ES2557994T3

ES2557994T3 - Sensor de presión

Info

Publication number: ES2557994T3
Application number: ES07787464.2T
Authority: ES
Inventors: Axel Kramer; Frank Kassubek; Klaus Bohnert; Hubert Brändle
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2016-02-01
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: EP2167931B1; CN101743462A; WO2009006944A1; EP2167931A1; US20100108870A1; CN101743462B; US8344314B2

Abstract

Sensor de presión (16) con al menos un elemento sensor de presión (3, 4), cuyos cambios inducidos por la presión en las propiedades ópticas se leen mediante iluminación (2) con al menos una fuente de luz (1), caracterizado por que el sensor de presión (16) comprende al menos dos elementos sensores de presión (3, 4) colocados en cámaras de presión individuales (5, 6), cuyos elementos sensores (3, 4) están dispuestos esencialmente cerca o adyacentes entre sí y se irradian con la misma fuente de luz (1), donde la luz transmitida a través de los elementos sensores (3, 4) depende de la presión y se detecta usando al menos dos detectores correspondientes (7, 8), y donde la presión diferencial en las dos cámaras de presión (5, 6) se evalúa en base a la salida de estos detectores (7, 8), donde además los al menos dos elementos sensores de presión (3, 4) son elementos de filtro (3, 4) con un borde de absorción que está espectralmente desplazado por la influencia de una presión externa, la fuente de luz (1) es un diodo emisor de luz (1), la fuente de luz (1) tiene una anchura espectral del orden de la anchura de los bordes de absorción de los al menos dos elementos sensores de presión (3, 4) o más pequeña, y los elementos de filtro (3, 4), que tienen cada uno una frecuencia de borde, y el diodo emisor de luz (1), que tiene una posición de longitud de onda de pico, se eligen para tener desplazamientos similares de la frecuencia de borde y la posición de longitud de onda de pico como una función de la temperatura.

Description

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medio del paquete de sensores). El LED 1 se elige para tener una característica angular de emisión de luz adecuada para este propósito.

En principio, otros instrumentos de las partes o elementos del sensor también son posibles. Por ejemplo, se pueden

5 usar espejos, lo que permite mejorar el efecto de medición y tener el sensor y el detector colocado en los mismos lados o caras de la carcasa del filtro. Esto tiene la ventaja de que todos los componentes electrónicos pueden estar dispuestos en el lado de la carcasa del filtro. Las ventajas de este tipo de configuraciones diferentes equilibrarán la complejidad del sensor. Para el propósito actual, se prefiere la configuración ejemplar mostrada en la figura 3.

10 El filtro 3, 4 puede ser una matriz de vidrio con nanocristales semiconductores integrados (serie de filtro Schott RG). Estos filtros están disponibles para las frecuencias de límite arbitrarias; aquí hemos elegido una frecuencia particular para minimizar los errores causados por efectos de la presión estática. Además, el filtro y el LED han sido elegidos para tener cambios similares de la frecuencia de borde y la posición del pico como una función de la temperatura, respectivamente. Como alternativa a estos filtros, se pueden utilizar materiales semiconductores a granel. Las

15 sensibilidades de la presión y la temperatura de los diferentes materiales son similares y se espera ninguna ventaja de rendimiento. Una alternativa son los cristales fotónicos con propiedades hechas a medida, tales como desplazamiento espectral apropiado de borde de absorción como una función de la presión (diferencial) y desplazamientos espectrales erróneas pequeños o compensables como una función de las perturbaciones, tales como variaciones de la presión absoluta y/o de la temperatura.

20 Una especificación de componentes ópticos y electrónicos se proporciona en la Tabla 1.

Tabla 1

LED: Osram Semiconductors, LA E655

longitud de onda pico: 624 nm

anchura pico: 7,64 nm

coeficiente de temperatura: 0,15 nm/K

consumo de energía: 1 mA

precio (estimación): < 0,5 EUR

Filtro: Filitro de vidrio de color Schott: serie RG630

posición del borde (50% de transmisión): 625,1 nm

anchura (estimación optimista): 7,84 nm

coeficiente de temperatura: 0,14 nm/K

coeficiente de presión: -0,0024 nm/bar

espesor: 1,8 mm

precio aproximado: < 0,07 EUR/mm2

Detección: Fotodiodo: Hamamatsu S6865-02, Amplificado: BurrBrown OPA1 24 Circuito de detección: configuración de puente de Wheatstone y amplificador de transimpedancia

Relación de señal y ruido total estimada (SNR): 1,2 105

consumo de potencia: 1,5 mW

precio total de la unidad de detección: < 10 EUR

25 Se asume una relación de señal y ruido del detector de 10-6 (estimación optimista). La resolución de presión, llamada Res (en Pascales) en la figura 7, se da por el ruido de la señal promedio dividida por la sensibilidad a la presión o la sensibilidad a la presión diferencial (es decir, el cambio de la señal con la presión diferencial). Esta resolución debe compararse con la resolución típica requerida, que es 10-5 veces el límite superior de la presión diferencial. En el análisis, se observa que estos requisitos se pueden cumplir en la configuración propuesta para un rango de presión

30 entre 817 bar y 15700 bar. La tecnología descrita aquí es, por lo tanto, particularmente adecuada para la medición de grandes presiones; también se puede utilizar para medir la presión en el orden de bares, si son admisibles requisitos de precisión menos estrictos. A continuación, se asume un sensor de límite de presión superior de 900 bar para la estimación de los errores de señal debido a la temperatura, la presión estática, etc. En este rango de presión, la señal del sensor es una función casi exactamente lineal de la presión (diferencial). Las desviaciones de la

35 linealidad están por debajo del 0,32 % de la señal y se pueden corregir fácilmente, si es necesario.

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Errores: Como se ha explicado anteriormente, es una ventaja de la configuración propuesta de que el error de punto cero de la presión diferencial, que es causada por la temperatura y por las variaciones de presión estática, se elimina mediante la construcción del sensor. Por lo tanto, solamente la sensibilidad de la señal depende de estas cantidades. Por lo tanto, la presión estática y la temperatura provocan errores que son proporcionales al valor

5 medido; que se pueden dar como un porcentaje del valor medido. Los gradientes de temperatura o diferencias de temperatura entre los dos filtros pueden ser más críticos: conducen a las señales que no pueden distinguirse a partir de una señal de presión diferencial; por lo tanto, los desplazamientos de punto cero y la sensibilidad pueden producirse en la señal de presión diferencial.

10 Los cambios de temperatura promedio afectan a la sensibilidad del sensor, ya que el pico de LED y el borde del filtro tienen un coeficiente de temperatura algo diferente (ver la Tabla 1). Si la temperatura no se compensa, las cantidades máximas de error del 0,5 % del valor medido a una temperatura de 85 ºC. Es necesaria una histéresis de temperatura inferior al 0,03 %. La presión estática conduce de manera similar a un error, ya que el filtro de límite se desplaza respecto al pico del LED. En este caso, nos encontramos con un error de alrededor del 0,8 %, si la presión

15 estática es igual al límite de presión diferencial superior (900 bar). Todos los errores se han calculado con exactitud, es decir, no se han realizado linealizaciones en los cálculos de errores.

Los errores se pueden reducir, si se realizan mediciones adicionales y correcciones de señal. La medición de la temperatura con una precisión de 1 K permite reducir el error de temperatura del 0,5 % del valor medido a 20 aproximadamente el 0,01 % (por lo tanto, cumpliendo la exigencia del 0,03 %). Aún más interesante es la corrección simultánea de la temperatura y el error de la presión estática mediante la medición de la intensidad de luz del LED: si se conoce la potencia incidente de la luz sobre los dos filtros, el error debido a un desplazamiento relativo del filtro y la frecuencia del LED se puede corregir con eficacia: el cambio de la señal de la suma I1 + I2 normalizada a la entrada de luz es una medida de la diferencia de frecuencia entre el límite de absorción del filtro y el LED. Para el

25 peor de los casos (85 ºC y 900 bar al mismo tiempo) se encuentra un error linealizado que es menor que la resolución estimada del sensor.

Se obtiene un efecto similar, si en lugar de un sistema con un único filtro y el campo detector por cámara de presión, se utilizan dos filtros y dos campos detectores con características del filtro ligeramente diferentes (es decir, diferente

30 frecuencia límite, véase también la figura 8 descrita más adelante). El uso de la suma y de las diferencias de las señales a continuación, también permite estimar los desplazamientos de frecuencia entre los filtros y el LED. Además, una medición redundante de la presión diferencial (usando una diferencia entre dos filtros dos veces) se puede utilizar para mejorar la resolución de la presión del sensor.

35 Las diferencias de temperatura entre ambos filtros deben ser más bien pequeña para ser insignificante. Para la estructura actual del sensor, las diferencias de temperatura entre los filtros causan una señal de aproximadamente 62 bar/K. Esto implica que la diferencia media de temperatura entre los filtros debe ser del orden de 10-3 K para garantizar un error por debajo del 0,03 % del límite superior de presión (diferencial) según sea necesario. Diferencias típicas de temperatura son, sin embargo, a menudo un orden de magnitud más grande. En consecuencia, el paquete

40 de sensores y/o el diseño del sensor deberán mejorarse para minimizar las diferencias de temperatura, y/o las diferencias de temperatura se miden y se utilizan para la corrección de la señal en consecuencia en estos casos.

Los cambios en la distribución de la luz del LED tienen efectos similares; que pueden ser causados por el movimiento térmico de la estructura mecánica. Una pequeña inclinación de 0,1º ya lleva a un error de la señal de 15

45 bar, lo que corresponde al 1,6 % del rango de medición. Esto implica que la fijación del LED será bastante estable. Un bloque de vidrio sólido 14 entre la carcasa del filtro y el LED permite conseguir la estabilidad mecánica requerida del sensor.

Un resumen de los errores estimados en la señal de presión se proporciona en la Tabla 2, en la que URL indica el 50 límite superior del rango de la presión diferencial, es decir, en el presente caso, 900 bar.

Tabla 2

Estimaciones de errores para la configuración del sensor propuesta

Temperatura promedio

error a 85 °C sin compensación de temperatura: 0,45 % de URL

error a 85 °C sin compensación de temperatura: 0,01 % de URL

error debido a la ampliación de los picos espectrales con la temperatura: Tamaño desconocido

Estimaciones de errores para la configuración del sensor propuesta

Presión estática

error a 900 bar sin compensación: 0,8 % de URL

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Temperatura y presión estática promedio

error con compensación usando la intensidad de la luz LED (peor caso): < 0,01 % de URL

Diferencia de temperatura entre filtros

error de punto cero por diferencia de temperatura promedio: 62,5 bar/K

Simetría de distribución de la luz LED

error para inclinación del LED en 0,1 °: 15 bar

Análisis detallado:

5 Consideraciones de diseño: En primer lugar, se consideran las ideas para los diseños alternativos de sensores. Se describen diferentes tipos de configuraciones y posibilidades de medición.

(i) Medición directa del desplazamiento espectral: El concepto sensor se basa en desplazamiento espectral de las características de absorción de los materiales semiconductores. Los desplazamientos espectrales se pueden

10 medir, en principio, de varias maneras. El uso de un espectrómetro consumiría mucho tiempo y es bastante caro. Los métodos interferométricos requerirían una fuente de luz de gran alcance, tales como un láser o LED superluminiscente.

(ii) Uso de diodos láser o láser como fuente de luz: El uso de una fuente de luz monocromática puede aumentar

15 la precisión del dispositivo. Según los cálculos, la exactitud depende de la anchura de la fuente de luz y el filtro. Por lo tanto, la reducción de la anchura de la fuente de luz sólo tiene un efecto limitado sobre la precisión (como máximo un factor de 2). Por otro lado, los láseres monocromáticos son caros.

(iii) Diodos en cámara de presión: También es posible tener dos LEDs en las cámaras de presión (utilizando un

20 solo filtro) en lugar de la colocación de dos vidrios de filtro allí. Desde el punto de vista físico, se puede medir un desplazamiento del pico espectral LED con presión o un desplazamiento del límite del filtro; el resultado debe ser el mismo. Como es necesario una simetría estricta entre los dos puntos de medición parece más difícil usar dos LEDs que pueden tener características ligeramente diferentes (incluso si son nominalmente iguales). Además, la conexión de los LEDs a una fuente de alimentación dentro de las cámaras de presión es más exigente.

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(iv) Separación de cámaras de presión: Sería posible separar las dos cámaras de presión en el espacio y conectarlas a través de la fibra óptica a la fuente de luz y al detector. Sin embargo, se necesita compensación de temperatura: diferentes temperaturas en ambas cámaras de presión provocan errores que exigen su compensación. Además, la estabilidad a largo plazo de la conexión entre las fibras y la división exacta de la

30 intensidad de la luz entrante en dos haces de luz requiere una óptica de alta precisión.

(v) Vidrio de filtro como ventana: Es posible fabricar las ventanas de las cámaras de presión del vidrio de filtro directamente (en lugar de utilizar las ventanas de zafiro como en la configuración propuesta). La ventana se somete a continuación a una tensión más complicada que bajo la presión hidrostática; cálculos exactos del

35 estado de tensión son necesarios. Se podría suponer que al igual que el comportamiento de la presión hidrostática, un cambio de la longitud de onda del borde resulta en una aplicación de presión dentro de la cámara de presión. Solamente es necesaria una ventana, si una capa de espejo refleja la luz de fondo desde el interior. La estabilidad de esta configuración frente a la presión es más crítica: el vidrio se rompe bajo una pequeña tensión de sus superficies. Por lo tanto, 8 MPa es un límite razonable para tal construcción.

40 En comparación con estos diseños alternativos, la presente realización preferida de la figura 2 descrita en este documento tiene la ventaja de una mayor simplicidad y una mayor estabilidad frente a variaciones de temperatura.

Descripción de la realización propuesta: Una posible configuración experimental se muestra en la figura 2. La luz 2

45 de un LED 1 se utiliza para controlar la posición espectral del borde del filtro mediante la medición de la transmisión a través del mismo. Dos filtros 3, 4 se colocan en cámaras de presión 5, 6 separadas, donde están expuestas a la presión P1 y P2, respectivamente. La iluminación es totalmente simétrica, es decir, idealmente, la misma cantidad de luz 2 entra en cada filtro 3, 4. La presión diferencial se mide tomando la diferencia de las señales de transmisión en el detector 7 y 8. Para compensar el error causado por la temperatura y la presión estática, una señal de

50 referencia, por ejemplo, la intensidad del LED, se puede obtener de forma adicional. El detector para la señal de referencia no se muestra en la figura 2. La configuración se construye preferentemente tan pequeña como sea posible para mantener los errores causados por gradientes de temperatura en un mínimo.

Configuración del sensor, paquete y geometría del sensor: Un bosquejo en vista lateral y vista desde arriba de la

55 configuración se muestra en las figuras 3 a) y b). Debido a la simetría se dibujan sólo partes del paquete de sensores. Sólo las dimensiones relativas de los dibujos son importantes. El sensor también se puede escalar hacia abajo para mantener los errores de gradiente de temperatura pequeños.

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imagen8

I1, I2: intensidad medida en el primer y segundo detectores

1, 2: ángulos de contorno de las características de emisión de luz, ángulos de contorno del cono de luz

W, d, l: anchura del filtro, espesor, longitud

h: espesor de las cámaras de presión

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Claims

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