Método v sistema para la determinación del poder calorífico de un αas combustible constituido por más de dos componentes

SECTOR DE LA TéCNICA

La presente invención concierne, en general, a un método y un sistema para Ia determinación del poder calorífico de un gas combustible formado por más de dos componentes, y en particular a un método y un sistema para Ia medida del poder calorífico del gas natural en tiempo real y con bajo coste.

La presente invención se relaciona con aquellos sistemas que constando de uno o múltiples sensores, permiten Ia cuantificación del poder calorífico a través del procesado de las medidas obtenidas por dichos sensores. También se relaciona parcialmente con sistemas más genéricos de determinación de Ia composición de mezclas gaseosas en general basados en Ia variación de Ia conductividad térmica del gas en función de su composición.

ESTADO DE LA TéCNICA ANTERIOR

El cálculo del poder calorífico en gases combustible es de particular relevancia en el caso particular del gas natural.

En cuanto a Ia medida del poder calorífico del gas natural actualmente son bien conocidos y ampliamente utilizados los métodos para el cálculo del poder calorífico del gas natural basados en técnicas de cromatografía de proceso, sin embargo los problemas asociados a este tipo de técnicas han motivado Ia eclosión de técnicas de instrumentación alternativas, ya sea por medidas de absorción en el IR tales como los métodos conocidos WO2005/078413, EP1174705, EP1154258 o complementando Ia determinación mediante medidas de conductividad térmica como en EP1193488 o en general medidas obtenidas en sistemas multisensor como por ejemplo en WO0050874.

Por otro lado se conocen también propuestas técnicas para análisis de mezclas genéricas de gases basadas en medidas relacionadas con Ia conductividad térmica del gas utilizando un solo sensor tales como en: US4902138 y

US6688159. En Ia primera patente se reivindica un método para determinar las concentraciones de los distintos componentes de una mezcla gaseosa mediante medidas de la conductividad térmica a distintas temperaturas empleando un

solo sensor. Este principio es fundamental para Ia presente invención, si bien Ia implementación es completamente distinta a US4902138. Por otro lado US6688159, si bien se basa también en medir Ia conductividad térmica a distintas temperaturas, propone un procesado de señal distinto al propuesto por Ia presente invención, basado en Ia transformada de Fourier. Ambos métodos si bien no reivindican Ia determinación del poder calorífico de una mezcla gaseosa, resulta directo el cálculo del mismo en el caso particular del gas natural si se conocen las concentraciones de los componentes empleando para ello Ia norma ISO-6976. También Ia patente US2004/0195531 reivindica un método para Ia determinación de Ia composición de una mezcla gaseosa tal como gas natural. Sin embargo en todos los métodos mencionados es condición necesaria determinar primero Ia composición del gas para inferir posteriormente las propiedades.

Por otra parte, en US4902138 se propone un sensor micromecanizado en tecnología de silicio que guarda relación con Ia presente invención pese a que otros microsensores de construcción distinta tales como el TCG-3880 de Xensor o el publicado en: G. Caries et al. "A micromachined thermoelectric sensor for natural gas analysis: Thermal model and experimental results", Proceedinqs of the 2007 Eurosime conference. 15-18 April 2007, London, (Como abreviatura en adelante referiremos este último sensor como sensor Calaza-Udina-Marco) guardan una relación más estrecha.

EXPLICACIóN DE LA INVENCIóN

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de Ia técnica, mediante Ia aportación de un método y un sistema para Ia determinación del poder calorífico de un gas combustible formado por más de dos componentes en tiempo real y con menor coste que en las propuestas conocidas.

Para ello Ia presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método para Ia determinación del poder calorífico de un gas combustible formado por más de dos componentes, circulante por una conducción, del tipo que comprende adquirir, mediante Ia utilización de un sistema electrónico, encargado de excitar de forma particular un sensor y adquirir medidas del mismo.

A diferencia de los métodos convencionales, el método propuesto por Ia invención comprende obtener dichos valores de poder calorífico de dicho gas mediante el procesado multivariante de las señales obtenidas de un sensor sensible a Ia conductividad térmica del gas con el que contacta, constituyendo así un sensor de poder calorífico, fruto de unas detecciones realizadas con el mismo en el interior de dicha conducción.

Gracias al uso de dichas técnicas de procesado, en Ia presente invención no es necesario proceder primero a determinar Ia composición de Ia mezcla, puesto que el poder calorífico se determina directamente de las medidas empleando el método. Estas técnicas además dotan al sistema de un rechazo del ruido mejorado.

El presente sistema incluye además del sensor, una electrónica de excitación y acondicionamiento específica para implementar el método propuesto.

Preferentemente el método comprende utilizar un único dispositivo sensor en combinación con Ia electrónica específica de excitación y lectura.

En cuanto al sensor de poder calorífico utilizado por el método propuesto, éste es para un ejemplo de realización preferido un sensor termoeléctrico carente de celda de medida integrada en tecnología de silicio (a diferencia por ejemplo de US4902138), adaptado para llevar a cabo una excursión térmica desde una temperatura ambiente hasta un valor de sustancialmente 450 ⁰ C.

Para llevar a cabo el mencionado análisis multivariante el método propuesto por el primer aspecto de Ia invención comprende una etapa inicial de calibración de dicho sensor de poder calorífico, para obtener un vector de proyección (o en general los parámetros de una función de proyección), y una etapa de predicción o modo de operación normal en Ia cual se aplica dicho vector de proyección a dichas señales de salida del sensor de poder calorífico, para proyectar las lecturas del sensor de poder calorífico a valores de poder calorífico.

Dicha etapa previa de calibración se lleva a cabo para un ejemplo de realización preferido mediante Ia realización de las siguientes etapas por parte de dicho sistema de procesamiento:

- almacenar en una memoria de calibración de dicho sistema electrónico, unos datos correspondientes a una pluralidad de gases y/o mezclas de gases de referencia representativos de una operación del sensor de poder calorífico predeterminada considerada como normal, consistiendo dichos datos en Ia respuesta del sensor de poder calorífico para cada caso de referencia, y el valor de poder calorífico correspondiente; para a continuación, - calibrar el sensor de poder calorífico efectuando una regresión multivariante, hasta obtener dicho vector de proyección.

En cuanto al tipo de regresión multivariante a utilizar, Ia realización preferida del método comprende Ia utilización de una regresión lineal o una regresión de mínimos cuadrados parciales, o PLS, o una regresión CLS, o PCR, o SVR, o una combinación de las mismas.

El método propuesto comprende, para un ejemplo de realización, excitar un calefactor del sensor de poder calorífico de principio térmico mediante Ia utilización de un bloque de excitación suministrador de señales eléctricas de muy alta repetibilidad («0,1 % o mejor), en Ia forma de un tren de valores discretos de Ia señal eléctrica en respuesta a los cuales se obtienen unos valores estacionarios de dichas señales de salida del sensor de poder calorífico, con los que se construye un vector de medidas de un número de componentes igual al de valores discretos aplicados.

Para un ejemplo de realización preferido el gas combustible cuyo poder calorífico se determina mediante el método propuesto por el primer aspecto de Ia invención es un gas natural de composición variable.

La presente invención también concierne, en un segundo aspecto, a un sistema para Ia determinación del poder calorífico de un gas combustible formado por más de dos componentes, circulante por una conducción, que comprende un sensor y un sistema electrónico adaptado para calcular unos valores de poder calorífico.

El sistema propuesto comprende un sensor sensible a Ia conductividad térmica del gas que Io rodea, actuando como sensor de poder calorífico conectado a dicho sistema electrónico y dispuesto en contacto con dicho gas combustible para llevar a cabo unas detecciones y proporcionar unas correspondientes señales de salida, y el sistema electrónico comprende un sistema de

procesamiento adaptado para obtener dichos valores de poder calorífico de dicho gas combustible mediante Ia realización de un análisis multivariante de dichas señales de salida del sensor de poder calorífico. El sistema también comprende un bloque de excitación específico para el sensor.

El sistema será descrito en mayor detalle en un apartado posterior.

Mediante el método y el sistema propuestos por el primer y el segundo aspectos de Ia invención, respectivamente, se consigue un método y un sistema de medida del poder calorífico en una conducción de gas combustible de más de dos componentes, en general gas natural, que permite:

1 ) Medir las variaciones del poder calorífico del gas combustible (en una realización preferida, gas natural) de acuerdo a unos rangos típicos de variación.

2) Realizar mediciones en un punto de Ia propia conducción (dentro de un rango acotado de flujos).

3) Obtener en las mediciones unas precisiones del orden del 1% e incluso inferiores.

El método y el sistema resultan adecuados para Ia medida del consumo energético en redes de distribución tanto públicas como privadas, industriales o particulares.

Mediante el método y el sistema propuestos se mide el poder calorífico del gas que circula mediante un sensor de poder calorífico, en Ia realización preferida un sensor de tipo termoeléctrico, similar a algunos sensores de conductividad térmica (TCG-3880 de Xensor Integration, Calaza-Udina-Marco), con algunas adaptaciones que se explicarán más adelante, y una electrónica de excitación y lectura específica. El poder calorífico se calcula a partir de un conjunto de señales obtenidas del sensor.

Hasta ahora calcular el poder calorífico de gases combustibles de más de dos componentes (particularmente en el caso de gas natural) empleando únicamente medidas basadas en Ia conductividad térmica entraña ciertas dificultades técnicas debido a los siguientes factores:

a) la dependencia en temperatura de Ia conductividad térmica de algunos gases presentes en el gas natural está fuertemente correlacionada, Io que convierte las medidas en particularmente vulnerables al ruido b) A menudo los sensores de conductividad térmica resultan excesivamente lentos para una medida en tiempo real c) A menudo resolver el conjunto de ecuaciones físicas que conforman el cálculo del poder calorífico a partir de Ia medida de Ia conductividad térmica resulta extremadamente costoso desde el punto de vista computacional. d) Para poder resolver el cálculo físico a partir de Ia conductividad térmica es necesario conocer de forma precisa a que temperatura del gas corresponde

Ia conductividad térmica que se está midiendo, algo que puede resultar muy complejo, especialmente si se desea hacer de forma rápida.

Cabe buscar en estas limitaciones Ia ausencia actual de un sistema conocido que sea capaz de medir el poder calorífico del gas natural de forma satisfactoria empleando únicamente medidas de conductividad térmica.

En Ia presente invención Ia limitación 'b' se supera empleando preferentemente un sensor termoeléctrico que no dispone de celda de medida integrada en tecnología de silicio, Io que Io diferencia de otros sensores conocidos

(US4902138). Sin embargo puesto que no es posible con este tipo de sensor conocer exactamente a que temperatura del gas corresponde una medida concreta, no es posible resolver un conjunto de ecuaciones físicas como se insta en Ia descripción de US4902138. La arquitectura de este tipo de sensores permite realizar medidas muy rápidas (al menos, del orden del segundo) y una elección de materiales adecuada permite trabajar a estos sensores en rangos de temperatura extendidos, Io que posibilita al sistema obtener mayor precisión en el cálculo del poder calorífico.

En Ia presente invención, a diferencia de los métodos referidos, se emplean técnicas de calibración multivariante para correlacionar de forma óptima Ia respuesta del sensor con Ia medida del poder calorífico. Esta calibración tiene además Ia particularidad de que permite rechazar en gran medida Ia influencia que sobre el sensor tiene el hecho de realizar Ia medida en distintas condiciones de flujo o incluso, en el caso de ser necesario, incluyendo una medida del flujo como variable de entrada en Ia propia calibración del sensor; consiguiendo de este modo que el sensor responda únicamente al poder calorífico. Esta técnica,

además, permite superar los problemas 'c' y 'd' indicados, al no ser necesaria Ia resolución del complejo sistema de ecuaciones físicas.

Tal como se ha descrito anteriormente el método y el sistema constan de dos modos de funcionamiento, un modo de operación normal y un modo de calibración. En el modo de calibración el sistema almacena los datos correspondientes a unas muestras de calibración representativas de Ia operación normal esperada. Una vez almacenados los datos de los sensores y unos valores de referencia del poder calorífico, el sistema es capaz de calibrar el sensor efectuando una regresión multivariante, que puede ser lineal o de otro tipo (en Ia implementación preferida, mínimos cuadrados parciales: PLS). En el modo de operación normal Ia memoria de calibración no se utiliza, puesto que ya se ha obtenido un vector de proyección 'p' que proyecta las lecturas del sensor de poder calorífico, dando como resultado el poder calorífico.

Finalmente, Ia invención incluye un bloque de excitación del calefactor del sensor de muy alta repetibilidad, que es un aspecto crítico para el rendimiento del sensor en Ia aplicación concreta de medida del consumo energético en el gas natural.

BREVE DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de Ia siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, donde:

Ia figura 1 es un diagrama esquemático detallado del sensor de poder calorífico utilizado por el método e incluido en ei sistema en una realización preferida de Ia invención;

Ia figura 2 es una representación esquemática del sistema propuesto por Ia invención aplicado a una tubería de gas, para un ejemplo de realización;

Ia figura 3 es una gráfica que muestra las lecturas del sensor de poder calorífico de Ia presente invención para veintidós gases naturales de composición distinta dentro de un rango habitual de variaciones;

Ia figura 4 es una gráfica que muestra las curvas de conductividad térmica en función de Ia temperatura k(T) para los gases naturales medidos en Ia figura 3;

La Fig. 5 muestra en detalle un bloque generador de potencias ilustrado en Ia Fig. 1 , para un ejemplo de realización.

EXPOSICIóN DETALLADA DE UN EJEMPLO DE REALIZACIóN

Haciendo en primer lugar referencia a Ia Figura 1 , en ella se pueden observar un ejemplo del sensor de poder calorífico empleado en una realización preferida del sistema propuesto por Ia invención, donde dicho sensor de poder calorífico 10 es un sensor termoeléctrico que comprende:

- una termopila formada por unos termopares 2 (se marcan las uniones frías),

- un elemento frío 1 que actúa como sumidero de calor, en contacto con unos primeros extremos, o uniones frías, de dichos termopares 2,

- un elemento caliente 3b en contacto con un calefactor 3a y con unos segundos extremos de dichos termopares 2 (uniones calientes), y con dicho gas combustible 12, y

- una membrana aislante térmica 4 dispuesta entre dicho elemento frío 1 y dicho elemento caliente 3b.

En general el mencionado elemento frío 1 es el cuerpo de silicio del sensor de poder calorífico que actúa como sumidero de calor, donde se hallan las uniones frías de los termopares 2 que conforman Ia termopila. El otro extremo de los termopares se ubica en Ia zona caliente 3b donde se halla el calefactor 3a, esta zona caliente se halla aislada del elemento frío 1 mediante Ia mencionada membrana aislante 4 realizada bien en con un material de baja conductividad térmica o bien vaciada de material.

Los termopares 2 y el calefactor 3a están compuestos por un material capaz de permitir llevar a cabo una excursión térmica desde una temperatura ambiente hasta un valor de sustancialmente 450 ⁰ C.

Tal material puede ser cualquiera de los siguientes: platino, polisilicio, paladio, radio, iridio y tungsteno, o una combinación de los mismos.

En dicha Figura 1 puede verse también cómo el sistema electrónico incluido en el sistema propuesto por el segundo aspecto de Ia invención comprende, en

conexión con un sistema de procesamiento 6, o unidad de microproceso, un generador de potencias 8 de muy alta repetibilidad conectado a dicho calefactor 3a para excitarlo mediante unas correspondientes señales eléctricas de valores escalonados, bajo el control del sistema de procesamiento 6.

El bloque 14 ilustra el acondicionamiento de señal de Ia termopila, donde principalmente se amplifica, se filtra y se aisla las señales de salida de Ia misma, o señales S1 , para enviarlas a Ia unidad de microproceso 6, siendo las señales proporcionadas por Ia termopila unas señales representativas de las diferencias de temperatura entre el elemento frío 1 y el elemento caliente 3b.

Para Ia calibración del sistema descrita con anterioridad, es necesaria una memoria para datos de calibración 7. Especialmente crítica resulta Ia estimulación del sensor de poder calorífico 10 mediante el mencionado generador de potencias 8 que debe ser de muy alta repetibilidad para garantizar una buena precisión en las medidas.

En Ia Figura 2 puede verse el sistema completo propuesto por Ia invención aplicado a una tubería de gas 13, para un ejemplo de realización para el que el sensor de poder calorífico 10 y particularmente su zona activa 9 se encuentran en contacto con el flujo del gas combustible 12.

La señal S del sensor es acondicionada mediante un módulo de acondicionamiento de señal 14 y enviada al sistema de procesado 6. En ese punto las señal S del sensor es convertida en un valor de poder calorífico H ₃ en el modo de operación normal

En dicha Figura 2 también puede observarse Ia mencionada memoria de calibración 7, en Ia cual el sistema de procesamiento 6 está adaptado para almacenar unos datos correspondientes a una pluralidad de gases y/o mezclas de gases de referencia representativos de una operación del sensor de poder calorífico 10 predeterminada considerada como normal, consistiendo dichos datos en Ia respuesta del sensor de poder calorífico 10 para cada caso de referencia, y el valor de poder calorífico correspondiente.

Asimismo se muestran en dicha Figura 2, en conexión con dicha memoria 7, un módulo de calibración apto para calibrar el sensor de poder calorífico 10 efectuando una regresión multivariante, hasta obtener un vector de proyección

P que proyecta las lecturas del sensor de poder calorífico 10 a valores de poder calorífico.

Tal como se ha explicado con anterioridad el sistema y el método propuesto por Ia invención, llevan a cabo Ia mencionada calibración multivariante para obtener un vector de proyección P que proyecta las lecturas del sensor de poder calorífico 10 a valores de poder calorífico. Dicha proyección es llevada a cabo en el bloque "predicción multivariante" ilustrado en Ia Figura 2, mediante Ia multiplicación de manera periódica de dicho vector de proyección P por un vector de medidas S construido tal como se ha descrito anteriormente para Ia explicación del método propuesto por Ia presente invención.

En Ia figura 3 se ilustra una gráfica que muestra las lecturas del sensor de poder calorífico 10 utilizado en Ia realización preferida de Ia presente invención para veintidós gases naturales de composición distinta dentro de un rango habitual de variaciones (los mencionados arriba como gases y/o mezclas de gases de referencia). Los valores estacionarios de cada escalón constituyen el vector de entrada en Ia calibración multivariante.

Dichos gases y/o mezclas de gases de referencia representativos de una operación del sensor de poder calorífico 10 predeterminada considerada como normal aparecen referidos en Ia figura 4, en concreto aparecen representadas las curvas de conductividad térmica en función de Ia temperatura k(T) de los mismos. Se puede observar cómo para discriminar una mezcla (y en consecuencia, discriminar el poder calorífico) de otra conviene disponer del máximo de información a Io largo de toda Ia curva.

Se explicarán a continuación con mayor detalle los elementos incluidos en el sistema propuesto por el segundo aspecto de Ia invención.

El Sensor de poder calorífico:

El sensor de poder calorífico a emplear es similar en sus elementos a un sensor TCG-3880 de Xensor, optimizado para que el sensor sea capaz de una mayor excursión térmica, desde ambiente hasta alrededor de 45O ⁰ C, Io que permite obtener una mayor precisión en Ia medida del poder calorífico. La señal del sensor deberá ser debidamente acondicionada, y convertida a digital empleando un conversor de alta resolución (18 bits o más).

Tal como se ha explicado anteriormente el calefactor 3a del sensor se excita mediante un circuito de alta repetibilidad, tal como el bloque generador de potencias 8 ilustrado en Ia Fig. 1 , que en Ia realización preferida ilustrada por Ia Fig. 5 comprende un multiplexor MUX encargado de realizar el multiplexado de un divisor de tensión realizado con resistencias, o en general, impedancias Z-i... Z _n de muy bajo coeficiente térmico, suministrando así los mencionados escalones de potencia. A continuación un amplificador operacional de bajo ruido, tal como el AD8630, proporciona Ia potencia necesaria al calefactor 3a, y puede proporcionar una ligera ganancia ajustando las impedancias Z ₉ y Z _f .

La unidad de proceso:

Se emplea preferentemente un microcontrolador, el cual recibe Ia señal acondicionada del y digitalizada del sensor de poder calorífico 10. Se encarga del proceso de calibración y operación del sistema, y de transmitir o presentar los valores de poder calorífico calculados. También de controlar Ia potencia suministrada al calefactor 3a del sensor de poder calorífico 10, mediante el control del multiplexor MUX de Ia figura 6.

Memoria para datos:

Se incluye una memoria para almacenar los datos de calibración, esta puede ser Ia misma memoria interna de un microcontrolador que efectúe las funciones de unidad de control., o una externa 7 ex profeso para tal función.

Operación del sistema:

Durante Ia operación del sistema, el sensor de poder calorífico 10 recibe una estimulación periódica del calefactor 3a en forma de escalones de tensión discretos, Io que origina una salida del sensor 10 tal como se muestra en Ia Figura 3. Los valores estacionarios de cada escalón se registran para obtener un vector S de T componentes donde T es el número de escalones aplicados.

En Ia Figura 4 puede verse el aspecto que ofrecen las curvas k(T) de conductividad térmica de distintos gases naturales sintéticos. El sistema propuesto por Ia invención tiene Ia capacidad de distinguir cual de las mezclas se está midiendo. Para ello es necesario disponer de muy buena resolución en

el sensor de poder calorífico 10, así como una excitación del calefactor 3a extremadamente repetible, como ya se ha comentado anteriormente.

El vector de medida S se procesa de formas distintas si estamos operando en modo de calibración o en modo de predicción.

En caso de operar en modo de calibración, el vector de medida S se almacena en Ia memoria para datos de calibración 7, junto con el valor conocido del poder calorífico de Ia mezcla de calibración. Este proceso se debe repetir las suficientes veces como para tener una muestra adecuada de las condiciones que encontrará el sensor 10 durante su operación, para ello es conveniente realizar Ia calibración mediante un diseño de experimentos adecuado.

Una vez almacenados los datos en memoria 7, se efectúa Ia regresión multilineal, para un ejemplo de realización preferido mediante mínimos cuadrados parciales (PLS). El resultado es un vector P de proyección de dimensión 'i' tal que:

Sm - P = H ₅

Donde H ₅ es Ia salida calibrada de poder calorífico superior (en función de las necesidades puede calibrarse para el poder calorífico inferior, número de metano, o incluso otras propiedades)

En el modo de operación normal, el sensor 10 no requiere del uso de Ia memoria de calibración 7 ya que solamente necesita tener almacenado el vector P que multiplica de forma periódica por el vector de señales S representativo de las lecturas del sensor 10. La frecuencia de muestreo del poder calorífico depende en última instancia del tiempo de respuesta del sensor 10, así como del número de escalones aplicados. Se debe pues ajustar el número de escalones en función de Ia precisión y Ia frecuencia de muestreo que se desea conseguir. Con un diseño adecuado del sensor de poder calorífico 10 pueden conseguirse frecuencias de muestreo superiores a 1 Hz con precisiones cercanas al 0,5%.

Un experto en Ia materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de Ia invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.