CAUDALÍOMETROS MÁSICOS DE EFECTO CORIOLIS CON SENSOR DE MOVIMIENTO ÓPTICAMENTE REFLEJANTE.

Un sistema sensor de circulación de Coriolis con un tubo de circulación vibrante (1),

a través del cual circula un medio, cuyo sensor de circulación comprende medios de excitación para inducir una vibración en el tubo (1), medios ópticos de detección para la determinación de los movimientos de al menos un punto del tubo (1), comprendiendo dichos medios ópticos de detección una fuente de luz (3) que tenga un haz de luz (5) incidente sobre la pared del tubo, sobre una capa dispuesta en esta pared, o en un elemento unido a esta pared, y un sensor de luz (4) que tiene una superficie fotosensible para la detección de la luz del haz de luz (5) después de la reflexión contra la pared del tubo, una capa dispuesta en esta pared, o un elemento unido a esta pared, caracterizado porque los medios para formar el haz (5) están dispuestos para hacer la convergencia del haz (5) en la dirección del movimiento del tubo (1) asociado a la fuerzas de Coriolis más pequeña que la convergencia en la dirección del movimiento del tubo (1) asociado con las fuerzas de excitación.

La invención se refiere a un sistema sensor de circulación de Coriolis con un tubo de circulación vibrante, “tubo” en lo sucesivo, a través del que circula un medio, cuyo sensor de circulación comprende medios que inducen la vibración del tubo, y medios de detección ópticos para la determinación de los movimientos de al menos un punto del tubo, comprendiendo dichos medios de detección ópticos una fuente de luz para tener un haz de luz incidente en la pared del tubo, en una capa dispuesta en la pared, o en un elemento unido a esta pared, y un sensor de luz que tiene una superficie fotosensible para percibir la luz del haz de luz después de la reflexión contra la pared del tubo, una capa dispuesta en esta pared, o en un elemento unido a esta pared.

Si en lo que sigue se menciona que el haz de luz incide sobre o se refleja en contra de la pared del tubo, aunque se supone que también están incluidos los casos en que se produce la incidencia sobre o la reflexión contra una capa dispuesta en la pared del tubo, o en un elemento unido a esta pared.

Un sensor de circulación de Coriolis (o: sistema de sensor de circulación Coriolis) comprende al menos un tubo o tubo de circulación, a través del cual circula el medio. Este tubo realiza normalmente un movimiento oscilatorio de excitación. Un pequeño movimiento Coriolis adicional superpuesto en dicho lugar se crea por el flujo. Esta combinación de movimientos se va a medir con el fin de determinar el flujo. El sensor de circulación para este fin cuenta con un sistema de detección por medio del cual se detecta el desplazamiento de uno o varios puntos del tubo en función del tiempo. El sistema de detección puede basarse en varios principios, tales como los principios inductivo, capacitivo u óptico. Dentro del campo de los sensores de desplazamiento óptico hay varias realizaciones posibles. El más ampliamente utilizado con diferencia es el tipo que puede ser descrito como “ópticamente transmisivo”. Un sensor de desplazamiento de este tipo comprende una carcasa en forma de U que se fija a la estructura del sensor de circulación con una fuente de luz (por ejemplo, un LED) en una pata de la U y una célula fotoeléctrica (por ejemplo, un fototransistor) dispuestos frente a la fuente de luz en la otra pata. Una parte del tubo o una proyección, fijada al tubo, que se mueven entre las dos patas de la U, bloquea una parte del haz de luz entre la fuente de luz y la célula fotoeléctrica, que varía en parte con el movimiento del tubo. El movimiento puede derivarse del cambio en la señal eléctrica generada en dicha célula fotoeléctrica. Un sensor de este tipo se describe en los documentos EP-A-1.719.982 y EP-A-1.719.983.

Una realización diferente de un sensor de desplazamiento óptico puede ser descrita como “ópticamente reflectante”. Esta realización comprende también una fuente de luz y una célula fotoeléctrica, ambas unidas a la estructura del sensor de circulación. Aquí, sin embargo, un haz dirigido desde la fuente de luz ilumina una parte de la pared del tubo o una proyección sujeta al mismo. La célula fotoeléctrica, que está montada en el mismo lado del tubo, se dispone en parte o totalmente en la trayectoria del haz reflejado, y mide la intensidad en la posición de la luz incidente sobre su superficie fotosensible. El principio básico de un sensor de este tipo se describe también en el citado documento EP-A-1.719.983, así como en el artículo de P. Enoksson et al. “ A Silicon Resonant Sensor Structure for Coriolis Mass-Flow Measurements” in Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 6, nº 2, junio 1997. Sin medidas adicionales, sin embargo, la sensibilidad es inadecuada para su uso en un sensor de circulación Coriolis preciso.

La presente invención tiene por objeto proporcionar medidas (ópticas) que de forma individual o en combinación mejoran esta sensibilidad considerablemente. De acuerdo con la invención, un sistema sensor de circulación Coriolis del tipo mencionado en el párrafo inicial se caracteriza porque los medios para dar forma al haz se disponen para hacer que el haz converja en la dirección del movimiento del tubo asociado a la fuerzas de Coriolis más pequeñas que la convergencia en la dirección de movimiento del tubo asociado con las fuerzas de excitación.

Una medida de la convergencia es el ángulo de convergencia. Este es el ángulo superior del cono de un haz convergente ( en la Fig. 1). (De manera análoga, una medida de la divergencia es el ángulo de divergencia, que es el ángulo superior del cono de un haz divergente ( en la Fig. 10)).

Mediante esta construcción se mejora la sensibilidad en la detección de los pequeños movimientos del tubo causados por las fuerzas de Coriolis. En particular, el sensor detecta no sólo los movimientos de traslación, sino también, o de forma posiblemente exclusiva, los movimientos de rotación del tubo. Esta es la razón de que se haga referencia en su mayor parte a un “sensor de movimiento” en el texto siguiente.

En el marco de la invención son aplicables varios medios para dar forma al haz de luz, por ejemplo:

una fuente de luz astigmática que hace que el haz tenga divergencias diferentes en direcciones perpendiculares, de manera que en combinación con una lente esférica “normal” se obtienen diferentes convergencias en direcciones diferentes (la mayoría de los láseres son astigmáticos);

una placa de fase que hace que la luz en diferentes lugares del haz tenga diferentes retardos de fase; un componente óptico dispuesto en el haz de luz incidente, como una lente o un espejo, por ejemplo, una lente esférica, que está dispuesta en un ángulo con respecto al haz, dando como resultado diferentes enfoques en diferentes direcciones.

De acuerdo con una realización preferida, el componente óptico comprende al menos una lente convergente cilíndrica o esférica.

En el marco de la invención, el ángulo formado entre el haz incidente y el reflejado puede estar entre 0º y 60º. Sin embargo, se puede ahorrar espacio si, de acuerdo con una realización preferida, el ángulo formado entre el haz incidente y el reflejado es de 0º.

Realizaciones ventajosas adicionales se describen en las reivindicaciones.

El sensor de movimiento ópticamente reflectante de acuerdo con la invención es muy adecuado para su uso en sensores de circulación Coriolis de tubo de diámetro muy pequeño (<0,1 mm), como los sensores de circulación de masa fabricados por MST (Micro System Technology) como se describe, por ejemplo, en el artículo de J. Haneveld et al. “Highly sensitive micro Coriolis mass flow sensor' publicada en The Proceedings of the MEMS Conference, 1317 de enero 2008, Tucson, EE.UU.”, que se considera incluido en la presente descripción a modo de referencia, ya que el diámetro del punto de luz incidente sobre el tubo puede hacerse muy pequeño por medios de enfoque. Esta posibilidad no es ofrecida por un sensor ópticamente transmisivo, en el que las posibilidades de aplicación están limitadas por las dimensiones disponibles de la fuente luminosa y la célula fotoeléctrica (desde 0,2 mm en adelante). El uso del sensor de movimiento ópticamente reflectante de acuerdo con la invención, sin embargo, no se limita a los pequeños diámetros de tubo, sino que es igualmente conveniente para sensores de circulación de Coriolis conocidos más grandes (1 m de diámetro de tubo).

Unas cuantas realizaciones de la invención se describirán ahora con más detalle a modo de ejemplo, con referencia a las Fig. adjuntas.

La Fig. 1 muestra una realización esquemática de un sistema sensor de circulación de acuerdo con la invención, con cuatro lentes añadidas, cuya función será definida más adelante.

La Fig. 2 muestra una realización mejorada con incidencia y reflexión perpendiculares, hecha posible por la adición de un espejo que transmite en parte la luz y, opcionalmente, con una placa para conseguir un retardo de la fase de un cuarto de la longitud de onda con lo que la polarización de un haz de luz se puede girar 90º + n veces 180º al tener dos veces el paso de luz.

La Fig. 3 muestra una realización redonda y una cuadrada de la superficie fotosensible de una célula de cuadrante con segmentos A, B, C y D y un punto de luz representado en dicho lugar.

La Fig. 4 muestra la superficie fotosensible de un Dispositivo Sensible a la Posición, un punto de luz reflejado en dicho lugar, y valores límite típicos... [Seguir leyendo]

1. Un sistema sensor de circulación de Coriolis con un tubo de circulación vibrante (1), a través del cual circula un medio, cuyo sensor de circulación comprende medios de excitación para inducir una vibración en el tubo (1), medios ópticos de detección para la determinación de los movimientos de al menos un punto del tubo (1), comprendiendo dichos medios ópticos de detección una fuente de luz (3) que tenga un haz de luz (5) incidente sobre la pared del tubo, sobre una capa dispuesta en esta pared, o en un elemento unido a esta pared, y un sensor de luz (4) que tiene una superficie fotosensible para la detección de la luz del haz de luz (5) después de la reflexión contra la pared del tubo, una capa dispuesta en esta pared, o un elemento unido a esta pared, caracterizado porque los medios para formar el haz (5) están dispuestos para hacer la convergencia del haz (5) en la dirección del movimiento del tubo (1) asociado a la fuerzas de Coriolis más pequeña que la convergencia en la dirección del movimiento del tubo (1) asociado con las fuerzas de excitación.

2. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de formación del haz (5) comprenden un componente óptico dispuesto en el haz de luz incidente.

3. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 2, caracterizado porque el componente óptico comprende al menos una lente convergente (L2) cilíndrica o asférica.

4. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo formado entre el haz de luz incidente y el haz de luz reflejado es mayor que 0º y menor de 60º.

5. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo formado entre el haz de luz incidente y el reflejado es 0º.

6. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 5, caracterizado porque un espejo que transmite parcialmente la luz está dispuesto para hacer el ángulo formado entre el haz de luz incidente y el reflejado 0º.

7. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 5, caracterizado porque un divisor de haz polarizante

(7) está dispuesto para hacer el ángulo formado entre el haz de luz incidente y el reflejado de 0º, y porque una placa de cuarto de longitud de onda (8) que gira la dirección de polarización de la luz pasando dos veces por 90º + n veces 180º está dispuesta en el haz de luz entre dicho divisor de haz (7) y el tubo (1).

8. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 2, caracterizado porque el componente óptico está dispuesto de tal manera que la relación altura / anchura del haz de luz reflejado sobre el sensor de luz (4) es tal que la dimensión del punto en la dirección asociada con el movimiento de Coriolis es sustancialmente menor que la dimensión del punto en la dirección asociada con el movimiento de excitación.

9. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 8,caracterizado porque el componente óptico comprende al menos una lente cilíndrica o asférica.

10. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 2, caracterizado porque el componente óptico está dispuesto de tal manera que el producto de la divergencia del punto representado sobre la pared del tubo por la distancia medida en la dirección de Coriolis entre la pared del tubo y una lente de colimación (L3) colocada en el camino de la reflexión es pequeño con respecto a la anchura de la cintura del haz de luz en la dirección de Coriolis en la posición de la pared del tubo.

11. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 2, caracterizado porque el componente óptico está dispuesto de tal manera que el producto de la divergencia del haz de luz por la distancia en la dirección de Coriolis entre el foco de dicho haz y el sensor de luz es menor que la anchura de la cintura del haz de luz en la dirección de Coriolis en la posición del foco, estando dicho foco en el camino de la luz reflejada entre el tubo y el sensor de luz.

12. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 11, en el que un elemento óptico adicional está dispuesto en el camino de la luz reflejada.

13. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de luz es una célula segmentada en la que se crea una imagen del haz de luz completo.

14. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 13, caracterizado porque dicha célula segmentada está dispuesta como una célula de cuadrante.

15. Un sensor de circulación de Coriolis según la reivindicación 1, caracterizado porque sólo una parte del haz de luz reflejado se representa como imagen sobre la superficie fotosensible del sensor de luz (4), y se proporcionan medios para determinar la fracción de la luz incidente sobre el sensor de luz, que es una medida de los movimientos del punto del tubo.