CAUDALIMETRO MASICO.
Un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye,
que comprende:
- una membrana plana (16, 18) con una superficie de detección que puede llevarse al contacto directo o indirecto con un fluido que fluye;
- unos medios calentadores controlables eléctricamente sobre dicha superficie; y
- medios de sensor de temperatura sobre dicha superficie para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en la dirección de flujo del fluido, con respecto a una ubicación elegida,
- los medios de calentamiento y los medios de sensor de temperatura dispuestos en la superficie de detección de la membrana (16, 18) mediante una técnica plana, en la que los medios de calentamiento se componen de dos elementos de calentador (H1, H2) que se sitúan simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a dicha ubicación elegida,
en el que los elementos de calentador (H1, H2) están conectados a medios de alimentación eléctrica caracterizados porque dichos medios de alimentación eléctrica son capaces de dar energía a los dos elementos de calentador (H1, H2) en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero entre las posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E04076259.
Solicitante: BERKIN B.V..
Nacionalidad solicitante: Países Bajos.
Dirección: NIJVERHEIDSSTRAAT 1 A,NL-7261 AK RUURLO.
Inventor/es: LITTERS, JOOST CONRAD.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 28 de Abril de 2004.
Fecha Concesión Europea: 16 de Junio de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01F1/684M
- G01F1/684N
- G01F1/699 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01F MEDIDA DEL VOLUMEN, FLUJO VOLUMETRICO, FLUJO MASICO O NIVEL DE LIQUIDOS; DOSIFICACION VOLUMETRICA. › G01F 1/00 Medida del flujo volumétrico o flujo másico de un fluido o material sólido fluyente en la que el fluido pasa a través del medidor con un flujo continuo (regulación de la cantidad o proporción G01F 5/00). › mediante el control de un elemento de calefacción o de refrigeración aparte.
Clasificación PCT:
- G01F1/684 G01F 1/00 […] › Disposiciones estructurales; Montaje de elementos, p. ej. con relación al flujo de fluido.
Clasificación antigua:
- G01F1/684 G01F 1/00 […] › Disposiciones estructurales; Montaje de elementos, p. ej. con relación al flujo de fluido.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Caudalímetro másico.
La invención se refiere a un caudalímetro másico de tipo térmico.
Se conocen varios caudalímetros másicos con el principio de funcionamiento térmico.
Cuando un flujo de gas o líquido, cuyo caudal másico se va a medir, pasa como un flujo laminar o turbulento a través de un tubo de flujo, se forma una capa límite a lo largo de la pared interior del tubo de flujo. El calentamiento local del tubo, por ejemplo mediante un alambre de resistencia en espiral alrededor del tubo, hace que el calor se transmita al flujo de gas o de líquido por conducción térmica a través de la pared del tubo y la capa límite. Se determina el efecto del calor suministrado. La conductividad térmica del tubo se determina como un valor variable que depende de la composición del material y la cantidad de calor que se transmite a través de su superficie, y la conductividad térmica de la capa límite del gas o el líquido se determina como un valor relacionado con la capacidad calorífica específica en el fluido a medir.
La conductividad térmica del tubo de flujo se calcula de este modo a partir de datos de su material constituyente, las dimensiones del tubo, etc., por un lado, mientras que por otro lado, la conductividad térmica del fluido se calcula a partir de su densidad y caudal. El caudalímetro de tipo convencional puede utilizarse como un caudalímetro másico simple que es capaz de determinar el caudal másico de un fluido de tipo conocido sobre la base del principio de funcionamiento anterior sin interferir con el flujo del fluido.
Un caudalímetro másico conocido de tipo térmico se describe, por ejemplo, en el documento EP 1139073. Este caudalímetro másico conocido comprende un tubo de flujo conductor de calor provisto con un sensor de temperatura una aguas arriba y uno aguas abajo compuesto de alambre de resistencia en espiral alrededor del tubo, y un circuito de control para mantener constante la diferencia de temperatura entre los sensores, el caudal másico del fluido que fluye a través del tubo se determinará a partir de datos del circuito de control.
Las desventajas de este sistema de medición con bobinas dispuestas alrededor de un tubo de flujo son que no es adecuado para medir el flujo muy localizado, no puede medir caudales muy bajos, tiene una respuesta relativamente lenta y no se puede utilizar en espacios pequeños.
El documento EP1298420 describe un caudalímetro másico de tipo térmico que incluye un substrato semiconductor, una membrana, dos resistencias de medición de temperatura, dos calentadores formados en la membrana y dos circuitos puente cada uno con uno de los calentadores y una de las resistencias de medición de temperatura. Las dos resistencias de medición de temperatura y los dos calentadores están situados, respectivamente, de manera simétrica aguas arriba y aguas abajo de una ubicación elegida. Las salidas del circuito puente se introducen en dos circuitos de alimentación de energía. Se calcula la diferencia entre las salidas de los circuitos de alimentación de energía y representa el flujo másico medido. El circuito se controla de tal manera que se mantienen diferencias constantes de temperatura entre cada resistencia de medición de temperatura y su correspondiente calentador en el mismo circuito puente. En caso de ausencia de flujo, las dos alimentaciones necesarias para estas diferencias de temperatura mantenidas constantes son iguales entre sí.
La invención tiene por objetivo proporcionar un caudalímetro másico que no padezca de por lo menos alguno de los inconvenientes anteriores.
De acuerdo con la invención, un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye, que comprende medios calentadores controlables eléctricamente y medios de sensor de temperatura para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en el sentido del flujo del fluido, con respecto a un lugar elegido, caracterizado porque el caudalímetro comprende un substrato delgado y plano con una superficie de detección que pueden entrar en contacto directo o indirecto con un fluido que fluye, y porque los medios calentadores y los medios de sensor de temperatura se disponen en la superficie de detección del sustrato mediante una técnica plana.
Abreviadamente: la invención proporciona un sensor de flujo con chip.
Una ventaja de un sensor de flujo con chip dispuesto sobre un substrato plano y delgado mediante una técnica plana es que se puede hacer muy pequeño (con dimensiones en miniatura) y no tiene devanados que haya que disponer alrededor de un tubo de flujo. Esto hace que sea posible:
La superficie de detección del sensor de flujo con chip puede estar provista, por ejemplo, con medios calentadores ubicados en el centro flanqueados a ambos lados por un sensor de temperatura. Para compensar la aparición de una desviación del cero en un sistema así, la señal de salida de los medios de sensor puede compensarse electrónicamente.
El caudalímetro másico de acuerdo con la invención, sin embargo, está caracterizado porque los medios calentadores se componen de dos piezas que están situadas simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a la mencionada ubicación elegida y pueden conectarse a medios de alimentación eléctrica capaces de dar energía a las dos piezas de los medios calentadores en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero.
Esto hace posible un denominado calentamiento equilibrado. El método de calentamiento equilibrado resuelve el problema de que se proporciona una señal de salida (desviación) cuando no hay flujo. También: si no hay desviación con ausencia de flujo, puede haber tendencia de no desviación, por lo que el punto cero es superestable. Lo último es importante para medir en un amplio intervalo de flujos: en vez de 1:100, ahora es posible medir, por ejemplo, sobre un intervalo de 1:10.000 (así que si la capacidad máxima del chip es de 10 ln/min, todavía se puede medir un flujo de 1 mln/min, mientras que este no sería mejor de 100 mln/min en la situación convencional).
La invención se explica a continuación con más detalle haciendo referencia a los dibujos que muestran algunas realizaciones del caudalímetro según la invención, en los que:
La figura 1 muestra un soporte delgado y plano con un calentador central flanqueado por dos sensores de temperatura;
La figura 2A muestra un soporte delgado y plano con una configuración de sensor de flujo, y
La figura 2B muestra un substrato provisto con un agujero diseñado para ser combinado con el soporte de la figura 2A;
La figura 3 muestra un soporte delgado y plano con una configuración de sensor de flujo con calentamiento equilibrado, montado en un substrato -más grueso-;
La figura 4 muestra un soporte delgado y plano con dos calentadores y una termopila en el medio;
La figura 5 muestra un sensor de flujo con chip en suspensión en un tubo de flujo;
La figura 6 muestra un sensor de flujo con chip montado en el exterior de un tubo de flujo; y
Las figuras 7 y 8 muestran módulos de medición con sensores de flujo con chip dispuestos en los mismos, parcialmente en alzado y parcialmente en sección transversal.
La figura 1 muestra un soporte delgado y plano 1 sobre el que se puede hacer pasar un líquido en una dirección F, con un calentador H y sensores de temperatura S1 y S2 dispuestos simétricamente aguas arriba y aguas abajo del mismo. El caudal puede...
Reivindicaciones:
1. Un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye, que comprende:
- una membrana plana (16, 18) con una superficie de detección que puede llevarse al contacto directo o indirecto con un fluido que fluye;
- unos medios calentadores controlables eléctricamente sobre dicha superficie; y
- medios de sensor de temperatura sobre dicha superficie para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en la dirección de flujo del fluido, con respecto a una ubicación elegida,
- los medios de calentamiento y los medios de sensor de temperatura dispuestos en la superficie de detección de la membrana (16, 18) mediante una técnica plana, en la que los medios de calentamiento se componen de dos elementos de calentador (H1, H2) que se sitúan simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a dicha ubicación elegida,
en el que los elementos de calentador (H1, H2) están conectados a medios de alimentación eléctrica caracterizados porque dichos medios de alimentación eléctrica son capaces de dar energía a los dos elementos de calentador (H1, H2) en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero entre las posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo.
2. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos resistencias sensibles a la temperatura.
3. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos termopilas (TP1, TP2) formadas en dicha membrana (16) en lados respectivos de los elementos calentadores (H1, H2).
4. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden una termopila (TP) dispuesta en dicha membrana (18) entre los elementos de calentador (H1, H2).
5. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el caudalímetro comprende un módulo de medición (26) adaptado para permitir que un fluido fluya a través, y porque la superficie de detección de la membrana forma parte de una superficie (31) de pared de dicho módulo de medición.
6. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el caudalímetro comprende un módulo de medición (33) adaptado para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana se dispone en una superficie interior de dicho módulo de medición.
7. Un caudalímetro másico según la reivindicación 5 ó 6,
caracterizado porque el módulo de medición (26, 33) comprende una cavidad en la que emanan una abertura de alimentación (29, 36) y una abertura de drenaje (30, 37) para el fluido que fluye, en dicha cavidad se dispone la superficie de detección.
8. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el caudalímetro comprende una línea de medición (19) adaptada para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana (20) está suspendida dentro de dicha línea de medición (19).
9. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el caudalímetro comprende una línea de medición (24) adaptada para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana (25) se sujeta contra la pared exterior de dicha línea de medición (24) a fin de estar en contacto de intercambio de calor con ella.
10. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,
caracterizado porque la membrana se hace de un material que es un mal conductor térmico y tiene un espesor de entre 1 y 100 micras.
11. Un caudalímetro másico según la reivindicación 10,
caracterizado porque comprende además un sustrato que tiene un espesor superior a dicha membrana y está hecho de un material que tiene una conductividad térmica mayor que la de dicha membrana, y que tiene un agujero sobre el que se coloca dicha membrana, y porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos termopilas formadas en dicha membrana en lados respectivos de los elementos de calentamiento con sus uniones calientes por encima del agujero y sus uniones frías por encima de la membrana.
12. Un caudalímetro másico según la reivindicación 11,
caracterizado porque los elementos calentadores se colocan en relación separada y en paralelos entre sí en el centro de la membrana.
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