Medición de velocidad de flujo y de presión usando un dispositivo de viga en voladizo vibratorio.

Aparato de medición que tiene una viga en voladizo (80) y un canal de flujo de fluido

(60), estando colocada la viga en voladizo (80) en el canal (60) de tal modo que se proyecta en una dirección en paralelo con respecto a la dirección del flujo de fluido, caracterizado por que el canal (60) tiene una relación de la longitud con respecto a la altura mayor que o igual a 0,05 Re, en donde Re es el número de Reynolds del fluido en el canal (60), y el canal (60) está conformado y/o dimensionado para proporcionar un flujo laminar, estando dispuesto el aparato para proporcionar un flujo de fluido, en donde el movimiento del fluido da lugar a un cambio en la frecuencia resonante de la viga en voladizo.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2008/000314.

Solicitante: THE UNIVERSITY COURT OF THE UNIVERSITY OF ST ANDREWS.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: COLLEGE GATE, NORTH STREET ST. ANDREWS FIFE KY16 9AJ REINO UNIDO.

Inventor/es: HAEHNER,GEORG, LUBARSKY,GENNADY.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE FUERZAS, TENSIONES, PARES, TRABAJO, POTENCIA... > G01L9/00 (Medida de la presión permanente, o cuasi-permanente de un fluido o de un material sólido fluyente por elementos eléctricos o magnéticos sensibles a la presión; Transmisión o indicación por medios eléctricos o magnéticos del desplazamiento de los elementos mecánicos sensibles a la presión, utilizados para medir la presión permanente o cuasi-permanente de un fluido o de un material sólido fluyente (medida de las diferencias entre dos o más valores de la presión G01L 13/00; medida simultánea de dos o más valores de la presión G01L 15/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > TECNICAS O APARATOS DE SONDA DE BARRIDO; APLICACIONES... > Tipos particulares de microscopía por sonda de barrido... > G01Q60/38 (Sondas, su fabricación o su instrumentación relacionada, p. ej. soportes)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > TECNICAS O APARATOS DE SONDA DE BARRIDO; APLICACIONES... > Medios auxiliares destinados a asistir o mejorar... > G01Q30/14 (En medio líquido)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > TECNICAS O APARATOS DE SONDA DE BARRIDO; APLICACIONES... > G01Q40/00 (Calibración, p. ej. sondas)

PDF original: ES-2502517_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Medición de velocidad de flujo y de presión usando un dispositivo de viga en voladizo vibratorio

La presente invención se refiere a la caracterización y el uso de dispositivos de viga en voladizo, en particular de vigas en voladizo para su uso en la microscopía de fuerza atómica.

Antecedentes de la invención

Los cabezales de detección con viga en voladizo se usan en la microscopía de fuerza atómica (AFM, Atomic Forcé Microscopy) para detectar y medir las fuerzas entre el cabezal de detección y una superficie. Esto comporta, en general, realizar una exploración del cabezal de detección a lo largo de una superficie y medir su deflexión. La deflexión del cabezal de detección puede usarse para investigar la topografía de la superficie. Esta también puede usarse para medir las fuerzas que actúan sobre el cabezal de detección tal como las fuerzas que se ejercen sobre la punta por la superficie, fuerzas electrostáticas y fuerzas capilares. Con el fin de medir tales fuerzas usando esta técnica, es necesario conocer la constante de resorte del cabezal de detección con viga en voladizo. Las imprecisiones en la determinación de la constante de resorte pueden conducir a unos errores no aceptables en la medición de fuerza resultante.

La constante de resorte de los cabezales de detección con viga en voladizo puede medirse mediante diversos métodos que incluyen el cálculo teórico, aplicar una masa conocida para desviar de forma estática el cabezal de viga en voladizo, desviar el cabezal con viga en voladizo con otro cabezal con viga en voladizo que tiene una constante de resorte conocida y mediante la determinación de la frecuencia resonante o bien en el vacío o en un baño estático de líquido. Un resumen de los métodos de calibración de la técnica anterior se da en Calibration of Atomic Forcé Microscopy Cantilevers de J E Sader en Encydopaedia of Surface and Colloid Science", publicado por Marcel Dekker Inc Nueva York [22] página 846.

Estos métodos de la técnica anterior tienen unos problemas variables. Por ejemplo, en donde se aplica una fuerza usando un peso calibrado u otra viga en voladizo, la punta de la viga en voladizo puede sufrir daños. Esto es particularmente poco ventajoso cuando se usa un cabezal de sonda de viga en voladizo revestida. Esto es de aplicación, por ejemplo, a las sondas que tienen un revestimiento de bio-película tal como las que se usan a menudo en AFM para la investigación biomédica. Puede tener lugar un deterioro de sonda adicional cuando la sonda no puede calibrarse in situ y ha de moverse, calibrarse y volver a instalarse.

Otra desventaja de determinados métodos conocidos es que estos pueden usarse solo con unas configuraciones de viga en voladizo específicas, tal como solo para los cabezales de vigas en voladizo rectangulares. Otras desventajas de los métodos de la técnica anterior incluyen que estos son complicados o difíciles de realizar o dan como resultado imprecisiones debido a las suposiciones realizadas o comportan la necesidad de medir con precisión otras propiedades tales como la masa, el volumen, el perfil o la densidad de la viga en voladizo. Pueden introducirse imprecisiones adicionales por la medición de la constante de resorte en un medio inapropiado tal como aire o vacío.

El documento US 22/9234 A1 describe un sistema de agrupación de sensores de viga en voladizo para detectar y medir la presencia de sustancias objetivo en diversas condiciones ambientales. El documento US 26/75836 describe un sensor basado en viga en voladizo para medir una señal de entrada. No obstante, no hay divulgación alguna en ninguno de estos documentos de un sistema adecuado para la determinación de la constante de resorte de una viga en voladizo.

El documento US 22162388 describe un método para calibrar la sensibilidad de las vigas en voladizo. En un ejemplo, la viga en voladizo se mueve a través de un fluido en la dirección z y se mide la deflexión de viga en voladizo que resulta de la fuerza de arrastre. En una realización alternativa, la fuerza de arrastre se sustituye por una fuerza causada por un flujo de fluido inducido perpendicular con respecto a la viga en voladizo.

Sumario de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo de medición tal como se define en la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen algunas características preferidas.

Al alinear la viga en voladizo en paralelo con la dirección de flujo, se minimiza cualquier flexión de viga en voladizo debido a la contribución de la fuerza de arrastre. Además, disponer el sistema de esta forma permite que la viga en voladizo sea sensible solo a la componente estática de la presión ejercida por el fluido. En consecuencia, la viga en voladizo es sensible al gradiente de fuerza debido al flujo. Esta configuración permite que la calibración de viga en voladizo se realice en flujos de alta velocidad y/o de alta viscosidad sin riesgo alguno de daño.

El dispositivo de medición puede tener unos medios para medir la frecuencia de vibración de la viga en voladizo. Los medios para medir la frecuencia de vibración de la viga en voladizo pueden estar adaptados para medir la frecuencia resonante de la viga en voladizo. Los medios para medir la frecuencia de vibración de la viga en voladizo pueden

incluir un láser adaptado para reflejarse en la viga en voladizo o un elemento piezoeléctrico o ser un sensor capacitivo.

El dispositivo de medición puede estar provisto con unos medios de medición, y/o de provisión de flujo de fluido a una presión y/o una caída de presión y/o una velocidad de fluido aplicadas conocidas. El dispositivo de medición puede estar adaptado para usar esa presión y/o caída de presión y/o velocidad de fluido aplicadas conocidas junto con por lo menos una medición de frecuencia resonante para determinar la constante de resorte de la viga en voladizo. Esto permite que la viga en voladizo se calibre sin contacto entre la misma y un peso sólido u otro dispositivo de aplicación de fuerza. Por lo tanto, puede minimizarse el daño a la viga en voladizo, en especial a aquellas revestidas con una bio-película.

El dispositivo de medición puede estar adaptado para determinar la presión y/o la caída de presión y/o la velocidad aplicadas del fluido usando por lo menos una medición de frecuencia resonante.

La viga en voladizo puede ser de cualquier conocida en la técnica, pero preferiblemente es rectangular y/o tiene forma de v. La viga en voladizo puede extenderse a partir de una montura. La viga en voladizo puede extenderse hasta cualquier longitud pero preferiblemente entre 1 y 4 pm en perpendicular a partir de la montura.

El canal puede estar conformado para proporcionar un flujo laminar. Las paredes del canal pueden ser lisas.

El canal puede definir una abertura para recibir un flujo de fluido y una abertura en la que la viga en voladizo se encuentra con la montura. La mínima longitud del canal entre estas dos aberturas puede corresponderse con la longitud de entrada hidrodinámica L con el fin de conseguir el perfil de velocidades completamente desarrollado en la región de abertura de viga en voladizo. La altura de la cavidad puede optimizarse para conseguir el máximo de sensibilidad de distribución y depende del fluido de calibración. La anchura del canal puede depender del tamaño de la montura de viga en voladizo y es variable.

El fluido puede seleccionarse y/o el canal adaptarse de tal modo que el número de Knudsen sea de menos de ,1. Mediante la provisión de un canal que tiene una relación de la longitud con respecto a la altura en este intervalo y/o que está adaptado para lograr un número de Knudsen de menos de ,1, el flujo de fluido tras alcanzar... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Aparato de medición que tiene una viga en voladizo (8) y un canal de flujo de fluido (6), estando colocada la viga en voladizo (8) en el canal (6) de tal modo que se proyecta en una dirección en paralelo con respecto a la dirección del flujo de fluido, caracterizado por que el canal (6) tiene una relación de la longitud con respecto a la altura mayor que o igual a ,5 Re, en donde Re es el número de Reynolds del fluido en el canal (6), y el canal (6) está conformado y/o dimensionado para proporcionar un flujo laminar, estando dispuesto el aparato para proporcionar un flujo de fluido, en donde el movimiento del fluido da lugar a un cambio en la frecuencia resonante de la viga en voladizo.

2. Aparato de medición tal como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende unos medios para medir la frecuencia de vibración de la viga en voladizo (8).

3. Aparato de medición tal como se reivindica en la reivindicación 2, en el que los medios para medir la frecuencia de vibración de la viga en voladizo (8) están adaptados para medir una frecuencia resonante de la viga en voladizo (8).

4. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende unos medios para medir la presión y/o la caída de presión y/o la velocidad aplicadas del fluido.

5. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende unos medios para proporcionar un flujo de fluido a una presión y/o una caída de presión y/o una velocidad de fluido aplicadas conocidas.

6. Aparato de medición tal como se reivindica en la reivindicación 4 o en la reivindicación 5, adaptado para usar la presión y/o la caída de presión y/o la velocidad de fluido aplicadas conocidas o medidas junto con por lo menos una medición de frecuencia resonante para determinar la constante de resorte de la viga en voladizo (8).

7. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, adaptado para determinar la presión y/o la caída de presión y/o la velocidad aplicadas del fluido y/o el caudal de fluido usando por lo menos una medición de frecuencia resonante.

8. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la viga en voladizo (8) está revestida por lo menos en parte de una bio-película.

9. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la viga en voladizo (8) es rectangular o tiene forma de v.

1. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la viga en voladizo (8) se extiende entre 1 y 4 pm en perpendicular a partir de una montura.

11. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las paredes del canal (6) son lisas.

12. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el canal (6) define una abertura para recibir un flujo de fluido y una abertura en la que la viga en voladizo (8) se encuentra con la montura.

13. Aparato de medición tal como se reivindica en la reivindicación 12, en el que la longitud del canal (6) entre la abertura para recibir un flujo de fluido y la abertura en la que la viga en voladizo (8) se encuentra con la montura es sustancialmente igual a la longitud de entrada hidrodinámica.

14. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 12 a 13, en el que la viga en voladizo (8) está adaptada para estar montada de manera desmontable sobre una base, con la base adaptada para recibir la viga en voladizo (8) para formar el canal (6).

15. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la viga en voladizo (8) es por lo menos parte de un cabezal de detección o microplaca de viga en voladizo para un microscopio de fuerza atómica.

16. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el canal (6) es sustancialmente rígido.

17. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una cubierta para cubrir la viga en voladizo (8) y el canal (6), opcionalmente en el que la cubierta es transparente.

18. Aparato de medición tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el canal (6) tiene una entrada de fluido y una salida de fluido y la viga en voladizo (8) está colocada de tal modo que sobresale hacia la salida de fluido.