleccionado por encima de una frecuencia de ruido de fondo del conjunto industrial,

un sensor acústico (42) para recibir y detectar la señal acústica de salida emitida en una ubicación a lo largo de dicho conducto separado de dicho emisor acústico, el sensor acústico operable para emitir señales de datos representativas de la señal acústica de salida emitida detectada,

un procesador (44) que se comunica electrónicamente con dicho sensor acústico, donde el procesador incluye instrucciones de programa operables para,

detectar la ocurrencia de uno o más componentes de frecuencia de la señal acústica de salida emitida detectada que puede estar asociada con frecuencias diana preseleccionadas que indican información de procedimiento específica,

comparar si uno o más de los al menos un componente de frecuencia de referencia de la señal acústica de salida emitida detectada

se desvía de una frecuencia diana preseleccionada respectiva en una cantidad umbral; y al identificar el al menos un componente de frecuencia de referencia comparado como que se desvía de la frecuencia diana preseleccionada en la cantidad umbral, que emite al menos una de una señal que indica una fuga de fluido potencial, y una señal de control para efectuar un protocolo de seguridad preseleccionado.

2. El sistema de detección (26) de la reivindicación 1, donde el conjunto industrial comprende un horno industrial y la fuga de fluido comprende una fuga de fluido refrigerante en un conjunto de enfriamiento del horno industrial;

dicho conjunto de enfriamiento incluye dicho conducto (28) para recibir el flujo (101) de fluido a lo largo del mismo, dicho fluido comprende fluido de enfriamiento que se comunica térmicamente con una porción del horno industrial que se va a enfriar, y donde la señal de control comprende una señal de control del horno para efectuar un protocolo de seguridad del horno preseleccionado.

3. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha señal acústica de salida emitida comprende una señal pulsada que tiene una duración de pulso seleccionada de entre aproximadamente 0,25 y 5 minutos, preferentemente de 1 a 3 minutos, y un ciclo de repetición de pulso de entre aproximadamente 1 y 5 minutos.

4. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho procesador (44) incluye memoria, dichas frecuencias diana preseleccionadas se almacenan en dicha memoria, y dichas instrucciones de programa funcionan además para realizar en la señal acústica de salida emitida detectada al menos una de amplificación de señal, análisis de series de tiempo, transformada de Fourier (que incluye una transformada de Fourier corta), análisis de frecuencia-tiempo, análisis espectral, teoría de filtrado, auto señal y correlación cruzada.

5. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho conjunto industrial comprende una tubería (30), un canal o un conducto de fluido usado para enfriar los paneles de la pared lateral (14) del horno, paneles de conductos de humo y en lanzas, toberas u otros equipos refrigerados auxiliares en un horno de arco eléctrico (HAE) o en un horno de oxígeno básico (HOB);

dicho fluido de enfriamiento comprende agua, y donde

la frecuencia de ruido de fondo del horno de arco eléctrico es menor que alrededor de 10 kHz, donde los componentes de frecuencia de referencia preseleccionados comprenden bandas de frecuencia diana que se encuentran en un intervalo de frecuencia mayor que alrededor de 10 kHz, preferentemente entre alrededor de 10 kHz y alrededor de 100 kHz, y lo más preferentemente entre alrededor de 40 kHz y alrededor de 75 kHz.

6. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho flujo de fluido de enfriamiento a lo largo de dicho conducto (28) comprende un flujo de tubería sustancialmente sin superficie que no se proporciona como un flujo de superficie libre, y donde dicho emisor acústico (38) está posicionado para emitir dicha señal acústica de salida emitida dentro de una porción central de dicho flujo de fluido de enfriamiento ⁽101^).

7. El sistema de detección (26) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sensor acústico (42) está posicionado para recibir y detectar dicha señal acústica emitida dentro de dicho flujo de la parte central del fluido de enfriamiento (101) en una ubicación a una distancia de dicho emisor acústico (38).

8. El sistema de detección (26) según se reivindica en las reivindicaciones anteriores, donde dicho conducto (28) comprende un segmento de conducto generalmente en forma de serpentina, que tiene una porción de extremo de entrada de refrigerante y una porción de extremo de salida de refrigerante, donde el emisor acústico (38) está dispuesto en dicho flujo de fluido de refrigeración en una primera ubicación corriente arriba cerca de la porción de entrada de fluido de refrigerante (32), y el sensor acústico está dispuesto en dicho flujo de fluido de refrigeración en una segunda ubicación separada corriente abajo de dicha primera ubicación separada hacia la porción de extremo de salida de refrigerante (34).

9. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sensor acústico (42) está separado a lo largo de dicho conducto (28) una distancia de entre aproximadamente 5 y 50 metros, y preferentemente 10 a 30 metros, de dicho emisor acústico (38).

10. El sistema de detección (26) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha instalación industrial es un horno de arco eléctrico (12), y dicho líquido refrigerante comprende agua,

el intervalo de frecuencia de ruido de fondo asociado con el horno de arco eléctrico es un intervalo de frecuencia menor que alrededor de 10 kHz,

el componente de frecuencia de referencia está en un intervalo de frecuencia de entre aproximadamente 10 kHz y aproximadamente 100 kHz, más preferentemente entre aproximadamente 40 kHz y aproximadamente 75 kHz.

11. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la instalación industrial comprende un horno de fabricación de acero (12), y dicho fluido refrigerante comprende agua, la información de procedimiento específica asociada con las frecuencias diana predeterminadas es una o más que se seleccionan de entre el grupo que consiste en un efecto de inyección de carbono, un flujo de inyección de oxígeno por lanza, un flujo de gas de combustión del horno, una fuga de agua de enfriamiento, efectos de arco eléctrico, efectos de inyección de carbono, flujo de inyección de oxígeno y flujo de gas de combustión del horno.

12. El sistema de detección (26) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho emisor acústico (38) comprende un transductor provisto para posicionarse en una porción sustancialmente central del flujo de agua (101), y dicho al menos un sensor acústico (42) incluye una porción de recepción de señal respectiva dispuesta en dicha porción central de dicho flujo de refrigerante.

13. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un conjunto de sensor que incluye una pluralidad de dichos sensores acústicos (42) separados en diferentes ubicaciones a lo largo de dicho conducto (28).

14. El sistema de detección (26) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las frecuencias diana preseleccionadas y/o los componentes de frecuencia de referencia se encuentran en un intervalo de frecuencia seleccionado de entre aproximadamente 48 y 70 kHz.

15. El sistema de detección (26) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema está adaptado para funcionar en una o más de una inicialización del sistema y una recalibración periódica del sistema para:

accionar dicho emisor acústico (38) para emitir una pluralidad de señales acústicas de prueba, cada una de dichas señales acústicas de prueba tiene una frecuencia de señal asociada,

detectar las señales acústicas de prueba con uno o más de los sensores acústicos (42), y

comparar las señales acústicas de prueba detectadas, para identificar las frecuencias de señales acústicas asociadas que están correlacionadas con una frecuencia de resonancia del conducto (28).