ES2284296B1 - Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles. - Google Patents

Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles. Download PDF

Info

Publication number
ES2284296B1
ES2284296B1 ES200400652A ES200400652A ES2284296B1 ES 2284296 B1 ES2284296 B1 ES 2284296B1 ES 200400652 A ES200400652 A ES 200400652A ES 200400652 A ES200400652 A ES 200400652A ES 2284296 B1 ES2284296 B1 ES 2284296B1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
gas
thermal conductivity
methane
gases
heating element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
ES200400652A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2284296A1 (es
Inventor
Francisco Jav. Gracia Gaudo
Enrique Castaño Carmona
Isabel Ayerdi Olaizola
David Puente Pousada
Santiago Miguel Olaizola Izquierdo
Jorge Garcia Elizalde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kosorkuntza A I E
KOSORKUNTZA AIE
Wartsila Nsd Iberica S A
WARTSILA NSD IBERICA SA
Naturcorp Multiservicios S A
NATURCORP MULTISERVICIOS SA
Original Assignee
Kosorkuntza A I E
KOSORKUNTZA AIE
Wartsila Nsd Iberica S A
WARTSILA NSD IBERICA SA
Naturcorp Multiservicios S A
NATURCORP MULTISERVICIOS SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kosorkuntza A I E, KOSORKUNTZA AIE, Wartsila Nsd Iberica S A, WARTSILA NSD IBERICA SA, Naturcorp Multiservicios S A, NATURCORP MULTISERVICIOS SA filed Critical Kosorkuntza A I E
Priority to ES200400652A priority Critical patent/ES2284296B1/es
Publication of ES2284296A1 publication Critical patent/ES2284296A1/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2284296B1 publication Critical patent/ES2284296B1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22Fuels, explosives

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.
Campo de la invención
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.
Estado de la técnica
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.
Descripción de la invención
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.
Descripción de los dibujos
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.
Descripción de un modo de realización
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.
ES200400652A 2004-03-16 2004-03-16 Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles. Expired - Fee Related ES2284296B1 (es)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200400652A ES2284296B1 (es) 2004-03-16 2004-03-16 Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200400652A ES2284296B1 (es) 2004-03-16 2004-03-16 Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2284296A1 ES2284296A1 (es) 2007-11-01
ES2284296B1 true ES2284296B1 (es) 2008-09-16

Family

ID=38651052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES200400652A Expired - Fee Related ES2284296B1 (es) 2004-03-16 2004-03-16 Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles.

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES2284296B1 (es)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9354220B2 (en) 2013-09-27 2016-05-31 Caterpillar Inc. Engine system having fuel quality sensor
US9790883B2 (en) * 2015-07-23 2017-10-17 Caterpillar Inc. System for sensing and controlling fuel gas constituent levels

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4944035A (en) * 1988-06-24 1990-07-24 Honeywell Inc. Measurement of thermal conductivity and specific heat
DE9203528U1 (es) * 1992-03-18 1992-07-09 Ruhrgas Ag, 4300 Essen, De

Also Published As

Publication number Publication date
ES2284296A1 (es) 2007-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7926323B2 (en) Thermal conductivity measuring method and apparatus, and gas component ratio measuring apparatus
US7780343B2 (en) Micromachined gas and liquid concentration sensor and method of making the same
EP1837645B1 (en) Thermal conductivity sensor
BRPI0817851B1 (pt) Sensor de gás e método de detecção de um ou mais gases
ES2284296B1 (es) Metodo para la determinacion del numero de metano de gases combustibles.
JPH06129918A (ja) 熱交換器効率のモニタ装置
RU2447426C2 (ru) Способ и устройство детектирования довзрывных концентраций метана в воздухе
Peralta-Martinez et al. A novel instrument for the measurement of the thermal conductivity of molten metals. Part I: instrument’s description
RU2635711C1 (ru) Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах
US20230304967A1 (en) Device for determining firstly a heat conductivity and/or the specific heat capacity of a gas mixture, and secondly a density and/or a viscosity of the gas mixture
RU106955U1 (ru) Газовый датчик
CN114577865B (zh) 一种基于mems芯片的多通道热导式传感器阵列及分析方法
JP4868604B2 (ja) 熱伝導率測定装置、ガス成分比率測定装置
RU2745082C1 (ru) Газоанализатор
RU2146816C1 (ru) Способ детектирования газовых смесей
RU2740737C1 (ru) Каскадный полупроводниковый детектор для газовой хроматографии
CN116203065A (zh) 一种微型热导气体传感器
WO2010035803A1 (ja) 熱伝導率検出方法、並びに熱伝導率検出用センサ、熱伝導率検出装置及び監視システム
JP5370319B2 (ja) 赤外線吸収式ガス分析計
JPH0221542B2 (es)
Oigawa et al. Sensitivity of improvement of quartz hydrogen sensor with novel designed heater
SU922602A1 (ru) Устройство дл определени теплопроводности твердых материалов
Puente et al. Thermal conductivity microsensor to measure the methane number of natural gas
SU1518751A1 (ru) Способ измерени теплопроводности газовых и жидкостных прослоек
JP2005024486A (ja) フローセンサ及びそれを用いた赤外線ガス検出器

Legal Events

Date Code Title Description
EC2A Search report published

Date of ref document: 20071101

Kind code of ref document: A1

FG2A Definitive protection

Ref document number: 2284296B1

Country of ref document: ES

FD2A Announcement of lapse in spain

Effective date: 20240326