BRPI1008250B1 - sensor e método para operar um sensor - Google Patents
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Abstract
sensor e método para operar um sensor esta invenção se refere a um sensor (10) e, em particular, a um sensor disposto para mensurar mais de uma característica de um fluido (30). o sensor (10) compreende um diafragma (20, 24, 25), um lado (21) do qual é disposto para ser exposto a um meio; um ou mais suportes (40) montados sobre o diafragma (20, 24, 25); e um ressonador (50) proporcionado sobre o um ou mais suportes (40), sendo que a proporção de energia transferida a partir do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25) é variável.
Description
“SENSOR E MÉTODO PARA OPERAR UM SENSOR”
Campo da Invenção [001] Esta invenção se refere a um sensor e, em particular, a um sensor disposto para mensurar mais de uma característica de um fluido.
Antecedentes da Invenção [002] Sensores de silício microusinados são conhecidos para mensurar características particulares de fluidos. Por exemplo, o documento US 6 269 686 apresenta um sensor microusinado com um ressonador piezoelétrico disposto para mensurar a viscosidade e densidade de um meio. O documento US 5 101 664 apresenta um sensor de silício microusinado com uma ponte vibratória disposta para mensurar a pressão de um fluido.
[003] Entretanto, os sensores de viscosidade e pressão microusinados têm diferenças significativas por causa dos diferentes modos em que operam. Os sensores de viscosidade são projetados para conferir uma quantidade relativamente grande de energia a partir de um ressonador em um meio para aumentar a sensibilidade da viscosidade, enquanto que um sensor de pressão é projetado para conferir o mínimo de energia possível a partir de um ressonador em um meio para aumentar a sensibilidade da pressão.
[004] Seria desejável ter um sensor que fosse capaz de detectar a viscosidade e/ou a pressão, de modo que múltiplos dispositivos de sensor não fossem necessários.
Descrição da Invenção [005] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, proporciona-se um sensor que compreende:
um diafragma, um lado do qual é disposto para ser exposto a um meio, um ou mais suportes montados sobre o diafragma e um ressonador proporcionado no um ou mais suportes, sendo que a proporção de energia transferida do ressonador para o diafragma é variável.
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2/8 [006] Uma vez que a quantidade de energia transferida do ressonador para o diafragma é ajustável, ela pode ser variada para aumentar a quantidade de energia conferida ao meio para detectar a viscosidade ou pode ser ajustada para reduzir a quantidade de energia conferida ao meio para detectar a pressão.
[007] A proporção de energia transferida pode ser variada ajustando-se o acoplamento mecânico entre o ressonador e o diafragma, por exemplo, acionando-se um atuador para alterar fisicamente ou esticar o ressonador, ou para operar seletivamente o ressonador de um modo diferente.
[008] Pode-se proporcionar um controlador para determinar a viscosidade ou pressão do meio com base no movimento do ressonador excitado, quando o diafragma é exposto ao fluido.
[009] O diafragma, os suportes e o ressonador podem ser fabricados em uma pastilha, como uma pastilha de silício, usando processos de “microusinagem” que gravam seletivamente partes da pastilha. Os dispositivos formados por tais técnicas de fabricação podem ser chamados de microusinados ou “Sistemas Microeletromecânicos” (MEMS). O diafragma, os suportes e o ressonador podem estar apenas alguns milímetros além (como 5 milímetros, 3 milímetros ou mesmo 1 milímetro além) possibilitando que eles sejam usados para determinar a viscosidade ou a pressão de um fluido a partir de uma amostra muito pequena.
[010] O ressonador pode estar do lado oposto ao diafragma a partir de um meio em teste, para protegê-lo de dano, desgaste, corrosão etc. provocados pelo meio que pode, de outro modo, afetar ou danificar os componentes sensíveis. O sensor é, assim, robusto.
[011] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, proporciona-se um método para operar um sensor para detectar seletivamente a viscosidade/densidade ou a pressão de um meio, o sensor inclui um
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3/8 diafragma disposto para ser exposto ao meio, um ou mais suportes montados sobre o diafragma e um ressonador proporcionado sobre os suportes, o método compreende selecionar a proporção de energia transferida do ressonador para o diafragma dependendo de se a viscosidade/densidade ou a pressão do meio deve ser detectada.
Breve Descrição dos Desenhos [012] Realizações da presente invenção serão agora descritas, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexados, em que:
A figura 1 mostra uma vista lateral de um sensor que ilustra a presente invenção;
A figura 2 é uma vista em perspectiva do diafragma e do ressonador do sensor mostrado na figura 1;
A figura 3 mostra uma vista superior do ressonador mostrado nas figuras 1 e 2, com o movimento do ressonador ilustrado por linhas tracejadas; e
As figuras 4 a 6 ilustram outras realizações de um sensor que ilustram a presente invenção, dispostos para reduzir os efeitos da pressão do fluido em teste nas mensurações de viscosidade.
Descrição de Realizações da Invenção [013] A figura 1 ilustra um sensor 10 que tem um diafragma 20, com um primeiro lado 21 que, em uso, é exposto a um fluido 30, uma característica do qual deve ser detectada. Dois suportes 40 ou “mesas” são montados no segundo lado oposto 22 do diafragma 20, a partir do qual o fluido 30 é exposto. Um ressonador 50, que, neste exemplo, compreende uma ou mais traves ilustradas em mais detalhes adiante, é proporcionado sobre o suporte 40. A quantidade de energia transferida do ressonador 50 para o diafragma 20 é variável para aumentar a quantidade de energia conferida ao meio para detectar a viscosidade, ou para reduzir a quantidade de energia transferida para detectar a pressão. Diversos modos de variar a quantidade de
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4/8 energia transferida são discutidos em detalhes adiante.
[014] Um alojamento 11 é proporcionado ao redor dos suportes 40 e do ressonador 50 e, neste exemplo, proporciona uma cavidade de vácuo 12 delimitada pelo alojamento 11 e pelo diafragma 20. A vibração do ressonador 20 é acionada por uma entrada elétrica adequada, tipicamente através de um sinal de acionamento de CA usando, por exemplo, um atuador eletrostático do tipo pente, um atuador magnético, um atuador piezoelétrico ou semelhantes, como é bem conhecido na técnica (não mostrado). Uma saída elétrica a partir do ressonador também é proporcionada, a partir da qual variações na vibração do ressonador podem ser determinadas e a viscosidade/densidade ou a pressão do fluido exposto ao primeiro lado 21 do diafragma pode ser inferida usando um controlador adequado, como um microprocessador, ou lógica ou circuitos eletrônicos adequados.
[015] Como se pode ver a partir do exemplo exagerado proporcionado para clareza na figura 1, o movimento do ressonador 50 durante o uso provoca momentos fletores 51 no ressonador 50, o que produz forças de reação nos suportes 40, o que, por sua vez, fazem com que o diafragma incline. Quando mais energia é transferida do ressonador 50 para o diafragma 20, o diafragma 20 vibra em uma frequência semelhante à frequência do ressonador 50 e ele sofre inclinações maiores, que resulta em mais energia sendo transferida para o fluido e produzindo melhores mensurações de viscosidade e de densidade. O movimento do diafragma 20 no fluido em teste 30 (ilustrado por setas 23) provoca perda de energia a partir do ressonador 50 e, portanto, uma redução no Fator de Qualidade do ressonador. Monitorandose o Fator de Qualidade do ressonador, pode-se determinar a viscosidade do fluido. A viscosidade dos meios pode ser determinada em um controlador, como um microprocessador, com base em uma calibração do Fator de Qualidade prévia usando resultados a partir dos fluidos de viscosidade
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5/8 conhecida. A viscosidade pode ser inferida, por exemplo, usando-se um algoritmo adequado ou usando-se uma tabela de pesquisa. A densidade pode ser mensurada adicionalmente ou alternativamente monitorando-se a frequência ressonante do ressonador. Esta será alterada como resultado de carga de massa sobre o diafragma 20, aumentando efetivamente a massa do ressonador. A densidade dos meios pode ser determinada em um controlador, como um microprocessador.
[016] Quando se mede a pressão do fluido em teste 30, o ressonador é operado, de modo que menos energia é transferida a partir do ressonador 50 para o diafragma 20. Consequentemente, muito menos energia é transferida para o fluido 30, e mais mensurações de pressão mais precisas são obtidas, uma vez que a pressão do fluido não é afetada pelo movimento do diafragma. A pressão é inferida tipicamente pela pressão aplicada pelo fluido 30 que flexiona o diafragma 20, que estica o ressonador 50, alterando a frequência em que ele vibra. Mensurando-se a frequência resultante, a pressão do fluido 30 que age contra o diafragma 20 é inferida em um controlador, como um microprocessador, tipicamente por meio de um algoritmo apropriado ou tabela de pesquisa.
[017] A figura 2 ilustra uma vista em perspectiva do ressonador 50, dos suportes 40 e do segundo lado 22 do diafragma 20. Como se pode ver, o ressonador 50, neste exemplo, compreende duas traves de ressonador 52, cada uma sustentada em cada extremidade por uma parte de montagem perpendicular 53 proporcionada sobre cada um dos suportes 40. Descobriu-se que variando-se as propriedades físicas do ressonador, em particular as traves 52 ou as partes de montagem 53, altera-se o acoplamento mecânico entre as traves do ressonador 52 e os suportes 40, o que, por sua vez, afeta os momentos fletores 51 sobre os suportes 40 e a energia transferida a partir do ressonador 50 para o diafragma 20. O ressonador pode ser esticado para
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6/8 ajustar a transferência de energia usando um ou mais atuadores 54. Os atuadores 54 podem, por exemplo, ser atuadores térmicos 54 que esticam as partes de montagem 53 para ajustar a frequência de ressonância, movendo-a para próximo da frequência do diafragma e, então, aumentar a energia transferida do ressonador 50 para o diafragma 20 e para o fluido 30, aumentando a sensibilidade quando usado como um sensor de viscosidade. Descobriu-se que, quando uma quantidade relativamente grande de energia é transferida do ressonador para o fluido 30, o sensor proporciona alta sensibilidade para usar na sensoriamento da viscosidade de fluidos de baixa viscosidade como gases. O atuador poderia ser um atuador térmico, um atuador piezoelétrico ou um atuador eletrostático, por exemplo. A largura W das partes de montagem perpendiculares 53 poderiam ser variadas alternativamente ou adicionalmente, por exemplo, pelo atuador 54 ou outro atuador, para afetar os momentos fletores 51 e, então, a energia transferida do ressonador para proporcionar melhor sensibilidade de viscosidade.
[018] A figura 3 mostra uma vista superior do ressonador 50 ainda ilustrando as forças de reação às quais os suportes 40 são submetidos, devido ao movimento das traves do ressonador 52. As traves do ressonador 52 são acionadas por um sinal de acionamento adequado ilustrado por setas F em posições representadas por linhas tracejadas. O movimento das traves do ressonador 52 provoca um momento de reação M nas partes de montagem perpendiculares 53, o que faz com que as posições de fixação dos suportes 40 sejam movidas, como também é mostrado pelas linhas tracejadas. Conforme explicado anteriormente, estes momentos M e as forças de reação R sobre os suportes 40 fazem com que o diafragma incline.
[019] Mostram-se as traves do ressonador 52 como sendo movidas em direções opostas ou antifase na figura 3, reduzindo a quantidade de energia transferida para o diafragma 20 e para o fluido 30, para usar como
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7/8 um sensor de pressão. Entretanto, se as traves 52 são movidas em fase, então isto aumenta as forças de acoplamento entre o ressonador 50 e o diafragma 20, trazendo a frequência do ressonador 50 para próximo da do diafragma 20 e conferindo mais energia para o diafragma e para o fluido para sensibilidade de maior de viscosidade e densidade.
[020] As figuras 4 a 6 ilustram uma disposição do sensor que reduz o efeito de sensibilidade de pressão no diafragma, o que proporciona mensurações de viscosidade ainda mais precisas. Como se pode ver, as realizações das figuras 4 a 6 incluem cada um dos dois suportes 40 proporcionados sobre um diafragma separado 24, 25, com cada diafragma 24, 25 exposto ao mesmo fluido em teste 30. O ressonador 50 é sustentado pelos suportes 40 e é livre para vibrar como antes. O fato de se proporcionarem dois diafragmas 24, 25 cancela o efeito da pressão do fluido em teste no diafragma. Por exemplo, como ilustrado na figura 5, o fluido em teste pode fazer com que os diafragmas 24, 25 sejam esticados, o que resulta na rotação dos suportes 40, provocada pela pressão. Uma vez que os efeitos de pressão são aplicados igualmente para cada um dos dois diafragmas 24, 25, o ressonador 50 é movido para cima igualmente por cada um dos diafragmas 24, 25, como mostrado na figura 5, o que elimina o efeito da pressão do fluido em teste, de modo que as mensurações resultantes são indicativas da viscosidade do fluido e não da pressão. Assim, obtêm-se mensurações de viscosidade muito mais precisas.
[021] A figura 6 ilustra inclinações do diafragma que seriam criadas como resultado do ressonador 50 ser disposto para transferir uma grande proporção de energia aos diafragmas 24, 25 para mensurações de viscosidade/densidade. O ressonador 50 induziu as forças de reação conferidas aos suportes 40 fazendo com que os diafragmas 24, 25 tomassem formas de “S” que se movem em meios viscosos para reduzir o fator de Q do
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8/8 ressonador, a partir do quê as mensurações de viscosidade podem ser inferidas.
[022] Várias modificações podem ser feitas aos exemplos descritos acima, sem se afastar da presente invenção. Por exemplo, a proporção de energia transferida para o diafragma pode ser variada usando-se um atuador adequado, como um atuador térmico, eletrostático ou piezoelétrico e/ou pelas traves vibratórias do ressonador substancialmente em fase ou fora de fase.
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Claims (18)
- Reivindicações1. SENSOR, caracterizado pelo fato de que compreende:um diafragma (20, 24, 25), um lado (21) do qual é disposto para ser exposto a um meio;um ou mais suportes (40) montados sobre o diafragma (20, 24, 25); e um ressonador (50) proporcionado sobre o um ou mais suportes (40), em que o ressonador (50) compreende pelo menos duas traves (52) suportadas em cada extremidade por uma parte de montagem perpendicular (53) conectando a pelo menos duas traves, em que a parte de montagem perpendicular (53) é proporcionada sobre o um ou mais suportes (40), e pelo menos um atuador (54) acoplado ao ressonador (50) e configurado para causar pelo menos um momento de flexão (51) no ressonador (50) de modo a produzir forças de reação no um ou mais suportes (40) fazendo com que o diafragma (20, 24, 25) se incline, transferindo energia do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25) e para o meio; o sensor detectando seletivamente viscosidade / densidade ou pressão do meio, em que uma proporção de energia transferida a partir do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25) é variável, dependendo se a viscosidade / densidade ou pressão do meio deve ser detectada, em que a proporção de energia transferida é organizada para ser variada mediante atuação de pelo menos um primeiro e um segundo atuador (54), em que o primeiro atuador é configurado para causar curvatura da pelo menos duas traves (52) e o segundo atuador é configurado para variar a largura da parte de montagem perpendicular (53).
- 2. SENSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a proporção de energia transferida é organizada para serPetição 870190072421, de 29/07/2019, pág. 18/342/4 variável variando-se o acoplamento mecânico entre o ressonador (50) e o um ou mais suportes (40).
- 3. SENSOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o acoplamento mecânico entre o ressonador (50) e o um ou mais suportes (40) é variável sob controle por um sinal elétrico.
- 4. SENSOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o acoplamento mecânico é disposto para ser variado operando-se o ressonador (50) de modo que a pelo menos duas traves (52) são selecionadas para vibrar tanto em fase quanto fora de fase.
- 5. SENSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a proporção de energia transferida é organizada para ser variada mediante atuação do pelo menos um atuador (54).
- 6. SENSOR, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um atuador (54) é disposto para esticar uma parte do ressonador (50).
- 7. SENSOR, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos um atuador (54) é um atuador térmico.
- 8. SENSOR, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos um atuador (54) é configurado para variar a largura da parte de montagem perpendicular (53).
- 9. SENSOR, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos um atuador (54) é adicionalmente configurado para variar a pelo menos duas traves (52).
- 10. SENSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreende, ainda, um controlador para determinar uma característica de um fluido (30) exposto ao diafragma (20, 24, 25) com base em mensurações do movimento do ressonador (50) quando o diafragma (20, 24, 25) é exposto ao fluido (30).Petição 870190072421, de 29/07/2019, pág. 19/343/4
- 11. SENSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio é exposto apenas a um lado (21) do diafragma (20, 24, 25) e o um ou mais suportes (40) e o ressonador (50) ficam no lado oposto (22) do diafragma (20, 24, 25).
- 12. SENSOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um ou mais suportes (40) é, pelo menos, dois suportes e em que um de ao menos dois suportes (40) é montado sobre um primeiro lado (21) de um diafragma (24, 25) separado, com um segundo lado oposto (22) de cada diafragma (24, 25) disposto para ser exposto ao mesmo fluido (30), a viscosidade do qual deve ser mensurada.
- 13. SENSOR, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que cada um dos diafragmas (24, 25) estar configurado para atuar sobre o ressonador (50) igualmente.
- 14. MÉTODO PARA OPERAR UM SENSOR, para detectar seletivamente a viscosidade/densidade ou a pressão de um meio, sendo que o sensor (10) inclui um diafragma (20, 24, 25) disposto para ser exposto ao meio, um ou mais suportes (40) montados sobre o diafragma (20, 24, 25) e um ressonador (50) proporcionado sobre o um ou mais suportes (40), em que o ressonador (50) compreende pelo menos duas traves (52) suportadas em cada extremidade por uma parte de montagem perpendicular (53) conectando a pelo menos duas traves (52), em que a parte de montagem perpendicular (53) é proporcionada sobre o um ou mais suportes (40), pelo menos um atuador (54) acoplado ao ressonador (50), e um controlador, caracterizado pelo fato de que o método compreende:selecionar a proporção de energia transferida a partir do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25) e o meio dependendo do fato de que a viscosidade/densidade ou a pressão do meio deve ser detectada, ativar o pelo menos um atuador (54) para causar um momento dePetição 870190072421, de 29/07/2019, pág. 20/344/4 flexão (51) no ressonador (50) de modo a produzir forças de reação sobre o um ou mais suportes (40) e fazer com que o diafragma (20, 24, 25) se incline, transferindo a porção selecionada de energia do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25) e para o meio; em que o pelo menos um atuador (54) causa um momento de flexão (51) na parte de montagem perpendicular (53) do ressonador (50).
- 15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que mais energia é selecionada para ser transferida, a partir do ressonador (50) para o diafragma (20, 24, 25), quando a viscosidade/densidade do meio é detectada do que quando a pressão do meio é detectada.
- 16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a proporção de energia transferida é variada ajustando-se o acoplamento mecânico entre o ressonador (50) e o um ou mais os suportes (40).
- 17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a proporção de energia transferida é variada mediante a atuação de o pelo menos um atuador (54).
- 18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a proporção de energia transferida é variada mediante a operação do ressonador (50), de modo que a pelo menos duas traves (52) são selecionadas para vibrar tanto em fase quanto fora de fase.
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