MÉTODO Y SISTEMA PARA LA DETERMINACIÓN DEL FLUJO ENERGÉTICO DE UN GAS COMBUSTIBLE CONSTITUIDO POR MAS DE DOS COMPONENTES.

Método y sistema para la determinación del flujo energético de un gas combustible constituido por más de dos componentes. La presente invención se refiere a un método y un sistema para la determinación del flujo energético de un gas combustible formado por más de dos componentes, que implica un método y un sistema para la medida del poder calorífico del gas natural en tiempo real y la medida precisa del suministro energético del gas en tiempo real y con alta precisión. Estado de la técnica En cuanto a la medida del consumo energético en gases, se conocen las siguientes propuestas: En la patente US2006/0172936 se presenta un método y dispositivo para la medida del flujo de un gas, en combinación con una detección del tipo de gas para determinar si el mismo es combustible o no. En la patente US2006/0212249, relacionada con la anterior, basándose en información conocida a priori sobre la composición del gas en el punto de medida (necesario para calcular los factores fi que se detallan en la patente), así como el perfil de consumo de gas esperado en el mismo punto, se calcula unos valores corregidos de la energía suministrada. En cuanto a la 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 la eclosión de técnicas de instrumentación alternativas, ya sea por medidas de absorción en el IR, tales como los métodos descritos en WO2005/078413, EP1174705 y EP1154258; complementando la determinación mediante medidas de conductividad térmica, como se describe en EP1193488, o mediante medidas obtenidas en sistemas multisensor en general, como se describe por ejemplo en WO0050874. Por otro lado se conocen también propuestas técnicas para análisis de mezclas genéricas de gases basadas en medidas relacionadas con la conductividad térmica del gas utilizando un solo sensor, tales como las descritas en US4902138 y US6688159. A la vista del estado de la técnica, resulta conveniente ofrecer una alternativa que aporte de un método y un sistema para la determinación del flujo energético de un gas combustible formado por más de dos componentes, en tiempo real y/o con mayor precisión que en las propuestas conocidas. Explicación de la invención La presente invención se relaciona con los instrumentos y sistemas que combinan un sensor de flujo de gas junto con un sensor de calidad del gas para medir el flujo o consumo energético suministrado por un gas combustible en líneas de distribución o suministro de gas en cualquier ámbito (públicas, privadas o industriales). El sensor de calidad del gas (referido más adelante como sensor de poder calorífico) presentado se relaciona a su vez con aquellos sistemas que constando de uno o múltiples sensores, permiten la 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 la composición de mezclas gaseosas en general basados en la variación de la conductividad térmica del gas en función de su composición. Aunque en US4902138 se propone un sensor micromecanizado en tecnología de silicio, la presente invención se relaciona más con microsensores de construcción distinta tales como el TCG-3880 de Xensor o el publicado por los presentes inventores y otros autores en Thermoelectric MEMS sensors for natural gas analysis IEEE 2008 Sensors conference, 28-30 October 2009, Lecce, Italy., Como abreviatura en adelante se refiere este último sensor como sensor Calaza-Udina-Marco. La presente invención consiste en la integración en un mismo sistema de medida de un sensor de poder calorífico con un segundo sensor de flujo másico integrado, preferentemente mediante la misma tecnología de fabricación. Así pues la invención se relaciona también con sensores de flujo másico integrados en tecnología de silicio, conocidos desde finales de la década de 1980. En concreto a modo de ejemplo se puede consultar la patente WO8905968- A (1989). La realización preferida propuesta se relaciona con una publicada (cf. N. Sabaté et al. Multi-range Silicon micromachined flow, sensor. Sensors and Actuators A 2004. vol. 110, pp. 282-288). Así pues la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método para la determinación del flujo energético de un gas combustible formado por más de dos componentes, circulante por una conducción, del tipo que comprende calcular, mediante la utilización de un sistema electrónico, unos valores de energía representativos de dicho flujo energético a partir de al menos unos valores de poder calorífico medidos en la misma conducción o alternativamente en una cámara de medida interpuesta en el recorrido de la conducción. En adelante se considerará que el punto de medida puede hallarse en una derivación de la canalización de gas principal. Cuando se hace referencia 2 ES 2 352 619 A1 a la conducción de gas se puede hacer referencia tanto a la conducción principal de gas como una posible derivación auxiliar que pudiera disponerse con fines de medida. A diferencia de los métodos convencionales, el método propuesto como primer aspecto de la invención comprende obtener dichos valores de poder calorífico de dicho gas mediante el procesado multivariante de las señales obtenidas de un sensor sensible a la 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. En adelante dicho sensor que opera por principios térmicos, y que en particular es sensible a la conductividad térmica del gas que lo rodea, se refiere como sensor de poder calorífico. El procesado multivariante, puede referirse también como análisis, y comprende tanto una etapa de regresión multivariante como de predicción multivariante. En adelante ser refiere como análisis multivariante. El método propuesto comprende calcular, mediante la utilización de un sistema electrónico, los valores de energía representativos del flujo energético a partir también de unos valores de flujo másico obtenidos a partir de unas señales de salida fruto de unas detecciones realizadas con un sensor de flujo másico en contacto con dicho gas. El método propuesto comprende disponer el sensor de poder calorífico y el sensor de flujo másico de manera adyacente, al menos en parte y en contacto con el gas a analizar, con el fin de realizar unas medidas en un mismo punto interior de una conducción de gas, es decir de manera local, evitando un error común en la medida convencional del consumo energético debido al desalineamiento entre el punto donde se mide el flujo másico y el punto donde se mide (o calcula) el poder calorífico. Preferentemente el método comprende utilizar un único dispositivo sensor que integra a dichos sensores de poder calorífico y de flujo másico, para llevar a cabo dichas detecciones en sustancialmente un mismo punto o región interior de dicha conducción de gas. 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 450ºC. Para llevar a cabo el análisis multivariante el método propuesto por la 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 un modo de operación normal o de predicción en la 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 la 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 la 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 (para más información sobre regresión multivariante... [Seguir leyendo]

1. Método para la determinación del flujo energético de un gas combustible (12) constituido por más de dos componentes, circulante por una conducción (13), que comprende calcular, mediante la utilización de un sistema electrónico, unos valores de energía representativos de dicho flujo energético a partir de al menos unos valores de poder calorífico, obteniendo estos valores de poder calorífico mediante la realización, por parte de un sistema de procesamiento incluido en dicho sistema electrónico, de un análisis multivariante de unas señales de salida (S1) de un sensor de poder calorífico (10) en contacto con dicho gas combustible (12), fruto de unas detecciones realizadas con el mismo en el interior de dicha conducción (13, 17) o una cámara de medida interpuesta (18), y además calculando, mediante la utilización de dicho sistema electrónico, dichos valores de energía representativos de dicho flujo energético a partir también de unos valores de flujo másico obtenidos a partir de unas señales de salida (S2) fruto de unas detecciones realizadas con un sensor de flujo másico (11) en contacto con dicho gas. 2. Método según la reivindicación 1, que además comprende disponer dicho sensor de poder calorífico (10) y dicho sensor de flujo másico (11) de manera adyacente, al menos en parte en el interior de dicha conducción (13, 17) o de una cámara de medida interpuesta (18). 3. Método según la reivindicación 2, que además comprende utilizar un único dispositivo sensor (9) que integra a dichos sensores de poder calorífico termoeléctrico (10) y de flujo másico (11), para llevar a cabo dichas detecciones en sustancialmente un mismo punto o región interior de dicha conducción (13, 17) o de una cámara de medida interpuesta (18). 4. Método según la reivindicación 1, donde dicho sensor de poder calorífico (10) es un sensor termoeléctrico carente de celda de medida integrada en tecnología de silicio. 5. Método según la reivindicación 1, donde dicho análisis multivariante comprende una etapa inicial de calibración de dicho sensor de poder calorífico (10), para obtener un vector de proyección (P), y una etapa de predicción o modo de operación normal en la cual se aplica dicho vector de proyección (P) a dichas señales de salida (S1) del sensor de poder calorífico (10), para proyectar las lecturas del sensor de poder calorífico (10) a valores de poder calorífico. 6. Método según la reivindicación 5, donde dicha etapa previa de calibración se lleva a cabo mediante la realización de las siguientes etapas por parte de dicho sistema de procesamiento: - almacenar en una memoria de calibración (7) de dicho sistema electrónico, unos datos correspondientes a una pluralidad de gases y/o mezclas de gases de referencia representativos de unas condiciones de operación del sensor de poder calorífico (10) predeterminadas consideradas como normales, consistiendo dichos datos en el vector de respuesta del sensor de poder calorífico (10) para cada caso de referencia, y el valor de poder calorífico correspondiente, y - calibrar el sensor de poder calorífico (10) efectuando una regresión multivariante, hasta obtener dicho vector de proyección (P). 7. Método según la reivindicación 1, donde dicha regresión multivariante es 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. 8. Método según la reivindicación 5 ó 6, que además comprende excitar un calefactor del sensor de poder calorífico (10) mediante la utilización de un bloque de excitación (8) suministrador de señales eléctricas de muy alta repetibilidad. 9. Método según la reivindicación 8, donde dichas señales eléctricas forman un tren de señales de valores discretos en respuesta a las cuales se obtienen unos valores estacionarios de dichas señales de salida (S1) del sensor de poder calorífico (10), con los que se construye un vector de medidas (S) de un número de componentes igual al de valores discretos aplicados. 10. Método según la reivindicación 9, donde dicha aplicación de dicho vector de proyección (P) a dichas señales de salida (S1) se lleva a cabo mediante la multiplicación de manera periódica de dicho vector de proyección (P) por dicho vector de medidas (S). 11. Método según la reivindicación 1, donde dicho gas combustible (12) es gas natural. 12. Método según la reivindicación 1 ó 4, que además comprende utilizar un sensor de poder calorífico (10) adaptado para llevar a cabo una excursión térmica desde una temperatura ambiente hasta un valor de sustancialmente 450ºC. 9 ES 2 352 619 A1 13. Sistema para la determinación del flujo energético de un gas combustible (12) formado por más de dos componentes, circulante por una conducción (13), que comprende: un sistema electrónico adaptado para calcular unos valores de energía representativos de dicho flujo energético a partir de al menos unos valores de poder calorífico; un sensor de poder calorífico (10) conectado a dicho sistema electrónico y dispuesto en contacto con dicho gas combustible (12) para llevar a cabo unas detecciones y proporcionar unas correspondientes señales de salida (S1); un sistema de procesamiento (6) en dicho sistema electrónico, adaptado para obtener dichos valores de poder calorífico de dicho gas combustible (12) mediante la realización de un análisis multivariante de dichas señales de salida (S1) de dicho sensor de poder calorífico (10); y un sensor de flujo másico (11) conectado a dicho sistema electrónico y dispuesto en contacto con dicho gas combustible (12) para llevar a cabo unas detecciones de flujo másico y proporcionar unas correspondientes señales de salida (S2); donde dicho sistema electrónico está adaptado para calcular dichos valores de energía representativos de dicho flujo energético a partir también de unos valores de flujo másico obtenidos a partir de dichas señales de salida (S2) de dicho sensor de flujo másico (11). 14. Sistema según la reivindicación 13, donde dicho sensor de poder calorífico (10) y dicho sensor de flujo másico (11) están dispuestos de manera adyacente, al menos en parte en el interior de dicha conducción (13, 17) o en una cámara de medida interpuesta (18). 15. Sistema según la reivindicación 14, donde dichos sensores de poder calorífico y de flujo másico se hallan integrados en un único dispositivo sensor (9) con al menos una cara sensible dispuesta en el interior de dicha conducción (13, 17) o cámara de medida interpuesta (18), para llevar a cabo dichas detecciones sustancialmente en un mismo punto o región interior de la conducción (13, 17) o cámara de medida interpuesta (18). 16. Sistema según la reivindicación 15, donde dicho dispositivo sensor (9) comprende un substrato común donde se encuentran integrados ambos sensores (10, 11) en contacto con el flujo del gas combustible (12). 17. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, donde dicho sistema de procesamiento (6) tiene unas entradas conectadas, a través de unos respectivos módulos de acondicionamiento de señales (14, 15), a dichos sensores (10, 11) para recibir sus respectivas señales de salida (S1, S2) acondicionadas. 18. Sistema según la reivindicación 17, donde dicho sistema de procesamiento está adaptado para almacenar en una memoria de calibración (7) 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 (10) predeterminada considerada como normal, consistiendo dichos datos en la respuesta del sensor de poder calorífico (10) para cada caso de referencia, y el valor de poder calorífico correspondiente, y porque comprende un primer 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. 19. Sistema según la reivindicación 18, donde el sistema de procesamiento comprende un segundo módulo de calibración apto para calibrar el sensor de flujo másico (11) efectuando una regresión univariante. 20. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, donde dicho sensor de poder calorífico (10) es un sensor termoeléctrico que comprende: - una termopila formada por unos termopares (2); - 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), y con dicho gas combustible (12); - y una membrana aislante térmica (4) dispuesta entre dicho elemento frío (1) y dicho elemento caliente (3b). 21. Sistema según la reivindicación 20, donde el sistema electrónico comprende, en conexión con el sistema de procesamiento (6), 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). 22. Sistema según la reivindicación 20 ó 21, donde se utiliza un módulo de acondicionamiento de señales (14) en conexión con el sensor de poder calorífico (10) se encuentra conectado a dicha termopila para amplificar, filtrar y aislar la señal proveniente de la misma y enviarla al sistema de procesamiento (6), siendo las señales proporcionadas por la termopila unas señales representativas de las diferencias de temperatura entre el elemento frío (1) y el elemento caliente (3b). 23. Sistema según la reivindicación 13 ó 20, donde dicho sensor de poder calorífico (10) está adaptado para llevar a cabo una excursión térmica desde una temperatura ambiente hasta un valor de sustancialmente 450ºC. ES 2 352 619 A1 24. Sistema según la reivindicación 13, donde dicho gas combustible (12) es gas natural. 25. Sistema según la reivindicación 20, donde dichos termopares (2) y dicho calefactor (3a) están compuestos por al menos uno de los siguientes materiales: platino, polisilicio, paladio, rodio, iridio y tungsteno, o una combinación de los mismos. 11 ES 2 352 619 A1 12 ES 2 352 619 A1 13 ES 2 352 619 A1 14 ES 2 352 619 A1 ES 2 352 619 A1 16 ES 2 352 619 A1 17 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA