MÉTODO Y APARATO PARA DETECCION DE FALLAS EN CIRCUITOS SISTEMA DE DETECCION DEL NIVEL DE AGUA EN CALDERAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere, en general, al campo de los detectores del nivel de agua en calderas, y más particularmente a sistemas para la detección de fallas eléctricas, así como la detección del agua contra vapor, en detectores del nivel del agua en calderas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El control del nivel del agua en una caldera de vapor es extremadamente crítico, porque si un tubo de humo se ve expuesto podría resultar una explosión en la caldera. La tasa de conductancia térmica de un tubo de humo en agua es muchas veces mayor que la del vapor, y por lo tanto si el vapor cubre el tubo, existe una conducción térmica insuficiente desde el tubo, y el tubo se sobrecalienta rápidamente. A fin de evitar esta situación potencialmente catastrófica, se requiere que los sistemas de vapor cuenten con indicadores del nivel de agua redundante para cada caldera. Una solución común al requerimiento de indicadores del nivel de agua redundante ha incluido, por algún tiempo, dos indicadores de nivel, visuales, independientes. Esos indicadores visuales del nivel requieren dé penetraciones de la parte superior e inferior de los indicadores y de una
REF.: 158034 mirilla en la que se puede observar a simple vista el nivel del agua. Sin embargo, las calderas funcionan típicamente a altas temperaturas y presiones, a menudo a una presión de operación normal de 211 kg/cm2 (3,000 psi) . Este factor representa un reto de ingeniería, de manera tal que se fabriquen mirillas robustas en un entorno tan hostil. Como una consecuencia, las mirillas a menudo presentan fugas, y una pequeña fuga a esa elevada presión puede producir rápidamente un serio problema. Al reconocer este problema, las organizaciones que establecen las normas, tales como por ejemplo la ASME, han proporcionado normas alternativas para ofrecer indicaciones del nivel redundante. Por ejemplo, uno de esos indicadores visuales redundantes puede ser aislado y en lugar del mismo puede usarse una indicación electrónica del nivel. Esas indicaciones electrónicas del nivel deben ser intrínsicamente robustas e idealmente son redundantes, típicamente circuitos en paralelo, y no sistemas explorados, sondeados o multiplexados , sino sistemas totalmente independientes. Sin embargo los indicadores electrónicos del nivel presentan retos en todo su diseño debido a las altas temperaturas involucradas. Un indicador de nivel típico, de tipo electrónico, usa un sistema de columna de agua con electrodos conductores separados (a los que también se hace referencia como sondas) , en donde la columna de agua se encuentra montada directamente a un costado de la caldera. Un potencial eléctrico es aplicado a través de cada uno de los electrodos separados, y se mide la corriente. Si entre los conductores se encuentra presente agua, la baja impedancia del agua da por resultado una corriente medida, relativamente alta. A la inversa, el vapor es mucho menos conductor, y por lo tanto si se encuentra presente vapor entre los conductores, la alta impedancia da por resultado una corriente medida relativamente baja. Comúnmente la corriente más alta se usa para iluminar un color o tipo de lámpara, y la corriente más baja ilumina otro color o tipo de lámpara, presentando de esta manera a un operario una indicación del nivel fácilmente visible. Se pueden proporcionar circuitos lógicos adicionales que ofrezcan una indicación de errores en la medición del vapor sobre el agua, puntos de activación por nivel alto y bajo, alarmas, prealarmas, pantallas, relevadores de cierre de circuitos, conducción SSR, y otras indicaciones. Algunos de esos indicadores eléctricos del nivel usan un bajo potencial de corriente directa (DC, por sus siglas en inglés) con una señal periódica de onda cuadrada aplicada al mismo. El potencial de corriente directa causa la hidrólisis del agua, y puede dar por resultado concentraciones explosivas de hidrógeno y oxígeno en el sistema de vapor o electrochapado . Entonces existe aún la necesidad de un sistema electrónico de indicación de nivel para calderas, que evite el problema de la hidrólisis. Además, las organizaciones que fijan normas han ordenado el uso de varias características de autodiagnóstico, tal como por ejemplo el monitoreo de la alimentación de energía eléctrica, el monitoreo de funcionamiento del reloj, la detección de cortocircuitos en electrodos, detecciones de cables desnudos, y la detección de agua entre vapor. Muchos sistemas se han ofrecidos para satisfacer estas diferentes funciones, pero existe aún la necesidad en la técnica de proporcionar un sistema electrónico integrado que pueda detectar efectivamente un cortocircuito, un circuito abierto, y/o una condición de agua contra vapor, en donde el circuito de detección del sistema electrónico no tenga un componente de corriente directa que pueda causar la hidrólisis. Martin et al., en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,020,488, describe un aparato para indicar cuando el valor de un parámetro se encuentre por arriba o por debajo de un límite predeterminado. El aparato incluye dos o más sensores dispuestos, cada uno, para proporcionar una señal de advertencia cuando el parámetro se encuentre más allá de un valor especificado, respectivo, en donde el valor para al menos uno de los sensores sea igual o rebase el límite predeterminado; un medio lógico incluye un circuito de validación conectado a los dos sensores y dispuesto para proporcionar una señal de "parámetro más allá del límite" . Esta señal puede ser usada para hacer funcionar una alarma y/o una activación de emergencia, únicamente cuando ambos sensores proporcionen una señal de advertencia. Se describen varias formas del aparato en las que el parámetro detectado es el nivel del agua en varios equipos de una planta generadora de vapor, tales como las que se usan en estaciones de energía eléctrica, para proporcionar una indicación del nivel del agua, alto y/o bajo. Bartles, en la patente de los Estados Unidos de
Norteamérica No. 4,224,606 describe un circuito para el control del nivel de fluidos, con una función de prueba de seguridad para una sonda del nivel del agua en calderas, de un tipo a prueba de fallas. El circuito de control se encuentra conectado a un amplificador controlado por un transistor de efecto de campo que tiene un umbral de operación bien definido. Se proporciona un interruptor de prueba de seguridad para llevar la entrada del amplificador hasta por debajo del punto umbral, pero no a una condición de cortocircuito. Observando la salida del sistema es posible determinar si el detector del nivel de fluido se encuentra instalado de manera apropiada, y si el amplificador ha sufrido o no algún tipo de falla por funcionamiento inseguro. Spencer, en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,482,891 describe un aparato indicador de nivel de líquido, electrónico, robusto, particularmente apropiado para el uso en una columna de agua ubicada en el depósito cilindrico de una caldera. El aparato comprende sensores de tipo sonda, sencillos, en la columna de agua, sensores a base de amplificador diferencial, detectores que son sensibles únicamente a la presencia simultánea de una señal de nivel mínimo y a cierta frecuencia, y circuitos lógicos que procesan continuamente las salidas provenientes de cuatro detectores: su detector tipo sonda asociado, el que se encuentra por abajo y los dos que se encuentran por arriba . Cosser, en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,646,569 describe un sistema de medición del nivel de fluido para la medición de un nivel de fluido en un recipiente. Se establecen la impedancia eléctrica de una primera ruta de conducción entre un electrodo de varilla central y un electrodo cilindrico circundante y la impedancia eléctrica de la segunda ruta de conducción entre el cilindro y el recipiente. La primera ruta de conducción se encuentra restringida por debajo del nivel mínimo del fluido, mediante un recubrimiento aislante sobre la varilla. La segunda ruta de conducción varía según el nivel del fluido. Una señal de salida es extraída de los electrodos potenciométricamente , la cual indica el nivel del fluido. La señal puede ser linealizada mediante la aplicación a un circuito que tenga una función de transferencia no lineal, igualada. Con este arreglo se produce una señal de salida continua que indica el nivel del fluido y que no se encuentra sujeta a errores debido a cambios en la resistividad del fluido. Colley et al., en la patente de los Estados Unidos de
Norteamérica No. 4, 692,591, describe un controlador para controlar un humidificador con vapor de caldera de electrodo, del tipo que funciona con una corriente alterna polifásica. Una pluralidad de transformadores de bucle de corriente, conectados a los electrodos de la caldera, detectan las corrientes individuales extraídas en cada fase de la corriente alterna polifásica. Una pluralidad de rectificadores de puente de onda completa conectan individualmente las líneas secundarias de los transformadores de bucle de corriente a la entrada de un amplificador de voltaje, de manera tal que la salida del amplificador indique las corrientes más altas detectadas en cada fase de la corriente de los electrodos de la caldera. Cuando la salida del amplificador de voltaje excede un umbral predeterminado se produce un efecto de control tal que el funcionamiento del humidificador es controlado de acuerdo con la corriente más alta de las corrientes de fases individuales extraídas a través de cada uno de los electrodos de la caldera. Similarmente, Colley et al., en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,792,660 describe un controlador para controlar un humidificador con vapor de una caldera de electrodos. El controlador incluye una pluralidad de transformadores de bucle de corriente, conectados a los electrodos de la caldera, para detectar la corriente extraída por la caldera de electrodos. Un detector del nivel de corriente proporciona un voltaje de control a una válvula controlada por solenoide, asociada con la caldera, para drenar una cantidad predeterminada de agua de la caldera y con ello reducir la corriente en el electrodo, cuando la corriente en el electrodo exceda un límite de corriente superior predeterminado. Se proporciona un contador reposicionable para limitar el número de intentos automáticos que pueden ser efectuados a fin de reducir la corriente en el electrodo. El accionamiento periódico normal del humidistato reposiciona el contador para evitar que alcance el conteo predeterminado en una adquisición a largo plazo de presencias de sobrecorrientes aisladas. Durante el funcionamiento normal de la caldera, el tiempo requerido para que la corriente en el electrodo disminuya entre un par de niveles de corriente predeterminados, es monitoreado y comparado contra una referencia conocida a fin de proporcionar una indicación general de la condición de la caldera. Jordán et al., en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,519,639, describe un sistema para monitorear el nivel de agua en un tanque a presión que tiene una columna indicadora de presión. El sistema de monitoreo comprende una pluralidad de electrodos que se comunican con la columna para poner en contacto el agua y el vapor dentro de la columna. Cada electrodo tiene su propia ubicación y produce una primera salida que corresponde a la presencia de agua, o una segunda salida que corresponde a la presencia de vapor. Un discriminador se encuentra conectado operativamente a los electrodos y el discriminador tiene un convertidor de analógico a digital, para recibir la salida de cada electrodo y convertir la salida en una señal digital. La señal digital representa la conductividad del agua para cada electrodo. Un procesador central se encuentra conectado al discriminador para suministrar energía al discriminador así como para recibir las señales digitales a fin de determinar una degradación en pendiente entre la conductividad y la ubicación de cada electrodo en la columna. El procesador central determina también un punto de inflexión entre el agua y el vapor en la columna. Una pantalla de diodo emisor de luz (LED, por sus siglas en inglés) se usa para indicar cuáles de los electrodos se encuentran ubicados en el agua y cuales de los electrodos se encuentran ubicados en el vapor. Richards et al., en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,565,851 describe un sistema de detección del nivel de un fluido, particularmente para detectar el nivel del agua en una caldera generadora de vapor. El sistema de detección comprende un recipiente conectado a la caldera a fin de contener agua y vapor, substancialmente al mismo nivel de la caldera, en donde cierto número de electrodos verti.calmente separados se proyectan en el recipiente, y circuitos para medir la impedancia eléctrica detectada por cada electrodo. Los circuitos, que pueden ser multiplexados a cada electrodo a la vez, incluyen un primer comparador para producir una salida cuando la impedancia detectada se encuentre entre la impedancia máxima normal del agua y la impedancia mínima normal del vapor que se encuentra arriba del agua, en donde esta salida es desmultiplexada para activar una pantalla vertical que muestre el nivel de la interfase vapor/agua. Los circuitos incluyen adicionalmente un segundo comparador para producir una salida adicional cuando la impedancia detectada se encuentre por debajo de la impedancia mínima normal del agua, en donde la salida adicional indica una variedad de diferentes condiciones de falla y activa un indicador de fallas. Y finalmente, Richards, en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 6,118,190, describe un circuito para controlar un funcionamiento a prueba de fallas, de un aparato de medición y control, para detectar la presencia o ausencia de agua, realizando una medición de la impedancia experimentada en un espacio libre entre una punta aislada del electrodo, y una superficie mantenida a un voltaje de referencia o conectada de alguna otra manera a tierra. El aparato puede estar configurado para proporcionar una alarma cuando se encuentre presente agua y no debería estarlo, o viceversa. El circuito comprende comparadores, un detector de fase, y un circuito excitador de triple redundancia que acciona un relevador. Un comparador asegura que cuando se trabaje con agua como la condición normal, una falla en los electrodos, tal como podría ser la causada por una contaminación excesiva, cause que la salida del sistema indique una condición anormal. Otro comparador discrimina entre la condición del agua y la condición del vapor. Todavía otro comparador asegura que no haya salida alguna si existe una condición anormal o cualquier condición de falla. Se deduce que habrá únicamente una salida si el sensor se encuentra en la condición normal. Este hace funcionar entonces un relevador usando un circuito excitador seguro de triple redundancia, de manera que los contactos del relevador puedan ser usados para indicar una condición normal o una condición anormal/de falla. Sin embargo, la técnica no describe un sistema que incluya una señal de detección de frecuencia dual que no desarrolle un aspecto de corriente directa, y que se use para indicar una condición de circuito abierto, o una condición de cortocircuito en la misma línea de detección, así como mediciones del nivel en la caldera y un indicador de fallas, todo en el mismo circuito de detección.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es detectar una condición de circuito abierto y/o de cortocircuito, así como una condición de agua contra vapor, con un solo sistema. Un objeto adicional de esta invención es proporcionar un método para detectar una condición de circuito abierto y/o de cortocircuito, y una condición de agua contra vapor, con un solo circuito. También un objetivo de esta invención es proporcionar la detección de esas condiciones, con un circuito que tenga una señal cero integral de suma neta aplicada a las sondas de electrodo para eliminar la posibilidad dé hidrólisis en el sistema de la caldera . BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se dirige a estas y otras necesidades en la técnica, proporcionando un generador de señales de frecuencia dual, que desarrollen dos componentes de corriente alterna sin un componente de corriente directa asociado. Las dos frecuencias se mezclan y son enviadas a través de un circuito de igualación de impedancias para igualar la impedancia de la porción generadora de señales del sistema, con la impedancia del agua de la caldera que se encuentre bajo medición. La señal de impedancia igualada es dirigida después a dos circuitos derivados, un circuito derivado dirigido a través de una pluralidad de sondas de electrodo y luego a un primer circuito filtrante, y el otro circuito derivado es dirigido a un segundo conjunto de filtros. En combinación los filtros dejan pasar las dos frecuencias, ya sea la mayor o la menor, para determinar una condición de circuito abierto o de cortocircuito, en los circuitos de detección de nivel, así como una condición de vapor contra agua. Estas y otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes para los experimentados en la técnica, a partir de una revisión de la siguiente descripción de la siguiente descripción detallada junto con las figuras adj untas . BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA La figura 1 ilustra solamente una modalidad preferida, típica, de esta invención, por lo tanto no se considera limitativo de su alcance, y la invención puede admitir otras modalidades igualmente efectivas. La figura 1 es un dibujo esquemático de la modalidad preferida de la presente invención, para un nivel de un solo electrodo . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERIDA La figura representa una modalidad preferida de la presente invención, en donde se proporciona un sistema 10 de detección de fallas en circuitos. El sistema 10 empieza conceptualmente con un generador de señales periódicas 12, preferentemente un generador de ondas sinusoidales de frecuencia dual. El generador de señales 12 proporciona dos frecuencias, que no están multiplexadas, sino que más bien se encuentran sobrepuestas una a la otra. La menor de las dos frecuencias, por ejemplo de aproximadamente 20 Hz, se usa para la medición de la presencia de agua o vapor al nivel específico de un electrodo o sonda 14 y la mayor de las dos frecuencias, por ejemplo de aproximadamente 5 KHz, se usa para la detección de una falla en el circuito. La frecuencia menor se usa para la detección del nivel del fluido porque el agua, particularmente el agua de una caldera, con su composición química de agua para calderas, no es puramente resistiva, y por lo tanto presenta una impedancia reactiva. La impedancia reactiva del agua para calderas desarrollaría mediciones erróneas a mayores frecuencias. Se seleccionó la frecuencia mayor de 5 KHz para proporcionar una frecuencia fácilmente generada y controlada y porque se encuentra bastante lejos de la frecuencia menor, de manera tal que filtros simples pueden distinguir con facilidad las mismas. Dado que esta frecuencia se usa para detectar errores en el cableado, cualquier corrimiento de fase causado por la reactancia del agua no tiene consecuencia alguna. Las señales de frecuencia dual, que se encuentran a un voltaje de corriente alterna relativamente bajo, sin componente de corriente directa, son proporcionadas a un mezclador 16 que simplemente sobrepone las dos señales en un solo conductor 18. Las señales sobrepuestas son dirigidas a un circuito de impedancia con conductividad variable 20, que funcionalmente es un resistor ajustable. El circuito de impedancia con conductividad variable 20 se ajusta para igualar la impedancia del agua en la caldera, la cual puede variar substancialmente según su composición química. Dos líneas se derivan del circuito de impedancia con conductibilidad variable, una marcada como "sonda", o línea 22, y una marcada como "detección", o línea 24, en la figura 1. Como se muestra en la figura 1, la línea de sonda define la señal de frecuencia dual antes de que pase a través de la sonda 14, y la línea de detección define la señal después de que pasa a través de la sonda. La línea de sonda 22 envía la señal mezclada al electrodo o sonda 14, que presenta una alta impedancia si se encuentra presente vapor en la sonda, y una baja impedancia si se encuentra presente agua. La línea de detección 24 continúa desde la sonda 14 hasta un filtro de paso alto 26, que filtra el componente de baja frecuencia (20 Hz) . El componente de mayor frecuencia pasa desde el filtro 26 hasta un rectificador de variación en sentido positivo y a un integrador 28, que desarrolla un primera' señal de medición en una línea de señales 30. Como se usa en la presente, el término "rectificador con variación en sentido positivo" se refiere a un rectificador que bloquea la porción con variación en sentido negativo, de una forma de onda .
periódica, y deja pasar la variación con sentido positivo. A la inversa, un "rectificador con variación en sentido negativo" se refiere a un rectificador que bloquea la porción con variación en sentido positivo, de esa forma de onda, y deja pasar la porción con variación en sentido negativo. Como se describió previamente, el circuito de impedancia de conductividad variable 20 proporciona también una línea de sonda 22. La línea de sonda 22 alimenta un filtro de paso alto 32, que al igual que el filtro 26 filtra el componente de baja frecuencia y deja pasar la frecuencia mayor, o componente de 5 KHz . El filtro 32 alimenta el componente de mayor frecuencia a un rectificador con variación en sentido negativo y al interrogador 24, que desarrolla una segunda señal de medición en una línea de señales 36. La primera señal de medición en la línea de señales 30 y la segunda señal de medición en la línea de señales 36 son alimentadas a un acoplador sumador 38. Si las dos señales de medición alimentadas al acoplador sumador 38, son iguales, esto proporciona un claro indicio de que no existe un circuito abierto en el conjunto de circuitos hacia y desde el electrodo. El enlace sumador alimenta a un par de comparadores paralelos 40 y 42. El comparador 40 es sesgado por un voltaje de referencia de ventana, (WTOef( + ) ) , mientras que el comparador 42 es sesgado por un voltaje de referencia de ventana, WvRef(-) · Los comparadores 40 y 42 alimentan una de las entradas a una compuerta AND 44 como una de las entradas, para indicar un circuito abierto en una salida 46. Regresando ahora al rectificador con variación en sentido negativo y al integrador 34, la segunda señal de medición en la línea de señales 36 es alimentada también a un comparador 48. La otra entrada al comparador 48 es proporcionada por un voltaje de referencia SvRef» que es igual al nivel de voltaje esperado proveniente del rectificador 34, al menos que se desarrolle un cortocircuito en los circuitos de los electrodos. En caso de un cortocircuito, el comparador 48 desarrolla una señal a un indicador de cortocircuito 50, que nominalmente se encuentra ajustado a un factor de 10:1 de la medición de impedancia del fluido con baja impedancia, bajo operaciones normales. Esta señal es invertida también mediante un inversor 52 y luego es alimentada a la otra entrada de la compuerta AND 44 para la indicación de circuito abierto. En una condición de cortocircuito, tanto la señal de sonda en el conductor 36 como la señal de detección en el conductor 30 serán iguales, causando a veces salidas tanto de cortocircuito como de circuito abierto. Invirtiendo la señal de cortocircuito 50 y realizando la operación lógica AND de la misma, con la señal abierta proveniente del comparador de ventana 40, 42, se elimina esta ambigüedad. La mayoría de los paneles eléctricos funcionan bajo el concepto de que un panel no iluminado indica un funcionamiento normal, y que indicaciones de color rojo, amarillo y verde sugieren una atención inmediata, mayor observación, y funcionamiento normal, respectivamente. A fin de reducir el número de indicadores para un operario, la presente invención proporciona una compuerta OR 54. Si se detecta ya sea un circuito abierto o un cortocircuito en el conjunto de circuitos operativos, entonces la compuerta OR 54 desarrolla una señal para indicar simplemente al operario que existe una línea 56 con fallas eléctricas y que existe una condición fuera de especificación a fin de que el operario tome alguna medida. Finalmente, además del filtro de paso alto 32, la línea de sonda 22 alimenta también un filtro de paso bajo 58. El filtro de paso bajo 58 filtra el componente de alta frecuencia de la señal y proporciona el componente de baja frecuencia (20 Hz) a un rectificador e integrador 60 para desarrollar una señal de indicación de nivel. El rectificador e integrador 60 alimentan la señal de indicación de nivel, a un comparador 62. Una impedancia relativamente alta, proveniente del electrodo, indica la presencia de vapor en el electrodo, y una impedancia relativamente baja indica la presencia de agua. El comparador 62 es sesgado por una referencia PvRef y proporciona una señal en una salida S/W 64. El nivel de voltaje de esta salida determinará si se enciende o no un indicador de vapor o un indicador de agua para beneficio del operario.
En la especificación precedente se han descrito los principios, la modalidad preferida y el modo de funcionamiento de la presente invención. No debe considerarse que esta invención esté limitada a las formas particulares descritas, dado que éstas son consideradas como ilustrativas en vez que restrictivas. Además, los experimentados en la técnica pueden realizar variaciones y cambios sin apartarse del espíritu de la invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.