Método para la medida de la velocidad del aire y de su dirección en dos dimensiones para aplicaciones aeroespaciales y de baja presión.

Método para la medida de la velocidad y dirección del viento en dos dimensiones, basado en anemometría térmica, para trabajar en aplicaciones aeroespaciales en la superficie de otros planetas.El método descrito utiliza dos invenciones para eliminar la dependencia de la medida con la temperatura del viento: utiliza de tres resistencias dependientes de la temperatura en el elemento caliente y una estructura matricial de elementos calientes con un único elemento de referencia. La estructura matricial tiene simetría de rotación lo que permite la obtención de la medida mediante combinaciones diferenciales de las señales de los elementos calientes.El segundo problema es la precisión de la medida en atmósfera enrarecida como resultado del pequeño valor del camino libre medio de las moléculas. El método descrito reduce ese problema mediante el aislamiento térmico optimizado entre los elementos calientes entre sí, y entre éstos y el sustrato y el elemento de referencia

Método para la medida de la velocidad del aire y de su dirección en dos dimensiones para aplicaciones aeroespaciales y de baja presión.

Sector técnico

Tecnología electrónica (sensores de viento), tecnología espacial, instrumentación de laboratorio.

Estado de la técnica

La medida de la velocidad del viento se viene haciendo tradicionalmente usando varios procedimientos, como por ejemplo cazoletas giratorias, diferencia de presión, propagación de ultrasonidos, desplazamiento iónico (Ion drift), efecto doppler usando láser (LDA) y siendo el mas popular el principio de anemometría térmica que es en el que se centra esta invención.

Los anemómetros convencionales utilizan un elemento que se calienta deliberadamente de forma que se establece una diferencia de temperatura entre él y el entorno que lo rodea. Se establece así un equilibrio térmico mediante conducción y convección térmicas. Cuando el aire o gas que rodea al sensor se mueve, la convección térmica aumenta y el elemento caliente se refrigera reduciéndose la diferencia de temperatura entre el elemento caliente y su entorno. Esta reducción está relacionada con la velocidad del viento a través de los números de Reynolds y de Prandtl, existiendo numerosas correlaciones empíricas para ellos en función de la geometría del sensor propiamente dicho y la geometría de la interacción del sensor con el ambiente, que se encuentran recogidas en los libros de texto.

El elemento caliente debe estar en intimo contacto con el fluido, la mayoría de invenciones anteriores a ésta aportan diferentes modificaciones de montaje del elemento caliente en el paso del flujo de gas (US 6,968,283), aire o liquido (US 6,971,274) para hacerlo sumergible. Las tecnologías avanzadas de microelectrónica y de micromecanizado también se han usado para obtener sensores anemométricos sobre soportes elevados (US 6,923,054).

El circuito mas utilizado hasta ahora para el anemómetro consiste en un puente resistivo de cuatro ramas, en una de las cuales se coloca una resistencia cuyo valor depende de la temperatura. Cuando el puente está en equilibrio, es decir cuando el valor de la resistencia del elemento sensor es igual que el valor de las otras tres resistencias, la potencia que se hace circular por elemento sensor es nula. Por el contrario cuando la velocidad del viento hace que se establezca una diferencia de temperatura en el elemento caliente respecto al ambiente, el puente se desequilibra y se aplica una potencia hasta que se restablece el equilibrio. Este procedimiento tradicional es un procedimiento analógico cuya precisión y sensibilidad depende del ruido de la medida y además es de respuesta lenta por tratarse de un método a potencia constante. Se conoce que una modificación del método consistente en utilizar una estrategia diferente basada en "diferencia de temperatura constante" es decir que se aplica la potencia necesaria hasta que se establece una cierta diferencia de temperatura es mas rápida que la estrategia anterior.

En el pasado se ha usado el método de anemometría térmica de forma muy extendida, incorporando modificaciones en el numero de amplificadores del circuito mas tradicionalmente usado (US 7,013,725), así como haciendo el resultado independiente del valor de la fuente de alimentación (US 7,072,776) o usando redundancia en la medida en combinación con una medida de diferencia de presión (US 6,945,123).

Los anemómetros convencionales se basan en un hilo fino de platino o tungsteno, colocado entre dos soportes que proporcionan adecuado contacto eléctrico. Asimismo se han usado en lugar de hilos finos, películas delgadas depositadas en un sustrato adecuado. La configuración clásica incluye al hilo o película delgada de platino o tungsteno en una de las ramas del puente de medida.

Estos anemómetros convencionales sufren de varios inconvenientes. El primero de ellos es que por tratarse de un principio de medida basado en el equilibrio térmico, el valor de la temperatura del fluido influye sobre el resultado de la medida de la velocidad del flujo. Si bien invenciones mas recientes han intentado reducir esta dependencia usando técnicas de separación de sensor y sustrato bien sea mediante micromecanizado de volumen, eliminando silicio, o bien sea mediante micromecanizado de superficie que al liberar las estructuras quedan separadas del sustrato, esta dependencia no ha sido suficientemente cancelada hasta el presente. Este hecho tiene que ver, en parte, con el uso de resistencias de calefacción realizadas mediante polisilicio o aleaciones de Níquel y Cromo cuyos coeficientes de temperatura son muy diferentes del coeficiente de temperatura del elemento sensor ya sea de platino o de tungsteno. La dependencia excesiva con la temperatura es un inconveniente más importante cuando se trata de aplicaciones aeroespaciales en las que los cambios de temperatura son muy grandes y muy rápidos, lo que puede inducir a grandes errores en la medida.

El segundo problema que tienen estos sensores convencionales para su utilización aeroespacial es su fragilidad, así como la posibilidad de desajuste en las fases de prueba, ensayo y lanzamiento.

Para la medida de la dirección del viento en un plano, los anemómetros convencionales han utilizado dos elementos calientes ortogonales entre si y un elemento que resuelve el cuadrante. Este principio ha sido utilizado por ejemplo en la medida de la dirección del viento en la superficie de Marte por la misión Viking. También se han utilizado elementos calefactores y termopilas coplanares dispuestos en los cuatro lados de un cuadrado para medir el ángulo de ataque del viento a la estructura con el inconveniente del acoplo térmico por el propio sustrato y la perdida de sensibilidad.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona, entre otras cosas, un sensor de velocidad y dirección de viento en un plano, incluyendo cuatro elementos independientes, sin excluir un numero distinto, denominados calientes, y dispuestos de manera que su perímetro total forma un cuadrado, sin excluir otras formas geométricas y un elemento de referencia denominado "frío". Cada elemento caliente incluye tres resistencias del mismo material resistivo sensible a la temperatura, depositadas por un método adecuado en el mismo sustrato. Una de cada tres resistencias de cada elemento caliente es una resistencia calefactora que permite subir la temperatura de todo el sustrato, la segunda resistencia es una resistencia sensora de temperatura y la tercera es una resistencia que permite al circuito adecuado establecer y fijar una diferencia de temperatura consigna entre el elemento caliente y el ambiente.

El sustrato puede ser de diferentes materiales, siempre que sean buenos conductores térmicos como el silicio sin excluir otros. El material con el que se forman las resistencias es el mismo para las tres de cada mismo elemento caliente y es un material cuya resistividad es una función de la temperatura como por ejemplo el platino sin excluir otros. Esta parte de la invención es la que permite cancelar la dependencia de la conductancia térmica de convección con la temperatura del medio.

El elemento de referencia o "frío" puede ser idéntico a los elementos calientes, aunque no necesariamente puesto que tanto la resistencia calefactora como la resistencia de consigna no son necesarias para su funcionamiento.

Los elementos calientes están adecuadamente aislados térmicamente y eléctricamente entre sí y respecto a una base que puede ser un PCB, sin excluir otro tipo de base, mediante soportes de la forma y sección adecuados para reducir el acoplo térmico por convección así como las perdidas por conducción térmica. Esta reducción viene acompañada de una estrategia de medida consistente en la medida de diferencias, dos a dos, de las conductancias térmicas de los cuatro elementos calientes, con lo que se consigue eliminar la dependencia con la temperatura del medio producida por los acoplos térmicos de los elementos calientes al sustrato. Simultáneamente el hecho de que en un entorno aeroespacial en el que la densidad del medio es baja, la cancelación de términos de pérdidas térmicas comunes a los elementos calientes, permite mejorar la sensibilidad del sensor así como su precisión respecto a los anemómetros convencionales.

A diferencia de los anemómetros convencionales, el método descrito en esta invención incluye un circuito de adquisición de datos basado en un circuito realimentado sigma delta electrotérmico, con la ventaja de que la salida es digital directamente...

1. Un sensor anemométrico de velocidad y dirección del viento que comprende:

Cuatro elementos iguales formados por un volumen de material conductor térmico recubierto de un material aislante eléctrico,

Cada uno de los elementos antedichos comprendiendo tres resistencias situadas encima del material aislante

Una de las tres resistencias antedichas siendo una resistencia calefactora proporcionando calor al elemento

Una de las tres resistencias antedichas siendo un sensor de temperatura

Una de las tres resistencias antedichas siendo una resistencia sensible a la temperatura.

Cada una de las resistencias antedichas formadas del mismo material

El material antedicho tiene su resistividad dependiente de la temperatura.

Un elemento de la misma forma y materiales que los elementos antedichos comprendiendo una resistencia del mismo material que las resistencias de los antedichos elementos

La resistencia del quinto elemento antedicho siendo una resistencia sensora de la temperatura.

Los cinco elementos situados coplanarmente.

2. El sensor de viento de la reivindicación 1 donde cada uno de los cinco elementos antedichos, sin excluir un número diferente, se encuentran separados del soporte mediante unos elementos micromecanizados hechos de material aislante térmico que proporciona además soporte mecánico.

3. El sensor de viento de la reivindicación 1 donde los cuatro elementos iguales se encuentran a una distancia menor que la distancia que hay entre ellos y el quinto elemento.

4. El sensor de viento de la reivindicación 1 donde las conexiones eléctricas de las resistencias de los cinco elementos se realizan mediante la soldadura de hilos al sustrato.

5. El sensor de viento de la reivindicación 1 comprendiendo además un circuito idéntico para cada uno de los cuatro elementos antedichos incluyendo

a. Dos fuentes de corriente ubicadas en las dos primeras ramas de un puente de cuatro ramas

b. Donde la resistencia sensora está conectada a la tercera rama del puente

c. Donde la resistencia consigna y la resistencia del quinto elemento están situadas en la cuarta rama del puente

d. Dos fuentes de corriente suministrando potencia a las resistencias calefactoras

e. Un interruptor conmutando una de las dos fuentes de corriente que suministran potencia a las resistencias calefactores

f. Un amplificador conectado a la salida del puente

g. Un comparador

h. Un biestable.

6. El sensor de viento de la reivindicación 1 comprendiendo un método de cálculo de la intensidad y dirección del viento incluyendo

a. El cálculo de dos magnitudes diferenciales de las cuatro salidas de los cuatro circuitos antedichos

b. Una de las dos magnitudes es la suma de las salidas de los dos elementos más cercanos a la entrada del viento con ángulo cero menos la suma de las salidas de los dos elementos más alejados de la entrada del viento

c. La segunda de las magnitudes antedichas es la suma de las salidas de los dos elementos paralelos a la entrada del viento con ángulo cero y situados a la izquierda menos la suma de las salidas de los otros dos elementos

d. La intensidad del viento se calcula mediante la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las dos magnitudes antedichas

e. La dirección del viento se calcula mediante el cálculo del arcotangente del cociente de las dos magnitudes antedichas.