ES2284296B1 - Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles. - Google Patents
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Abstract
Método para la determinación del número de metano de gases combustibles, que comprende la medición de la conductividad térmica del gas a analizar y la determinación analítica de la correlación entre dicha conductividad y el número de metano, a partir de gases de composición conocida, de cuyos valores se deduce la expresión NM = a{sub,0}.{la} + a{sub,1} (1) en la NM es el Número de Metano, {la} la conductividad térmica y a{sub,0} y a{sub,1} los coeficientes obtenidos en la regresión lineal. La medición de la conductividad térmica se lleva a cabo mediante un dispositivo que comprende un elemento calefactor (6) y un elemento sensor (7), ubicados sobre otros tantos micropuentes (5) definidos en un sustrato de silicio monocristalino (1). Los elementos calefactor y sensor están relacionados con tomas de corriente a través de pistas de conexión que discurren sobre el sustrato de silicio.
Description
Método para la determinación del número de
metano de gases combustibles.
En los motores de combustión, el fenómeno de la
detonación (knocking) provoca fuertes explosiones cuya onda de
presión soporte un serio perjuicio para los pistones las paredes
del cilindro. Entre las diferentes causas que intervienen en la
detonación merece especial atención la composición del gas
combustible. Su incidencia en la detonación queda cuantificada en
el Número de Metano (NM), parámetro que se define como el
porcentaje en volumen de metano en una mezcla N_{2}+H_{2} que
general la misma intensidad de detonación que el gas
considerado.
La presente invención tiene por objeto un nuevo
método para la determinación del Número de Metano de los gases
combustibles en general y del gas natural en particular, basado en
medidas térmicas realizadas en estructuras de silicio
micromecanizado. La invención hace también referencia al
dispositivo utilizado para llevar a cabo dicho método. La invención
comprende tanto el dispositivo para realizar las medidas térmicas
necesarias, desarrollado en el ámbito de las Tecnologías de
Microfabricación, como el método correlativo para vincular estas
medidas con el Número de Metano del gas.
Las técnicas conocidas para la determinación del
Número de Metano de un gas combustible se circunscriben a la
cromatografia de gases y a los métodos correlativos basados en
medidas ópticas en el espectro infrarrojo. Son alternativas
complejas y caras, lo que hace inviable su aplicación en puntos de
consumo.
La cromatografía de gases es la alternativa más
habitualmente utilizada para determinar el Número de Metano de un
gas. Es una técnica de separación de una mezcla gaseosa en sus
componentes. El cromatógrado incluye un gas portador (He), un
sistema de inyección de gas, columnas de separación, detectores y
un sistema computerizado de tratamiento de datos. Separado el gas
en sus diferentes componentes, se determina la fracción de cada
uno de ellos en la mezcla y a partir de la composición se calculan
sus diferentes propiedades y/o características, ente ellas, el
Número de Metano. Concretamente, la norma ISO TC 193 (1996) recoge
dos alternativas para relacionar composición y Número de Metano
del gas natural: la Relación del Coeficiente Lineal y la Relación
Hidrógeno/Carbono. La cromatografía de gases es una técnica de gran
precisión, sin embargo es una tecnología compleja lo que implica la
necesidad de personal cualificado e importantes desembolsos en
inversión y mantenimiento.
Asimismo, para determinar los parámetros de un
gas combustible se utilizan métodos correlativos. Estos métodos
implican la medida de varias variables físicas o químicas y el
posterior cálculo de dichos parámetros a partir de las medidas
realizadas. Concretamente, para el establecimiento del Número de
Metano se recurre a medidas ópticas en el espectro infrarrojo
(véase patente DE 19650302). El sistema comprende un emisor y un
receptor de infrarrojos. La absorción de luz a diferentes
longitudes de onda proporciona información en relación con la
fracción de hidrocarburos y de dióxido de carbono en la mezcla,
información que permite deducir el Número de Metano del gas. Es un
sistema caro.
Por otro lado, en el ámbito de las Tecnologías
de Microfabricación ya se conocen dispositivos utilizados para la
determinación de propiedades y características de los gases. Véanse
a modo de ejemplo las patentes EP0348245, donde se describe la
medida de conductividad térmica y calor especifico, US4902138,
donde se establece la medida de concentraciones de diferentes
componentes en una mezcla gaseosa o la patente US5231878, donde se
presenta un medidor de flujo básico.
Las técnicas descritas para la determinación del
Número de Metano de un gas combustible se caracterizan por su
complejo funcionamiento y/o su elevado costo. Ambos aspectos
imposibilitan su incorporación a mercados masivos y en particular
en aplicaciones en puntos de consumo.
La tendencia habitual en el ámbito industrial es
realizar in situ la monitorización de los diferentes
parámetros involucrados en un proceso. Un seguimiento continuo de
los mimos permite prevenir posibles fallos, obtener el máximo
rendimiento del equipo y reducir gastos. En este contexto, una
alternativa viable exige una solución de bajo coste y, manejo y
mantenimiento sencillo.
El método objeto de la presente invención
correlaciona la señal de salida de un microdispositivo sensor
desarrollado mediante Tecnologías de Microfrabricación del Silicio
con el Número de Metano del gas combustible analizado. Por un lado,
el microdispositivo, ubicado en una pequeña cámara de análisis,
incorpora las conocidas ventajas de la tecnología microelectrónica:
producción masiva, miniaturización, bajo consumo, fiabilidad, bajo
coste..., que implican consecuentemente una reducción del coste
unitario del microdispositivo. Por otro lado, la correlación
existente entre la conductividad térmica del gas analizado y su
Número de Metano establece un principio de medidas sencillo y de
fácil manejo.
El método propuesto y el microdispositivo
desarrollado se conjugan para proporcionar una alternativa sencilla
y de bajo costo que abre nuevas posibilidades para la determinación
de la calidad de gases en campo real, enfocada en particular a
prevenir y corregir los problemas asociados al fenómeno de la
detonación en motores de combustión.
De acuerdo con la presente invención, para
determinar el Número de Metano de un gas combustible se lleva a
cabo la medición de la conductividad térmica del gas a analizar y
se determina analíticamente la correlación entre dicha
conductividad y el Número de Metano, lo cual se obtiene a partir de
gases de composición conocida de los que se determina por métodos
tradicionales la conductividad térmica y el Número de Metano, y a
partir de cuyos valores se deduce la expresión:
(1)NM =
a_{0}.\lambda +
a_{1}
en la que NM es el Número de
Metano, \lambda la conductividad térmica y a_{0} y a_{1} los
coeficientes obtenidos en la regresión
lineal.
La relación entre la medida de la tensión
eléctrica, el elemento calefactor del microdispositivo y la
conductividad térmica del gas se determina empíricamente mediante
ensayos de gases naturales de composición y propiedades conocidas,
obteniéndose así la expresión
(2)\lambda =
b_{0}.V +
b_{1}
en la que \lambda es la
conductividad térmica, V la tensión eléctrica medida en el elemento
calefactor y b_{0} y b_{1} los coeficientes obtenidos en la
regresión lineal. A partir de esta expresión se obtiene el Número
de Metano en función de la tensión eléctrica en el elemento
calefactor, mediante la
expresión
(3)NM =
c_{0}.V +
c_{1}
en la que los parámetros c_{0} y
c_{1} se deducen a partir de los resultados empíricos obtenidos
con los gases de
referencia.
La medición de la conductividad térmica del gas
a analizar se lleva a cabo mediante un dispositivo
microelectrónico que está en contacto con dicho gas y que incluye
un calefactor y un sensor. El elemento calefactor se alimenta a
corriente constante, de modo que la temperatura alcanzada por el
mismo y por tanto su caída de tensión dependerá del calor disipado
hacia el gas, el cual a su vez dependerá de la conductividad
térmica del gas.
La invención incluye también el dispositivo
utilizado para llevar a cabo la medición de la conductividad
térmica del gas, el cual comprende un elemento calefactor y un
elemento sensor que van dispuestos sobre un sustrato de silicio
microcristalino. Al menos el elemento calefactor está posicionado
sobre un micropuente definido en el sustrato de silicio mediante
micronizado del silicio, utilizando silicio poroso como capa
sacrifical. Tanto el elemento calefactor como el elemento sensor
pueden ir posicionados sobre otros tantos puentes con la
constitución descrita. El puente o puente pueden ir ubicados sobre
cavidades formadas en el sustrato de silicio. Los elementos
calefactor y sensor están relacionados con tomas de corriente a
través de pistas de conexión que discurren sobre el sustrato de
silicio. Tanto los elementos sensor y calefactor como las tomas de
corriente y las pistas de conexión, están constituidas por una
película metálica delgada, por ejemplo a base de una bicapa
cromo/platino.
Las características expuestas y otras propias
de la invención se comprenderán mejor con la siguiente descripción,
hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestra
un ejemplo de realización del dispositivo para medir la
conductividad térmica de un gas, para llevar a cabo el método de la
invención.
En los dibujos:
La figura 1 es una vista en planta de un
dispositivo constituido de acuerdo con la invención.
La figura 2 es una sección transversal del mismo
dispositivo, tomado según la linea de corte II-II
de la figura 1.
La presente invención integra un
microdispositivo sensor utilizado para realizar medidas térmicas en
el gas a analizar y el método desarrollado para vincular estas
medidas con el Número de Metano de dicho gas.
Según puede verse en las figuras 1 y 2, el
dispositivo está constituido por dos micropuentes (5) definidos en
un sustrato de silicio monocristalino (1) sobre los que se ubican
dos resistencias de película delgada. Una de ellas actúa como
elemento calefactor (6). la otra, como elemento sensor (7).
\newpage
Para la definición de los dos micropuentes (5)
se recurre a la utilización del silicio poroso como capa
sacrificial. Éste se forma de modo localizado mediante la inmersión
de la oblea en una disolución de HF-H_{2}O y la
simultánea aplicación de corriente eléctrica entre la oblea y el
electrolito (disolución electroquímica). Como material de máscara
en el proceso de formación del silicio poroso se utiliza el silicio
tipo n(2). La posterior eliminación del silicio poroso para
formar las cavidades (4) sobre las que se posicionan los dos
micropuentes se realiza en una disolución de KOH de baja
concentración a temperatura ambiente. Tanto las dos resistencias
ubicadas sobre los puentes como las pistas de conexión y los pads
de contacto (8) se realizan en Platino crecido mediante
pulverización catódica, DC-sputtering. Una película
intermedia de Cromo, también crecida mediante pulverización
catódica. DC-sputtering, permite la buena
adherencia del platino al sustrato. Como película dieléctrica (3)
entre el sustrato de silicio y la película metálica Cr/Pt se
utiliza óxido de silicio térmico. Para la definición de las
diferentes geometrías se combinan técnicas de fotolitografía
convencional y lift-off.
Como material de máscara (2) en el proceso de
porosificación se puede utilizar indistintamente Si tipo n,
Si_{3}N_{4}, Si_{3}N_{4}+SiO_{2} o SiO_{2}+Polisilicio.
Asimismo como material dieléctrico (3) puede recurrirse al
SiO_{2}, Si_{3}N_{4} o una combinación de ambos
Si_{3}N_{4}+SiO_{2}.
Ambas resistencias son alimentadas a corriente
constante. El elemento calefactor se alimenta a niveles de
corriente que garanticen que su temperatura sea siempre superior a
la del gas a caracterizar. Su obtención sobre el micropuente
minimiza las pérdidas de calor por conducción hacia el sustrato. El
elemento sensor se alimenta a bajas corrientes de modo que su
autocalentamiento sea nulo. Esta circunstancia le lleva a estar a
la misma temperatura que el gas y el sustrato de silicio. Puede
estar ubicado indistintamente sobre el micropuente o sobre el
sustrato de silicio, pero lo suficientemente alejado del elemento
calefactor como para no verse afectado por él.
Las medidas se realizan a flujo cero. Al
alimentar el elemento calefactor a corriente constante, la
temperatura que éste alcance dependerá del calor disipado hacia el
gas, el cual depende a su vez de la conductividad térmica del gas.
La temperatura del calefactor se encuentra relacionada con su
resistencia a través de su TCR y su resistencia con la caída de
tensión en el calefactor mediante la Ley de Ohm. La conductividad
térmica del gas depende de su composición, que a su vez determina
el Número de Metano del gas.
La correlación entre conductividad térmica de
un gas y su Número de Metano se ah establecido analíticamente a
partir de gases de composición conocida. La conductividad térmica
se ha determinado mediante el Método de Estados Correspondientes,
recogido en la Norma NBS 1039 (1981). El Número de Metano se ha
calculado mediante la Relación de Coeficiente lineal recogida en la
Norma ISO TC193 (1996). De los valores obtenidos se deduce que la
relación conductividad térmica/NM se ajusta a una expresión lineal
del tipo
(1)NM =
a_{0}.\lambda +
a_{1}
Siendo NM y \lambda, Número de Metano y
conductividad térmica respectivamente y a_{0} y a_{1} los
coeficientes obtenidos en la regresión lineal.
La relación entre la tensión eléctrica medida en
el elemento calefactor y la conductividad térmica del gas, y por
lo tanto su Número de Metano, se ha determinado empíricamente. Para
ello, se han realizado ensayos en laboratorio utilizando como gases
problema metano y cinco gases naturales de composición y
propiedades conocidas. Los resultados obtenidos proporcionan
nuevamente una relación lineal entre tensión medida y conductividad
térmica del gas:
(2)\lambda =
b_{0}.V +
b_{1}
de donde, jugando con (1) y (2), se
deduce
que:
(3)NM =
c_{0}.V +
c_{1}
siendo V la tensión eléctrica
medida en el elemento
calefactor.
La medida de la temperatura del gas mediante el
elemento sensor permite compensar la influencia que ejerce este
parámetro sobre la conductividad térmica del gas y por lo tanto,
sobre la medida tomada.
Claims (6)
1. Método para determinar el Número de Metano de
gases combustibles, caracterizado porque comprende la
medición de la conductividad térmica del gas a analizar y la
determinación analítica de la correlación entre dicha conductividad
y el Número de Métano, a partir de gases de composición conocida de
los que se determina por métodos tradicionales la conductividad
térmica y el Número de Metano, y a partir de cuyos valores se
deduce la expresión:
(1)NM =
a_{0}.\lambda +
a_{1}
en la NM es el Número de Metano,
\lambda la conductividad térmica y a_{0} y a_{1} los
coeficientes obtenidos en la regresión
lineal.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la medición de la conductividad térmica
del gas a analizar se realiza mediante un dispositivo
microelectrónico que está en contacto con dicho gas e incluye un
elemento calefactor y un elemento sensor, cuyo elemento calefactor
se alimenta a corriente constante, de modo que la temperatura
alcanzada por el mismo y por tanto su caída de tensión, dependerá
del calor disipado hacia el gas, el cual a su vez depende de la
conductividad térmica del gas.
3. Método según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la relación entre la medida de la
tensión eléctrica en el elemento calefactor del microdispositivo y
la conductividad térmica del gas se determina empíricamente
mediante ensayos de gases naturales de composición y propiedades
conocidas, obteniéndose la expresión
(2)\lambda =
a b_{0}.V +
b_{1}
en la que \lambda es la
conductividad térmica, V la tensión eléctrica medida en el elemento
calefactor y B_{0} y b_{1} los coeficientes obtenidos en la
regresión lineal; a partir de cuya expresión se obtiene el Número
de Metano en función de la tensión eléctrica en el elemento
calefactor, mediante la
expresión
(3)NM =
c_{0}.V +
c_{1}
en la que los parámetros c_{0} y
c_{1} se deducen a partir de los resultados empíricos obtenidos
con los gases de
referencia.
4. Dispositivo para medir la conductividad
térmica de un gas, que comprende un elemento calefactor y un
elemento sensor dispuesto sobre un sustrato de silicio
microcristalino, estando al menos el elemento calefactor
posicionado sobre un micropuente definido en el sustato de silicio
mediante micromecanizado del silicio, utilizando el silicio poroso
como capa sacrifical, y ubicado sobre una cavidad formada en dicho
sustrato de silicio; cuyos elementos calefactor y sensor están
relacionados con tomas de corriente a través de pistas de conexión
que discurren sobre el sustrato de silicio y están constituidas,
así como los elementos y tomas de corriente citados por una
película metálica delgada.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque los elementos calefactor y sensor están
posicionados sobre sendos micropuentes que discurren sobre una o
dos cavidades formadas en el sustrato de silicio.
6. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque, los elementos calefactor y sensor, las
tomas de contacto y las pistas de conexión están constituidas a
base de una bicapa cromo/platino.
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