ES2347145T3 - Caudalimetro masico. - Google Patents

Abstract

Un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye, que comprende: - una membrana plana (16, 18) con una superficie de detección que puede llevarse al contacto directo o indirecto con un fluido que fluye; - unos medios calentadores controlables eléctricamente sobre dicha superficie; y - medios de sensor de temperatura sobre dicha superficie para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en la dirección de flujo del fluido, con respecto a una ubicación elegida, - los medios de calentamiento y los medios de sensor de temperatura dispuestos en la superficie de detección de la membrana (16, 18) mediante una técnica plana, en la que los medios de calentamiento se componen de dos elementos de calentador (H1, H2) que se sitúan simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a dicha ubicación elegida, en el que los elementos de calentador (H1, H2) están conectados a medios de alimentación eléctrica caracterizados porque dichos medios de alimentación eléctrica son capaces de dar energía a los dos elementos de calentador (H1, H2) en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero entre las posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo.

Description

Caudalímetro másico.

La invención se refiere a un caudalímetro másico de tipo térmico.

Se conocen varios caudalímetros másicos con el principio de funcionamiento térmico.

Cuando un flujo de gas o líquido, cuyo caudal másico se va a medir, pasa como un flujo laminar o turbulento a través de un tubo de flujo, se forma una capa límite a lo largo de la pared interior del tubo de flujo. El calentamiento local del tubo, por ejemplo mediante un alambre de resistencia en espiral alrededor del tubo, hace que el calor se transmita al flujo de gas o de líquido por conducción térmica a través de la pared del tubo y la capa límite. Se determina el efecto del calor suministrado. La conductividad térmica del tubo se determina como un valor variable que depende de la composición del material y la cantidad de calor que se transmite a través de su superficie, y la conductividad térmica de la capa límite del gas o el líquido se determina como un valor relacionado con la capacidad calorífica específica en el fluido a
medir.

La conductividad térmica del tubo de flujo se calcula de este modo a partir de datos de su material constituyente, las dimensiones del tubo, etc., por un lado, mientras que por otro lado, la conductividad térmica del fluido se calcula a partir de su densidad y caudal. El caudalímetro de tipo convencional puede utilizarse como un caudalímetro másico simple que es capaz de determinar el caudal másico de un fluido de tipo conocido sobre la base del principio de funcionamiento anterior sin interferir con el flujo del fluido.

Un caudalímetro másico conocido de tipo térmico se describe, por ejemplo, en el documento EP 1139073. Este caudalímetro másico conocido comprende un tubo de flujo conductor de calor provisto con un sensor de temperatura una aguas arriba y uno aguas abajo compuesto de alambre de resistencia en espiral alrededor del tubo, y un circuito de control para mantener constante la diferencia de temperatura entre los sensores, el caudal másico del fluido que fluye a través del tubo se determinará a partir de datos del circuito de control.

Las desventajas de este sistema de medición con bobinas dispuestas alrededor de un tubo de flujo son que no es adecuado para medir el flujo muy localizado, no puede medir caudales muy bajos, tiene una respuesta relativamente lenta y no se puede utilizar en espacios pequeños.

El documento EP1298420 describe un caudalímetro másico de tipo térmico que incluye un substrato semiconductor, una membrana, dos resistencias de medición de temperatura, dos calentadores formados en la membrana y dos circuitos puente cada uno con uno de los calentadores y una de las resistencias de medición de temperatura. Las dos resistencias de medición de temperatura y los dos calentadores están situados, respectivamente, de manera simétrica aguas arriba y aguas abajo de una ubicación elegida. Las salidas del circuito puente se introducen en dos circuitos de alimentación de energía. Se calcula la diferencia entre las salidas de los circuitos de alimentación de energía y representa el flujo másico medido. El circuito se controla de tal manera que se mantienen diferencias constantes de temperatura entre cada resistencia de medición de temperatura y su correspondiente calentador en el mismo circuito puente. En caso de ausencia de flujo, las dos alimentaciones necesarias para estas diferencias de temperatura mantenidas constantes son iguales entre sí.

La invención tiene por objetivo proporcionar un caudalímetro másico que no padezca de por lo menos alguno de los inconvenientes anteriores.

De acuerdo con la invención, un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye, que comprende medios calentadores controlables eléctricamente y medios de sensor de temperatura para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en el sentido del flujo del fluido, con respecto a un lugar elegido, caracterizado porque el caudalímetro comprende un substrato delgado y plano con una superficie de detección que pueden entrar en contacto directo o indirecto con un fluido que fluye, y porque los medios calentadores y los medios de sensor de temperatura se disponen en la superficie de detección del sustrato mediante una técnica plana.

Abreviadamente: la invención proporciona un sensor de flujo con chip.

Una ventaja de un sensor de flujo con chip dispuesto sobre un substrato plano y delgado mediante una técnica plana es que se puede hacer muy pequeño (con dimensiones en miniatura) y no tiene devanados que haya que disponer alrededor de un tubo de flujo. Esto hace que sea posible:

a)

medir de forma muy local;

b)

medir caudales mucho menores que lo que es posible con sensores térmicos convencionales;

c)

obtener una respuesta más rápida: un sensor en un substrato pequeño y delgado (membrana) registra un cambio en el flujo mucho más rápidamente;

d)

hacer los instrumentos mucho más pequeños, de manera que el equipo en el que se utilizan también puede volverse más pequeño;

e)

utilizar un método de fabricación en serie ("micro-mecanizado"), por el que se pueden fabricar cientos de sensores en una sola operación, mientras que en el método convencional cada sensor se va a fabricar por separado; y

f)

medir en espacios muy pequeños (por ejemplo en micro-canales).

La superficie de detección del sensor de flujo con chip puede estar provista, por ejemplo, con medios calentadores ubicados en el centro flanqueados a ambos lados por un sensor de temperatura. Para compensar la aparición de una desviación del cero en un sistema así, la señal de salida de los medios de sensor puede compensarse electrónicamente.

El caudalímetro másico de acuerdo con la invención, sin embargo, está caracterizado porque los medios calentadores se componen de dos piezas que están situadas simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a la mencionada ubicación elegida y pueden conectarse a medios de alimentación eléctrica capaces de dar energía a las dos piezas de los medios calentadores en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero.

Esto hace posible un denominado calentamiento equilibrado. El método de calentamiento equilibrado resuelve el problema de que se proporciona una señal de salida (desviación) cuando no hay flujo. También: si no hay desviación con ausencia de flujo, puede haber tendencia de no desviación, por lo que el punto cero es superestable. Lo último es importante para medir en un amplio intervalo de flujos: en vez de 1:100, ahora es posible medir, por ejemplo, sobre un intervalo de 1:10.000 (así que si la capacidad máxima del chip es de 10 ln/min, todavía se puede medir un flujo de 1 mln/min, mientras que este no sería mejor de 100 mln/min en la situación convencional).

La invención se explica a continuación con más detalle haciendo referencia a los dibujos que muestran algunas realizaciones del caudalímetro según la invención, en los que:

La figura 1 muestra un soporte delgado y plano con un calentador central flanqueado por dos sensores de temperatura;

La figura 2A muestra un soporte delgado y plano con una configuración de sensor de flujo, y

La figura 2B muestra un substrato provisto con un agujero diseñado para ser combinado con el soporte de la figura 2A;

La figura 3 muestra un soporte delgado y plano con una configuración de sensor de flujo con calentamiento equilibrado, montado en un substrato -más grueso-;

La figura 4 muestra un soporte delgado y plano con dos calentadores y una termopila en el medio;

La figura 5 muestra un sensor de flujo con chip en suspensión en un tubo de flujo;

La figura 6 muestra un sensor de flujo con chip montado en el exterior de un tubo de flujo; y

Las figuras 7 y 8 muestran módulos de medición con sensores de flujo con chip dispuestos en los mismos, parcialmente en alzado y parcialmente en sección transversal.

La figura 1 muestra un soporte delgado y plano 1 sobre el que se puede hacer pasar un líquido en una dirección \Phi, con un calentador H y sensores de temperatura S_{1} y S_{2} dispuestos simétricamente aguas arriba y aguas abajo del mismo. El caudal puede determinarse mediante varios métodos con tal disposición de los elementos de sensor. Cualquier desviación del cero puede ser compensada electrónicamente.

Si los sensores de temperatura S_{1} y S_{2} están hechos de un material de resistencia sensible a la temperatura, la desviación del cero también se puede compensar porque se mide cuál de los sensores S_{1} y S_{2} es el más frío y porque el respectivo se calienta hasta que tiene la misma temperatura que el otro.

La figura 2A muestra un soporte plano y delgado 3 con un calentador central H. Este último está flanqueado por termopilas TP_{1} y TP_{2}. Una termopila puede suponerse como una disposición en serie de termopares, tal como se puede ver con más detalle en la inserción. Las termopilas TP_{1} y TP_{2} tienen sus "uniones frías" 4, 5, 6, 7, etc. a los lados que miran lejos del calentador H y sus "uniones calientes" 8, 9, etc. a los lados hacia el calentador H. El sustrato delgado 3, que está hecho de un material que tiene una baja conductividad térmica, por ejemplo, de Pyrex o de nitruro de silicio, se dispone en un sustrato base 2 más grueso (Fig. 2B) de un material con buena conductividad térmica, tal como el silicio. El sustrato base 2 tiene un agujero O que se enlaza por el sustrato delgado 3. Las dimensiones del agujero O y del sustrato delgado 3 y sus posiciones mutuas son tales que las uniones calientes de TP_{1} y TP_{2} están encima del agujero O y las uniones frías 4, 5, 6, 7, etc. encima del sustrato base 2. Como resultado, las uniones frías de ambas termopilas adquieren la temperatura del substrato y por lo tanto tienen la misma temperatura. Esto hace que sea posible determinar la diferencia de temperatura entre sus uniones calientes.

El calentador H y las partes de las termopilas TP_{1} y TP_{2} deben "ver" lo menos posible del sustrato grueso 2. Preferiblemente, por lo tanto, las paredes 11, 12, 13 y 14 del agujero O se estrechan en dirección ascendente, es decir hacia la superficie en la que descansará el sustrato delgado 3. Si así se desea, puede haber presentes termopilas adicionales (no mostradas) y ser colocadas de tal modo que sus uniones calientes están por encima del agujero O y sus uniones en frío por encima del sustrato.

La figura 3 muestra un sensor de flujo con calentamiento equilibrado cuyo objeto es reducir la desviación a cero, para poder medir el flujo lo más cerca posible de cero, y así lograr un amplio intervalo de medición dinámica, una gran estabilidad y una alta precisión. Una membrana o placa plana y delgada 16 está soportada por un sustrato grueso 15 que está provisto con un agujero 17, como lo estaba el sustrato 2. El sustrato 15 mide, por ejemplo, 3 x 6 mm. Los elementos activos de sensor de flujo, que miden, por ejemplo, 1 x 1 mm, están presentes en la membrana 16. Dos elementos del calentador H_{1} y H_{2} (con los que se puede lograr el equilibrio térmico) están presentes centrados en la membrana 16 en este caso. Dos termopilas TP_{1} y TP_{2} se disponen como sensores de temperatura a ambos lados de la membrana, cada uno con las uniones calientes por encima del agujero 17 y con las uniones frías por encima del sustrato. La membrana 16 se hace de vidrio Pyrex (conductividad térmica c. 1 W/mK) y tiene un espesor de c. 50 micras, pero alternativamente también puede hacerse de, por ejemplo, nitruro de silicio con una conductividad térmica de 1 W/mK y un espesor de aproximadamente 1 micra. El sustrato 15 (el soporte del chip) se hace de silicona (conductividad térmica c. 150 W/mK) y tiene un espesor de c. 500 micras. Una diferencia de temperatura puede o no presentarse en la membrana 16 entre las uniones calientes de las dos termopilas TP_{1} y TP_{2}.

No es deseable en el caso de ausencia de flujo que aparezca una diferencia de temperatura. Esto puede suceder, sin embargo, entre otras razones, debido a defectos en el proceso de fabricación del chip. La desviación con ausencia de flujo puede eliminarse por medio de los dos elementos de calentador H_{1} y H_{2} (equilibrio de calor).

Si hay un flujo, es deseable que la diferencia de temperatura sea una medición para el flujo. Una diferencia de temperatura sólo puede aparecer si la membrana 16 está hecha de un material que es un mal conductor térmico (tal como el Pyrex) y si la membrana es relativamente delgada (entre 1 y 100 micras; ventaja adicional de una membrana delgada: comparativamente respuesta rápida del sensor a un cambio en el flujo). Sin embargo, las uniones frías deben tener exactamente la misma temperatura, lo que sólo es posible si el soporte del chip está hecho de un material con buena conductividad térmica (tal como el silicio) y es relativamente grueso (entre 100 y 1000 micras).

Una desventaja de la fabricación en serie de los sensores miniaturizados de flujo descritos anteriormente es que los sustratos gruesos (de silicio) pueden mostrar diferencias considerables de espesor de un sensor a otro. El calor se evacúa más rápidamente en una parte más gruesa que en una parte más delgada. Esto conduce a un desequilibrio o una desviación. Esto, sin embargo, no es constante, pero depende de la temperatura o del medio, y, en consecuencia, es difícil de compensar. La aplicación del principio de calentamiento equilibrado ahora hace posible eliminar el inconveniente de las variaciones de espesor debidas al proceso de fabricación.

La figura 4 muestra una configuración de sensor de flujo para medir, por ejemplo, de acuerdo con el método de temperatura constante (TC) o potencia constante (PC). La figura 4 es una vista en planta esquemática de un soporte plano y delgado 18 de Pyrex en el que hay dispuestos elementos de sensor/calentador H1, H2, H1 y H2 se pueden proporcionar en forma de pistas conductoras, posiblemente zigzagueantes. La diferencia de temperatura entre las posiciones de H1 y H2 se puede medir de diferentes maneras. En el presente caso una termopila TP se dispone entre H_{1} y H_{2}. Una alternativa en la que se omite TP es que H1 y H2 están hechas de material de resistencia sensible a la temperatura y actúan al mismo tiempo como sensores de temperatura. El soporte 18 con los componentes de sensor H_{1} y H_{2} (y TP) forma un sensor de flujo con chip sobre el que se puede hacer pasar en una dirección \Phi un flujo que se va a medir.

La figura 5 muestra un tubo 19 de flujo a través del que puede fluir un fluido en una dirección axial \Phi y en el que un sensor 20 con chip del tipo descrito anteriormente se suspende con su superficie de detección paralela al eje. El sensor 20 puede montarse en medios de apoyo, tales como una espiga, dichos medios se pasan a través de (una abertura 22 en) la pared de manera que la medida puede tener lugar de manera muy localizada dentro de una línea de medición. El sensor 20 puede montarse en una hoja con pistas de conductor 23 o en un PCB 21 con el fin de proporcionar una conexión eléctrica posiblemente para controlar los circuitos de control y medición. Esta última realización del sensor de flujo también hace posible mediciones fuera de un tubo de flujo, en cualquiera que sea el espacio. Los componentes de sensor se recubren preferiblemente con una capa de pasivación como una protección contra vapores o gases agresivos. Esto puede ser, por ejemplo, una fina capa de vidrio, el nitruro de silicio u óxido de silicio.

La figura 6 muestra un tubo 24 a través del que puede fluir un fluido en una dirección axial \Phi y en el que un sensor 25 de flujo con chip de un tipo como el descrito anteriormente se sujeta a la pared exterior para estar en contacto de intercambio de calor con ellos (por ejemplo, mediante encolado). Esto significa que el sensor 25 mira a la pared del tubo con su superficie de detección que lleva elementos activos de sensor. El tubo 24 puede tener un diámetro de unos pocos mm y se fabrica, por ejemplo, de acero inoxidable, PEEK (Poli(quetona de éter éter)) o sílice fundida. Entre las ventajas de esto está que el sensor 25 no entra en contacto con líquidos agresivos o corrosivos.

La figura 7 muestra un módulo de medición 26 con una parte de base 28 que comprende una línea de alimentación 29 y una línea de drenaje 30 para un medio que fluye, en parte en alzado y en parte en sección transversal. Las líneas 29 y 30 surgen en una cavidad formada dentro de una tapa 27 en el que está presente un sensor 32 de flujo con chip. En este caso el soporte de los elementos activos de sensor del sensor 32 forma parte de la superficie 31 de la parte de base 28, de manera que el sensor 32 perturba el flujo del fluido lo menos posible. Una realización alternativa se muestra en la figura 8.

La figura 8 muestra un módulo de medición similar 33 con una parte de base 35, líneas 36, 37 y una tapa 34. Aquí un sensor 39 de flujo con chip está incrustado en la superficie interna 38 de la tapa 34 en el lado que da a las líneas 36, 37. Los chips de sensor de flujo se colocan en todos los casos anteriores de tal manera que sus medios activos de sensor se extienden transversalmente a la dirección de flujo del medio que fluye.

En resumen, la invención se refiere a un caudalímetro másico de tipo térmico, según la reivindicación 1, que comprende un substrato delgado y plano con una superficie de detección que puede llevarse para hacer contacto directo o indirecto con un fluido que fluye durante una medición, en el que medios calentadores controlables eléctricamente y medios de sensor de temperatura para determinar una diferencia de temperatura se disponen en la superficie de detección con una técnica plana. El sustrato con su superficie de detección está presente en particular en una cavidad de un módulo en el que surgen una línea de alimentación y una línea de drenaje para el fluido.

Claims (12)

1. Un caudalímetro másico de tipo térmico para medir el flujo másico de un fluido que fluye, que comprende:

- una membrana plana (16, 18) con una superficie de detección que puede llevarse al contacto directo o indirecto con un fluido que fluye;

- unos medios calentadores controlables eléctricamente sobre dicha superficie; y

- medios de sensor de temperatura sobre dicha superficie para determinar una diferencia de temperatura entre posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo, vistas en la dirección de flujo del fluido, con respecto a una ubicación elegida,

- los medios de calentamiento y los medios de sensor de temperatura dispuestos en la superficie de detección de la membrana (16, 18) mediante una técnica plana, en la que los medios de calentamiento se componen de dos elementos de calentador (H1, H2) que se sitúan simétricamente, aguas arriba y aguas abajo, con respecto a dicha ubicación elegida,

en el que los elementos de calentador (H1, H2) están conectados a medios de alimentación eléctrica caracterizados porque dichos medios de alimentación eléctrica son capaces de dar energía a los dos elementos de calentador (H1, H2) en ausencia de cualquier flujo de tal manera que los medios de sensor de temperatura registran una diferencia de temperatura cero entre las posiciones simétricas aguas arriba y aguas abajo.

2. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos resistencias sensibles a la temperatura.

3. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos termopilas (TP1, TP2) formadas en dicha membrana (16) en lados respectivos de los elementos calentadores (H1, H2).

4. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque los medios de sensor de temperatura comprenden una termopila (TP) dispuesta en dicha membrana (18) entre los elementos de calentador (H1, H2).

5. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el caudalímetro comprende un módulo de medición (26) adaptado para permitir que un fluido fluya a través, y porque la superficie de detección de la membrana forma parte de una superficie (31) de pared de dicho módulo de medición.

6. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el caudalímetro comprende un módulo de medición (33) adaptado para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana se dispone en una superficie interior de dicho módulo de medición.

7. Un caudalímetro másico según la reivindicación 5 ó 6,

caracterizado porque el módulo de medición (26, 33) comprende una cavidad en la que emanan una abertura de alimentación (29, 36) y una abertura de drenaje (30, 37) para el fluido que fluye, en dicha cavidad se dispone la superficie de detección.

8. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el caudalímetro comprende una línea de medición (19) adaptada para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana (20) está suspendida dentro de dicha línea de medición (19).

9. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque el caudalímetro comprende una línea de medición (24) adaptada para permitir que un fluido fluya a través, y porque la membrana (25) se sujeta contra la pared exterior de dicha línea de medición (24) a fin de estar en contacto de intercambio de calor con ella.

10. Un caudalímetro másico según la reivindicación 1,

caracterizado porque la membrana se hace de un material que es un mal conductor térmico y tiene un espesor de entre 1 y 100 micras.

11. Un caudalímetro másico según la reivindicación 10,

caracterizado porque comprende además un sustrato que tiene un espesor superior a dicha membrana y está hecho de un material que tiene una conductividad térmica mayor que la de dicha membrana, y que tiene un agujero sobre el que se coloca dicha membrana, y porque los medios de sensor de temperatura comprenden dos termopilas formadas en dicha membrana en lados respectivos de los elementos de calentamiento con sus uniones calientes por encima del agujero y sus uniones frías por encima de la membrana.

12. Un caudalímetro másico según la reivindicación 11,

caracterizado porque los elementos calentadores se colocan en relación separada y en paralelos entre sí en el centro de la membrana.