ES2609694T3 - Sensor de flujo y procedimiento para la comprobación y para la operación de tal sensor de flujo - Google Patents

Sensor de flujo y procedimiento para la comprobación y para la operación de tal sensor de flujo Download PDF

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ES2609694T3 ES07033530.2T ES07033530T ES2609694T3 ES 2609694 T3 ES2609694 T3 ES 2609694T3 ES 07033530 T ES07033530 T ES 07033530T ES 2609694 T3 ES2609694 T3 ES 2609694T3
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Abstract

Sensor de flujo con tres resistencias eléctricas (R1, R2, R3) conectadas en paralelo en la trayectoria de flujo, que disponen de un gradiente positivo o negativo (PTC, NTC), en el que cada una de las tres resistencias eléctricas (R1, R2, R3) está conectada en serie aguas arriba, respectivamente, a al menos a una resistencia eléctrica serie (R6, R7, R8, R9), caracterizado por que la resistencia eléctrica media (R2) está conectada de forma alternativa a través de un dispositivo de conmutación (5) con dos resistencias serie (R6, R9), siendo una resistencia serie (R6) de alto ohmiaje, de modo que en el caso de que esté conectada la resistencia serie (R6) de alto ohmiaje la corriente a través de la resistencia eléctrica (R2) se hace muy pequeña, por lo que se puede suponer un calentamiento insignificante de la resistencia eléctrica (R2), y la otra resistencia serie (R9) es de bajo ohmiaje, de manera que en el caso de que esté conectada la resistencia serie (R9) de bajo ohmiaje la resistencia eléctrica (R2) puede también ser calentada y están previstos dispositivos para la detección de la caída de tensión en las resistencias serie.

Description

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DESCRIPCION
Sensor de flujo y procedimiento para la comprobacion y para la operacion de tal sensor de flujo
La invention se refiere a un sensor de flujo, en particular a un sensor de flujo de masa, a un procedimiento para la comprobacion del funcionamiento y a un procedimiento para operar el sensor de flujo en una regulation de la relation aire-gas de un calentador.
Para realizar una regulacion de la relacion gas-aire por ejemplo de calentadores alimentados con gas, se puede medir con ayuda de un sensor de flujo de masa la cantidad de aire de combustion y/o la cantidad de gas. Con ayuda de la senal medida puede ser regulada correspondientemente la calidad de la combustion.
Por el documento US 2006/0005619 A1 es conocido un sensor de flujo con tres resistencias electricas conectadas en paralelo en la trayectoria de flujo, estando cada una de las tres resistencias electricas conectada aguas arriba, respectivamente, a una resistencia electrica serie.
El punto nulo y la pendiente de la senal y por tanto falsea la senal de sensor.
Por la patente europea 1 207 347 B1 es conocido un procedimiento para la regulacion de un quemador de gas, en el que en una comprobacion de seguridad es comprobado un sensor a flujo nulo. El sensor esta realizado como medidor de flujo con entre otras cosas dos dispositivos de medicion sensibles a la temperatura y un dispositivo de calentamiento. La comprobacion de seguridad del sensor es realizada con el dispositivo de calentamiento desconectado. Por tanto, sin una entrada de calor a traves del dispositivo de calentamiento en el medio que circula es simulado un flujo nulo y es comprobado el sensor en cuanto a plausibilidad.
No obstante, en el procedimiento conocido por el documento EP 1 207 347 B1 no es posible detectar con seguridad una deriva del dispositivo de calentamiento. Ademas, no es posible reconocer un menoscabo de una transferencia de calor entre el dispositivo de calentamiento y los dispositivos de medicion sensibles a la temperatura que igualmente conducirla a una medicion erronea.
Para poder introducir un sensor de flujo de masa en una regulacion de la relacion gas-aire, la senal de sensor debe ser comprobada en cuanto a plausibilidad a intervalos regulares, para que pueda ser reconocida una eventual deriva de sensor. Puesto que en el curso del funcionamiento por regla general no pueden ser determinados flujos de masa definidos de un medio que circula por el sensor (gas combustible, aire de combustion o mezcla de gas combustible- aire) o solo pueden ser determinados bajo ciertas circunstancias, en los sensores conocidos hasta ahora una comprobacion del sensor en cuanto a plausibilidad de la senal es posible solo de forma condicionada.
La invencion se propone el objeto de conseguir un sensor de flujo, en particular un sensor de flujo de masa, un procedimiento para comprobar el funcionamiento y un procedimiento para operar el sensor de flujo en una regulacion de la relacion gas-aire de un calentador, en el que este asegurada de forma fiable la plausibilidad de las senales medidas.
Segun la invencion esto se consigue con un sensor de flujo con las caracterlsticas de la reivindicacion 1, con un procedimiento para la comprobacion del funcionamiento del sensor de flujo con las caracterlsticas de la reivindicacion 5 y con un procedimiento para operar el sensor de flujo de acuerdo con la reivindicacion 8.
Otras realizaciones ventajosas de la invencion resultan de las caracterlsticas de las reivindicaciones dependientes y de la description. La invencion se explicara ahora en detalle con referencia a las figuras. Muestran:
Fig. 1: un circuito de medicion con un sensor de flujo integrado segun una primera variante de configuration,
Fig. 2: un circuito de medicion con un sensor de flujo integrado segun una segunda variante de configuracion y
Fig. 3: un circuito de medicion con un sensor de flujo integrado segun una tercera variante de configuracion.
La figura 1 muestra un sensor de flujo segun la invencion que presenta tres resistencias electricas (R1, R2, R3)
sensibles a la temperatura conectadas en paralelo. Cada una de estas resistencias electricas esta asociada al menos a una resistencia electrica serie como sigue: a la primera resistencia electrica (R1) esta asociada la resistencia serie (R7); a la ultima resistencia electrica (R3) le corresponde la resistencia serie (R8) y a la resistencia media (R2) estan conectadas de forma selectiva la resistencia electrica serie (R9) de bajo ohmiaje (tambien llamada resistencia de derivation) o la resistencia electrica serie (R6) de alto ohmiaje. Las resistencias electricas (R1 y R3) solo se utilizan para la determination de la temperatura. La resistencia electrica (R2) puede tambien ser calentada en el caso de que este conectada la resistencia serie (R9) de bajo ohmiaje.
Las resistencias electricas (R1, R2, R3) estan realizadas preferentemente como resistencias PTC o NTC. Para las resistencias electricas (R1) y (R3) puede ser utilizados opcionalmente termopares y para la resistencia electrica media (R2) alambres de resistencia. La resistencia (R2) esta realizada por regla general como resistencia de platino en forma de una estructura de meandros de platino.
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Para poder determinar el flujo de masa correcto, deberla asegurarse antes la capacidad de funcionamiento de todos los elementos relevantes. El principio de medicion de un sensor de flujo, en particular de un sensor de flujo de masa como esta representado en la figura 1, se basa en la ecuacion de energla
Q = m • cp • AT (Ec 1)
En esta ecuacion significan:
Q : = entrada de calor a traves de una resistencia del sensor (R2)
m : = flujo de masa del medio a medir (por ejemplo, aire) (4)
cp : = capacidad calorlfica especlfica del medio (por ejemplo, aire) y
AT : = diferencia de temperatura entre los lugares de medicion de temperatura (R1 y R3).
Por medio de una cantidad de calor (Q) introducida a traves de la resistencia electrica (R2) del sensor puede ser determinado el flujo de masa del medio (4), midiendo las temperaturas relevantes (T1) y (T3) a la entrada y a la salida del sensor y teniendo en cuenta la capacidad calorlfica isobarica especlfica del medio (4) (cp). El aumento de la temperatura AT entre las resistencias electricas sensibles a la temperatura (R1, R3), en caso de que sea conocida la capacidad calorlfica del medio (4) a ser medido, es una medida del flujo de masa. La cantidad de calor constante (Q) calienta el medio a una sobretemperatura definida, que en el caso de un flujo de masa afecta a la diferencia de temperatura (T3-T1) en el sensor.
Si en el medio (4) que circula se encuentran partlculas de suciedad, entonces estas se pueden disponer sobre las resistencias electricas (R1, R2, R3) sensibles a la temperatura del sensor. Esto tendrla como consecuencia que, por una parte, una o todas las resistencias (R1, R2, R3) podrlan detectar un valor falseado y por otra parte que la cantidad de calor introducida podrla desviarse del valor teorico.
Igualmente, la transferencia de calor entre la resistencia (R2) y una de las resistencias (R1) o (R3) podrla verse obstaculizada y esto conducir a una medicion erronea del flujo de masa real.
Para poder reconocer variaciones de este tipo por suciedad o debido a una posible deriva del sensor, la invencion describe un metodo con el que puede ser asegurado el correcto funcionamiento de cada una de las tres resistencias electricas (R1, R2, R3) en cuanto a valores de medicion plausibles. Ademas, tambien debe garantizarse la transferencia de calor correcta desde la resistencia (R2) a las resistencias (R1) y (R3).
A continuacion se explicara en detalle un ejemplo de realizacion preferido de la invencion con referencia a la Fig. 1.
Como se muestra en la figura 1, la resistencia electrica (R2) es operada en un modo de temperatura cuando es conmutada la trayectoria de la corriente a traves de la resistencia serie (R6) de alto ohmiaje asociada a la resistencia (R2) por un interruptor (5). Por la resistencia serie (R6), la corriente a traves de la resistencia electrica (R2) es tan pequena que aqul se puede suponer un calentamiento insignificante de la resistencia electrica (R2).
Es determinada la temperatura (T1) medida en la resistencia electrica (R1). Para ello es movido un interruptor (10) a la posicion 3. La resistencia electrica (R1) puede ahora ser calculada midiendo la tension entre las resistencias (R1) y (R7). La corriente resulta de la ecuacion:

I = tension medida/resistencia o I=U/R Ec. 2
La resistencia electrica (R1) puede ser calculada como sigue:

R = tension/corriente o R = U/I Ec. 3
La temperatura se obtiene de la ecuacion:

R 1

T = ( -1)* Ec.4

R a
donde
R0 designa la resistencia del elemento a 0° C y a designa el coeficiente de temperatura del elemento.
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En la siguiente etapa, el interruptor (10) se pone en la posicion 1. De este modo puede ser determinada la tension entre la resistencia (R3) y la resistencia serie (R8). El calculo de la temperatura (T3) se lleva a cabo entonces de acuerdo con la ecuacion 4 mencionada antes.
Para asegurar que el interruptor (10) y un amplificador operacional (11) funcionan correctamente, se elige aqul un valor de resistencia diferente que en (R7), ya que de esta forma a la misma temperatura resultarlan diferentes flujos. La posicion del interruptor se tiene en cuenta entonces en el calculo de la temperatura, de modo que con un interruptor defectuoso se calcularlan diferentes temperaturas.
Posteriormente es determinada la temperatura (T2) en la resistencia electrica (R2) como se describio antes.
Todas las tres temperaturas detectadas (T1, T2, T3) son comparadas entre si para la comprobacion de la senal del sensor.
Si no hay deriva del sensor, se puede suponer que tanto para un medio estacionario como para un medio que fluye las temperaturas medidas en las resistencias (R1, R2, R3) son iguales dentro de un rango de tolerancias predeterminado. En caso de fallo debido a una deriva, un defecto electrico o un interruptor defectuoso, son detectadas temperaturas respectivamente diferentes en las resistencias electricas. Un error funcional del amplificador operacional (11), de una o ambas resistencias (R1, R3), del interruptor (5) o (10) y/o de la resistencia (R2) puede, por tanto, ser determinado.
Solo cuando los resultados son los mismos dentro de un intervalo de tolerancia predeterminado, el sensor funciona y puede ser realizada una medicion del flujo de masa. Para ello, la resistencia electrica (R2) es operada en el modo de calentamiento, es decir, la trayectoria de la corriente es dirigida a traves de la resistencia serie (R9) de bajo ohmiaje, que es considerablemente menor que la resistencia (R6) de alto ohmiaje, por conmutacion mediante el interruptor (5). Esto conduce a una corriente mayor a traves de la resistencia (R2) y, por tanto, a un autocalentamiento mas fuerte.
Ejemplo de realizacion 2
La figura 3 muestra una posible ampliation del sensor de flujo de masa representado en la figura 1 y descrito anteriormente. La ampliacion se refiere a las resistencias electricas (R1) y (R3). Como puede verse en la figura 3, las resistencias (R1, R3) estan realizadas tambien calentables, y por tanto analogamente a la resistencia (R2) pueden ser conmutadas entre un modo de calentamiento y un modo de medicion de la temperatura. Esto hace que sea posible medir el flujo de masa de forma redundante dentro de un sensor. La medicion del flujo de masa se explicara a continuation.
En primer lugar se realiza el calculo de temperatura de las temperaturas (T1, T2, T3) medidas en las resistencias (R1, R2, R3) ya descrito en el primer ejemplo de realizacion.
El ventilador del calentador es conectado y el numero de revoluciones mantenido preferentemente constante. Se calcula la media aritmetica (Ti) de las tres temperaturas calculadas. Esta temperatura corresponde a la temperatura del gas que fluye (aire).
En una etapa siguiente es operada la resistencia (R1) en el modo de calentamiento mediante el movimiento del interruptor (14) a la posicion 1. La temperatura (Tii) en la resistencia (R2) es calculada de acuerdo con la ecuacion 4.
A continuacion es calculada la diferencia de temperatura AT = TII - TI. Teniendo en cuenta la potencia (Q) aplicada en la resistencia (R1), puede ahora obtenerse el flujo de masa (rn1).
En la siguiente etapa, la resistencia (R1) es conmutada al modo de medicion por conmutacion del interruptor (14) a la posicion 3.
La resistencia (R2) es puesta en el modo de calentamiento por conmutacion del interruptor (5). Es determinada la temperatura (Tm) en la resistencia (R3). Se sigue con la determination de la diferencia de temperatura AT = Tm - TI. Teniendo en cuenta la potencia (Q) aplicada en la resistencia (R2), puede ahora ser obtenido el flujo de masa
2 ) .
Los flujos de masa (jnl)y (m2) determinados son comparados entre si. Solo cuando ambos flujos de masa son
iguales teniendo en cuenta una tolerancia, se asegura que por ejemplo no hay depositos en la superficie entre las tres resistencias.
La resistencia (R3) puede igualmente ser calentada, por ejemplo para el caso de que el fluido que fluye lo haga en la direction de flujo opuesta (es decir, desde R3 a R1). A continuacion, es medido el flujo de masa (m3) entre las
resistencias (R3) y (R2), as! como el flujo de masa(m2) entre las resistencias (R2) y (R1). Sin embargo, es
necesario antes determinar la direccion del flujo funcionando solamente la resistencia (R3) en el modo de calentamiento. Cuando la temperatura en la resistencia (R1) es mayor que la temperatura en la resistencia (R3), entonces el gas combustible fluye de derecha a izquierda. Por tanto, es determinada la direccion del flujo.
Ejemplo de realizacion 3
5 En este ejemplo de realizacion, que puede ser deducido de la figura 2, se ha prescindido de la posibilidad de hacer que la resistencia (R3) pueda ser calentada. Para una aplicacion en una direccion de flujo que permanece constante tal configuracion podrla bastar para garantizar un uso relevante para la seguridad del sensor en un calentador.
Ventajoso en el procedimiento para la comprobacion del funcionamiento del sensor segun la invencion es que la temperatura del medio que circula por el sensor puede ser determinada en funcion de la tension aplicada y las 10 resistencias mediante un calculo sencillo. De una calidad de la senal suficiente se ocupan en este caso los amplificadores operacionales (11, 12) previstos.
La invencion posibilita una prueba de funcionamiento mediante el control de un sensor de flujo de masa, tanto para el caso de un medio que fluye a traves del sensor, como para el caso de un medio en estado de reposo o estacionario en el sensor. Hasta ahora no era posible sin mas comprobar en cuanto a plausibilidad un sensor de flujo 15 de masa con un tipo de construction similar, sin configurar el sensor de forma redundante.
El procedimiento de comprobacion del funcionamiento descrito permite tanto la detection de componentes defectuosos, como el reconocimiento de una transferencia termica falseada (por ejemplo por suciedad o depositos entre los elementos) que podrlan conducir, respectivamente, a un funcionamiento defectuoso del sensor de flujo de masa.
20 La invencion proporciona as! una posibilidad para la comprobacion del sensor y de la operation del sensor sin grandes variaciones o suplementos en la construccion respecto a los sensores de flujo (sensores de flujo de masa) de construccion similar habituales en el comercio, que conllevan costes adicionales.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sensor de flujo con tres resistencias electricas (R1, R2, R3) conectadas en paralelo en la trayectoria de flujo, que disponen de un gradiente positivo o negativo (PTC, NTC), en el que cada una de las tres resistencias electricas (R1, R2, R3) esta conectada en serie aguas arriba, respectivamente, a al menos a una resistencia electrica serie (R6, R7, R8, R9), caracterizado por que la resistencia electrica media (R2) esta conectada de forma alternativa a traves de un dispositivo de conmutacion (5) con dos resistencias serie (R6, R9), siendo una resistencia serie (R6) de alto ohmiaje, de modo que en el caso de que este conectada la resistencia serie (R6) de alto ohmiaje la corriente a traves de la resistencia electrica (R2) se hace muy pequena, por lo que se puede suponer un calentamiento insignificante de la resistencia electrica (R2), y la otra resistencia serie (R9) es de bajo ohmiaje, de manera que en el caso de que este conectada la resistencia serie (R9) de bajo ohmiaje la resistencia electrica (R2) puede tambien ser calentada y estan previstos dispositivos para la deteccion de la calda de tension en las resistencias serie.
  2. 2. Sensor de flujo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que las resistencias serie (R6, R7, R8, R9) conectadas aguas arriba de las resistencias electricas (R1, R2, R3) presentan resistencias electricas diferentes.
  3. 3. Sensor de flujo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que la primera y/o la ultima resistencia electrica (R1, R3) en la trayectoria de flujo estan conectadas de forma alternativa a traves de un dispositivo de conmutacion (14, 15) a una resistencia serie (R7, R8) de alto ohmiaje y a una resistencia serie (R13, R16) de bajo ohmiaje.
  4. 4. Procedimiento para la comprobacion del funcionamiento de un sensor de flujo segun una de las reivindicaciones 1 a 3, con las siguientes etapas de procedimiento:
    - todas las resistencias (R1, R2, R3) son conectadas en serie a sus resistencias serie (R6, R7, R8) de alto ohmiaje respectivas,
    - la temperatura en las resistencias electricas (R1, R2, R3) es determinada en funcion de la tension aplicada entre las resistencias electricas (R1, R2, R3) y las resistencias serie (R7, R6, R8),
    - las temperaturas (T1, T2, T3) determinadas en las resistencias electricas (R1, R2, R3) son comparadas para la comprobacion de la senal del sensor y
    - en caso de existencia de diferentes temperaturas en las resistencias electricas (R1, R2, R3) es emitida una senal de error.
  5. 5. Procedimiento para la comprobacion del funcionamiento de un sensor de flujo segun la reivindicacion
    4, caracterizado por que la comprobacion del funcionamiento del sensor se puede realizar en el estado estacionario de un medio estacionario, o en el estado dinamico de un medio que fluye.
  6. 6. Procedimiento para la comprobacion del funcionamiento de un sensor de flujo segun la reivindicacion
    5, caracterizado por que como medio que circula se emplea gas combustible, aire de combustion o mezcla de gas combustible-aire.
  7. 7. Procedimiento para el funcionamiento de un sensor de flujo segun la reivindicacion 3, con las siguientes etapas de procedimiento:
    - en las resistencias electricas (R1, R2, R3) que estan conectadas, respectivamente, en serie con la resistencia serie (R6, R7, R8) de alto ohmiaje es determinada la temperatura (T|) y a partir de ella se calcula un valor promedio,
    - la primera resistencia electrica (R1, R3) en la trayectoria de flujo es conectada en serie mediante el dispositivo de conmutacion (14, 15) con la resistencia serie (R13, R16) de bajo ohmiaje y la resistencia electrica media (R2) es conectada en serie con la resistencia serie (R6) de alto ohmiaje,
    - la temperatura (T||) de un medio que circula por la resistencia (R2) es determinada en funcion de la tension aplicada entre la resistencia electrica (R2) y la resistencia serie (R6),
    - se forma la diferencia entre la temperatura detectada (T||) y la temperatura predeterminada (T|) del medio que fluye,
    - es determinado el flujo de masa rit1 en funcion de la potencia (Q) suministrada en la resistencia (R1), la diferencia de temperatura (T|| -T|) y la capacidad calorlfica (cp), que esta predeterminada.
  8. 8. Procedimiento para el funcionamiento de un sensor de flujo segun la reivindicacion 3 con las siguientes etapas de procedimiento:
    - en las resistencias electricas (R1, R2, R3) que estan conectadas en serie, respectivamente, con la resistencia serie (R6, R7, R8) de alto ohmiaje, es determinada la temperatura (T|) y a partir de ella es calculado un valor promedio,
    - la primera resistencia electrica (R1, R3) en la trayectoria de flujo es conectada en serie mediante el dispositivo de conmutacion (14, 15) con la resistencia serie (R7, R8) de alto ohmiaje,
    - la resistencia electrica media (R2) a traves del dispositivo de conmutacion (5) es conectada en serie con la resistencia serie (R9) de bajo ohmiaje,
    10
    - la temperatura (Tm) de un medio que circula por la resistencia (R3) es determinada en funcion de la tension aplicada entre la resistencia electrica (R3) y la resistencia serie (R8),
    - es formada la diferencia entre la temperatura determinada (Tm) y una temperatura predeterminada del medio que fluye (Ti),
    - el flujo de masa m 2 es determinado en funcion de la potencia (Q) aplicada a la resistencia (R2), la diferencia de temperatura (Tiii-Ti) y la capacidad calorlfica (cp), que esta predeterminada.
  9. 9. Procedimiento para la comprobacion del funcionamiento de un sensor de flujo segun las reivindicaciones 7 y 8 con las siguientes etapas de procedimiento
    - los flujos de masa (m 1, m 2) determinados son comparados entre si para la comprobacion de la senal del sensor y
    - en caso de existan flujos de masa diferentes entre las resistencias electricas (R1, R2) y (R2, R3) es emitida una senal de error.
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