ES2950773T3 - Sensor y sistema - Google Patents
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Abstract
Un sensor (100,300), que comprende: un objeto metálico (101,301); una pila de películas delgadas (102,302) formada en al menos una parte de una superficie del objeto metálico, en donde la pila de películas delgadas comprende: una película eléctricamente aislante (103,303); una película metálica sobre la película eléctricamente aislante, en donde un primer conductor eléctrico (104,304) está definido en la película metálica, en donde la película metálica está compuesta de una aleación metálica diferente a la del objeto metálico, en donde el primer conductor eléctrico está aislado eléctricamente del objeto metálico por medio de la película eléctricamente aislada, en donde el primer conductor eléctrico comprende: en un primer extremo (106,306) un punto de conexión (108,308) conectado a un primer terminal (W0) a través de un cable; y en un segundo extremo (107,307) una estructura sensora (110,310) definida en la película metálica, comprendiendo dicha estructura sensora: una unión (105,305) de la película metálica que penetra la película eléctricamente aislante hasta el objeto metálico, mediante lo cual se forma un termopar; un terminal de objeto metálico (W1) conectado a un punto de conexión (109,309) del objeto metálico a través de un cable, en donde el punto de conexión (108,308) del primer conductor eléctrico y el punto de conexión (109,309) del objeto metálico están configurados para ser adyacentes entre sí y en una relación isotérmica entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor y sistema
Campo técnico
La presente divulgación se refiere al campo de los sensores, y más particularmente al campo de los sensores de película delgada sobre sustratos metálicos.
Antecedentes
Dentro de la técnica de las mediciones de temperatura existen dos tipos principales de sensores de temperatura. El primer tipo de sensor de temperatura es el tipo de resistencia en el que el cambio de resistencia de un material está relacionado con la temperatura por medio de datos tabulares o por un modelo matemático. El segundo tipo de sensor de temperatura es el termopar, que consiste en detectar un pequeño voltaje generado en una unión entre dos metales diferentes debido al efecto Seebeck. Este pequeño voltaje se usa entonces, junto con datos tabulares o una ecuación matemática, para derivar la temperatura medida. Un sensor típico del primer tipo es un sensor PT-100, que es un hilo de platino dispuesto sobre un sustrato cerámico. Un ejemplo del segundo tipo es un termopar de tipo K, que utiliza una unión soldada entre un hilo de cromo y un hilo de aluminio como un sensor de temperatura al que se conecta un voltímetro muy preciso, el voltaje medido se usa a continuación para determinar la temperatura detectada. utilizando ya sean datos tabulares o un modelo matemático. Se conoce un sensor de termopar, por ejemplo, por la memoria descriptiva JPS541676 A, que describe un procedimiento para medir la temperatura de superficies metálicas con alta precisión ha ciendo uso de la fuerza termoelectromotriz generada por metales diferentes, que comprende: abrir un orificio en la cara de medición de la temperatura superficial de un metal (1), aislar las superficies del orificio (película de óxido de níquel 5), insertar un hilo metálico (2) metálico diferente (plata) sobre el mismo, formando el extremo del hilo metálico (2) en película delgada (4) y acoplar la citada película delgada (4) al metal (1), formando de esta manera un termopar.
Ambos tipos de sensores utilizan al menos dos hilos para la conexión a la electrónica de acondicionamiento de seña les. Esto hace que una gran cantidad de hilos se enruten y conecten, especialmente si se utilizan varios sensores.
En las mediciones de galgas extensométricas, a menudo se usa una configuración de puente para mitigar el efecto de la temperatura sobre la galga extensométrica. En la práctica, esta solución utiliza una primera galga extensométrica configurada para detectar la tensión en un objeto de prueba, una segunda galga extensométrica está dispuesta de tal manera que la segunda galga extensométrica experimenta la misma temperatura que la primera galga extensiométrica, pero sin tensión. Por lo tanto, si las galgas extensométricas primera y segunda están dispuestas en una primera rama del puente, el puente está compensado en temperatura. Si es imposible colocar la segunda galga extensométrica en el objeto de prueba de manera que la segunda galga extensométrica esté libre de tensión, la tensión medida por la primera galga extensométrica debe compensarse restando la tensión causada por la expansión térmica del sensor y la tensión causada por el cambio de resistencia debido al cambio de temperatura. Mediante un conocimiento preciso de la temperatura de la galga extensiométrica, estas contribuciones a la tensión pueden calcularse y restarse. Por lo tanto, es de gran importancia poder medir con precisión la temperatura de la galga extensométrica y, en la práctica, esto puede ser muy difícil, ya que la galga extensométrica a menudo es muy pequeña y es muy difícil colocar un sensor de temperatura cerca de los hilos sensores de la galga extensiométrica. Se conoce un sensor de tensión con compensación de temperatura, por ejemplo en la memoria descriptiva US2930224 A, que describe la compensación de temperatura de una galga extensiométrica resistiva que comprende un filamento resistivo sensible a la tensión (10) y un termopar adyacente (unión caliente 14 unión fría 23).
Por lo tanto, existe un gran interés en un sensor de temperatura que sea posible integrar en un sensor de tensión
Por lo tanto, es de gran interés reducir el número de hilos utilizados para conectar el sensor.
También hay un gran interés en un sensor de temperatura que se pueda integrar en un sensor de tensión con un número reducido de hilos de conexión. Un aspecto de la presente descripción es proporcionar una solución que evite o mitigue al menos el problema descrito en la presente memoria descriptiva más arriba.
Un aspecto adicional de la presente descripción es proporcionar un sensor mejorado.
Sumario
Por lo tanto, la presente descripción proporciona un sensor que requiere un número menor de hilos de conexión. Además, la presente divulgación también proporciona un sensor con un número reducido de hilos de conexión que pueden integrarse con un sensor de tensión.
Por lo tanto, la invención reivindicada se refiere a un sensor que comprende:
un objeto metálico; una pila de películas delgadas formada en al menos una parte de una superficie del objeto metálico, en la que la pila de películas delgadas comprende: una película eléctricamente aislante; una película metálica sobre la película eléctricamente aislante, en la que un primer conductor eléctrico está definido en la película metálica, en la que la película metálica está compuesta por una aleación metálica diferente a la del objeto metálico, en la que el primer
conductor eléctrico está eléctricamente aislado del objeto metálico por medio de la película aislante eléctricamente, en la que el primer conductor eléctrico comprende: en un primer extremo un punto de conexión conectado a un primer terminal por medio de un hilo; y en un segundo extremo una estructura sensora definida en la película metálica, com prendiendo la citada estructura sensora: una unión de la película metálica que penetra en la película eléctricamente aislante hasta el objeto metálico, por lo que se forma un termopar; un terminal de objeto metálico conectado a un punto de conexión del objeto metálico por medio de un hilo, en la que el punto de conexión del primer conductor eléctrico y el punto de conexión del objeto metálico están configurados para ser adyacentes uno al otro y en una relación isotér mica entre ellos.
De acuerdo con la invención reivindicada, el sensor tal como se ha definido en la presente memoria descriptiva más arriba, se caracteriza por que el citado sensor también comprende:
un segundo conductor eléctrico definido en la película metálica, en el que el segundo conductor eléctrico comprende un punto de conexión en el primer extremo; y en el que el área del sensor comprende además una parte sensible a la tensión, entre un primer extremo y un segundo extremo, y en el que el área del sensor está configurada para cambiar la resistencia dependiendo de una tensión mecánica aplicada del objeto metálico, en el que el primer extremo la parte del sensor sensible a la tensión está conectado al primer conductor eléctrico, y el segundo extremo de la parte sensible a la tensión está conectado al segundo conductor eléctrico; y el punto de unión está configurado para detectar la temperatura de la parte sensible a la tensión.
El punto de unión del sensor como se define en la presente memoria descriptiva más arriba o en la presente memoria descriptiva y a continuación puede estar formado en la parte sensible a la tensión.
El objeto metálico, tal como se explica en la presente memoria descriptiva, puede ser un tubo o una tira metálicos. La película metálica, como se explica en la presente memoria descriptiva, puede seleccionarse de un metal o de una aleación metálica, por ejemplo, pero sin limitarse a, una aleación de níquel-cromo.
Con la frase "la película metálica está compuesta por una aleación metálico diferente a la del objeto metálico" se quiere decir que los metales o aleaciones metálicas de los que está compuesto el objeto metálico o la película metálica no deben tener rangos idénticos de todos los elementos de aleación contenidos en los mismos, puesto que las aleaciones deben diferir en composición para sintetizar un sensor de termopar que funcione.
De acuerdo con la presente invención, solo se necesita un material metálico para formar el sensor de termopar. Esto se debe a que el objeto como tal es metálico y, por lo tanto, solo se necesita un material metálico adicional para formar un termopar. La película eléctricamente aislante, como se analiza en la presente memoria descriptiva, puede selec cionarse entre un óxido o un nitruro metálicos. Esto permitirá la selección de una película eléctricamente aislante con una capacidad calorífica similar a la del objeto metálico, lo que permitirá una mínima diferencia de temperatura entre la superficie del objeto metálico y la película eléctricamente aislante.
La revelación también se refiere a un sistema sensor para detectar la tensión y la temperatura de un objeto metálico, que se caracteriza por que comprende: un sensor de acuerdo con las realizaciones descritas en la presente memoria descriptiva; un detector de temperatura de unión fría configurado para detectar la temperatura isotérmica de los puntos de conexión del primer conductor eléctrico y el objeto metálico; un circuito de temperatura conectado al primer terminal y al terminal del objeto metálico y configurado para medir la temperatura de la unión, en la que el circuito de tempera tura está conectado además al detector de temperatura de la unión fría para compensar la temperatura de la unión fría de los puntos de conexión; un circuito de tensión conectado al primer terminal y al segundo terminal para determi nar la tensión basándose en el cambio de resistencia de la parte sensible a la tensión; y un circuito de cálculo conec tado al circuito de temperatura y al circuito de tensión, en la que el circuito de cálculo está configurado para determinar la tensión provocada por la tensión mecánica sobre el objeto metálico y la tensión inducida por la temperatura del objeto metálico.
Lista de dibujos
A continuación, se describe(n) la(s) realización(es) de acuerdo con esta revelación con referencia a los dibujos, en los que:
la figura 1 es una vista tridimensional de un sensor de acuerdo con una realización de la presente descripción, que no forma parte de la invención reivindicada,
la figura 2 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A' de la figura 1, que muestra una sección transversal del sensor de acuerdo con la realización que se describe en la figura 1,
la figura 3 es una vista tridimensional de un sensor de acuerdo con una realización de acuerdo con la invención reivindicada,
la figura 4 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A' de la figura 3, que revela una sección transversal del sensor de acuerdo con la realización revelada en la figura 3, y
la figura 5 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
Descripción detallada de realizaciones
La figura 1 muestra un sensor, generalmente designado como 100, que no forma parte de la invención reivindicada, que comprende: un objeto metálico 101; una pila de películas delgadas 102 formada en al menos una parte de una superficie del objeto metálico, en la que la pila de películas delgadas comprende: una película eléctricamente aislante 103; una película metálica sobre la película eléctricamente aislante, en la que se define un primer conductor eléctrico 104 en la película metálica, en la que la película metálica está compuesta por una aleación metálica diferente a la del objeto metálico, en la que el primer conductor eléctrico 104 está eléctricamente aislado del objeto metálico 101 por medio de la película eléctricamente aislante 103, en la que el primer conductor eléctrico 104 comprende: en un primer extremo 106 un punto de conexión 108 conectado a un primer terminal W0 por medio de un hilo; y en un segundo extremo 107 una estructura sensora 110 definida en la película metálica, comprendiendo la citada estructura sensora: una unión 105 de la película metálica, penetra la película eléctricamente aislante hasta el objeto metálico, por lo que se forma un termopar; un terminal de objeto metálico W1 conectado a un punto de conexión 109 del objeto metálico por medio de un hilo, en la que el punto de conexión 108 del primer conductor eléctrico y el punto de conexión 109 del objeto metálico están configurados para ser adyacentes uno al otro y en una relación isotérmica de uno con el otro. La unión 105 podrá medir la temperatura del proceso dentro del tubo de manera muy precisa ya que la unión está cerca del interior del tubo, por lo que la unión solo se verá afectada por un gradiente térmico dictado por el grosor de la pared del tubo y no se verá afectado por la conductividad térmica de una capa eléctricamente aislante.
El punto de conexión 108 del primer conductor eléctrico y el punto de conexión 109 del objeto metálico tienen la misma temperatura debido a su relación isotérmica. Esto significa que si se mide la temperatura de los puntos de conexión se puede realizar una compensación de la unión fría restando la temperatura de los puntos de conexión de la tempe ratura medida para calcular la temperatura de la unión 105. Con el fin de conseguir una relación isotérmica puede ser necesario cierto aislamiento además de disponer los puntos de conexión lo más cerca posible unos de los otros.
La figura 2 describe una vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A' en la figura 1 de la estructura 110 del sensor. La figura 2 muestra el objeto metálico 101 sobre el que se forma la pila de películas delgadas 102. La pila de películas delgadas comprende una película eléctricamente aislante 103 que preferiblemente es un óxido o un nitruro metálicos. Sobre la película eléctricamente aislante 103 se forma una película metálica 104 y en una unión 105 la película metálica penetra en la película eléctricamente aislante y entra en contacto con el objeto metálico. La película metálica podría ser de una aleación de cromo-níquel. De esta manera, se forma un termopar entre el objeto metálico y la película metálica. Los conectores al termopar están formados por el primer conector eléctrico y el objeto metálico.
En la figura 1, el objeto metálico es un tubo metálico sobre el que se forma directamente la pila de películas delgadas 102 por medio, por ejemplo, de pulverización térmica, evaporación o pulverización catódica. Esto significa que la pila de películas delgadas se adherirá al objeto metálico sin el uso de un adhesivo. La superficie del objeto metálico puede tener que ser rugosa para promover la adherencia de la pila de películas delgadas. Este desbaste se puede realizar mediante chorro de arena o esmerilado, por ejemplo.
La figura 3 describe una realización de un sensor 300 de acuerdo con la invención reivindicada. El sensor comprende: un objeto metálico 301; una pila de películas delgadas 302 formada en al menos una parte de una superficie del objeto metálico, en la que la pila de películas delgadas comprende: una película eléctricamente aislante 303; una película metálica sobre la película eléctricamente aislante, en la que se define un primer conductor eléctrico 304 en la película metálica, en la que la película metálica está compuesta por una aleación metálica diferente a la del objeto metálico, en la que el primer conductor eléctrico está eléctricamente aislado del objeto metálico por medio de la película aislante eléctricamente, en la que el primer conductor eléctrico comprende: en un primer extremo 306 un punto de conexión 308 conectado a un primer terminal W0 por medio de un hilo; y en un segundo extremo 307, una estructura sensora 310 definida en la película metálica, comprendiendo la citada estructura sensora: una unión 305 de la película metálica que penetra en la película eléctricamente aislante hasta el objeto metálico, por lo que se forma un termopar; un terminal de objeto metálico W1 conectado a un punto de conexión 309 del objeto metálico por medio de un hilo, en la que el punto de conexión 308 del primer conductor eléctrico y el punto de conexión 309 del objeto metálico están configurados para ser adyacentes uno al otro y en una relación isotérmica de uno con el otro.
El sensor 300 descrito en la figura 3 de acuerdo con la invención reivindicada difiere de la realización descrita con referencia a la figura 1 que no forma parte de la invención reivindicada, en que también comprende: un segundo conductor eléctrico 311 definido en la película metálica, en la que el segundo conductor eléctrico comprende un punto de conexión 312 en el primer extremo 306; y en que el área del sensor 310 comprende además una parte sensible a la tensión, entre un primer extremo 314 y un segundo extremo 313, y la citada área del sensor 310 está configurada para cambiar la resistencia dependiendo de una tensión mecánica aplicada del objeto metálico 301, en la que el primer el extremo 314 de la parte sensible a la tensión está conectado al primer conductor eléctrico 304, y el segundo extremo 313 de la parte sensible a la tensión está conectado al segundo conductor eléctrico 311; y el punto de unión 305 está configurado para detectar la temperatura de la parte sensible a la tensión.
La figura 4 muestra una vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A' en la figura 3 de la estructura del sensor
310. La vista en sección transversal de la figura 4 muestra la estructura del sensor 310, que comprende un primer conductor sensible a la tensión 401 definido en la película metálica. El primer conductor sensible a la tensión 401 está conectado al primer extremo 314. La estructura del sensor 310 comprende además un segundo conductor sensible a la tensión 402 conectado al segundo extremo 313. La estructura del sensor comprende además un tercer conductor sensible a la tensión 403 conectado al primer y al segundo conductor sensible a la tensión 401,402. El tercer conductor sensible a la tensión 403 también está definido por la película metálica y penetra en la película eléctricamente aislante en una unión 305 entre la película y el objeto metálicos. Esta unión 305 puede formarse mediante grabado con láser. El punto de unión 305 se forma de esta manera en la parte sensible a la tensión.
El objeto metálico es un tubo metálico o una tira metálica.
La película metálica se puede seleccionar de una aleación de níquel-cromo.
La película eléctricamente aislante se puede seleccionar de un óxido o un nitruro metálicos.
La figura 5 describe un sistema sensor, generalmente designado como 500, para detectar la tensión y la temperatura de un objeto metálico. El sistema sensor comprende un sensor 300 de acuerdo con las realizaciones descritas en la presente memoria descriptiva más arriba, un detector de temperatura de unión fría 501 configurado para detectar la temperatura isotérmica de los puntos de conexión 308, 309 del primer conductor eléctrico y el objeto metálico. El sistema sensor comprende además un circuito de temperatura 502 conectado al primer terminal W0 y al terminal de objeto metálico W1 y configurado para medir la temperatura de la unión. El circuito de temperatura está conectado además al detector de temperatura de unión fría para compensar la temperatura de unión fría de los puntos de cone xión 308,309. El sistema sensor comprende además un circuito de tensión 503 conectado al primer terminal W0 y al segundo terminal W2 para determinar la tensión en función del cambio de resistencia de la parte sensible a la tensión, y un circuito de cálculo 503 conectado al circuito de temperatura 502 y al circuito de tensión 503. El circuito de cálculo está configurado para determinar la tensión provocada por la tensión mecánica sobre el objeto metálico y la tensión inducida por la temperatura del objeto metálico.
Claims (5)
1. Un sensor (300) que comprende:
un objeto metálico (301);
una pila de películas delgadas (302) formada en al menos una parte de una superficie del objeto metálico, en la que la pila de películas delgadas comprende:
una película eléctricamente aislante (303);
una película metálica sobre la película eléctricamente aislante, en la que un primer conductor eléctrico (304) está definido en la película metálica, en la que la película metálica está compuesta por una aleación metálica diferente a la del objeto metálico (301),
en la que el primer conductor eléctrico (304) está aislado eléctricamente del objeto metálico (301) por medio de la película aislante eléctricamente (303), en la que el primer conductor eléctrico (304) comprende: en un primer extremo (306) un punto de conexión (308) conectado a un primer terminal (W0) por medio de un hilo; y en un segundo extremo (307) una estructura sensora (310) definida en la película metálica, compren diendo la citada estructura sensora (310):
una unión (305) de la película metálica que penetra en la película eléctricamente aislante (303) hasta el objeto metálico (301), por lo que se forma un termopar; un terminal de objeto metálico (W1) conectado a un punto de conexión (309) del objeto metálico (301) por medio de un hilo, en la que el punto de conexión (308) del primer conductor eléctrico (304) y el punto de conexión (309) de los objetos metálicos (301) están configurados para ser adyacentes entre sí y en una relación isotérmica entre sí,
comprendiendo también el citado sensor (300):
un segundo conductor eléctrico (311) definido en la película metálica,
en la que el segundo conductor eléctrico (311) comprende un punto de conexión (312) en el primer extremo (306); y donde el área del sensor (310) comprende además una parte sensible a la tensión, entre un primer extremo (314) y un segundo extremo (313), y la citada área del sensor (310) está configurada para cambiar la resistencia dependiendo de una tensión mecánica aplicada del objeto metálico (301), en la que el primer ex tremo (314) de la parte sensible a la tensión está conectado al primer conductor eléctrico (304), y el segundo extremo (313) de la parte sensible a la tensión está conectado al segundo conductor eléctrico (311); y el punto de unión (305) está configurado para detectar la temperatura de la parte sensible a la tensión.
2. El sensor (300) de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza por que el punto de unión (305) está formado en la parte sensible a la tensión.
3. El sensor (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por que el objeto metálico (301) es un tubo metálico, o una tira metálica.
4. El sensor (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por que la pelí cula eléctricamente aislante (303) es un óxido metálico o un nitruro metálico.
5. Un sistema sensor (500) para detectar la tensión y la temperatura de un objeto metálico (301), que se caracteriza por que comprende:
un sensor (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4;
un detector de temperatura de unión fría (501) configurado para un detector de temperatura de unión fría (501) configurado para detectar la temperatura isotérmica de los puntos de conexión (308, 309) del primer conductor eléctrico y del objeto metálico;
un circuito de temperatura (502) conectado al primer terminal (W0) y al terminal del objeto metálico (W1) y configurado para medir la temperatura de la unión, en la que el circuito de temperatura está conectado además al detector de temperatura de la unión fría (501) para compensar la temperatura de la unión fría de los puntos de conexión (308, 309);
un circuito de tensión (503) conectado al primer terminal (W0) y al segundo terminal (W2) para determinar la tensión basándose en el cambio de resistencia de la parte sensible a la tensión; y
un circuito de cálculo (503) conectado al circuito de temperatura (502) y al circuito de tensión (503), en la que el circuito de cálculo (503) está configurado para determinar la tensión causada por la tensión mecánica sobre el objeto metálico (301) y la tensión inducida por la temperatura del objeto metálico (301).
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