ES2198351T3 - Captador de caudal de un flujo gaseoso. - Google Patents

Abstract

Captador (21) de presencia o de ausencia de un flujo gaseoso, caracterizado porque comprende dos termistancias (CTP1, CTP2), pegadas dorso contra dorso sobre un mismo soporte (23), conectadas en serie entre una línea de alimentación alta (+V) y una línea de alimentación baja (-V), estando su punto de conexión (A) conectado a un potencial medio (0 V) por medio de una resistencia de detección (r).

Description

Captador de caudal de un flujo gaseoso.

La presente invención se refiere de forma general a un captador que permite determinar la presencia de un flujo gaseoso. La presente invención se refiere más particularmente a la detección de la presencia, del sentido de circulación, y/o del caudal (en masa o en volumen) de un flujo gaseoso en un conducto.

Dichos captadores están por ejemplo divulgados en los documentos DE-A-4408270 y US-A-5 461 913.

La figura 1A ilustra un captador conocido de sentido de circulación de un gas que circula por un conducto 1. Se supone a continuación a título de ejemplo que el sentido de circulación del gas es tal como el indicado por las flechas, de izquierda a derecha. El conducto 1 está equipado con un conducto de derivación 2. Sensiblemente en el centro del conducto 2 está dispuesto un medio de calentamiento \DeltaW. A uno y otro lado del medio de calentamiento \DeltaW, están dispuestos de forma simétrica unos medios de medición 3 y 4 de la temperatura del gas.

La figura 1B representa el carácter de la variación de la temperatura T en el conducto 2. En ausencia de gas, o en presencia de un gas inmóvil (caudal nulo), el perfil de temperatura en el conducto 2 es simétrico, como se ha representado en la figura 1B en trazó continuo. Más particularmente, la temperatura es idéntica al nivel de los detectores 3 y 4 y es máxima a nivel del medio de calentamiento en \DeltaW.

Cuando circula un gas por el conducto 1 y por el conducto 2, este perfil resulta asimétrico. Un ejemplo de dicha asimetría está representado en trazos punteados. La temperatura T1 a nivel del detector 3 resulta inferior a la T2 a nivel del detector 4. Se obtiene así simplemente una indicación del sentido de circulación de un flujo gaseoso. Además, es posible conectar las variaciones de temperatura con respecto al equilibrio a nivel de cada uno de los detectores T1 y T2 al valor del caudal.

Los calibrados correspondientes están limitados a unas zonas restringidas.

El sistema de las figuras 1A y 1B presenta numerosos inconvenientes. Impone prever una derivación así como una pérdida de carga en el conducto 1. Esta pérdida de carga \DeltaP (correspondiente sensiblemente en la parte rayada de la figura 1A) es necesaria para que una parte del gas sea derivada al conducto 2. La misma perturba por tanto desventajosamente las condiciones de presión en el conducto 1 corriente arriba (P) y corriente abajo (P-\DeltaP) del captador, como se ilustra en la figura 1A. Además, la misma provoca unas puestas en equilibrio en presión y temperatura relativamente largas. Estos fenómenos son tanto más molestos cuando más bajos son los caudales a medir.

Un captador de este tipo presenta una baja dinámica. Solamente podrá ser calibrado en unas zonas relativamente estrechas, por ejemplo de 1 a 10 litros por hora.

Al lado de estos sistemas de determinación del sentido y del caudal de un flujo gaseoso, existen unos dispositivos más simples de medición de solamente el caudal gaseoso. La figura 2 ilustra un ejemplo de un dispositivo de este tipo.

Se considera un conducto 10 en el cual es susceptible de circular un gas. Se dispone sensiblemente en el centro del conducto 10 un elemento calentado 11 de pequeñas dimensiones. Se concibe que, para un gas dado, de temperatura dada, las pérdidas térmicas del elemento 11 aumentan con el caudal.

El elemento 11 está conectado a un módulo de mando y de tratamiento 12. El módulo 12 asegura varias funciones. En particular, manda el calentamiento del elemento 11, efectúa y trata unas mediciones.

La energía necesaria para el mantenimiento de la temperatura del elemento 11 o las variaciones de la temperatura de un elemento 11 que recibe una energía constante están ligadas al caudal del gas por unas relaciones conocidas. Es por tanto posible, a partir de una medición de energía a temperatura o de temperatura a energía constante, calcular el caudal.

Los dispositivos prácticos que utilizan el principio descrito en relación con la figura 2 resultan relativamente complejos, voluminosos y costosos. Necesitan además prever una medición de la temperatura del gas en circulación. En efecto, es preciso evitar falsas detecciones de disminución/aumento del caudal que corresponden de hecho a un calentamiento/enfriamiento general de gas. Por otra parte, dichos captadores no permiten la medición del sentido del caudal.

Existen también unos captadores destinados a determinar la presencia de partículas gaseosas. Por ejemplo, para la detección de fugas en un conducto criogénico protegido de la temperatura ambiente por un recinto bajo vacío, se busca detectar la presencia de moléculas de gas en el recinto. Para ello, se pueden utilizar unos sistemas de vigilancia que miden la presión del recinto o bien unos sistemas con espectrómetro de masa.

Dichos sistemas son relativamente costosos y necesitan practicar una abertura que da acceso al vacío del recinto. En el caso de dispositivos fijos situados en el recinto bajo vacío, los procedimientos de montaje son particularmente complejos a fin de asegurar la comunicación con unas unidades de mando y de tratamientos exteriores al recinto bajo vacío.

Un objeto de la presente invención es proponer un nuevo captador de presencia o de ausencia de un flujo gaseoso, siendo este captador además susceptible de proporcionar el sentido y/o el caudal de este flujo, evitando este captador uno o varios de los inconvenientes de los captadores conocidos.

Otro objeto de la presente invención es proponer un captador de este tipo de gran sensibilidad.

Otro objeto de la presente invención es proponer un captador de este tipo de dinámica importante.

Otro objeto de la presente invención es proponer un captador de este tipo que induzca unas pérdidas de carga despreciables.

Otro objeto de la presente invención es proponer un captador de este tipo susceptible de detectar una fugas en un conducto criogénico y externo al recinto de protección del conducto.

Para alcanzar estos objetos, la presente invención prevé un captador de presencia o de ausencia de un flujo gaseoso, que comprende dos termistancias, pegadas dorso contra dorso sobre un mismo soporte, conectados en serie entre una línea de alimentación alta y una línea de alimentación baja, y estando su punto de conexión conectado a un potencial medio por medio de una resistencia de detección.

Según un modo de realización de la presente invención, las termistancias son del tipo con coeficiente de temperatura positivo.

Según un modo de realización de la presente invención, unas resistencias regulables están conectadas en paralelo sobre cada una de las termistancias.

Según un modo de realización de la presente invención, el captador comprende además un medio de determinación del valor de la corriente en la resistencia de detección.

Según un modo de realización de la presente invención, el captador está dispuesto en un conducto de gas de manera que el plano de separación de las dos termistancias es ortogonal a la dirección de circulación del flujo gaseoso.

Estos objetos, características y ventajas, así como otros de la presente invención serán expuestos en detalle en la descripción siguiente de modos de realización particulares dada a título no limitativo en relación con las figuras anexas, en las cuales:

las figuras 1A, 1B y 2 descritas anteriormente están destinadas a exponer el estado de la técnica y los problemas ligados a ella;

la figura 3 es una curva de variación de la resistencia de una termistancia con coeficiente de temperatura positivo en función de la temperatura;

la figura 4 ilustra un captador según la presente invención dispuesto en un conducto;

la figura 5 representa un esquema eléctrico de un captador según la presente invención;

la figura 6 ilustra un modo de realización de un detector de flujo gaseoso que comprende al captador según la presente invención;

la figura 7 ilustra un modo de realización de un detector de sentido de un flujo gaseoso que comprende el captador según la presente invención;

la figura 8 ilustra esquemáticamente un modo de realización de un caudalímetro masivo que utiliza el captador según la presente invención;

la figura 9 ilustra un modo de realización de un detector de fugas, según la presente invención, dispuestos sobre un conducto criogénico.

Una característica de la presente invención es prever un nuevo captador que comprende dos termistancias pegadas dorso contra dorso sobre un soporte aislante, por ejemplo de vidrio o resina epoxi, conectadas a una misma masa.

Se utilizan unas termistancias con coeficiente de temperatura positivo (termistancias CTP). La figura 3 ilustra esquemáticamente la variación de la resistencia de una termistancia en función de la temperatura. Cualquier termistancia CTP presenta un punto de funcionamiento P alrededor del cual la resistencia varia en gran manera y de forma sensiblemente lineal para pequeñas variaciones de temperatura. Por ejemplo, la termistancia CTP fabricada y comercializada por la sociedad Philips bajo la referencia 2322 671 910 03 presenta una resistencia que varía entre

\hbox{800  \Omega }

y

\hbox{100
k \Omega }

para unas variaciones de temperatura en la zona de solamente 40ºC comprendida entre 80 y 120ºC.

La figura 4 representa un captador 21 según la presente invención dispuesto en un conducto 20 en el cual un gas, tal como helio o nitrógeno, es susceptible de circular. Se supondrá a título de ejemplo que el gas se desplaza, como se ha indicado por las flechas, de la izquierda hacia la derecha. El captador 21 está insertado de forma que se encuentre, en vista en sección transversal, sensiblemente en el centro del conducto 20.

El captador 21 comprende dos termistancias CTP1 y CTP2 pegadas dorso contra dorso sobre el soporte aislante 23 ortogonal al eje del conducto. El soporte 23 aísla las termistancias CTP1 y CTP2 una de la otra por lo menos contra variaciones térmicas a corto plazo. En presencia a un flujo gaseoso, la termistancia no expuesta directamente al flujo es enfriada mucho menos que la otra, puesto que está protegida por el vortex creado a nivel del captador. La forma del soporte 23 podrá ser optimizada para favorecer este efecto.

El captador 21 está conectado eléctricamente a un módulo de mando y de medición 25. En la práctica, el captador 21 está introducido en el conducto 20 por un orificio 26 asociado a un dispositivo del taponado 27. Unas conexiones eléctricas entre el captador 21 y el módulo 25 pasan por un tubo 29 de dimensiones mínimas.

Se comprenderá que el enfriado diferente de las termistancias produce una diferencia de temperatura entre ellas si son alimentadas de forma idéntica. Esta diferencia de temperatura provoca una diferencia de valor de las resistencias de la termistancias. Esta diferencia podrá ser detectada para indicar la presencia de una circulación gaseosa, su sentido de circulación y su caudal.

Se prefiere utilizar unas termistancias CTP más bien que unas termistancias con coeficiente de temperatura negativo (CTN) puesto que, bajo tensión constante, las mismas se autorregulan en temperatura. En efecto, si la temperatura disminuye, entonces la resistencia de termistancia CTP disminuye, lo que implica que la potencia disipada V^{2}/R aumenta y lleva de nuevo la temperatura a su punto de funcionamiento. E inversamente, si la temperatura aumenta, entonces la resistencia aumenta y la potencia disipada disminuye, llevando de nuevo la CTP a una temperatura más baja. Es la tensión de alimentación que fija el punto de funcionamiento. La regulación es por tanto automática.

Además, unas termistancias CTP de pequeñas dimensiones son particularmente ventajosas puesto que necesitan unas potencias más bajas para llevarlas a su punto de funcionamiento.

Un ejemplo de montaje del captador según la invención está ilustrado esquemáticamente en la figura 5. Las termistancias CTP1 y CTP2 están conectadas en serie entre dos líneas de alimentación respectivamente positiva y negativa +V y -V. El punto de conexión A de las termistancias CTP1 y CTP2 está conectado a una masa del dispositivo (0 V). Más generalmente, las dos termistancias CTP1 y CTP2 están conectadas en serie entre una línea a un potencial alto y una línea a un potencial bajo y su punto medio está conectado al potencial medio. Las alimentaciones positiva (+V), nula (la masa) y negativa (-V) serán por ejemplo unas alimentaciones a +12 V, 0 V y -12 V extraídas de los bornes de un puente rectificador a partir del sector.

Una resistencia de detección r, en los bornes de la cual aparece una tensión de detección v, está dispuesta entre el punto A y la masa. Preferentemente unas resistencias regulables R1 y R2 están conectadas en paralelo sobre cada termistancia.

En la resistencia de detección r circula la diferencia i entre la corriente I1 en la termistancia CTP1 y la corriente I2 en la termistancia CTP2.

Siendo las tensiones de alimentación de las termistancias constantes e idénticas, cada una de las corrientes I1 e I2 es solamente función del valor de la resistencia de cada una de las termistancias CTP1 y CTP2, es decir de la temperatura de estas termistancias que depende de la presencia o no de un gas y de un flujo gaseoso.

Las termistancias CTP1 y CTP2 se eligen preferentemente de manera que su punto de funcionamiento bajo la tensión V corresponda a una temperatura sensiblemente de 20 a 30ºC superior a la del gas.

En ausencia de circulación gaseosa, como las termistancias CTP1 y CTP2 son del mismo tipo y elegidas del mismo lote, y son alimentadas bajo la misma tensión, las mismas son atravesadas por la misma corriente y la corriente i es nula. Sin embargo, las resistencias R1 y R2 permiten corregir un eventual error de cero.

Cuando un gas circula de izquierda a derecha en el conducto 20, la termistancia CTP1 es enfriada más que la termistancia CTP2. Entonces, aparece en la rama de masa una corriente de desequilibrio i.

Cualquier variación de la corriente i está ligada a, y solamente a, una variación del caudal de gas. En efecto, si la temperatura de un gas en reposo varía, no aparece ninguna corriente de desequilibrio, variando las dos termistancias de la misma manera. Una ventaja del captador según la presente invención es por tanto que no es necesario medir la temperatura del gas.

Se describirán ahora con relación a las figuras 6 a 8 diversos tipos de montajes de medición de la corriente i que circula por la resistencia r o de la tensión v en sus bornes.

El montaje de la figura 6 representa un modo de realización de un detector unidireccional del flujo gaseoso, es decir un detector que permite indicar si existe o no un flujo gaseoso en un sentido determinado. Este detector permite indicar si existe una corriente i positiva en la resistencia r.

Las resistencias regulables R1 y R2 (figura 5) están ventajosamente realizadas por la conexión en serie de dos resistencias fijas R3 y R5 separadas por un reostato en serie con ellas. La toma intermedia del reostato R4 está conectada al punto A.

El circuito comprende un interruptor mandado, por ejemplo un transistor bipolar N1. La base y el emisor del transistor N1 están conectados a los bornes de la resistencia r. El colector del transistor N1 está conectado al cátodo de un diodo electroluminiscente LED1 cuyo ánodo está conectado a la línea de alimentación positiva +V.

Se podrán además prever unos diodos de protección D1 a D3. Los diodos D1 y D2 están conectados en serie uno con el otro, en paralelo sobre la resistencia r. El cátodo del diodo D1 está conectado a la masa y el ánodo del diodo D2 está conectado al punto A. El diodo D3 está conectado en antiparalelo con los diodos D1 y D2, es decir, que el cátodo del diodo D3 está conectado al punto A y su ánodo a la masa.

Una resistencia R6 permite limitar la corriente de base del transistor N1. Los diodos D1, D2 y D3 impiden a la tensión base-emisor resultar demasiado importante.

Si la corriente i es nula, la tensión base-emisor es nula y el transistor N1 está abierto.

Si la corriente i es negativa, la tensión base-emisor es negativa y el transistor N1 está también bloqueado. La corriente i circula por el diodo D3.

Si la corriente i es positiva, la tensión base-emisor es positiva y el transistor N1 resulta pasante desde que esta tensión sobrepasa un umbral. Pasa entonces una corriente por el diodo electroluminiscente LED1, preferentemente limitada por una resistencia no representada. El diodo LED1 se enciende y señala la presencia de la corriente i.

El montaje de la figura 7 representa el modo de realización del detector bidireccional de flujo gaseoso, es decir un detector que permite indicar si existe un flujo gaseoso y en que sentido. Este detector permite indicar si existe una corriente positiva o una corriente negativa en la resistencia r. Este montaje dobla el sistema de detección representado en la figura 6. Más particularmente, el detector de la figura 6 comprende un transistor NPN N1, unos diodos D1-D2, una resistencia R6 y un diodo electroluminiscente LED1 y está completado por un circuito simétrico que comprende un transistor PNP P2, unos diodos D3 y D4, una resistencia R8, y un diodo electroluminiscente LED2.

Se comprenderá que según el sentido de circulación de la corriente i -por encima de un cierto umbral- uno o el otro de los diodos electroluminiscente LED1 y LED2 se enciende.

El montaje de la figura 8 representa un modo de realización de un detector bidireccional del sentido y del caudal de un flujo gaseoso. En los bornes de la resistencia r está conectado un convertidor analógico-numérico 15 asociado a unos medios de calibrado, conectado a un visualizador numérico 16. El convertidor analógico-numérico 15 puede estar asociado a un circuito de elevación al cuadrado.

Un calibrado previo de dicho detector permite ligar el valor de la corriente de desequilibrio corriente al caudal horario masivo o volumétrico de un gas. Por ejemplo, para el helio, la relación entre la velocidad del flujo y el cuadrado de la corriente ha resultado ser perfectamente reproducible, fiable y preciso. Esta relación es además perfectamente lineal a partir de un caudal volumétrico tan bajo como un litro por hora (1 l/h) y hasta los caudales tan importantes como 1200 l/h. El captador según la invención presenta por tanto una dinámica particularmente grande.

Además de una ganancia importante en términos dinámicos, el captador según la presente invención presenta otras numerosas ventajas.

Colocado en un conducto, un captador según la invención induce unas pérdidas de carga muy bajas.

El captador según la invención es utilizable en diferentes detectores sin recurrir a ninguna referencia externa. Esto reduce el número de elementos dispuestos en el flujo gaseoso. Las pérdidas de carga son por tanto aún más reducidas. Así mismo, el número de dispositivos mecánicos y/o electrónicos es reducido.

La medición a efectuar para conocer el valor del flujo es particularmente simple dado que se trata directamente de la medición de una corriente. No es necesaria ninguna comparación ni tratamiento suplementario.

Desde luego, la presente invención es susceptible de diversas variantes y modificaciones que aparecerán al experto en la materia. En particular, el captador según la invención puede ser utilizado en diferentes aplicaciones en presencia de un flujo de un gas, tales como, por ejemplo, unos dispositivos de seguridad. Por otra parte, un captador según la invención puede estar asociado a unos medios apropiados para regular un caudal en asociación con una válvula de condicionado.

La figura 9 ilustra otro ejemplo de aplicación de un captador 21 según la invención conectado a un módulo de mando y de tratamiento no representado.

La figura 9 representa en sección un conducto criogénico 32 en el cual circula un fluido a muy baja temperatura. El conducto 32 está aislado de la atmósfera circundante por un recinto bajo vacío 33. El captador 21 según la invención está dispuesto de manera que una de las dos termistancias, por ejemplo CTP2, esté en contacto con la superficie externa de la pared 34 del recinto 33.

Si durante la circulación de un gas por el conducto 32 este se perfora, se producen en el recinto 33 unos fenómenos de convección que inducen un enfriado de la termistancia CTP2 en contacto con la pared 34 del recinto 33. Entonces, disminuyendo la temperatura de la termistancia CTP2, su resistencia disminuye y la corriente I2 tiende a aumentar. Aparece entonces un desequilibrio que puede ser detectado por cualquier medio apropiado para señalar una fuga en el

\hbox{recinto
33.}

Claims (5)

1. Captador (21) de presencia o de ausencia de un flujo gaseoso, caracterizado porque comprende dos termistancias (CTP1, CTP2), pegadas dorso contra dorso sobre un mismo soporte (23), conectadas en serie entre una línea de alimentación alta (+V) y una línea de alimentación baja (-V), estando su punto de conexión (A) conectado a un potencial medio (0 V) por medio de una resistencia de detección (r).

2. Captador según la reivindicación 1, caracterizado porque las termistancias (CTP1, CTP2) son del tipo de coeficiente de temperatura positivo.

3. Captador según la reivindicación 1, caracterizado porque unas resistencias regulables (R1, R2) están conectadas en paralelo sobre cada una de las termistancias (CTP1, CTP2).

4. Captador según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un medio de determinación del valor de la corriente (i) en la resistencia de detección (r).

5. Conducto de gas (20) que comprende un captador según la reivindicación 1, dispuesto en el conducto de gas de manera que el plano de separación de las dos termistancias (CTP1, CTP2) es ortogonal a la dirección de circulación del flujo gaseoso.