ES2296365T3 - Dispositivo medidor del flujo de un medio. - Google Patents
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO PARA MEDIR EL CAUDAL DE UN MEDIO, POR EJEMPLO UN MEDIO GASEOSO O UN MEDIO FLUIDO, DISPOSITIVO QUE ESTA BASADO EN MEDIR Y QUE AFECTA LA DISTRIBUCION DE TEMPERATURA DE UN MEDIO QUE FLUYE A LO LARGO DEL MISMO, DETECTOR DE CAUDAL QUE COMPRENDE DOS OBJETOS, CADA UNO DE LOS CUALES COMPRENDE UN ELEMENTO CALEFACTOR Y UN DETECTOR DE TEMPERATURA, LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIDA SE MANTIENE, MEDIANTE UN BUCLE DE CONTROL, AL VALOR DE CERO, LA ASIMETRIA DE LA FUENTE DE ALIMENTACION A LOS OBJETOS, CON EL FIN DE CUMPLIR EL CRITERIO ANTES INDICADO, DE ACUERDO CON EL CUAL LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA DEBE SER CERO, QUE ES REPRESENTATIVO DEL VALOR QUE VA A MEDIRSE DEL CAUDAL DEL MEDIO, TENIENDO EN CUENTA LOS PARAMETROS ASOCIADOS CON EL MEDIO TALES COMO LA DENSIDAD Y EL CALOR ESPECIFICO.
Description
Dispositivo medidor del flujo de un medio.
La presente invención se refiere a técnicas de
medición de flujos de gases y/o fluidos que utilizan efectos
térmicos. La convección juega aquí su papel: un medio en movimiento
arrastra calor (energía) por medio de su propia capacidad
térmica.
Un sensor conocido, en el que se utiliza dicha
propiedad, es el anemómetro. Por regla general, la realización de
dicho dispositivo de medición consiste en uno o más objetos que son
calentados por una energía disipada específica y en que el flujo
afecta a la temperatura resultante de dicho objeto. Dicha
temperatura resultante es una medida del flujo. Dicha realización y
dicho método se denominan "Anemometría de Potencia Constante"
o simplemente método CPA. Asimismo, dichos objetos pueden mantenerse
a una diferencia de temperatura constante con respecto a una
temperatura de referencia, y puede medirse qué energía se requiere
disipar para ese fin. Dicha realización y dicho método se denominan
"Anemometría de Temperatura Constante" o simplemente método
CTA.
Aparte de esto, los dispositivos de medición
basados en efectos térmicos pueden dividirse (mecánica o
fluidicamente) en tres tipos:
- 1
- dispositivos en los que el objeto está totalmente envuelto por el medio, como se describe en la patente de EE. UU. número 4651564 (R1, 1987) y en [R2, 1993];
- 2
- dispositivos en los que los objetos no están por todos los lados en contacto con el medio, como se describe a fondo en [R3, 1995]; y
- 3
- dispositivos en los que el objeto, al contrario que en (1), envuelve el medio (el medio fluye a través de un dispositivo tubular - el objeto), como se describe en la patente de EE. UU número 5036701 [R4, 1990].
Los dispositivos de medición conocidos de
"anemometría de alambre caliente" son del tipo (1), [R5,
1995].
Un ejemplo de dicho tipo es también el método y
dispositivo descritos en [R1, 1993], en que la energía disipada en
el objeto se mantiene constante (CPA), y en que se considera
entonces la temperatura (distribución) alrededor del objeto
mencionado antes.
La invención se refiere al control de la
temperatura de objetos que están en interacción térmica con el
ambiente. Esto se consigue por medio de un dispositivo de medición
de flujo según las reivindicaciones 1 y 2, respectivamente. Para
respaldar la memoria descriptiva de la presente invención, se
investiga en primer lugar el llamado equilibrio térmico de un
objeto.
El comportamiento de un objeto (que tenga en él,
por ejemplo, un sensor de temperatura y/o un elemento de
calentamiento) en interacción térmica con el ambiente puede ser
estudiado considerando el equilibrio térmico de dicho objeto.
El equilibrio térmico se refiere a la
circunstancia de que el aumento del calor Q (dimensión de energía)
almacenado en el objeto es igual al calor que le es transmitido
(P_{in}) o generado dentro del objeto (P_{gen}), menos el
calor disipado (P_{out}) y absorbido dentro del objeto
(P_{abs}):
Por razones de claridad en la descripción que
sigue, se supone que la absorción interna de calor (por ejemplo,
tal como la absorción por medio de una reacción química interna o
una transición de fase) es igual a cero (P_{abs}=0).
La capacidad térmica del objeto (C_{obj})
determina la relación entre el calor (energía) almacenado y la
temperatura de dicho objeto (T_{obj}):
El equilibrio térmico de un objeto se convierte
entonces en:
con
Dicha última fórmula o ecuación diferencial para
T_{obj} puede escribirse en forma de una integral:
Un objeto está en equilibrio con el ambiente si
T_{obj} = constante (no depende ya del tiempo). Por consiguiente,
a dicho objeto se aplica lo siguiente:
De esto, resulta evidente que para una situación
en la que la temperatura del objeto (T_{obj}) es constante,
existe un equilibrio entre la energía internamente generada
P_{gen} y las energías entrante y saliente P_{inout}.
La temperatura de un objeto que esté en
interacción térmica con el ambiente que tiene un medio fluyente, en
equilibrio, puede expresarse de la manera siguiente:
en que T_{obj} es la temperatura
del objeto, T_{m} es la temperatura del medio y del ambiente,
P_{gen} es el calor generado dentro del objeto, A es una
constante que representa la conducción de calor desde el objeto al
ambiente, B es una constante que representa la influencia de la
convección del medio sobre la temperatura del objeto, y vis
es el caudal del
medio.
En este caso, se distinguen cuatro apartados de
interés:
- 1
\;
- - Para P_{gen}, A, B y v dados y fijos la temperatura (absoluta) del objeto es directamente proporcional a la temperatura T_{m} del medio.
- 2
\;
- - Para A, B y v dados y fijos, la diferencia de temperatura T_{obj}-T_{m} es proporcional al calor internamente generado P_{gen}:
- 3
\;
- - La constante de proporcionalidad se llama "sensibilidad de flujo" del objeto:
- 4
\;
- - Solamente el tamaño del flujo afecta a la temperatura y no al signo (sentido positivo o negativo).
En la figura 1 se da una sección transversal de
un dispositivo de medición de flujo. El medio fluye a través de un
dispositivo tubular (1-1). El objeto O_{1} en
consideración (1-2) está rodeado por el medio.
En la figura 2 se da la temperatura local (del
medio) alrededor del objeto (con respecto a T_{m} = temperatura
del medio ambiental) en función de la posición. El objeto estaba en
la posición x=0. La energía disipada (P_{gen}) en el objeto es
constante (método CPA).
En la figura 3 se da la temperatura del objeto
con respecto al medio T_{m} en función del flujo que tiene un
diseño como se muestra en la figura 1. En la figura 3 se sabe que
con un objeto en el modo CTA no puede medirse ningún sentido de
flujo.
En la figura 4 se da la temperatura local
alrededor del objeto en función de la posición para un dispositivo
tal como el esbozado en la figura 6. La energía disipada
(P_{gen}) en el objeto es controlada de tal manera que la
diferencia de temperatura entre el objeto y la temperatura del
medio es constante (método CTA). Para conseguir esto, se requiere
que la temperatura del medio sea medida con un sensor adicional de
temperatura (para este fin, véase la figura 6).
En la figura 5 se da la energía P_{gen}
requerida para controlar el objeto a una temperatura fija con
respecto al medio. A una temperatura absoluta fija del objeto,
P_{gen} es una función de la temperatura del medio. En la figura
6 se esboza el dispositivo de medición.
En la figura 6 se da una sección transversal de
un dispositivo de medición de flujo. El medio fluye a través de un
dispositivo tubular (6-1). El objeto O_{1} en
consideración (6-2) está rodeado por el medio. La
temperatura del medio se mide utilizando un sensor S_{2}
(6-3).
En la figura 7 se da una sección transversal de
un dispositivo de medición de flujo que tiene dos objetos. El medio
fluye a través de un dispositivo tubular (7-1). El
medio rodea dos objetos O_{1} (7-2) y O_{2}
(7-3).
En la figura 8 se esboza la diferencia de
temperatura entre los dos objetos O_{1} (7-2) y
O_{2} (7-3) en función del flujo del medio.
En la figura 9 se da una sección transversal de
un dispositivo de medición de flujo. El medio fluye a través de un
dispositivo tubular (9-1). En el tubo, el medio
rodea tres objetos O_{1} (9-2), O_{2}
(9-4) y O_{3} (9-3).
En la figura 10 se da la temperatura de los tres
objetos - T_{1} para O_{1}, T_{2} para O_{2} y T_{3}
para O_{3} (siempre con respecto a la temperatura del medio) - en
función del flujo del medio. En la figura 9 se da el dispositivo de
medición. El objeto O_{1} (9-2) es calentado con
una energía constante P_{gen}. El objeto O_{2}
(9-4) y el objeto O_{3} (9-3) no
son calentados.
En la figura 11 se da la diferencia de
temperatura de los objetos O_{2} (en T_{2}) y O_{3} (en
T_{3}) en función del flujo del medio. El objeto O_{1} se da
con una energía constante (objeto O_{1} en el modo CPA).
En la figura 12 se indica la temperatura para
tres objetos en un dispositivo de medición tal como el esbozado en
la figura 9. El objeto O_{1} (9-2) es calentado
con una energía (P_{gen}) tal que la temperatura T_{1} del
objeto O_{1} (9-2) es mantenida a un valor
constante sobre la del medio. Una vez más, se requiere un sensor
adicional que no se muestra aquí en la figura. El objeto O_{2}
(9-4) y el objeto O_{3} (9-3) no
son calentados directamente.
En la figura 13 se muestra la diferencia de
temperatura entre los dos objetos O_{2} (9-4) y
O_{3} (9-3) en función del flujo del medio.
En la figura 14 se muestra un diagrama de
bloques de la invención propiamente dicha. La invención se describe
después a fondo en la memoria descriptiva.
En la figura 15 se da una sección transversal de
un dispositivo de medición de flujo que tiene dos objetos. El medio
fluye a través de un dispositivo tubular (15-1). Los
dos objetos O_{1} (15-2) y O_{2}
(15-3) están rodeados por el medio. La temperatura
del medio puede ser medida utilizando un sensor S_{4}
(15-4).
En la figura 16 se da la distribución de la
temperatura en función de la posición para un dispositivo de
medición tal como el mostrado en la figura 15. Se da la
distribución de la temperatura para cuatro valores del flujo
(Flujo=0, Flujo=v1, Flujo=v2, Flujo=v3). La temperatura de los dos
objetos O_{1} (15-2) y O_{2}
(15-3) es mantenida a una diferencia de temperatura
de T_{1}-T_{2}=0 utilizando un controlador.
En la figura 17 se da la distribución de la
temperatura en función de la posición para un dispositivo de
medición tal como el mostrado en la figura 15. Se da la
distribución de la temperatura para cuatro valores del flujo
(Flujo=0, Flujo=v1, Flujo=v2, Flujo=v3). La temperatura de los dos
objetos O_{1} (15-2) y O_{2}
(15-3) es mantenida a una diferencia de temperatura
de T_{1}-T_{2}=0 utilizando un controlador.
Aparte de esto, la temperatura de los dos objetos es mantenida
también constante con respecto al medio utilizando un sensor
S_{3} (15-4) y un controlador.
En la figura 18, se esboza la relación
P_{1}/(P_{1}+P_{2}) de las energías P_{1}(P_{gen}
del objeto 1) y P_{2}(P_{gen} del objeto 2) que son
producidas como salida por el controlador para mantener la
diferencia de temperatura T_{1}-T_{2} a
cero.
En la figura 19, se esboza la relación
(P_{1}-P_{2})/(P_{1}+P_{2}) de las energías
P_{1}(P_{gen} del objeto 1) y P_{2}(P_{gen}
del objeto 2) que pueden ser obtenidas por el controlador para
mantener la diferencia de temperatura
T_{1}-T_{2} a cero.
En la figura 20, se esboza un dispositivo de
medición que tiene dos objetos en el medio. R1-R2
forman juntos el objeto O_{1} y R3-R4 forman
juntos el objeto O_{2}. Se esboza también un circuito electrónico
que actúa de controlador para ajustar la diferencia de temperatura
T_{1}-T_{2} a cero (como se esboza en la figura
14). La figura es descrita a fondo después en la memoria
descriptiva.
En la figura 21 se da una segunda realización
del circuito eléctrico. Esta figura, se describe también después a
fondo en la memoria descriptiva.
En la figura 22 se da una tercera realización
del circuito eléctrico. Esta figura, se describe también después a
fondo en la memoria descriptiva.
En la figura 23 se da una cuarta realización del
circuito eléctrico. Este contiene un dispositivo para eliminar la
desviación como se indica en la figura 14 utilizando un controlador.
Esta figura, se describe también después a fondo en la memoria
descriptiva.
En la figura 24 se da una quinta realización del
circuito eléctrico. Esta figura, se describe también después a
fondo en la memoria descriptiva.
En la figura 25 se da un dispositivo de medición
que tiene dos objetos, en que el medio fluye ahora a través de los
objetos. Los objetos consisten cada uno en una resistencia
dependiente de la temperatura que es capaz de disipar la energía
P_{gen} del objeto y que al mismo tiempo actúa como sensor de
temperatura del objeto en cuestión. Esta figura se describe también
después a fondo en la memoria descriptiva
En la figura 26, se da un dispositivo de
medición que tiene dos objetos, en que el medio fluye ahora a través
de los objetos. Los objetos consisten cada uno en una resistencia
que es capaz de disipar la energía P_{gen} del objeto. La
diferencia de temperatura entre los dos objetos es medida utilizando
una serie de termopares, o un termopar. Esta figura, se describe
también después a fondo en la memoria descriptiva
En la figura 27 se da una realización especial
del dispositivo de medición mostrado en la figura 25.
En la figura 28 se da una realización especial
de la invención que tiene varios objetos. Una ventaja es la
redundancia incorporada. Si fallara uno de los disipadores y/o
sensores de temperatura, el controlador sería capaz de observar
esto y "desconectar" los objetos en cuestión.
En la figura 29 se da una realización de un
dispositivo de medición en que el medio fluye a través del
objeto.
En la figura 30 se da una realización de un
dispositivo de medición basado en la invención en que el medio
fluye a través de dos objetos.
En la figura 31 se da una realización de un
dispositivo de medición basado en la invención en que el medio
fluye a través de una construcción tubular en la que están situados
los dos objetos anteriormente mencionados.
En la figura 32 se da una realización de un
dispositivo de medición basado en la invención en que el medio
fluye a través de una construcción tubular en la que están situados
los dos objetos anteriormente mencionados que están insertados en
la construcción tubular como una sonda.
En las figuras 33, 34 y 35 se da una realización
de un dispositivo de medición basado en esta invención, en el que
los dos objetos están separados del medio por un delgado tabique.
Los objetos tienen una interacción térmica con el medio.
En la figura 36 (sección transversal) y en la
figura 37 (vista en planta) se da una realización de un medidor de
flujo basado en esta invención, que consiste en una estructura
semiconductora.
La figura 38 muestra una sección transversal a
través de un soporte sintético que tiene en él dos objetos,
comprendiendo cada uno dos elementos de resistencia.
La figura 39a muestra una fotografía de una
realización que tiene dos objetos, cada uno con dos elementos de
resistencia, de conformidad con las figuras 36 y 37.
La figura 39b muestra una fotografía de una
realización que tiene tres objetos, cada uno con un elemento de
resistencia.
En la figura 1 se muestra un esbozo básico de
este tipo de dispositivos de medición de flujo de medio.
Constan de un objeto que está en equilibrio con
el ambiente. Para estos tipos, se utilizan el método CPA (figura 3)
y el método CTA (figura 5).
En el modo CPA, la temperatura del medio afecta
directamente a la temperatura del objeto.
En el modo CTA, la temperatura del medio afecta
directamente a la P_{gen} para mantener constante la temperatura
absoluta del objeto.
En cualquier modo, ya no es posible extraer el
sentido (positivo o negativo) del flujo a partir de la señal de
salida del dispositivo de medición.
Estos son inconvenientes conocidos de este tipo
de dispositivo de medición de flujo.
En la figura 6 se muestra un esbozo básico de
este tipo de dispositivo de medición de flujo de medio. La
temperatura del medio es medida utilizando un sensor adicional.
Para estos tipos, se utilizan una vez más el
método CPA (figura 3) y el método CTA (figura 5).
Para el tipo XX, un inconveniente importante de
los medidores de flujo de este tipo es superado, ya que ahora se
conoce la temperatura del medio.
Ya no es posible extraer el sentido (positivo o
negativo) del flujo a partir de la señal de salida del dispositivo
de medición.
Este es un inconveniente conocido de este tipo
de dispositivo de medición de flujo.
En la figura 7 se muestra un esbozo básico de
este tipo de dispositivo de flujo de medio. Para este tipo, se
utilizan dos objetos.
Ahora, ambos objetos se utilizan como se esbozó
anteriormente esbozado para el tipo X. El uso de este tipo en el
método CPA es conocido. Ahora bien, es posible determinar el sentido
del flujo. Un ejemplo conocido de este tipo es "microflown"
[R6, 1995; R7, 1997]. La señal de salida es función de la diferencia
de temperatura entre los dos objetos. Un inconveniente conocido es
que el punto cero de este tipo de dispositivo de medición depende
fuertemente de la temperatura del medio. Otro inconveniente conocido
es que, para valores de flujo más altos, la diferencia de
temperatura entre los dos objetos disminuye otra vez.
Asimismo, para este tipo se utiliza el método
CTA manteniendo el objeto O_{1} (7-2) a una
diferencia de temperatura constante (que no sea de cero) con el
otro objeto O_{2} (7-3). En este caso, un
inconveniente es que el dispositivo de medición ahora actúa para
flujo en un solo sentido.
Se conoce un dispositivo de medición de flujo
que tiene tres objetos en el medio, como se muestra en la figura 9.
Un ejemplo de este tipo es el dispositivo Lammerink [Re, 1993]. En
este caso, se utilizó el método CPA. En la figura 10 se da la
temperatura en función de la posición. La diferencia de temperatura
entre los dos objetos O_{2} (9-4) y O_{3}
(9-3) es esbozada en la figura 11. La señal de salida es función de la diferencia de temperatura entre dos objetos. Un inconveniente conocido es que el punto cero de este tipo de dispositivo de medición depende fuertemente de la temperatura del medio. Otro inconveniente conocido es que, para valores de flujo más altos, la diferencia de temperatura entre los dos objetos (véase la figura 11) disminuye otra vez.
(9-3) es esbozada en la figura 11. La señal de salida es función de la diferencia de temperatura entre dos objetos. Un inconveniente conocido es que el punto cero de este tipo de dispositivo de medición depende fuertemente de la temperatura del medio. Otro inconveniente conocido es que, para valores de flujo más altos, la diferencia de temperatura entre los dos objetos (véase la figura 11) disminuye otra vez.
El uso del objeto O_{1} (9-2)
en el modo CTA es conocido. La distribución de la temperatura en
función de la posición se parece entonces fuertemente a la mostrada
en la figura 4. En la figura 12 se muestran las temperaturas de los
tres objetos en función del flujo. En la figura 13, se muestra la
diferencia de temperatura entre los objetos O_{2}
(9-4) y O_{3}
(9-3). Un inconveniente conocido es que el punto cero de este tipo de dispositivo de medición depende fuertemente de la temperatura del medio.
(9-3). Un inconveniente conocido es que el punto cero de este tipo de dispositivo de medición depende fuertemente de la temperatura del medio.
Se conoce también el dispositivo de medición
descrito en la patente de EE. UU. número 4651564 [R2, 1987]. En
este dispositivo se utilizaron dos objetos en el medio. Se utilizó
un elemento de calentamiento que se distribuyó entre los dos
objetos. Aparte de esto, ambos objetos tenían una resistencia
dependiente de la temperatura para un sensor de temperatura. Un
inconveniente es que no es posible ajustar la energía disipada en
ambos objetos de manera independiente entre sí.
Se conoce un dispositivo de medición descrito
por Van Putten [R8, R9]. Utilizando una construcción que tiene
varios elementos de resistencia, se mide el flujo en dos direcciones
perpendiculares.
Un inconveniente en este caso es que la energía
disipada en los elementos de calentamiento no puede ajustarse de
manera independiente.
Se conoce un método descrito por Huijsing [R10]
para mantener constante la temperatura de un objeto (modo CTA).
Dicho método puede aplicarse a esta invención para ajustar las
temperaturas de ambos objetos y por ello es un ejemplo de
controlador. Un inconveniente de dicho método es que está acoplado a
una señal de reloj digital y que es un circuito digital llamado
"síncrono".
En la figura 14 se muestra un diagrama de
bloques de la invención propuesta. En la figura 15 se muestra una
realización para la construcción que utiliza dos objetos en una
construcción tubular.
La invención propuesta utiliza dos objetos que
tienen una interacción térmica con su ambiente que es afectado, de
uno u otro modo, por el flujo.
Los objetos tienen cada uno una fuente de
alimentación de calor que utiliza al menos un accionador o
disipador, y los objetos tienen al menos un sensor de temperatura
para medir la temperatura del objeto.
Asimismo, la invención propuesta incluye un
controlador analógico o digital (proporcional o no) que ve que, por
medio de la generación de calor en los disipadores de los objetos,
la temperatura de los objetos es ajustada de tal manera que la
diferencia de temperatura entre ambos objetos resulta ser de
cero.
En otra aplicación, un disipador se refiere a
una fuente de calor que convierte energía eléctrica en calor. Esto
es un nombre funcional y un concepto funcional. La función puede ser
realizada por una "resistencia eléctrica", pero también por un
"elemento activo" tal como, por ejemplo, un transistor, un
elemento bipolar, NPN, PNP, MOST, FET, IGBT, etc., o un diodo, o,
por ejemplo, un elemento Peltier (que tiene la propiedad de un
posible flujo de calor negativo; enfriamiento).
Los objetos tienen cada uno un sensor de
temperatura que se utiliza para medir la temperatura de los objetos.
La medición de la temperatura también está representada como una
función. El vocablo "sensor" es un nombre funcional. El sensor
de temperatura no requiere necesariamente ser una resistencia
(dependiente de la temperatura), sino que puede ser cualquier
elemento que tenga dicha función (se conocen, entre otros, elementos
(semiconductores), tales como resistencias, transistores, elementos
bipolares, MOST, CMOST, IGBT, y otros elementos portadores de carga
mayoritaria/minoritaria, tales como diodos y resistencias). Los
termopares pueden servir también de sensores de temperatura.
La memoria descriptiva detallada de la invención
sigue con referencia a la figura 14. El controlador genera energías
(eléctricas) P_{1} y P_{2}. Dichas energías eléctricas son
convertidas por los disipadores en flujos de calor P_{gen1} y
P_{gen2}. Los objetos tienen cada uno una capacidad térmica por la
que ambos flujos de calor totales ((P_{gen1}+P_{inout1}) y
(P_{gen2}+P_{inout2})) son integrados en las temperaturas
físicas T_{1} y T_{2} de los objetos. Por medio de los flujos de
calor P_{inout1} y P_{inout2}, los objetos tienen su
interacción térmica con el ambiente y con el medio que ha de ser
medido.
Ambas temperaturas de los objetos son medidas
utilizando un sensor1 de temperatura y un sensor2 de temperatura, y
convierten las temperaturas físicas en señales eléctricas.
Substrayendo dichas señales entre sí, se produce la señal eléctrica
T12. A partir de esta señal se forma la señal eléctrica \DeltaT
por medio de un circuito opcional de desviación de calibrado. El
circuito de desviación se describe después a fondo. Por ahora,
suponemos que la desviación de
calibrado = 0.
calibrado = 0.
Como resultado del funcionamiento del
controlador, las temperaturas de los dos objetos se igualarán entre
sí. Esto conduce a distribuciones de temperatura en los alrededores
de los objetos en función de la posición, como se muestra en la
figura 16 y en la figura 17.
Las dos temperaturas de los dos objetos T_{1}
y T_{2} son iguales (o se ajustan para que sean iguales). Para un
flujo específico, los flujos de calor P_{gen1} y P_{gen2} (véase
(F5)) que se requieren para este fin, difieren para los dos
elementos. En caso de un flujo positivo, el objeto2 experimenta un
flujo de un medio que ya está precalentado por el objeto1. La
asimetría en los dos flujos de calor es una medida del flujo.
Aparte de las energías de control P_{1} y P_{2}, el controlador
también suministra una "señal de información" - I_{out} - a
la salida. En la figura 18 se muestra la señal de salida
I_{out}P_{1}(P_{1}+P_{2}). La señal de salida I_{out}=P_{1}-P_{2})/(P_{1}+P_{2}) se muestra en la figura 19.
I_{out}P_{1}(P_{1}+P_{2}). La señal de salida I_{out}=P_{1}-P_{2})/(P_{1}+P_{2}) se muestra en la figura 19.
Una ventaja de la invención descrita es que la
señal de salida eléctrica esbozada en la figura 18 (y en la figura
19) en una primera aproximación es independiente de la energía total
P_{tot}=P_{1}+P_{2} disipada conjuntamente en ambos
objetos.
Inicialmente, la señal de salida asociada con
una CPA (Anemometría de Energía Constante:
P_{tot}=P_{1}+P_{2}=constante, \DeltaT=0; distribución de
la temperatura de la figura 17) es igual a la señal de salida
asociada con CTA (Anemometría de Temperatura Constante
T_{1},T_{2}=constante, \DeltaT=0; distribución de la
temperatura de la figura 17).
En una primera aproximación, la señal de salida
no depende de la temperatura de los objetos, ni de la energía total
disipada en los objetos, sino solamente del flujo de dicho
medio.
Otra ventaja de la invención es que, en el modo
CTA, la sensibilidad de los sensores de temperatura no afecta a la
señal de salida (I_{out}) del controlador.
Un problema bien conocido es el error
sistemático en la señal eléctrica de diferencia de temperatura T12
(véase la figura 14). Dicho error sistemático puede evitarse
utilizando dos termopares o un termopar (véase la figura 26) como
sensor de temperatura (diferencia). Debido a la naturaleza de los
termopares o termopilas, estos no tienen error sistemático de
desviación.
Utilizando este tipo de sensor de temperatura en
la invención propuesta, se obtiene un punto cero "natural"
para el dispositivo de medición de flujo, sin un error
sistemático.
El criterio de control es ajustar la diferencia
de temperatura física entre los dos objetos a cero. En un proceso
de calibrado, llevando el controlador a un modo de calibrado e
igualando al mismo tiempo las dos energías P_{1} y P_{2} a cero
- P_{1}=0,P_{2}=0 - los dos objetos se enfriarán intensamente y,
después de cierto intervalo de tiempo, asumirán la temperatura del
medio y del ambiente y, por tanto, automáticamente se hacen
mutuamente iguales (sin controlador activo), de manera que
T_{1}=T_{2}. Esto se producirá también en un medio -
fluyente.
Después de un período de intenso enfriamiento,
de manera que T_{1}=T_{2}, la señal eléctrica T12 puede ser
medida y la "desviación de calibrado" puede ser realizada de
tal manera que la señal eléctrica \DeltaT=0. Después de la fase
de calibrado, dicho valor de "desviación de calibrado" puede
ser utilizado como compensación del error sistemático de los
sensores de temperatura.
Como el controlador es capaz de reponer
\DeltaT a cero, resulta también evidente cuando este objetivo no
se alcanza. El alcance o no del objetivo directamente impuesto
constituye un criterio para la operación de la medición de flujo, y
esta información puede utilizarse como tal.
Deberá hacerse notar que las señales de salida,
trazadas en la figura 18 y en la figura 19, dependen en parte de
diversos parámetros asociados con el medio, tales como la densidad
del medio, el calor específico del medio y el caudal.
La invención incluye diversas realizaciones
relativas al circuito eléctrico y al controlador, así como también
la construcción de los objetos relativos al medio fluyente.
En primer lugar, se describirán siete
realizaciones eléctricas de la invención con referencia a las
figuras 20 a 26, inclusive.
En la figura 24 se muestra una realización
genérica de la invención. En este caso, se utilizan como objetos
dos resistencias dependientes de la temperatura. Los objetos están
rodeados por el medio fluyente. Aplicando las corrientes eléctricas
I_{1}, I_{2} y midiendo las tensiones resultantes V_{1},
V_{2}, el controlador conoce las energías
(P_{gen1}=I_{1}*V_{1}) y (P_{gen2}=I_{2}*V_{2})
disipadas y generadas en los dos objetos. El controlador conoce
también la temperatura de los dos objetos determinando
simultáneamente V_{1}/I_{1}=R_{1} y
V_{2}/I_{2}=R_{2}.
En el controlador, puede haberse implementado
también un proceso de calibrado con la finalidad de, durante dicho
proceso, detener el controlador, reponer las energías P_{1} y
P_{2}, detectar el error sistemático y grabarlo por medio de un
valor de desviación de calibrado.
Está dibujado un controlador digital
(proporcional o no) que tiene dos convertidores analógico/digital y
dos convertidores digital/analógico. Los controladores propuestos
pueden también haberse diseñado de manera análoga, eliminándose
entonces los cuatro convertidores citados.
En las figuras 20 a 23, inclusive, se dan
realizaciones de la invención, siendo controlada la diferencia de
temperatura de dos objetos en un flujo de medio. Los objetos
consisten siempre en una combinación de dos elementos de
resistencia que están en contacto térmico íntimo entre sí. La
resistencia R1 y la resistencia R2 junto con su conexión térmica
íntima constituyen un objeto que es considerado como el objeto
R1#R2, y las resistencias R3 y R4 constituyen juntas un objeto que
es considerado como el objeto R3#R4.
Debido a la naturaleza de la realización de los
circuitos eléctricos mostrados en las figuras 20 a 23, inclusive,
dichos circuitos comienzan automáticamente a oscilar con su propia
frecuencia específica llamada de rueda libre o incontrolada.
Las resistencias R2 y R3 dependientes de la
temperatura, que actúan como sensores de temperatura de los objetos
R1#R2 y R3#R4, siempre se incluyen en un circuito en puente. Las
resistencias tienen un coeficiente de temperatura positivo.
La resistencia R1 constituye el disipador del
objeto R1#R2 y la resistencia R4 constituye el disipador del objeto
R3#R4. Por medio de un comparador, se averigua la señal de salida
del mencionado circuito en puente, y se determina si el objeto
R1#R2 tiene una temperatura más alta o más baja que el objeto R3#R4.
Si el objeto R1#R2 tiene una temperatura más alta que el objeto
R3#R4, la salida del comparador será "baja", y por medio del
convertidor la entrada del interruptor electrónico Q2 será
"alta" y se abrirá. Debido a esto, la resistencia R4 comenzará
a disipar hasta que se invierta la señal de salida del puente. En
ese momento, la temperatura del objeto R3#R4 es más alta que la del
objeto R1#R2. El comparador se invertirá entonces una vez más y la
salida del comparador se hará "alta". Como resultado,
el interruptor Q1 se abrirá y la resistencia R1 comenzará a disipar. Q2 se cerrará y la resistencia R4 dejará de disipar.
el interruptor Q1 se abrirá y la resistencia R1 comenzará a disipar. Q2 se cerrará y la resistencia R4 dejará de disipar.
El circuito descrito comenzará a oscilar con una
frecuencia determinada por las constantes de tiempo de los objetos
R1#R2 y R3#R4. La forma de la señal en la posición "info out"
en el circuito será la esbozada en la figura. Durante t_{1}, la
resistencia R1 disipará y durante t_{2}, la resistencia R4
disipará. Como los dos interruptores son idénticos y las
resistencias de disipación tienen la misma tensión de alimentación,
la energía momentánea disipada será igual para ambas resistencias en
el momento en que una resistencia disipa. Como resultado, el
período de tiempo durante el cual los interruptores están
"conectados" es una medida directa de la energía media
disipada en las resistencias.
Con ello, la relación de los intervalos de
tiempo t_{1}/(t_{1}+t_{2}) es igual a la relación de energía
P_{1}/(P_{1}+P_{2}) (véase la figura 18). Asimismo, la
relación (t_{1}-t_{2})/(t_{1}+t_{2}) es
igual a (P_{1}-P_{2})/(P_{1}+P_{2}) (véase
la figura 19).
En la realización mostrada en la figura 21 el
comparador controla directamente las resistencias de disipador R1 y
R4, y se evita el uso de interruptores eléctricos adicionales tales
como Q1 y Q2 en la figura 20.
La realización de la invención, esbozada en la
figura 22, es sustancialmente similar a la realización de la
invención esbozada en la figura 20. En este caso, se evita el uso
del circuito inversor acoplando directamente el interruptor
eléctrico Q1 a la salida del interruptor Q2. Para el resto, el
comportamiento funcional del circuito electrónico de esta
realización es igual al del mostrado en la figura 20.
En la figura 23 se muestra la otra realización
de la invención. Esta realización incluye un circuito controlador
(digital). Por medio de la señal de "comprobación", el
controlador controla un circuito de
conexión/desconexión/inversor.
Este circuito incluye dos sensores de
temperatura R2 y R3 en un circuito en puente (una mitad) conectado a
la entrada positiva de un comparador. La otra mitad del circuito en
puente está formada por las resistencias R5 y R6.
Por medio del circuito de
conexión/desconexión/inversor, el controlador puede conectar los
interruptores Q1 y Q2 como se muestra en la figura 20, pero también
es capaz de desconectar simultáneamente ambos interruptores
En el estado "desconectado" de ambos
interruptores, el controlador ajusta el circuito a un estado de
calibrado. En ese momento, el dispositivo ya no actúa como un
medidor de flujo. En esta situación, los objetos no disiparán ni
adoptarán la temperatura del medio. Después de cierto retardo, en el
que los objetos han adquirido físicamente una temperatura igual, el
controlador, usando un convertidor analógico/digital y un circuito
convertidor digital/analógico, puede determinar el valor de la
desviación de calibrado y almacenarlo en una memoria propia.
En la fase de calibrado, la salida del
comparador es vigilada por un convertidor analógico/digital.
El convertidor digital/analógico inyecta un
(pequeño) flujo de desviación en la entrada negativa del comparador.
Usando un convertidor digital/analógico, el controlador controla el
flujo de desviación anteriormente mencionado de tal manera que el
comparador sólo invierte. El valor del flujo de desviación asociado
con esta correcta inversión del comparador es el valor de
desviación de calibrado citado en la invención.
En la figura 25 se muestra una realización de la
invención. En este caso, se usan como objetos dos resistencias
dependientes de la temperatura. Aplicando los flujos eléctricos
I_{1}, I_{2} y midiendo las tensiones resultantes V_{1},
V_{2}, el controlador conoce las energías P_{gen1} =
I_{1}*V_{1})(P_{gen2} = I_{2}*V_{2}) disipada y generada
en los dos objetos. Asimismo, el controlador conoce la temperatura
de ambos objetos determinando simultáneamente V_{1}/I_{1} =
R_{1} y V_{2}I_{2} = R_{2}.
Se traza un controlador digital (posiblemente
proporcional) que tiene dos convertidores analógicos/digitales y
dos convertidores digitales/analógicos pero naturalmente el
controlador puede también diseñarse de manera análoga, omitiéndose
los convertidores.
En la figura 26 se muestra otra realización de
la invención. En este caso, los dos objetos consisten, por una
parte, en resistencias y, por otra, en sensores de temperatura de
termopar.
Igual que en la figura 25, se usan aquí
resistencias como disipadores para generar calor en los objetos,
pero, al contrario de lo que sucede con la realización de la figura
26, se usa un termopar como sensor para la diferencia de
temperatura entre los dos objetos.
La energía disipada en las dos resistencias es
controlada y calculada de la misma manera que para la realización
de la figura 25.
El termopar genera directamente una señal
diferencia directamente proporcional a T_{1}=T_{2}: \DeltaT =
constante*(T_{1}-T_{2}).
En ambas realizaciones mostradas en la figura 25
y en la figura 26 se usan los dos objetos cuya diferencia muta de
temperatura se ajusta a cero.
Además, en la figura 27 se da una realización
del medidor de flujo de medio en el que se controlan dos pares de
objetos de acuerdo con la invención.
En esta realización del dispositivo de medición
de flujo, la diferencia de temperatura entre los objetos O_{1} y
O_{2} se ajusta a cero y la diferencia de temperatura entre los
objetos O_{3} y O_{4} se ajustan a cero.
Ambos pares de objetos se ajustan aplicando el
método CTA (distribución como en la figura 17). En este caso, la
temperatura de referencia de ambos objetos O_{1} y O_{2} se
encuentra en un valor fijo sobre el valor de la temperatura de
referencia de los objetos O_{3} y O_{4}.
Con la temperatura constante de los objetos
O_{3} y O_{4}, quizás se puedan impedir influencias exteriores
asimétricas desde el par de objetos O_{1}, O_{2}.
En una realización de la invención, tal como en
la mostrada en la figura 28, se incluyen n/2 pares de objetos en un
dispositivo de medición de flujo. Se ajusta la temperatura de todos
los pares de objetos por medio del método CTA (véase la figura 17,
entre otras cosas), a una temperatura constante sólo por medio de
cuantos controladores controlen las energías de disipación.
En la figura 28 (parte media) se esboza la
distribución de temperatura resultante en función de la posición
para dos flujos diferentes Las energías totales requeridas (siempre
P_{1}+P_{2} por controlador) se muestran en la figura 28 (parte
inferior). En esta realización, se incorpora una redundancia, de
manera que un sistema de medición de flujo que consta de n/2
combinaciones de la invención en caso de parada de uno de los
sistemas de controlador de 2/n pares de objetos está diseñado de
tal manera que puede continuar funcionando.
En la figura 29, se indica la manera en que un
objeto O_{1} puede construirse de tal manera que el objeto
envuelve completamente al medio (fluyente). Asimismo, la longitud l
del objeto O_{1} en la dirección de la construcción tubular se
elige de tal manera que la temperatura del medio en la posición de
O_{1} se hace igual a la temperatura T_{1} medida. En esta
situación, se usa un perfil de temperatura completamente
desarrollado en la dirección perpendicular a la construcción
tubular.
En la figura 30, dos objetos están montados
alrededor de la construcción tubular. La longitud de los objetos es
tal que aparece un perfil de temperatura completamente desarrollado
(véanse la figura 25 y la figura 26).
En la figura 31 (parte superior) se da una
sección transversal de dos objetos en un medio fluyente. En la
figura 31 (parte inferior) se indica de qué modo pueden construirse
dos objetos tubulares en la dirección perpendicular a otra
construcción tubular que envuelve el medio.
En la figura 32 se da una sección transversal de
una realización en la que cada uno de los dos objetos está
configurado en un tipo de construcción de sonda.
En la figura 33 se da una realización en la que
los dos objetos están separados del medio por un tabique (delgado).
Dicho tabique puede estar hecho, por ejemplo, de acero
inoxidable.
Dicha realización de dos objetos, dada en la
figura 33, puede ser incluída en la pared lateral de una
construcción tubular como se da en la figura 35. La realización de
dos objetos dada en la figura 33 puede incluirse en el lado frontal
de una construcción de "sonda", es decir, en una construcción
tubular como la mostrada en la figura 34.
En la figura 37 se da una vista en planta de la
realización. Las dimensiones exteriores son 1 milímetro por 2
milímetros. Hay dos objetos, que consisten en una barra, que están
suspendidos libremente por encima de una depresión corroída. Cada
objeto o barra soporta dos resistencias. La longitud de los objetos
en la vista en planta de la figura 37 es de 1 mm.
En la figura 36 se traza una sección transversal
de dicha realización de los dos objetos. Las dimensiones de los dos
objetos en la sección transversal son de 1 micra de grosor y 40
micras de longitud en la dirección de flujo.
En la figura 38 se muestra una sección
transversal de una realización de la invención. Cuatro pistas de
resistencia en un portador sintético, dos a dos, forman un objeto
que puede ser controlado como se explica en lo que antecede (con
referencia a la figura 14).
\newpage
Las figura 39a y 39b muestran estructuras
sustancialmente iguales, usando una depresión amplia por encima de
la cual se extienden barras. En cada barra, se encuentra una o más
resistencias.
Claims (12)
1. Dispositivo de medición de flujo del tipo
térmico para medir el flujo de un medio, comprendiendo el
dispositivo:
- -
- dos elementos de calentamiento espaciados (R1, R2; Fig. 24, 25, 26), para hacer contacto térmico con el medio fluyente, cuyo flujo se ha de medir;
- -
- medios dispuestos para alimentar energía eléctrica a cada uno de dichos elementos de calentamiento;
- -
- medios dispuestos para medir una diferencia de temperatura entre dichos dos elementos de calentamiento
- -
- un circuito de control para controlar las energías eléctricas suministradas a los dos elementos de calentamiento para llevar la diferencia de temperatura hacia cero;
- -
- medios dispuestos para determinar las energías eléctricas alimentadas a cada elemento de calentamiento;
- -
- siendo la asimetría en la distribución de las potencias eléctricas alimentadas a los elementos de calentamiento representativa del flujo.
2. Dispositivo de medición de flujo del tipo
térmico para medir el flujo de un medio, comprendiendo el
dispositivo:
- -
- dos elementos de calentamiento espaciados (R1, R4; Fig. 20, 21, 22, 23) para hacer contacto térmico con el medio fluyente, cuyo flujo se ha de medir;
- -
- medios dispuestos para alimentar energía eléctrica a cada uno de dichos elementos de calentamiento;
- -
- dos sensores de temperatura (R2, R3; Fig. 20, 21, 22, 23), estando cada sensor de temperatura en contacto térmico íntimo con el correspondiente de dichos elementos de calentamiento, para medir una diferencia de temperatura entre dichos dos elementos de calentamiento,
- -
- un circuito de control dispuesto para determinar cuál de los elementos de calentamiento es un elemento de calentamiento más frío;
- -
- estando dispuestos los medios de alimentación de energía para alimentar energía eléctrica al primero de dichos elementos de calentamiento que esté más frío que el otro de dichos elementos de calentamiento hasta el momento en que el otro elemento de calentamiento llegue a estar más frío que el primero de dichos elementos de calentamiento, e invertir dicho proceso inmediatamente después, de tal manera que el otro elemento de calentamiento sea calentado hasta que se convierta en el elemento de calentamiento más caliente, siendo los períodos de tiempo durante los cuales los elementos de calentamiento son calentados una medida directa de la energía media disipada en los elementos de calentamiento, y siendo la distribución de dichas energías alimentadas a los elementos de calentamiento representativa del flujo.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que la suma total de la energía eléctrica alimentada es
constante.
4. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que los elementos de calentamiento (R1, R2; Fig. 25) son de un
material resistivo dependiente de la temperatura que tiene un
coeficiente de temperatura negativo o positivo y también funcionan
como sensores de la temperatura para percibir una diferencia de
temperatura entre los elementos de calentamiento.
5. Dispositivo según la reivindicación 1, 2 ó 3,
en el que está prevista una termopila para medir una diferencia de
temperatura entre los dos elementos de calentamiento (R1, R2; Fig.
26).
6. Dispositivo según la reivindicación 1, 2 ó 3,
en el que a cada elemento de calentamiento (R1, R4) se une un
sensor de temperatura (R2, R3), basado en un material que tiene una
resistencia dependiente de la temperatura, seleccionado del grupo
de metales y aleaciones, semiconductores y materiales que tienen un
coeficiente de temperatura positivo o negativo, para medir una
diferencia de temperatura entre los elementos de calentamiento.
7. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el sensor de flujo es
implementado como una pastilla semiconductora.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que la pastilla se basa en silicio.
9. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende provisiones de
autodiagnosis, pudiéndose determinar la estabilidad del sistema
sobre la base de averiguar el circuito de control, y pudiéndose
detectar un fallo de funcionamiento de un sensor de temperatura o
elemento de calentamiento.
\newpage
10. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que se incluyen medios para calcular el flujo basándose en una
relación de la energía eléctrica determinada desde cada uno de
dichos elementos de calentamiento.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, en
el que el cálculo se basa en la relación P_{1}/P_{1}+P_{2},
en que P_{1} es la energía eléctrica determinada en primer lugar
para uno de dichos elementos de calentamiento y P_{2} es la
energía eléctrica determinada en segundo lugar para el otro de
dichos elementos de calentamiento.
12. Dispositivo según la reivindicación 10, en
el que el cálculo se basa en la relación
P_{1}-P_{2}/P_{1}+P_{2}, en que P_{1} es
la energía eléctrica determinada en primer lugar para uno de dichos
elementos de calentamiento y P_{2} es la energía eléctrica
determinada en segundo lugar para el otro de dichos elementos de
calentamiento.
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