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Title:
ACTIVE THERMOCOUPLE FOR MEASUREMENT OF CONVECTION COEFFICIENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/146803
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a thermocouple that is obtained by adding a system for the ohmic heating of the thermocouple pins or bars to the components of any conventional or passive thermocouple, said system consisting of an electrical resistor (17) embedded in a ring (16) made from the same material as one of the pins or bars (3) of the original thermocouple to which the ring is welded (20). The temperature of the thermocouple is increased, by means of ohmic heating, above that of the fluid for which the convection is to be characterised and, subsequently, the ohmic heating current is cut, resulting in a drop in the temperature of the thermocouple, the value of the convection coefficient being deduced directly from said temperature drop.

Inventors:
MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA, José María (Calle Ramiro de Maeztu, 7OTRI - Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
Application Number:
ES2012/000113
Publication Date:
November 01, 2012
Filing Date:
April 26, 2012
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Assignee:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID (Calle Ramiro de Maeztu, 7OTRI - Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA, José María (Calle Ramiro de Maeztu, 7OTRI - Vicerrectorado de Investigació, Universidad Politécnica de Madrid Madrid, E-28040, ES)
International Classes:
G01N25/20; G01K17/06
Foreign References:
US4653934A
US4568198A
US5970554A
US3905243A
US5044764A
US4592230A
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Claims:
REIVINDICACIONES

1 - Termopar activo para medida del coeficiente de convección, basado en un termopar pasivo o convencional, constituido por un par de cables (2, 3) o alambres o pletinas o patillas de metales diferentes, soldados por el extremo (1) que se expone al ambiente térmico que se quiere medir, quedando los otros dos extremos (7, 8) no soldados, introducidos en los terminales de base de un circuito electrónico transistorizado (11), que eleva la señal de tensión de la diferencia de potencial generada en el termopar, y que es proporcional a la temperatura en la cara expuesta de la soldadura entre ambos metales, siendo m y m2 las masas respectivas de los alambres antedichos, y siendo sus calores específicos C^ y C2, y siendo A el área de contacto entre el termopar y el fluido, caracterizado por que el termopar activo consiste en añadir al termopar pasivo un circuito de calentamiento óhmico totalmente aislado eléctricamente del circuito del termopar e independiente de él, consistente en cables conductores (18, 19), aislados eléctricamente, que llegan a un anillo (16) hecho de uno de los metales del termopar, y que rodea a éste por su base, pero no por su cara expuesta a la medición de temperatura, y estando dicho anillo soldado a la patilla del termopar que es del mismo material, existiendo dentro del anillo una resistencia óhmica (17) de valor seleccionado para que el producto de la resistencia por la intensidad al cuadrado de la alimentación eléctrica, genere una potencia térmica en el anillo, de la que se deriva una tasa de calentamiento del termopar seleccionada entre 0,01°C por segundo y 100°C por segundo, en función de la aplicación buscada.

2 - Termopar activo para medida del coeficiente de convección, según la reivindicación anterior, caracterizado por que en el interior del anillo (16) hay un bobinado de resistencia eléctrica (17) de R ohmios, que se alimenta con una intensidad de I amperios, y la potencia térmica que ello representa cuando está operativo es Rl2 en vatios, y ha de ser tal que caliente el termopar con una velocidad de calentamiento Q, en °C/segundo; por lo cual los valores de R e I se fijan para cumplir

R l2 > (m d + m2 C2) Q

y en caso de que lo conocido o fijo del circuito eléctrico de alimentación al calentamiento óhmico sea su tensión V, el criterio a cumplir es (V2/R) > (m d + m2 C2) Q

y para evitar que la potencia térmica disipada por la resistencia interior del anillo (16) fugue a otros lugares en vez de ir al termopar. Se le aisla térmicamente con el aislante (21); si bien la transferencia térmica hacia el termopar está estimulada por la soldadura (20) realizada entre el anillo y la patilla o pletina del mismo material.

3 - Sistema para la medida del coeficiente de convección entre una película de fluido que baña una pared sólida y dicha pared sólida, caracterizado por que comprende el termopar activo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y medios de procesamiento de datos encargados de registrar el valor de la temperatura de la masa de fluido mediante un termopar pasivo o convencional, y registrar así mismo la temperatura del termopar activo, y particularmente marcar en el tiempo un momento inicial interino que coincide con la interrupción de alimentación eléctrica del circuito óhmico del termopar activo, registrando en ese momento la diferencia entre la medida del termopar activo y el pasivo, llamada diferencia inicial, y a partir del registro digital, determinar el lapso de tiempo transcurrido desde el momento inicial interino hasta el momento en que la diferencia existente entre las temperaturas de los termopares activo y pasivo coincide con un valor que es el de la diferencia inicial dividida por 2,7183; siendo ese lapso de tiempo una medida inversa del valor del coeficiente de convección existente en el emplazamiento del termopar activo.

4 - Procedimiento para la medida del coeficiente de convección entre una película de fluido que baña una pared sólida y dicha pared sólida, en el que se emplea el termopar activo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que comprende:

se activa la alimentación eléctrica del circuito de calentamiento óhmico, y se mantiene hasta que la temperatura del termopar activo sea superior a la del termopar pasivo en un valor seleccionado de grados Celsius, entre 5 y 100°C, llegado a lo cual se corta dicha alimentación, bien electrónicamente, bien por decisión del operador, señalándose ese momento como el tiempo 0 interino, e identificando con precisión la diferencia de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo en ese momento, a lo cual se denomina diferencia inicial de temperaturas;

se identifica electrónicamente o visualmente el momento en el que la diferencia de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo adquiere un valor que es igual a la diferencia inicial de temperaturas dividida por 2,7183, y se identifica como período P el tiempo transcurrido desde el tiempo 0 interino;

si la temperatura del termopar pasivo ha permanecido igual en ese lapso de tiempo, el valor del coeficiente de película de convección se determina en función de las variables constructivas del termopar, m,, d, m2, C2 y A, siendo dicho coeficiente h el resultado de:

y si la evolución de la temperatura marcada por el termopar pasivo ha sido de variación apreciable, se efectúa una integración numérica a lo largo de n pasos consecutivos de tiempo de duración ót, siendo δΤπ la variación de la temperatura del termopar activo a lo largo del paso enésimo, y siendo ΔΤ3ρη la diferencia media de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo a lo largo del paso enésimo, computándose el valor N como el sumatorio del cociente siguiente a lo largo de los n pasos

Ν = -∑(ΔΤ3ρη/( δΤη/ δί))·(1/η)

y siendo el valor de h en este caso

h = (mrCi + m2 C2)/(N A).

Description:
TERMOPAR ACTIVO PARA MEDIDA DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de instrumentos de base electrónica para determinar valores de propiedades físicas, particularmente de carácter térmico. Habitualmente los termopares se emplean para la determinación de la temperatura en un punto, que puede estar en la superficie de un sólido, o embebido en éste, o sumergido en un fluido, o justo en la superficie de un sólido bañado por un fluido, que es el caso de interés en esta invención.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la película de fluido que baña una pared sólida, tanto si el fluido está en movimiento como si está en reposo, se producen fenómenos moleculares de agitación térmica que producen flujos de calor de las partes de más alta temperatura a las de más baja temperatura; los cuales sólo se anulan en caso de isotermalización perfecta. Mientras haya diferencia de temperaturas entre unas partes y otras, y particularmente entre el sólido y el fluido, se producirá transferencia de calor, que en el caso particular aludido, entre el sólido y el fluido, se denomina convección, siendo caracterizada esta transferencia de calor mediante un coeficiente de convección, o coeficiente de película, de tal modo que el flujo térmico a través de la superficie de contacto es el producto de dicho coeficiente por la diferencia de temperaturas entre la superficie del sólido y la masa del fluido. Dichos coeficientes se han medido para diversas configuraciones, dando lugar a diversas correlaciones disponibles en la bibliografía técnica. Sin embargo, resulta necesario a veces tener una medida experimental fiable del valor de dicho coeficiente de película, usualmente identificado como "h", lo que es imposible de obtener con un termopar convencional, que mide exclusivamente la temperatura en un punto.

Hay invenciones, y particularmente la solicitada en WO 2011040634 (A1) que utilizan dos termopares dispuestos en proximidad dentro del sólido, y aproximadamente en la línea que sería de máximo gradiente de temperatura, para obtener el flujo de calor (conocida la conductividad térmica del sólido) aplicando a posteriori la igualdad de ese flujo con el de convección. Midiendo con termopares independientes las temperaturas de la masa del fluido y de la superficie del sólido, se deduce por cociente el valor de "h". No obstante, este método presenta el inconveniente de que hay que emplazar otro termopar en el interior del sólido, lo cual no es siempre factible, aparte de que a priori no se conoce con exactitud la línea de máximo gradiente.

El documento CA 20092732983 (WO 2009US49354) presenta un termopar convencional pero adecuado a ambientes de alta temperatura como son las turbinas de gas, pero sólo puede determinar la temperatura de la posición en la que se fije.

Otro documento relacionado con el ambiente térmico de interés para la invención presentada aquí, es el CA 20092734245 (A1) (WO 2009US52963) en el cual el termopar se usa para monitorizar la temperatura de los arrollamientos de una bomba sumergida para provocar el movimiento de un fluido.

Los documentos US 2010265989 (A1) y US 2009308425 (A1) presentan termopares relacionados o basados en semiconductores, usando una unión p-n en vez de una soldadura entre dos metales de diferente potencial electrónico. Tanto unos como otros pueden servir a los efectos de medición de temperatura, aunque los metálicos presenten menos inercia térmica interior, por lo general, la cual se mide por el número de Biot, denominado Bi, y definido por

Bi = h-L/k

siendo h el coeficiente de convección, L la longitud característica de la parte de medición del termopar, que en el caso de configuración en alambre corresponde al radio, y k la conductividad del metal del termopar (por lo que de hecho hay dos Bi, uno para cada alambre de material distinto).

Para que los termopares tengan poca inercia térmica y no retrasen o falseen las medidas, el valor de los Bi debe ser muy bajo, y en el extremo se asocia con el nivel asintótico Bi=0, en cuyo caso varía la temperatura al mismo tiempo en todo el par de alambres afectado, y la inercia térmica corresponde exclusivamente a la convección en sí, que es precisamente lo que se ha de medir.

Pero en ninguno de los casos antedichos se dispone de un termopar, con los aditamentos necesarios, para determinar no sólo la temperatura sino el coeficiente de convección, que es lo que viene a resolver esta invención, DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en dotar al termopar convencional de un circuito externo de calentamiento óhmico, estando la parte estrictamente óhmica abrazando la base del termopar, de modo que éste, por conducción interior, se calienta a una temperatura superior a la que tenía, debido a la inyección de energía térmica procedente del calentamiento óhmico.

Alcanzado un valor de temperatura sensiblemente superior al de la masa de fluido, en valor de 5°C (grados Celsius) ó 10°C ó el valor que se seleccione, se interrumpe el calentamiento óhmico, con lo cual la temperatura del termopar decae hasta el valor anteriormente marcado, o algo diferente, si la masa del fluido ha cambiado de temperatura por agentes externos. En todo caso, la aportación de calor al fluido por el calentamiento óhmico aplicado será despreciable; pero aunque no lo fuera, no cambiaría el principio de la invención, que es determinar el valor de "h" a partir del decaimiento de la temperatura del termopar cuando el calentamiento óhmico ha cesado.

Para ello hay que tener en cuenta que, cuando acaba el calentamiento óhmico, los alambres del termopar estarán a una temperatura T¡, y la masa del fluido, que suponemos constante en primera aproximación, estará a T 0 , inferior a T¡. Esta condición, de que sea T¡ superior a T 0 en un valor seleccionado de varios °C, es el único requisito a satisfacer por el calentamiento, junto a la velocidad de calentamiento, que puede seleccionarse entre 0,01 °C por segundo, y 100 °C por segundo.

A partir de este momento el termopar se enfría, para isotermalizarse con el fluido, según el balance de energía térmica que tiene en cuenta las masas respectivas de los alambres involucrados, mi y m 2 , así como sus calores específicos Ci y C 2 . El área de contacto entre el termopar y el fluido es A. La temperatura del termopar en un momento dado es T(t), siendo t el tiempo. Con ello se puede escribir

(m r Ci + m 2 C 2 )- (dT/dt) = -h-A (T - T 0 )

Llamando Θ a

Θ = T -T 0

se puede escribir de nuevo la primera ecuación como (mi-Ci + m 2 C 2 )- (d Θ /dt) = -h-Α Θ

Que reordenada da

d θ /θ = -(h-A/ (mi-Ci + m 2 C 2 )) dt

Con la condición inicial (t=0) cuando acaba el calentamiento óhmico, de e¡ = T¡ - T 0

por lo cual la ley de decaimiento es

9(t) = 6¡ exp(-(h A/ (nvd + m 2 C 2 )) t)

de lo cual se puede obtener el valor de h, conocida la ley de decaimiento. En particular, si P es el tiempo transcurrido desde que se interrumpe el calentamiento hasta que el valor de Θ es igual a θ e , siendo e = 2,7183, el valor de h es

En caso de que la temperatura de la masa del fluido variara de manera ostensible y no se pudiera considerar constante T 0 , se determina la temperatura del fluido a lo largo del tiempo mediante un termopar convencional, no activo, que proporcionaría una lectura de la temperatura de la masa del fluido T f , con lo que la primera ecuación se reescribiría

(rrvC, + m 2 C 2 )' (dT/dt) = -h-A (T(t) - T^t))

La cual podría integrarse numéricamente entre dos momentos cualesquiera del decaimiento, de lo que se obtendría h.

La invención utiliza precisamente esta propiedad física, para lo cual se construye un termopar activo, consistente en:

- un par de cables o alambres de metales diferentes, soldados por el extremo que se expone al ambiente térmico que se quiere medir, quedando los otros dos extremos, no soldados, introducidos en los terminales de base de un circuito electrónico transistorizado, que eleva la señal de tensión de la diferencia de potencial generada en el termopar, y que es proporcional a la temperatura en la cara expuesta de la soldadura entre ambos metales;

- un circuito de calentamiento óhmico, totalmente aislado eléctricamente del circuito del termopar e independiente de él, consistente en cables conductores aislados, que llegan a un anillo hecho de uno de los metales del termopar, y que rodea a éste por su base, pero no por su cara expuesta a la medición de temperatura, y estando dicho anillo soldado a la patilla del termopar que es del mismo material, existiendo dentro del anillo una resistencia óhmica de valor seleccionado para que el producto de la resistencia por la intensidad al cuadrado de la alimentación eléctrica, genere una potencia térmica en el anillo, de la que se derive una tasa de calentamiento del termopar seleccionada entre 0,01 °C por segundo y 100°C por segundo, en función de la aplicación buscada;

- un sistema electrónico que registra el valor de la temperatura de la masa de fluido mediante un termopar pasivo o convencional, y registra así mismo la temperatura del termopar activo, y particularmente marca en el tiempo un momento inicial interino que coincide con la interrupción de alimentación eléctrica del circuito óhmico del termopar activo, registrando en ese momento la diferencia entre la medida del termopar activo y el pasivo, llamada diferencia inicial, y a partir del registro digital, el sistema determina, o el operador identifica, el lapso de tiempo transcurrido desde el momento inicial interino hasta el momento en que la diferencia existente entre las temperaturas de los termopares activo y pasivo coincide con un valor que es el de la diferencia inicial dividida por 2,7 83; siendo ese lapso de tiempo una medida inversa del valor del coeficiente de convección existente en el emplazamiento del termopar activo.

Alternativamente a usar dos alambres de metales diferentes, el montaje puede realizarse con termopares de semiconductor, en los cuales cada patilla metálica es sustituida por la parte dopada n, o dopada p.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra el esquema de un termopar convencional o pasivo. La figura 2 muestra el esquema de un termopar activo, basada en la anterior, con los elementos específicos de la invención.

MODOS PREFERENTES DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Para facilitar la comprensión de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras:

1. Soldadura del termopar. 2. Alambre, aguja o pletina de uno de los dos metales que conforman el termopar.

3. Alambre, aguja o pletina del otro metal que conforma el termopar.

4. Cara final de contacto del termopar con el fluido que baña al sólido. El termopar debe estar en el seno del fluido, si se destina a medir la temperatura de la masa de éste, o debe estar adherido o encastrado en la superficie del sólido, si ha de medir la temperatura de pared.

5. Cara lateral de contacto con el fluido, o con el sólido, según emplazamiento del termopar.

6. Aislante eléctrico interno del termopar, para transmitir la diferencia de potencial generada en la soldadura.

7. Terminal eléctrico de uno de los dos metales que conforman el termopar.

8. Terminal eléctrico del otro metal que conforma el termopar.

9. Borne de conexión del terminal 7 con el circuito amplificador 11.

10. Borne de conexión del terminal 8 con el circuito amplificador 11.

11. Circuito electrónico amplificador.

12. Cable de la alimentación eléctrica para la amplificación.

13. Cable de cierre o retorno de la alimentación eléctrica para la amplificación.

14. Uno de los bornes de salida de la señal amplificada, y que mediante calibración proporciona el valor de la temperatura del termopar.

15. Borne complementario al 14.

16. Anillo de metal que abraza a la base metálica del termopar, la cual no está en contacto con el fluido.

17. Arrollamiento interno que conforma la resistencia óhmica de calentamiento.

8. Cable de la alimentación eléctrica para el calentamiento óhmico.

19. Cable de cierre de la alimentación eléctrica para el calentamiento óhmico.

20. Superficie de contacto soldada entre el anillo 16 y la base de la pletina o patilla del termopar del mismo material que el anillo. 21. Aislamiento térmico de la parte activa del termopar.

El termopar activo se construye a partir de cualquier termopar pasivo, sea metálico o de semiconductor, aunque los metálicos tiene en general mayor rapidez de respuesta, si bien los de estado sólido pueden soportar temperaturas más altas.

Para efectuar la construcción, se desnudan las patillas o bases de las pletinas o agujas o alambres, 2 y 3, que constituyen el cuerpo del termopar, y se zunchan o abrazan con un anillo, 16, no necesariamente circular, que se fija al termopar, soldándolo a la patilla de su propio material del que está hecho el anillo, pero no a los dos.

En el interior del anillo 16 se ha alojado previamente un bobinado de resistencia eléctrica apreciable, de R ohmios, que se alimenta con una intensidad de I amperios. La potencia térmica que ello representa cuando está operativo es Rl 2 en vatios, y ha de ser tal que caliente el termopar con una velocidad de calentamiento Q, en °C/segundo; por lo cual los valores de R e I se fijan por tener que cumplir

R l 2 > (nvd + m 2 C 2 ) Q

Y en caso de que lo conocido o fijo del circuito eléctrico de alimentación al calentamiento óhmico sea su tensión V, se tiene que se ha de cumplir

(V 2 /R) > (m 1 C 1 + m 2 C 2 ) Q

Para evitar que la potencia térmica disipada por la resistencia interior del anillo fugue a otros lugares que no sean el termopar, se le aisla térmicamente con el aislante 21 ; si bien la transferencia térmica hacia el termopar está estimulada por la soldadura realizada entre el anillo y la patilla o pletina del mismo material.

La invención se completa con el uso debido de la información dada por el circuito electrónico de la señal del termopar activo, siempre en referencia con la temperatura dada por el termopar pasivo, que mide la temperatura de masa del fluido. El procedimiento de uso del sistema de termopares es:

- se activa la alimentación eléctrica del circuito de calentamiento óhmico, y se mantiene hasta que la temperatura del termopar activo sea superior a la del termopar pasivo en un valor seleccionado de grados Celsius, entre 5 y 100°C, llegado a lo cual se corta dicha alimentación, bien electrónicamente, bien por decisión del operador, señalándose ese momento como el tiempo 0 interino, e identificando con precisión la diferencia de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo en ese momento, a lo cual se denomina diferencia inicial de temperaturas;

se identifica electrónicamente o visualmente el momento en el que la diferencia de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo adquiere un valor que es igual a la diferencia inicial de temperaturas dividida por 2,7183, y se identifica como período P el tiempo transcurrido desde el tiempo 0 interino; si la temperatura del termopar pasivo ha permanecido sensiblemente igual en ese lapso de tiempo, el valor del coeficiente de película de convección se determina en función de las variables constructivas del termopar, nv d, m 2 , C 2 y A, siendo dicho coeficiente h el resultado de:

h = (nvd + m 2 C 2 )/(P A);

y si la evolución de la temperatura marcada por el termopar pasivo ha sido de variación apreciable, se efectúa una integración numérica a lo largo de n pasos consecutivos de tiempo, de duración 5t, siendo δΤ η la variación de la temperatura del termopar activo a lo largo del paso enésimo, y siendo AT apn la diferencia media de temperaturas entre el termopar activo y el pasivo a lo largo del paso enésimo, computándose el valor N como el sumatorio del cociente siguiente a lo largo de los n pasos

N = -∑(AT apn /( ÓT n / ót)) (1/n)

y siendo el valor de h en este caso

h = (nvd + m 2 C 2 )/(N A).

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.