ES2262598T3 - Caudalimetro de masas. - Google Patents

Abstract

Caudalímetro másico (21) que comprende un conducto (2) de un material conductor del calor para transportar, en una dirección de flujo determinada, un fluido con un caudal másico a medir, un primer devanado eléctrico que forma un primer elemento de resistencia (3) sensible a la temperatura, enrollado en una primera posición en contacto térmico con el conducto (2) para suministrar calor a dicho fluido, un segundo devanado eléctrico que forma un sensor (4) de temperatura enrollado en contacto térmico con el conducto (2) en una segunda posición, aguas arriba con respecto a dicha primera posición, y medios de medida y de control que comprenden un circuito de puente de Wheatstone, estando los medios de medida y de control destinados a mantener una diferencia constante de temperatura entre dichas posiciones primera y segunda, en el que el primer devanado (3) y el segundo devanado (4) están dispuestos en brazos separados contiguos, primero y segundo, del circuito de puente de Wheatstone que tiene un punto de tierra al que están conectados dichos primer y segundo brazos, teniendo dicho circuito de puente de Wheatstone brazos tercero y cuarto, que incluyen, cada uno, una resistencia (6, 8) de valor fijo, conectada a través de puntos de conexión a unos separados de dichos primer y segundo brazos, y un terminal en la unión de los brazos tercero y cuarto, formando el primer y el tercer brazos una rama calentadora, y formando el segundo y el cuarto brazos una rama sensora, siendo alimentado el voltaje entre los puntos de conexión a través de un amplificador diferencial (7), a la base (9) de un transistor de potencia cuyo emisor está conectado al terminal del puente, caracterizado porque el primer devanado (3) y el segundo devanado (4) tienen la misma resistencia y porque un atenuador (24) está conectado entre el terminal y la resistencia (8) de valor fijo de la rama sensora para reducir el voltaje en la rama sensora con respecto al voltaje en la rama calentadora en un factor predeterminadode 10 o más, y en el que un amplificador (25) está conectado entre el punto de conexión de la rama sensora y el amplificador diferencial (7) para amplificar la señal de la rama sensora y el amplificador diferencial (7) para amplificar la señal de la rama sensora en el mismo factor que se usa para reducir el voltaje de la rama sensora a través del atenuador (24).

Description

Caudalímetro de masas.

La invención se refiere a un caudalímetro másico que comprende un conducto, de material conductor del calor, para transportar, en una dirección de flujo determinada, un fluido con un caudal másico a medir, un primer devanado eléctrico que forma un primer elemento de resistencia sensible a la temperatura enrollado en una primera posición en contacto térmico con el conducto para suministrar calor a dicho fluido, un segundo devanado eléctrico que forma un sensor de temperatura enrollado en contacto térmico con el conducto en una segunda posición aguas arriba en relación con dicha primera posición, y medios de medida y de control, que comprenden un circuito de puente de Wheatstone, estando los medios de medida y de control destinados a mantener una diferencia de temperatura constante entre dichas posiciones primera y segunda, en el que el primer devanado y el segundo devanado están dispuestos en un primer y un segundo brazos separados contiguos del circuito de puente de Wheatstone que tiene un punto de tierra al que están conectados dichos primer y segundo brazos, teniendo dicho circuito de puente de Wheatstone un tercer y un cuarto brazos que incluyen, cada uno, una resistencia de valor fijo, conectada a través de puntos de conexión a unos separados de dichos primer y segundo brazos, y a un terminal en la unión de los brazos tercero y cuarto, formando los brazos primero y tercero una rama calentadora, y formando los brazos segundo y cuarto una rama sensora, siendo alimentado el voltaje entre los puntos de conexión, a través de un amplificador diferencial, a la base de un transistor de potencia cuyo emisor está conectado al terminal del puente.

Un caudalímetro másico de esta clase es conocido a partir de las figuras 1 y 2 del documento EP-A 0467430.

El documento EP-A 0467430 está basado en la comprensión de que el caudal másico de un fluido que fluye a través de un conducto puede ser deducido, de manera fiable, de la energía que debe ser suministrada en dicha primera posición para mantener la diferencia de temperatura entre dichas posiciones primera y segunda en un valor constante.

Sin embargo, un caudalímetro másico como se describe en la solicitud de patente europea mencionada más arriba, EP-A 467430, resulta tener varios inconvenientes.

En primer lugar, para hacer que la señal de salida sea insensible a cambios en la temperatura del medio, es importante que ambas resistencias situadas aguas arriba y aguas abajo tengan, exactamente, el mismo coeficiente de resistencia variable con la temperatura. Esto solamente puede asegurarse si ambas resistencias están enrolladas con alambre "de la misma bobina" y, por lo tanto, del mismo diámetro. Si, de esta manera, la resistencia situada aguas arriba tiene que ser diez veces mayor que la resistencia situada aguas abajo, el alambre resistivo situado aguas arriba tiene que ser diez veces más largo o diez veces más grueso que el alambre resistivo situado aguas abajo. Ambos extremos no son aceptables ya que, con el primer método, el sensor no es compacto, y, con el segundo método, el sensor no mide la temperatura del medio de manera apropiada.

El inconveniente de esta configuración es, por lo tanto, que la señal de salida del caudalímetro depende de la temperatura del medio.

En segundo lugar: la intención es que la resistencia situada aguas arriba detecte, solamente, la temperatura del medio. Situando la resistencia de aguas abajo -el calentador- suficientemente lejos de la resistencia situada aguas arriba -el sensor-, es posible evitar que el calor que se escapa del calentador alcance el sensor. Sin embargo, incorporando ambas resistencias en una configuración de puente de Wheatstone, la corriente que atraviesa el sensor aumentará también, ya que la corriente que atraviesa el calentador aumenta cuando aumenta el flujo. Esto último provoca que el sensor también se caliente, por la disipación de energía, y que, también, empiece a funcionar como calentador. A medida que aumente el flujo, la sensibilidad del sensor de flujo disminuirá, por este motivo, con respecto a la sensibilidad esperada teóricamente, y el margen de medida del sensor estará limitado.

El inconveniente de esta configuración es, por lo tanto, que la sensibilidad del sensor de flujo depende del flujo, por lo que el margen de medida está limitado en los límites superiores.

En tercer lugar: un problema relacionado con lo anterior es que el sensor de flujo responde más lentamente a cambios del flujo. Esto está provocado por el sensor y el calentador, que funcionan como calentadores: ambos generan calor en el flujo. Esto supone dos constantes de tiempo, de manera que el sensor de flujo indicará, solamente, el valor final del flujo después de un periodo mayor que si solamente el calentador estuviera generando calor en el flujo.

El inconveniente de esta configuración es, por lo tanto, que la velocidad de respuesta del sensor de flujo no es óptima. Puede ocurrir, incluso, un "efecto de demora" (primero una respuesta rápida que es consecuencia del calentador, luego una respuesta lenta hasta el valor final como consecuencia del sensor).

Los objetos de la invención son, por lo tanto:

- proporcionar un caudalímetro másico con el que se puedan medir flujos más elevados que con los caudalímetros existentes;

- proporcionar un caudalímetro másico con una señal de salida que sea independiente de la temperatura del medio;

- permitir una medida más precisa en la que el medidor opera durante más tiempo de acuerdo con la teoría;

- permitir una medida más rápida porque solamente el calentador tiene que generar calor y el sensor deja de hacerlo, de manera que ya no se produce el "efecto de demora".

Los inconvenientes observados de un caudalímetro como el descrito más arriba pueden evitarse usando un caudalímetro del tipo descrito, caracterizado porque el primer devanado y el segundo devanado tienen el mismo valor de resistencia y porque un atenuador está conectado entre el terminal y la resistencia de valor fijo de la rama sensora para reducir el voltaje de la rama sensora con respecto al voltaje de la rama calentadora en un factor predeterminado de 10 o más, y en el que un amplificador está conectado entre el punto de conexión de la rama sensora y el amplificador diferencial para amplificar la señal de la rama sensora en el mismo factor que el usado para reducir el voltaje de la rama sensora por medio del atenuador.

El material conductor de calor de un conducto en un caudalímetro másico según la invención tiene, preferiblemente, un coeficiente de conducción térmica, \lambda, con un valor al menos igual a 10 W.m^{-1}.K^{-1}. El efecto adverso sobre el resultado de la medida del caudal como consecuencia de un posible autocalentamiento del sensor de temperatura es suprimido, además, con un material tal, por ejemplo, como el acero inoxidable.

En una realización práctica, el conducto comprende un tubo, cuyo diámetro interior se encuentra en el margen de entre alrededor de 0,1 mm y 5 mm, preferiblemente en el margen de entre alrededor de 0,8 mm y 3 mm.

El conducto tiene un grosor de pared, por ejemplo, en el margen de entre alrededor de 0,05 mm y alrededor de 0,5 mm, preferiblemente en el margen de entre alrededor de 0,1 mm y alrededor de 0,3 mm.

Cuando los valores de resistencia de los elementos sensor y calentador son los mismos, es posible asegurar por medios electrónicos gracias al puente de Wheatstone que la resistencia sensora tiene, incluso, el valor deseado -por ejemplo, alrededor de diez veces- más elevado que el de la resistencia calentadora. La ventaja, en este caso, es que ambas resistencias pueden ser fabricadas a partir del mismo alambre de resistencia.

Cuando los requisitos establecidos para un caudalímetro, como se entiende en esta solicitud de patente, son:

- que debe impedirse la aparición de un gradiente de temperatura entre sensor y calentador (para, así, evitar el efecto de tal gradiente de temperatura sobre la señal de salida);

- que la sensibilidad del medidor debe ser maximizada, tal caudalímetro debe tener:

- una construcción (tubo de conducto, devanados, alojamiento) que sea tan simétrica como sea posible;

- un elemento calentador que sea tan largo como sea posible cuando se mira en la dirección longitudinal del tubo de conducto;

- una pared del tubo que sea tan fina como sea posible (sensibilidad máxima, pérdida de calor mínima y detección óptima de la temperatura del medio);

- una distancia entre el calentador y el sensor que sea mayor que un valor mínimo definido (para impedir el calentamiento del sensor por el calentador).

Con respecto al requisito de simetría, preferiblemente se utiliza un tubo curvado en forma de U, con devanados dispuestos simétricamente en él, si bien el montaje debe ser, también, simétrico.

Con respecto al grosor de la pared del tubo, se elige preferiblemente una relación entre el diámetro exterior y el diámetro interior del tubo de D_{exterior} : D_{interior} \leq 1,25.

Con respecto a la distancia entre calentador y sensor, esta es, preferiblemente, \geq 4 mm y \leq 10 mm.

El documento US 5.069.066 se refiere a un anemómetro de temperatura constante. En tal dispositivo, un elemento sensor se mantiene a temperatura constante mientras es hecho funcionar como parte de un circuito de puente eléctrico. Esto es distinto que mantener una diferencia de temperatura entre dos posiciones. Además, no se usa atenuador en el puente.

El documento EP 0370162 A se refiere a un caudalímetro que tiene un tubo de flujo refrigerado, y se mide un caudal de un fluido sobre la base de la temperatura de una superficie de dicho tubo. No se utiliza ningún puente de Wheatstone para la medida de la temperatura.

El documento US 5.309.762 se refiere a un caudalímetro que tiene dos bobinas sensoras conectadas a un tubo de medida. Se menciona que las bobinas sensoras están conectadas con un circuito de puente (no mostrado), pero no se describe ningún detalle del circuito.

El documento EP 0395126 A describe un caudalímetro másico que tiene un tubo de flujo que es calentado en su mitad, en el que hay sensores de temperatura situados simétricamente, a ambos lados del calentador. El calentador y los sensores no están conectados en un mismo circuito de puente de Wheatstone.

El documento GB 2173905 A describe un aparato de monitorización de un flujo de fluido que tiene un tubo que comprende una primera y una segunda resistencias sensibles a la temperatura conectadas en un circuito de puente. La señal de salida del puente está conectada a un calentador que está montado a lo largo de una de las resistencias para mantener una diferencia de temperatura constante entre las resistencias.

El documento US 4.297.881 se refiere a un aparato de medida de caudal de filamento caliente. Hay resistencias sensibles a la temperatura situadas directamente en el trayecto del fluido. Una primera, a través de la cual el voltaje es dividido por un circuito que está comprendido por resistencias conectadas en serie, y una segunda, para compensación de temperatura.

La invención será explicada, de aquí en adelante, sobre la base de realizaciones adicionales y haciendo referencia a los dibujos. Los componentes correspondientes se designan en los dibujos con los mismos números de referencia.

En los dibujos:

la figura 1 muestra un conducto para una primera realización de un caudalímetro másico según la invención, visto en perspectiva.

La figura 2 muestra un diagrama de un circuito de puente para controlar el o los sensores de un caudalímetro másico según la invención con medios para disminuir la corriente en la rama sensora del puente.

La figura 3 muestra diversas variantes relacionadas con la estructura de un caudalímetro según la invención que está recomendada en vista de los requisitos con respecto a la simetría, la longitud del calentador, el grosor de la pared del tubo y la distancia entre calentador y sensor.

La figura 1 muestra un tubo 2 de acero inoxidable (SS), con un diámetro interior de alrededor de 0,8 mm y un grosor de pared de alrededor de 0,1 mm, de un caudalímetro másico 21 para un fluido \Phi que fluye a través del tubo 2 en el sentido de la flecha. La capacidad del tubo 2 es de alrededor de 2 kg por hora para el alcohol isopropílico (IPA)líquido de calibración. Alrededor del tubo 2 de SS están enrollados (aislados eléctricamente) alambres de resistencia 3 y 4 de una aleación de níquel-hierro, comercialmente disponible con el nombre comercial de Resistherm® y que tiene una resistencia de 100 ohm, cuyos alambres funcionan, respectivamente, como resistencia 3 calentadora y sensor 4 de temperatura. Opcionalmente, el conducto está equipado con un tercer elemento (13) resistivo, sensible a la temperatura, idéntico al primer elemento resistivo sensible a la temperatura en una tercera posición aguas abajo con respecto a dicha segunda posición, en contacto térmico con este conducto para suministrar calor al fluido. Mediante la elección de elementos resistivos primero y tercero idénticos, y elevando la temperatura de los mismos al mismo valor constante por encima del valor medido por el sensor de temperatura, la señal de salida del puente de Wheatstone es, a diferencia de las realizaciones precedentes, igual a cero si el caudal másico para medir es cero, de manera que no es necesario corregir ninguna señal de desfase. Si el conducto está, por otra parte, configurado en esta realización de manera que el calor disipado en el primer y el tercer elementos resistivos pueda desaparecer por convección, conducción o radiación, sin influir en el valor medido por el sensor de temperatura, el signo de la señal de salida del puente de Wheatstone da información, además, sobre la dirección del flujo de fluido a través del conducto.

La figura 2 muestra un circuito de puente de Wheatstone, cuyas resistencias de sensor 4 y de calentador 3 tienen el mismo valor. La resistencia 4 de sensor puede ser aumentada artificialmente, por ejemplo, diez veces, por medio de un inteligente truco electrónico en el puente de Wheatstone 5. Esto tiene la ventaja de que el calentador 3 y el sensor 4 pueden ser enrollados, fácilmente, con alambre "de la misma bobina". El truco electrónico funciona como sigue: en el puente de Wheatstone 5 hay dispuesto un atenuador 24 entre el emisor del transistor de potencia 9 y la resistencia 8 de valor fijo del puente. Además, hay dispuesto un amplificador 25 desde la resistencia 8 de valor fijo a la entrada positiva del comparador 7. La rama derecha del puente de Wheatstone 5, consistente en las resistencias 8 y 12 de valor fijo del puente y la resistencia 4 de sensor, es comparable, en términos de valores de resistencia, a la rama izquierda del puente 5, que consiste en la resistencia 6 de valor fijo y la resistencia 3 de calentador. Sin embargo, el atenuador 24 atenúa la señal en la parte superior del puente de Wheatstone, por ejemplo, diez veces, de manera que en la rama derecha haya la décima parte del voltaje que se aplica a la rama izquierda. De esta manera, en la resistencia 4 de sensor se disipa mucha menos energía que en la resistencia 3 de calentador, a pesar del hecho de que ambas resistencias tienen el mismo valor. En términos de comportamiento de temperatura, las ramas izquierda y derecha del puente 5 permanecen exactamente sincronizadas. Los niveles de voltaje entre las dos ramas se diferencian, ahora, por ejemplo, en un factor de 10, por lo que no pueden ser comparadas directamente por el comparador 7. Sin embargo, amplificando ahora la señal de nuevo en, por ejemplo, un factor de 10, por medio del amplificador 25, ambas ramas pueden, una vez más, ser conectadas directamente al comparador 7. De esta manera, la señal 11 de salida es compensada en temperatura sin que entre la resistencia 4 de sensor y la resistencia 3 de calentador tenga que haber una diferencia, en el valor de la resistencia, igual a un factor de 10.

El voltaje en la unión de la resistencia 6 de valor fijo y la resistencia 3 sensible a la temperatura es una medida de la energía disipada en la resistencia 3, y, por lo tanto, del caudal del fluido que fluye a través del tubo 2. Este voltaje se lee en la salida 11 de un amplificador 10.

Un caudalímetro másico según la invención puede ser aplicado en numerosos campos, por ejemplo, como caudalímetro para líquidos en combinación con una válvula reguladora en un método para producir fibras de vidrio con utilidad en telecomunicaciones. El sensor mide y controla un flujo de líquido de un líquido que contiene silicio, tal como metiltriclorosilano o TEOS. Este líquido se lleva a fase de vapor usando un evaporador. En un proceso químico de deposición a partir de vapor (CVD), el silicio se une al oxígeno para formar vidrio. Este vidrio, en forma de varilla, es estirado, luego, para obtener fibras de vidrio largas mientras es calentado.

Otra aplicación es la investigación y el desarrollo de pilas de combustible. El sensor es usado, por ejemplo, junto con una válvula reguladora o una bomba para suministrar combustible, tal como metanol o gasolina, y agua a la célula.

Las figuras 3A-3E muestran siete variantes preferidas de realizaciones del caudalímetro másico. El tubo de flujo 100 puede curvarse de diferentes maneras para conseguir, por ejemplo, una longitud de trayecto mayor en la misma línea recta. El alojamiento 101 del sensor puede ser diseñado de diferentes maneras para poder incluir la forma del tubo de sensor. Las resistencias 102 de sensor y de calentador pueden ser enrolladas de diferentes maneras. Un intercambiador de calor 103 puede estar dispuesto de diversas maneras para igualar las diferencias entre la temperatura ambiente y la del medio. El tubo 2 puede correr de diferentes maneras dentro de un intercambiador de calor 103: recto, curvado, helicoidal, para obtener la mayor superficie de intercambio de calor posible. Diferentes materiales 104 de aislamiento pueden disponerse dentro del alojamiento 101 del sensor para evitar el "efecto chimenea" que resulta de la convección natural.

Claims (6)

1. Caudalímetro másico (21) que comprende un conducto (2) de un material conductor del calor para transportar, en una dirección de flujo determinada, un fluido con un caudal másico a medir, un primer devanado eléctrico que forma un primer elemento de resistencia (3) sensible a la temperatura, enrollado en una primera posición en contacto térmico con el conducto (2) para suministrar calor a dicho fluido, un segundo devanado eléctrico que forma un sensor (4) de temperatura enrollado en contacto térmico con el conducto (2) en una segunda posición, aguas arriba con respecto a dicha primera posición, y medios de medida y de control que comprenden un circuito de puente de Wheatstone, estando los medios de medida y de control destinados a mantener una diferencia constante de temperatura entre dichas posiciones primera y segunda, en el que el primer devanado (3) y el segundo devanado (4) están dispuestos en brazos separados contiguos, primero y segundo, del circuito de puente de Wheatstone que tiene un punto de tierra al que están conectados dichos primer y segundo brazos, teniendo dicho circuito de puente de Wheatstone brazos tercero y cuarto, que incluyen, cada uno, una resistencia (6, 8) de valor fijo, conectada a través de puntos de conexión a unos separados de dichos primer y segundo brazos, y un terminal en la unión de los brazos tercero y cuarto, formando el primer y el tercer brazos una rama calentadora, y formando el segundo y el cuarto brazos una rama sensora, siendo alimentado el voltaje entre los puntos de conexión a través de un amplificador diferencial (7), a la base (9) de un transistor de potencia cuyo emisor está conectado al terminal del puente,

caracterizado porque el primer devanado (3) y el segundo devanado (4) tienen la misma resistencia y porque un atenuador (24) está conectado entre el terminal y la resistencia (8) de valor fijo de la rama sensora para reducir el voltaje en la rama sensora con respecto al voltaje en la rama calentadora en un factor predeterminado de 10 o más, y en el que un amplificador (25) está conectado entre el punto de conexión de la rama sensora y el amplificador diferencial (7) para amplificar la señal de la rama sensora y el amplificador diferencial (7) para amplificar la señal de la rama sensora en el mismo factor que se usa para reducir el voltaje de la rama sensora a través del atenuador (24).

2. Caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el primer devanado (3) y el segundo devanado (4) tienen el mismo coeficiente de resistencia variable con la temperatura.

3. Caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el primer y el segundo devanados están enrollados a partir del mismo alambre.

4. Caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el conducto (100) ha sido curvado en forma de U y tiene los devanados (102) eléctricos del primer elemento de resistencia y del sensor de temperatura dispuestos simétricamente en él.

5. Caudalímetro másico según la reivindicación 4,

caracterizado porque el conducto (100) con forma de U tiene una parte de entrada y una parte de salida y porque un intercambiador de calor (103) coopera con la parte de entrada y/o con la parte de salida.

6. Caudalímetro másico según la reivindicación 5,

caracterizado porque el conducto (100) discurre dentro del intercambiador de calor (103) de un modo helicoidal.