Caudalímetro térmico para líquidos.

La presente invención tiene por objeto un caudalímetro térmico para fluidos de inserción de bajo coste,

compuesto por un cuerpo sensor que incluye un elemento calefactor y varios sensores de medida y por un cuerpo con un método de medida que combina la medida por tiempo de vuelo (TOF) y la medida de la distribución de temperatura en un elemento caliente (medidor calorimétrico), lo que le permite operar en un rango distinto al habitual en este tipo de sensores (mayor de 500 ml/min) y con un error reducido debido al método de la redundancia de medida y a la disminución del error de medida por compensación de la temperatura del fluido.

Caudalímetro térmico para liquidas Objeto de la invención La presente invención tiene por objeto un caudaHmetro térmico para fluidos de inserción de bajo coste, compuesto por un bloque sensor que incluye un dispositivo que genera calor, o elemento caliente, varios sensores de medida y un cuerpo que desarrolla un método que combina la medida por tiempo de vuelo (TOF) con la medida de la distribución de temperatura alrededor del elemento caliente (calorimetría) , lo que le permite operar en un rango distinto al habitual en este tipo de sensores (mayor de 500mUmin) y con un error reducido debido al método de la redundancia de medida y a la disminución de su error por compensación de la temperatura del fluido.

Estado de la técnica Esta invención se refiere a un medidor de caudal de líquidos en conductos cerrados y, más especificamente, a un medidor de caudal mediante un sensor térmico de inserción. Existen numerosos procesos (industria química, farmacéutica, depuración de aguas) en los que la medida del caudal se utiliza con el propósito de facturar un consumo. Ésta deberá ser lo más precisa posible, teniendo en cuenta el valor económico del fluido que pasa a través del medidor y la legislación obligatoria aplicable en cada caso. Además del error de la medida, son variables de interés, a la hora de seleccionar el medidor, su coste y su rango de medida. Esto hace que sea muy atractiva, en términos de calidad y economía, la implantación de sistemas precisos de medición de esta naturaleza. Esta invención se refiere a un medidor de caudal de líquidos en conductos cerrados y, más específicamente, a un medidor de caudal mediante un sensor térmico de inserción. El estado del arte respecto a medidas de caudal en conductos cerrados es amplio. Respecto a patentes espai'lolas, se citan 3 documentos: el documento ES 2 262 598 T3 se refiere a un caudalímetro de masas, térmico, con sei'lal de salida independiente de la temperatura del medio, con un primer devanado eléctrico en contacto con el fluido para suministrar calor y con un segundo devanado eléctrico que forma un sensor de temperatura en contacto eléctrico con el fluido. El documento ES 2 347 145 T3 se reftere a un caudalímetro másico de tipo térmico con chip en suspensión en un tubo de flujo, que mide de acuerdo con el método de temperatura constante (TC) o potencia constante (PC) . El documento ES ;~ 049 817 se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un medidor térmico de velocidad de un fluido, consistente en un sensor de referencia y un sensor activo adaptados para colocarse en el fluido, que pueden generar flujo térmico al ser cllimentados con energía eléctrica, y uno o más pozos de calor, de metal conductor del calor, que atrae y absorbe el calor generado por el sensor o sensores. Respecto a patentes europeas, el documento EP O 469 649 B1 re refiere a un calorimétrico, compuesto por un caudalimetro térmico y otro de tip10 laminar, conectado en serie con otro para detectar una pérdida de presión e~n una mezcla de fuel gas y medir el valor calorlfico del fuel gas. Funciona sin turbulencias, a número de Reynolds no mayor de 200. Respecto a patentes estadounidenses, el documento US 200710125169 A1 se refiere a un caudallmetro tém1ico para fluidos, para uso en aire, con circuito de compensación de temperatura, completada y ampliada en el documentoUS 7 631555 B2, de los mismos autores. La referencia US 200510109100 A1se refiere a un caudalímetro térmico másico y a un método para la corrección de temperatura. La senal del sensor de~ flujo o la senal del sensor de temperatura se ajustan por un factor de sobrecalentamiento, y asimismo se ajustan por un factor de corrección de temperatura deN!rminado por una predefinida función de la temperatura del fluido. La referencia US 6796172 82 se refiere a un sensor de flujo en el que caudal se calcula promediando la diferencia de temperatura entre uno o más elementos resistivos y uno o más elementos sensibles a la temperatura inmersos en el fluido. En cuanto a la literatura científica, podemos encontrar artlculos que muestran disel'\os de caudalímetros térmicos con bypass y de hasta 5 slpm (standardliter per minute) con errores de ±3% [Viswanalhan, el al. "Development, modeling ancJ cerlain investigations on thermal mass f10w meters". Flow Measurmenl ;~nd Inslrumentation, 2002] [Viswanathan el al/ "Design and developmenl of Iherma/ mass flowmelers for high pressure app/ications". Flow Measurement and Instrumentation, 2ºo2].En [Sabaté et al. "Multi-range silicon micromachined flow sensor". Sensors and Actualors A, 2004] se muestra el disei'o de un caudalimetro térmico integrado que utiliza diferentes elementos sensores dispuestos alrededor del calefactor con el objeto de ampliar el rango de medida del gas que circula a su través. Para liquidos e idéntico principio de funcionamiento puede verse [Dijkstra el al. "Low-drift u-shapedthermopileflow sensor". Sensors and Actuators,

2008] para caudales bajos de hasta 2, .Jl/min sin utilizar un bypass. Todas las publicaciones anteriores hacen referencia al método de medida calorimétrico en el que el calefactor se mantiene operativo durante todo el

ciclo de medida. Otros caudalimetros ténnicos están basados en el tiempo de vuelo y para los que el calefactor introduce marcas de energia en el

fluido. Podemos destacar le. Gerhardy, el al. "FlowParallel-Flow Sensor

Insensi/ivetoFlowProperties'; ProcediaEngineering 25 (2011) ] donde se propone un caudalímetro por tiempo de vuelo con un hilo sensor paralelo al

flujo y para distintos fluido. Un anemómetro con excitación senoidal y

medida del tiempo de vuelo a partir del desfase entre el sensor y el

calefactor se muestra en [AI-Salaymeh, el al. uBidireclional flow sensor with

a wide dynamic range for medical applications': Medical Engineering and

Physics, 2004]. Combinación de los citados principios de medida se han seflalado en algunas publicaciones, fundamentalmente, para ampliar el

rango de medida del caudailímetro. El método calorimétrico trabaja bien para flujos bajos, mientras que el de tiempo de vuelo lo hace para rangos más altos. En [Rodrigues and Furlan, ·Design ofmicrosensor for gases and

liquids flow measurements". MicroelectronicsJouma/, 2003] se utiliza una activación cuadrada del callefactor donde el tiempo de vuelo se mide a partir del desfase del primetr armónico. El rango de medida comprende flujos con velocidad media entre 5 y 25mm/s. Usando la misma combinación de principios petro para liquidos nos encontramos con rangos entre 0.05ml/min y 0.5ml/min en [Branebjerb et al, "A micromachinedflow

sensor formeasuringsmallliquidfJows". Transducer 1991.IEEE].Másreciente,

en [Gerimovic el al, uMicromachined Flow Sensors Enabling EJeclrocaJorimetric and TOF' Transductíon" .Eurosensors 2009] utilizan el modo combinado, ac1ivandcl el TOF para bajos caudales con objeto de reducir el consumo que el método calorimétrico producirla en esos rangos. No obstante, la sensibilidad obtenida es baja para bajos caudales.

Descripción de las figuras Figura 1. Estructura general del caudalímetro

(1) Tuberia.

(2) Bloque sensor.

(3) Cuerpo de medida.

(4) Cámara de sellado.

(5) Platos de fijación.

Figura 2. Vista frontal del bloque sensor

(6) Calefactor.

(7) Sensores de temperatura X, Y, z.

(8) Sensor de temperatura de referencia R.

(9) Soporte. 10 (10) Distancia entre los sensores X, Y, z.

(11) Distancia entre el punto central del elemento calefactor a los sensores Y o R.

(12) Linea media.

Figura 3. Corte longitudinal del bloque sensor (sensores de temperatura X, Y, Z, 15 R Y calefactor embutidos en el sopoI1e) .

(13) Material térmicamente conductivo y aislante eléctrico.

(14) Ángulo.

Figura 4. Corte longitudinal de otr, a realización del bloque sensor (sensores de 20 temperatura X, Y, Z, R y calefactor sobre el soporte) .

Figura S. Descripción del proceso de medición (15) Intervalo de tiempo en el que el calefactor está activo.

(16) Intervalo de tiempo en el que el calefactor está inactivo. 25 (17) Segmento de datos de la linea base.

(18) Segmentos de datos en la cresta del pulso.

(19) VOltaje X-R.

(20) Voltaje Y-R.

(21) Voltaje Z-R. 30 (64) Tensión umbral.

Figura 6. Diagrama de bloques del cuerpo de medida.

(29) Línea de control para la activación/desactivación del calefactor.

(32) Salida del CAD. 35 (33) Bloque de entrada Isalida.

(34) Bloque de control.

(35) Bloque de adquisición.

(58) Selección del canal a digitalizar

Figura 7. Componentes...

1. Caudallmetro térmico para IIquidos caracterizado porque comprende: a) Una tuberla y unos plato1s de fijación que permiten la inserción directa del caudalímetro en la tuberla externa cuyo flujo se desea medir.

b) Un bloque sensor que SE~ introduce directamente en el punto medio de la tuberla formado por tres sensores de temperatura situados aguas abajo; un sensor de temperatura de referencia, situado aguas arriba y un calefactor entre ellos.

c) Un cuerpo de medida para el control, la adquisición y procesamiento de las senales procedentes del bloque sensor y separado de éste último por una cámara de sellado que evita las fugas del elemento mensurable.

2. Caudallmetro térmico para liquidos según reivindicación anterior caracterizado porque el bloque sensor se apoya en un soporte que forma un ángulo de más de 45° en el lado de embate del fluido para reducir el efecto de las turbulencias que ocasiona dicho bloque en el flujo y, por consiguiente, en la medida.

3. Caudallmetro térmico para líquidos según reivindicaciones anteriores caracterizado por un control pulsado del calefactor, en el que se alternan periodos de actividad con periodos de inactividad de igual duración.