CAUDALÍMETRO DE TIPO CORIALIS CON SENSOR ÓPTICO DE VIBRACIONES.

Un caudalímetro de masa de Coriolis que comprende un tubo de Coriolis y un dispositivo de detección óptica,

dispositivo de detección óptica que comprende por lo menos un detector óptico para generar una señal que es representativa del movimiento del tubo de Coriolis, comprendiendo dicho detector óptico una fuente de luz y un detector fotosensible, en el que el tubo de Coriolis o un saliente fijado al tubo de Coriolis se desplaza a través del camino óptico entre la fuente de luz y el detector fotosensible, durante el funcionamiento, caracterizado por que el dispositivo de detección óptica comprende medios para aplicar una tensión constante a través del detector fotosensible durante el funcionamiento, independientemente de la corriente generada por el detector fotosensible en respuesta a la luz incidente, así como medios para determinar el valor de la corriente generada por el detector fotosensible y convertirla en una señal de salida

La invención se refiere a un caudalímetro que funciona mediante el principio de Coriolis, que comprende un tubo de Coriolis y por lo menos un dispositivo de detección óptica, dispositivo de detección óptica que comprende un detector óptico para generar una señal que es representativa del movimiento del tubo de Coriolis, comprendiendo dicho detector óptico una fuente de luz y un detector fotosensible, en el que el tubo de Coriolis o un saliente fijado al 5 tubo de Coriolis se desplaza a través del camino óptico entre la fuente de luz y el detector fotosensible, durante el funcionamiento.

Dicho caudalímetro se conoce a partir del documento EP 1 719 983 A1. El dispositivo de detección óptica puede comprender un detector óptico, pero en general comprende un primer y un segundo detectores ópticos, o incluso un primer, un segundo y un tercer detectores ópticos para la generación, en función de las señales de 10 desplazamiento medidas por los detectores, de una señal que es representativa del flujo.

En adelante, el detector óptico utilizado para medir el desplazamiento en un caudalímetro, o controlado por flujo en base al principio de Coriolis, será denominado asimismo 'opto'. Éste comprende una fuente de luz, a menudo un LED, y un fotodetector, a menudo un fotodiodo (un fototransistor).

El método conocido de generación continua de una señal eléctrica dependiente del desplazamiento, por 15 medio de un opto, procede como sigue: un objeto dispuesto entre la fuente de luz y el fotodetector bloquea parte del haz de luz. Cuando dicho objeto se desplaza, la cantidad de luz incidente en el fotodetector cambiará. El detector de luz actúa como un contador de fotones, siendo la corriente a través del detector proporcional a la cantidad de luz incidente. Se genera una tensión dependiente del desplazamiento puesto que la resistencia R está conectada en serie con el fotodetector. Se deberá escoger un valor de la resistencia para hacer esta tensión tan elevada como sea 20 posible.

Sin embargo, resulta que cuando se utiliza uno, dos o tres optos en los caudalímetros convencionales, en ocasiones la precisión del instrumento de medición queda por debajo de las expectativas.

Un objetivo de la invención es incrementar la precisión tanto como sea posible, sin perjudicar la resolución del instrumento. El caudalímetro de Coriolis acorde con la invención está, para este propósito, caracterizado por que 25 el dispositivo de detección óptica comprende medios para aplicar una tensión constante a través del detector fotosensible durante el funcionamiento, independientemente de la corriente generada por el detector fotosensible en respuesta a la luz incidente, así como medios para determinar el valor de la corriente generada por el detector fotosensible y convertirla en una señal de salida. En general, un dispositivo de detección óptica como el descrito anteriormente, está dotado además de un convertidor A/D para convertir la señal de salida en una señal digital. 30

Un fotodiodo tiene siempre cierta capacidad parásita C. En combinación con la resistencia R, esto constituye una red R-C con una constante de tiempo T = R * C. Esta constante de tiempo se incrementa cuando R se incrementa. Dada una señal eléctrica que cambia periódicamente (por ejemplo, de forma sinusoidal) a causa de un objeto vibrante entre la fuente de luz y el fotodetector, esta constante de tiempo provocará un desplazamiento del seno sobre el eje temporal, es decir una rotación de fase. 35

Si la capacidad parásita es constante, ésta puede ser compensada de una vez por medio de calibración. Sin embargo, en la práctica esta capacidad muestra una deriva debido a los efectos de temperatura y al envejecimiento, entre otros factores. Puede calcularse que la deriva que se produce en la constante de tiempo de un caudalímetro preciso, dada una elección normal de fotodetector más resistencia, es de una magnitud tal que de la misma resultará un error de medición significativo. 40

El principio general de la invención es que la tensión a través del opto se mantiene constante por medio de un circuito electrónico, independientemente de la cantidad de la luz que incide sobre el fotodetector, es decir independientemente de la corriente a través del detector. Como resultado de esto, la capacidad parásita no es 'cargada' o 'descargada', y por consiguiente no existe retardo de tiempo. En este caso, la señal de salida del circuito electrónico (tensión o corriente) es una medición para la corriente a través del fotodetector, y por consiguiente para 45 la cantidad de luz incidente.

La forma más simple de dicho circuito es el amplificador de tensión 'voltio a voltio', del cual existen muchas versiones. En este caso no se utiliza un valor de resistencia R elevado, sino reducido, de manera que la constante de tiempo T = R * C permanece pequeña. El inconveniente de esto es que el amplificador tiene siempre capacidades dependientes de la temperatura, y por lo tanto una constante de tiempo dependiente de la temperatura. Además, un 50 amplificador de tensión tiene siempre una impedancia de entrada elevada de manera que lo que se mantiene constante no es la tensión de entrada (tal como se desea) sino la corriente de entrada.

Una realización preferida está caracterizada por que el medio de aplicación de una tensión constante a través del detector fotosensible durante el funcionamiento, comprende un amplificador de transimpedancia.

En concreto, esta realización preferida asegura que la tensión a través del opto se mantiene constante por 55 medio de un amplificador de transimpedancia 'amperio a voltio'. Este último no tiene el inconveniente de una

impedancia de entrada elevada y por este motivo se utiliza, entre otros, en amplificadores de comunicación óptica para eliminar sustancialmente los efectos de las capacidades parásitas. Esto se consigue por medio de una impedancia de entrada baja de manera que (tal como se desea) se mantiene constante la tensión de entrada. Por lo tanto, la variación de la corriente de entrada será la base para la señal de salida (tensión) de este amplificador. Existen diversas realizaciones existentes del amplificador de transimpedancia. 5

En otra realización, se utiliza un amplificador operacional (op-amp) con realimentación, tal como se explicará mejor a continuación.

Funcionamiento del circuito amplificador de transimpedancia

Se utiliza un amplificador operacional u op-amp con realimentación. Un op-amp es un componente electrónico activo, usualmente en forma de IC, con un factor de ganancia muy elevado. El op-amp conduce su 10 entrada negativa a una tensión que debe hacerse igual a la tensión V_polarización aplicada a la entrada positiva. Puesto que dicha entrada negativa está acoplada al opto, la tensión a través del opto será asimismo constante (tal como se desea) y desde luego lo suficientemente alta para proporcionar al opto una tensión de polarización La luz incidente provoca que fluya una corriente a través del opto. A continuación esta corriente fluye a través del bucle formado por el circuito a través de la entrada negativa del op-amp hasta la salida, y a continuación otra vez de vuelta 15 a través de una resistencia de realimentación Rf. Por lo tanto, la tensión de salida del op-amp resulta proporcional a la corriente a través del opto, como sigue:

V_salida = V_polarización + (Rf * l_detector)

La rotación de fase del opto puede ser reducida en unos pocos órdenes de magnitud en comparación con la situación original en la que se elige un op-amp 'rápido', es decir uno con una rotación de fase interna pequeña. 20

Eliminación del desplazamiento de tensión

El amplificador de transimpedancia conduce a un desplazamiento de tensión. El desplazamiento consiste en una tensión de CC constante que no contiene información relevante. Dicho desplazamiento es desfavorable si la señal de salida va a ser convertida posteriormente de analógica a digital en un convertidor A/D para el propósito del procesamiento de señal. Un convertidor A/D unipolar 'normal' comienza en 0 V, lo que significa que, dada una 25 V_polarización de, por ejemplo, 12 V, la 'región inferior' del rango no se utiliza. Como resultado, no se aprovecha la resolución máxima que puede conseguirse del convertidor A/D.

Una realización del caudalímetro de Coriolis acorde con la invención está caracterizada por que el desplazamiento de tensión es reducido o eliminado por medio de electrónica...

1. Un caudalímetro de masa de Coriolis que comprende un tubo de Coriolis y un dispositivo de detección óptica, dispositivo de detección óptica que comprende por lo menos un detector óptico para generar una señal que es representativa del movimiento del tubo de Coriolis, comprendiendo dicho detector óptico una fuente de luz y un detector fotosensible, en el que el tubo de Coriolis o un saliente fijado al tubo de Coriolis se desplaza a través del camino óptico entre la fuente de luz y el detector fotosensible, durante el funcionamiento, 5

caracterizado por que el dispositivo de detección óptica comprende medios para aplicar una tensión constante a través del detector fotosensible durante el funcionamiento, independientemente de la corriente generada por el detector fotosensible en respuesta a la luz incidente, así como medios para determinar el valor de la corriente generada por el detector fotosensible y convertirla en una señal de salida.

2. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 1, 10

caracterizado por que el medio de aplicación de una tensión constante a través del detector fotosensible durante el funcionamiento, comprende un amplificador de transimpedancia.

3. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 2,

caracterizado por que dicho amplificador de transimpedancia comprende un amplificador operacional (op-amp).

4. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 3, 15

caracterizado por que dicho op-amp es un op-amp con realimentación, que tiene una entrada positiva que está conectada a medios para suministrar una tensión de polarización constante V_polarización y una entrada negativa que está conectada al detector fotosensible, controlando el op-amp la entrada negativa a una tensión igual a V_polarización, mientras que el op-amp tiene una salida que suministra una tensión de salida proporcional a la corriente a través del detector fotosensible. 20

5. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, dotado además de medios eléctricos analógicos para reducir un desplazamiento de la señal de salida antes de que ésta última sea suministrada al convertidor A/D.

6. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 5,

caracterizado por que dichos medios eléctricos analógicos comprenden un amplificador diferencial. 25

7. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 6,

caracterizado por que el amplificador diferencial comprende un op-amp.

8. Un caudalímetro de masa de Coriolis como el reivindicado en las reivindicaciones 3, 4, 5, 6, ó 7, dotado además de un amplificador de tensión 'voltio a voltio' para incrementar la tensión de salida del op-amp.

9. Un caudalímetro de masa de Coriolis de acuerdo con la reivindicación 8, 30

caracterizado por que el amplificador diferencial está conectado a un divisor de tensión que comprende dos resistencias para conseguir una amplificación de tensión, definiendo la relación de las dos resistencias el factor de amplificación.