i. Datos experimentales

Capítulo 6 Datos Experimentales 6. Datos experimentales
6.1 Introducción
Mediante la etapa de diseño se analizaron las alternativas que había, tanto materiales como
constructivas, a la hora de fabricar un sensor de flujo. Tras varias iteraciones se afinó el proceso
de fabricación y se preparó todo el software necesario para poder analizar y almacenar los datos
suministrados por el sensor de flujo. Como último paso se unificó todo y se puso en
funcionamiento el sensor.
Primero se obtuvieron los datos experimentales de los sensores de temperatura, ajustando de
este modo los valores de las resistencias de polarización del puente y, sobretodo, ajustando el
valor de la resistencia de ganancia para obtener una tensión elevada pero que no llegase a
saturar los amplificadores operacionales. Tras obtener los datos de los sensores de temperatura y
comprobar que funcionaban correctamente, se pasó a caracterizar el sensor de flujo.
Para poder probar el sensor fueron necesarios distintos equipos, tanto electrónicos como
fluídicos. Para poder alimentar los amplificadores operacionales se utilizó una fuente de tensión
dual debido a que éstos necesitan una tensión de ±20V. Además se necesitaba alimentar el
puente activo de Wheastone con una tensión de 2V y el calentador con una corriente próxima a
1,3A. De este modo, se utilizaron dos fuentes de tensión con dos salidas de tensión
independientes cada una.
Para poder caracterizar el caudal volumétrico que circulará por el sensor de flujo se utilizó una
bomba de jeringa con un display donde muestra el caudal que está suministrando. La bomba de
jeringa utilizada fue el modelo NE-4000 de Syringe Pump. Ésta es una bomba programable de
doble jeringa con capacidad para dos jeringas de hasta 60 cc. y con un rango de caudales desde
1,5 µL/h hasta 29 ml/min en función del volumen de la jeringa.
Para la caracterización del sensor de flujo se utilizaron tres fluidos distintos: aire, agua y aceite.
Para ello, se conectó la bomba de jeringa al conducto de entrada del sensor y, una vez
conectados todos los equipos electrónicos, se incrementaba el caudal de la bomba y se analizaba
la variación de tensión que ofrecía el programa de LabView. Mediante el display que traía la
bomba se podía conocer el caudal que se estaba inyectando en el canal del sensor de flujo,
pudiéndose asociar la variación de tensión obtenida con el caudal que circulaba a través de él.
Tras la obtención y estudio de los datos experimentales, en el capítulo posterior se mostrarán las
conclusiones sacadas de este estudio.
‐ 110 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales 6.2 Sensor de temperatura
Para caracterizar los sensores de temperatura se utilizó la topología activa del puente de
Wheastone descrita anteriormente. Para ello se utilizaron resistencias de precisión de un valor
de 330 Ω para las resistencias de polarización del puente y un potenciómetro de 5 kΩ como
resistencia de ganancia de la etapa inversora. Una vez ajustados los valores y comprobado que
el potenciómetro tenía un valor de 3,3 kΩ y la tensión de salida no saturaba los amplificadores
operacionales, se procedió a caracterizar su comportamiento.
Para ello se colocó el sensor de temperatura sobre el Hot-Plate y una vez alimentados los
amplificadores operacionales con ±20 V y la tensión del puente con 2 V se procedió a conectar
el Hot-Plate. La estrategia a seguir es ir incrementando la temperatura desde 30 ºC hasta 100 ºC
con incrementos de 10 ºC y mediante un termómetro láser Non contact IR-88 se confirmaba la
temperatura a la que se encontraban las pistas de oro. Se realizaba esta comprobación de la
temperatura debido a que la bandeja metálica del Hot-Plate puede encontrarse a un valor
próximo al que muestra su display, pero debido a la poca conductividad térmica que tiene el
FR-4 y el SU-8, la temperatura en las pistas de oro será menor.
Mediante las mediciones de temperatura obtenidas con el termómetro láser y los valores de
tensión obtenidos mediante LabView se pudo obtener la curva de comportamiento del sensor de
temperatura.
El sensor de temperatura de oro que se estudió presentaba un valor nominal de 128,9 Ω a la
temperatura ambiente de 27 ºC. Este sensor está compuesto con un espesor de 120 nm, lo cual
correspondía con un valor teórico de resistividad de 0,20618 µm·Ω y un coeficiente de
temperatura 0,00114 ºC-1. Con estos datos se dedujo que el valor teórico que se debería obtener
era 103 Ω, se observa como ha variado un 25% del valor estimado.
Se inició el ciclo térmico en el Hot-Plate desde una temperatura ambiente de 27ºC hasta 100ºC,
con incrementos de 10ºC. Los valores resistivos en función de la temperatura medidos con un
multímetro se muestran en la Tabla 2 del “Anexo 4. Tablas del sensor de temperatura”.
Para analizar mejor los valores de resistencia obtenidos del sensor de temperatura de oro se
representaron gráficamente en función de la temperatura. Como se conoce el valor nominal de
resistencia y su coeficiente de temperatura, parece muy interesante representar a la vez los
valores teóricos que debería presentar el sensor.
‐ 111 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.1. Respuesta experimental y teórica del sensor de temperatura
Analizando la Figura 6.1 se observa como la respuesta del sensor de temperatura es muy lineal y
muy próxima al valor teórico hasta la temperatura de 90ºC donde alcanza la saturación. Se
comprobó que cuando se calienta el sensor hasta la saturación, la resistencia que presenta éste
comienza a descender de un modo exponencial hasta que se decrementa la temperatura y el
sensor se estabiliza.
A pesar de tener una temperatura de saturación, ésta se encuentra a una temperatura bastante
elevada. De todos modos, el calentador del sensor de flujo será ajustado para que su temperatura
no supere los 80ºC para asegurarnos que de no se alcance la saturación del sensor de
temperatura, trabajando de esto modo en su región lineal y segura.
Una vez comprobado el buen funcionamiento del sensor de temperatura, se pasó a probarlo en el
circuito de adaptación de señal. Para ello se realizó el mismo ciclo térmico, desde 27 hasta
90ºC, con incrementos de 10ºC. No se llegó a la temperatura de 100ºC para no dañar
innecesariamente los sensores de temperatura.
Mediante el programa de simulación Pspice se obtuvieron los valores de tensión de salida que
debería tener el sensor de temperatura. A la temperatura ambiente de 27ºC y con una resistencia
de 128,9 Ω, el valor teórico que se obtuvo para una tensión de entrada de 2V con unas
resistencias de polarización de precisión de 330Ω y una resistencia de ganancia de 3,3 kΩ sería
-14,76 V.
Los valores experimentales se obtuvieron ajustando la temperatura en el Hot-Plate y mediante el
programa de LabView se observaba la evolución de la señal con la temperatura. Una vez
estabilizada esta señal, con el termómetro láser se medía la temperatura real del sensor de oro y
se apuntaba el valor de tensión que correspondía a esa temperatura. Este proceso se realizó para
‐ 112 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales las distintas temperaturas, mostrándose los valores obtenidos en la Tabla 3 del “Anexo 4. Tablas
del sensor de temperatura”.
La respuesta temporal de los datos obtenidos mediante el programa de LabView se puede
observar en la Figura 6.2. Analizando estos datos se puede comprobar que el comportamiento
del sensor de temperatura es bastante bueno, siendo su respuesta muy rápida ante cambios
bruscos de temperatura y muy estable con el tiempo. Una vez alcanzada la temperatura de 74ºC
se retiró el sensor de temperatura del Hot-Plate y se situó en la mesa del laboratorio,
comprobándose la rápida respuesta del sensor al descender bruscamente su temperatura en muy
poco tiempo.
También puede comprobarse que para una variación de temperatura de 45ºC se ha obtenido una
variación de tensión de 350 mV. De este modo la sensibilidad que tiene nuestro sensor es de
7,78 mV/ºC, valor bastante aceptable debido a que el programa de LabView es capaz de analizar
estos datos con gran precisión, como se puede ver en la Figura 6.2.
Figura 6.2. Respuesta temporal del sensor de temperatura
Como se realizó anteriormente con la resistencia, se representan gráficamente los datos de
tensión de salida del sensor de temperatura para analizar mejor el comportamiento del sensor.
De nuevo se muestran los valores experimentales junto a los valores teóricos, obtenidos
mediante la simulación del circuito en función del valor de resistencia del sensor de
temperatura.
‐ 113 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.3. Tensión de salida del sensor de temperatura en función de la temperatura
Se puede comprobar que el modelo teórico y experimental difiere en un valor DC de 250 mV
aproximadamente. Esto se debe a que el modelo de amplificador operacional utilizado en la
simulación teníá algunos parámetros distintos con respecto al modelo real LM324N, aun así
estos valores son orientativos. Es importante destacar la fuerte linealidad que tiene el sensor de
temperatura con respecto a la temperatura en el rango de temperatura comprendido entre 25 y
80ºC. A partir de este valor se observa como el sensor de temperatura se satura y deja de
funcionar correctamente. Por ello, cuando se instalen en el sensor de flujo se ajustará el
calentador de modo que la temperatura que éste suministre no sea superior a 80ºC.
Tras analizar el comportamiento del sensor de temperatura se puede concluir que se ha obtenido
un sensor de temperatura bastante lineal. La característica de estabilidad del oro hace que no se
oxide y mantenga su valor resistivo constante a lo largo del tiempo, por lo que se obtiene un
sensor de temperatura muy fiable. Para un espesor de 120 nm y longitud de pista de 15 mm, se
ha obtenido una resistividad de 128,9 Ω, con una variación de resistencia de 7,4Ω a los 80 ºC.
Finalmente, al introducir el sensor de temperatura en el circuito activo de adaptación de señal se
obtiene una variación de tensión de 350 mV para esta diferencia de 7,4Ω, siendo la sensibilidad
del sensor de temperatura fabricado fue de 7,78 mV/ºC.
‐ 114 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales 6.3 Sensor de flujo
Tras analizar el correcto comportamiento del sensor de temperatura se pasó a fabricar y
caracterizar el sensor de flujo y analizar su respuesta.
Para ello se utilizó la bomba de jeringa NE-4000 de Syringe Pump, la cual tiene un display
donde muestra el caudal volumétrico que está suministrando. De este modo, una vez conectada
toda la electrónica necesaria para la adaptación de señal, se activó el programa de LabView para
que iniciara el muestreo de datos. Al encender el calentador se observaba como los sensores de
temperatura variaban su valor debido a su proximidad, por lo que una vez estabilizados estos
valores, se ajustaron los niveles de tensión en el programa para que en ese instante la variación
de tensión de los sensores fuera nula. Una vez comprobado que todo funcionaba correctamente
se configuraba la bomba de jeringa con un caudal pequeño y se activaba. Observando el
programa de LabView podía verse la respuesta temporal de los sensores ante el paso de este
caudal y una vez estabilizado el valor de
tensión de salida se apuntaba dicho valor de
tensión y caudal. Tras esto se aumentaba de
nuevo el valor de caudal y se volvían a
apuntar los valores de tensión y caudal. Este
proceso se repetía hasta que se observaba la
saturación del sensor de flujo.
Figura 6.4. Bomba de jeringa NE-4000
Para caracterizar el sensor de flujo se utilizaron tres fluidos: aire, agua y aceite. De este modo,
pudo observarse el comportamiento del sensor ante distintos tipos de fluidos y viscosidades.
Figura 6.5. Herramientas utilizadas para caracterizar el sensor de temperatura
‐ 115 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Como para cada fluido se repitieron las medidas con las distintas parejas de sensores de
temperatura, se muestra a continuación la nomenclatura que se utilizó para definir cada sensor.
Figura 6.6. Nomenclatura de los sensores de temperatura en el sensor de flujo
A continuación se muestran en la Tabla 6.1 los valores de resistencia nominal obtenidos para
cada sensor de temperatura. El número con el que se nombra cada sensor es el definido en la
Figura 6.6.
Número de sensor Resistencia (Ω)
1
111,6
2
106,8
3
121,1
4
115,9
5
127,9
Tabla 6.1 Valores de resistencia de los sensores de temperatura
Se observa como los valores resistivos obtenidos en la deposición de los sensores de
temperatura no difiere en gran medida del valor teórico, estimado en 103 Ω. El sensor que más
se ha alejado de este valor teórico ha sido el sensor S5 con una variación de un 25%.
6.3.1 Aire
El primer fluido utilizado fue aire, el cual se encontraba a la temperatura ambiente de 28ºC. Para
ello se llenó la jeringa de aire y se colocó en la bomba. Inicialmente la bomba de jeringa fue
programada para dar un caudal desde 5 hasta 29 mL/min, valor que corresponde con el máximo
que puede suministrar. La corriente eléctrica a la que se configuró el calentador de cobre fue 1,2
A, valor que permaneció constante para todas las pruebas realizadas con aire, correspondiéndose
a una temperatura de 55ºC.
Debido a la gran diversidad de sensores de temperatura que se disponen existen hasta 6
combinaciones distintas de sensores aguas-arriba y aguas-abajo. Se analizaron cada una de ellas
para el mismo rango de caudales, comprobando de este modo cual es la pareja que mejor se
adapta al aire para medir su caudal. Teóricamente, como se estudió anteriormente, la pareja que
debe de responder mejor tiene que ser el sensor aguas-arriba que se encuentra más alejando del
calentador S1, que ofrece más fondo de escala, y el sensor aguas-abajo que se encuentra más
próximo al calentador S4, que ofrece mayor sensibilidad.
Según la topología inversora que tiene el circuito de adaptación de señal, las tensiones de salida
y sus variaciones serán valores negativos. Al incrementar la temperatura, la resistencia del
sensor de oro aumentará y la tensión de salida también lo hará en la misma proporción.
‐ 116 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Teóricamente, al incrementar el caudal del fluido el sensor aguas-arriba se enfriará,
decrementando su tensión de salida, y el sensor aguas-abajo se calentará debido a su proximidad
al calentador, aumentando de este modo su tensión. Esta es la tendencia que deben seguir los
datos experimentales, aunque en ellos influirá de un modo muy significativo las distancias que
separan los sensores de temperatura del calentador.
Sensores de Temperatura 1-4
Se mostrarán a continuación la respuesta del sensor de flujo utilizando los sensores de
temperatura 1 y 4.
Figura 6.7. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 1 y 4
Observando la Figura 6.7 se aprecia como existe una gran respuesta del sensor de flujo ante
cambios en el caudal de entrada, siendo esta respuesta muy rápida y manteniéndose bastante
estable. La variación de tensión que se obtiene es de 28 mV para una diferencia de caudal de 29
mL/min, siendo la sensibilidad del sensor en esta configuración aproximadamente de
1 mV/(mL/min).
Para observar mejor el comportamiento del sensor se representa en la Figura 6.8 la tensión de
salida en función del caudal que circula por el canal.
‐ 117 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.8. Tensión de salida en función del caudal del canal para los sensores 1 y 4
Como se aprecia en la Figura 6.8, el sensor de flujo en la configuración 1-4 presenta una gran
linealidad en un amplio rango de caudales.
Figura 6.9. Tensión de salida para los sensores de temperatura
‐ 118 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales En la Figura 6.9 se ha representado la respuesta temporal de ambos sensores de temperatura,
donde puede apreciarse muy bien el fenómeno en el que se basa el principio calorimétrico. El
sensor aguas-arriba debería enfriarse por convección al paso de una corriente de aire,
disminuyendo su tensión de salida. Exactamente esto es lo que se observa en la imagen superior
de la Figura 6.9, aunque estos cambios de tensión no son muy elevados debido a que los dos
fluidos están a temperaturas similares.
Con respecto al sensor aguas-abajo, al aumentar el caudal que circula por el canal, el perfil de
temperatura del calentador se verá más desplazado, aumentando la temperatura a la que está
expuesto el sensor e incrementando su tensión de salida. Esto es lo que se observa en la imagen
inferior de la Figura 9, donde pueden apreciase los momentos en los que se aplican los
incrementos de caudal y la rápida respuesta que tiene al final, cuando se apagó la bomba de
jeringa y rápidamente se estabilizó a la tensión correspondiente a caudal nulo.
Se puede concluir, en función de los datos tomados, que la combinación de sensores de
temperatura 1-4 es bastante fiable para medir caudales de aire en un rango de 0-29 mL/min.
Sensores de temperatura 2-4
A continuación se estudiará la respuesta del sensor de flujo utilizando los sensores de
temperatura 2 y 4.
Figura 6.10. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 2 y 4
La respuesta temporal obtenida con esta configuración es muy parecida a la del caso 1-4. Se
pueden apreciar muy bien las variaciones de caudal y la estabilidad que tiene la tensión de salida
para estos valores. Como la bomba de jeringa puede suministrar un caudal máximo de 29
mL/min, y ambos sensores alcanzan sin problema este valor, no puede apreciarse con claridad el
efecto del sensor aguas arriba, el cual teóricamente aumentaba el fondo de escala del sensor.
Con respecto a la amplitud de la tensión de salida es homóloga a la obtenida en el caso 1-4,
siendo de 32 mV aproximadamente y su sensibilidad próxima a 1 mV/(mL(min).
‐ 119 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.11. Tensión de salida en función del caudal del canal para los sensores 2 y 4
La respuesta del sensor de flujo con respecto al caudal se puede observar en la Figura 6.11.
Puede verse de nuevo una gran linealidad en el comportamiento del sensor de flujo,
incrementando aproximadamente 1mV por cada mL/min que aumenta el caudal.
Figura 6.12. Tensión de salida para los sensores de temperatura
Para finalizar el estudio de la configuración 2-4 se estudió la respuesta de los sensores de
temperatura al variar el caudal. El comportamiento es el correcto ya que se observa en el sensor
aguas-abajo como se va incrementando la tensión de salida al aumentar el caudal. El sensor
aguas-arriba no tiene un comportamiento totalmente correcto, ya que aumenta su tensión de
salida hasta caudales medios, donde empieza a enfriarse. Esto se debe a la mayor proximidad
que tiene el sensor al calentador en esta configuración respecto a la anterior, por lo que el
calentador llega a influir en el sensor aguas-arriba para caudales pequeños.
Se puede concluir que la topología 2-4 también es válida para medir caudales de aire en un
rango de 0-29 mL/min, siendo la variación de salida de 32 mV, con una sensibilidad de
1 mV/(mL(min)).
‐ 120 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Sensores de temperatura 3-4
Se pasará ahora a analizar la respuesta de la configuración 3-4. A priori, esta disposición no
debe aportar resultados muy aceptables debido a que la situación de los sensores de temperatura
no es la más apropiada.
Al estar situado el sensor de temperatura aguas-arriba tan cerca del calentador se verá muy
influenciado por su temperatura. En principio, la sensibilidad del sensor de flujo debe de ser la
misma que anteriormente (aprox. 1 mV/(mL/min)) ya que el sensor aguas-abajo se encuentra en
la misma situación. Lo que debe de influenciar bastante es en el fondo de escala de la medida,
ya que en este caso se ha disminuido bastante la distancia del sensor aguas-arriba respecto del
calentador.
Figura 6.13. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 3 y 4
Analizando la Figura 6.13 se observa que la disposición de sensores 3-4 no ofrece valores
aceptables. Los datos mostrados corresponden al momento a partir del cual se han ajustado los
valores de tensión de los sensores de temperatura para que a su salida tengan 0 V, para poder
analizar las variaciones de tensión respecto a un valor de referencia de 0V. De este modo, al
principio se activó el calentador, apreciándose la respuesta del sensor de flujo. Se observa cómo
se incrementa mucho la tensión de salida del sensor de flujo hasta un máximo a los 33 mV, para
posteriormente decrecer hasta un valor medio de 10 mV. Se han añadido al gráfico los puntos en
los que se incrementa el caudal del fluido, respondiendo el sensor con pequeñas variaciones de
tensión ante estos cambios pero que no llegan a estabilizarse. Analizando en detalle la tensión a
la salida para los valores de 5 y 29 mL/min, se aprecia un incremento en la tensión de salida de
aproximadamente 3 mV, sin embargo estos datos no son muy fiables de cara a una buena
medida del caudal de aire.
Para comprender mejor el comportamiento del sensor de flujo con esta topología se analizó la
respuesta independiente de los sensores de temperatura, mostrados en la Figura 6.14. Se observa
como cuando se conectó el calentador, la respuesta de los sensores fue inmediata, aumentando
la tensión de salida de ambos. Se observa como el sensor aguas-abajo aumentó mucho su
‐ 121 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales variación de tensión de salida (aprox. 120 mV), lo cual es lógico debido al principio
calorimétrico. Sin embargo, se aprecia como el sensor aguas-arriba aumentó en el mismo orden
su variación de tensión, significando que éste se estaba calentando mucho. Aquí radica el
problema, el sensor aguas-arriba se sitúa lejos del calentador para que no se vea influenciado
por éste y se pueda medir mejor el caudal que circula por el canal. Sin embargo, al situarlo tan
cerca, prácticamente los dos sensores están midiendo el mismo valor de temperatura y al
inyectar caudal, aunque el perfil de temperatura se mueva hacia el sensor aguas-abajo y el
sensor de flujo sea capaz de verse influenciado por estas variaciones, este caudal no es lo
suficientemente elevado como para que la diferencia de ambos sensores de temperatura sea
significativa, siendo en este caso prácticamente constante.
Esto se aprecia muy bien en la Figura 6.14, donde se observa que la respuesta de ambos
sensores de temperatura es prácticamente la misma en ambos casos. Entrando más en detalle, se
observa como el sensor de temperatura aguas-abajo alcanza antes el máximo valor porque es el
sensor que está más cerca del calentador (0,5 mm). El sensor aguas-arriba tiene una respuesta
más lenta debido a que se encuentra algo más lejos del calentador (2 mm), sin embargo, al final
ambos alcanzan valores muy próximos de temperatura.
Figura 6.14. Tensión de salida para los sensores de temperatura
Para concluir el estudio del caso 3-4, tras los datos analizados y discutidos, no se observa esta
configuración como una buena alternativa para medir caudales de aire.
‐ 122 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Sensores de temperatura 3-5
Tras analizar los casos con el sensor de temperatura aguas-abajo más favorable, se comprobará
ahora el comportamiento del sensor al alejar este sensor del calentador. A priori, se debería de
observar una disminución en la sensibilidad de la medida, ya que al alejar este sensor, cuando se
aumente el caudal y se mueva el perfil de temperatura, éste no alcanzará tan bien al sensor
aguas-abajo.
Se comenzará analizando el caso 3-5. En principio, este es el caso más desfavorable de los 6
estudiados, ya que se ha configurado del modo más indeseable, con el sensor aguas-arriba muy
cerca del calentador y el sensor aguas-abajo muy alejado.
Figura 6.15. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 3 y 5
Como era de esperar, la respuesta del sensor de flujo para la configuración 3-5 no ofrece datos
muy fiables. De nuevo se muestra la respuesta del sensor cuando se conecta el calentador al
principio, observándose el comportamiento del sensor. Analizando la figura puede verse como
la tensión de salida del sensor de flujo no es representativa de las variaciones de caudal,
observándose que al incrementar el caudal, la tensión de salida aumenta muy poco, dificultando
de este modo su medida.
Otro dato característico de esta respuesta es que siempre que se conecta el calentador, la tensión
de salida del sensor de flujo tiende a incrementarse hasta que se estabiliza en una valor positivo.
Sin embargo con esta configuración ocurre todo lo contrario, la tensión de salida crece
negativamente. Esto se puede comprender analizando la respuesta independiente de los sensores
de temperatura en la Figura 6.16.
Como se comentó anteriormente, esta topología es muy mala debido a que el sensor aguasarriba está más cerca del calentador que el sensor aguas-abajo. Este hecho es el que provoca la
forma de la tensión de salida. Al encender el calentador, este suministra calor a ambos sensores
de temperatura. Sin embargo, al estar el sensor aguas-arriba más cerca, incrementa su
temperatura antes que el aguas-abajo. Como el programa de LabView está configurado para
‐ 123 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales mostrar la diferencia de tensión del sensor aguas-abajo respecto al aguas-arriba, la diferencia de
ambos es negativa, siendo ésta la respuesta del sensor de flujo.
Analizando en detalle la respuesta de los sensores de temperatura se observa como a los 600 s,
que es cuando se inyecta el caudal de 5 mL/min, el sensor aguas-arriba no varía su respuesta ni
cuando éste va aumentando. Sin embargo, la respuesta del sensor aguas-abajo parece ser
correcta, aumentando su tensión de salida al aumentar el caudal, aunque su sensibilidad no es
tan precisa como en configuraciones estudiadas anteriormente.
Figura 6.16. Tensión de salida para los sensores de temperatura
Para concluir el estudio de la configuración 3-5, no se recomiendo el uso de esta distribución
para medir caudales de aire.
‐ 124 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Sensores de temperatura 2-5
Se pasará a continuación a analizar la respuesta de la configuración 2-5. En principio, esta
topología debe ofrecer una tendencia en los datos de salida aceptable, aunque por la distribución
del sensor aguas-abajo no deberían ser muy precisos.
Se observa en la Figura 6.17 la respuesta del sensor de flujo desde que se conecta el calentador
y una vez estabilizado se comienza a incrementar el caudal. Como se aprecia, la respuesta de
esta configuración es bastante mejor que la anterior, incrementándose la tensión de salida al
aumentar el caudal. Sin embargo, al estar el sensor aguas abajo tan lejos del calentador, la
sensibilidad ante variaciones de caudal es muy pequeña, siendo la variación de tensión en un
rango de 0 – 29 mL/min de 6 mV.
Figura 6.17. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 2 y 5
Observando la respuesta de los sensores de temperatura se aprecia un comportamiento
adecuado. Puede verse como el sensor aguas-abajo incrementa su tensión al aumentar el caudal
de aire, aunque esta variación no es muy significativa debido a la posición de éste. El sensor
aguas-arriba se está calentando levemente al incrementar el caudal, cuando debería de enfriarse.
Esto se debe a que no está suficientemente alejado del calentador y éste está influyendo mucho
en él, no siendo el caudal suficientemente elevado como para refrigerarlo.
‐ 125 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.18. Tensión de salida para los sensores de temperatura
Debido a la respuesta que tiene el sensor de flujo con esta topología 2-5, no se recomienda ésta
para la medida de caudales de aire de un rango de 0 – 29 mL/min.
Sensores de temperatura 1-5
Para concluir el análisis del sensor de flujo para aire, se mostrará la configuración que falta, la
1-5. Esta topología es, a priori, la mejor de los casos que tienen en sensor aguas-abajo alejado
del calentador, aunque su sensibilidad de nuevo no será muy elevada.
Figura 6.19. Respuesta del sensor de flujo para los sensores 1 y 5
De nuevo se muestra el ciclo desde el momento en el que se conecta el calentador. Se observa
como la tensión de salida tiene un comportamiento correcto hasta que se estabiliza a los 42 mV,
momento en el que se comienza a inyectar caudal de aire. La respuesta del sensor de flujo es
aceptable, aumentando la tensión de salida al incrementar el caudal, sin embargo, debido a la
poca sensibilidad de esta configuración, no son muy apreciables los cambios de caudal. La
‐ 126 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales diferencia de tensión que se obtiene es aproximadamente de 8 mV, valor que se aleja mucho de
la topología 1-4, donde se alcanzaron 32mV.
En la Figura 20 se muestran las tensiones de salida de los sensores de temperatura. Se observa
como el sensor aguas-arriba permanece prácticamente inalterado aun cuando se conecta el
calentador. Sin embargo, el sensor aguas-abajo responde correctamente, incrementando su
tensión de salida con el caudal. Analizando estas dos gráficas, se observa una respuesta del
sensor bastante buena, sin embargo, debido a la disposición del sensor aguas abajo, no se
aprecian con claridad los incrementos de caudal.
Figura 6.20. Tensión de salida para los sensores de temperatura
Por lo analizado anteriormente, aunque con esta configuración el sensor de flujo trabaja
correctamente, no se recomienda su uso para la medida de caudales de aire.
‐ 127 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales 6.3.2 Agua
El segundo fluido que se estudió para el análisis del comportamiento del sensor de flujo fue
agua destilada. El motivo de no utilizar agua común del grifo y usar este tipo de agua es que ésta
carece de muchos iones que producen conductividad y debido a que se va a alimentar el
calentador con una corriente eléctrica elevada, por motivos de seguridad se decidió utilizar agua
destilada.
Para el estudio de todas las configuraciones de sensores de temperatura se configuró una
corriente para el calentador de 1,1 A, que corresponde a un valor de temperatura de 45ºC. Este
valor permaneció constante para todas las medidas.
El método utilizado para caracterizar el comportamiento del sensor de flujo con agua destilada
fue el mismo que en el caso de aire, siendo la nomenclatura de los sensores de temperatura
también la misma.
Cuando se han analizado los fluidos de agua y aceite se ha observado un comportamiento muy
característico del sensor de flujo. Para caudales pequeños, se podía apreciar bien el principio
calorimétrico, donde el sensor aguas-arriba se enfriaba y el sensor aguas-abajo se calentaba,
aumentando la tensión de salida al aumentar el caudal. Pero este comportamiento duraba hasta
caudales aproximados de 50-100 µL/min, a partir de los cuales el caudal era demasiado elevado
y comenzaba a enfriar el sensor aguas-abajo. Sin embargo, aunque en este caso los dos sensores
de temperatura se estuvieran enfriando, el efecto del calentador provocaba que hubiera una
relación entre el caudal que circulaba por el canal y la diferencia de tensión de los sensores. De
este modo se obtuvo una curva de respuesta del sensor con una primera región para caudales
pequeños, donde la tensión de salida se incrementa al aumentar el caudal de entrada y una
segunda región para caudales mayores de 100 µL/min, donde la tensión de salida decrementaba
al aumentar el caudal.
Debido a este comportamiento del sensor existe un valor de tensión que se corresponde con dos
caudales, uno mayor de 100 µL/min y otro menor. Por ello, para saber en qué región nos
encontramos habrá que hacer un muestreo de la señal para conocer si esta tensión es creciente o
decreciente. Así, si es creciente estamos en la región de caudales bajos y si es decreciente
estaremos en caudales mayores. Por motivos de seguridad y debido a la viscosidad que ofrecen
los líquidos, para el estudio de agua y aceite no se utilizaron caudales tan elevados como en el
caso de aire, siendo el rango empleado de 0-2000 µL/min.
Sensores de temperatura 1 y 4
El primer caso de estudio será la de los sensores de temperaturas 1 y 4. En principio esta
topología debe de aportar resultados buenos debido a la disposición de los sensores.
Se observa en la Figura 6.21 la región para caudales pequeños de la tensión de salida del sensor.
Se puede observar muy bien los incrementos en la tensión que provocan las variaciones de
temperatura. Sin embargo, esta medida sólo es aceptable hasta 70 µL/min, valor donde satura el
sensor. Se ha conseguido una variación de 40 mV en un rango de 70 µL/min, obteniéndose una
sensibilidad de 0,57 mV/(µL/min).
‐ 128 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.21. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
En la Figura 6.22 se muestra todo el rango temporal para todos los caudales, incluidos los de la
Figura 6.21. De nuevo puede observarse como al variar el caudal, la tensión de salida se ajusta
hasta un nivel de tensión característico de ese caudal y se mantiene bastante estable en ese valor.
Las pruebas realizadas se hicieron hasta un caudal máximo de 2000 µL/min, valor que no se
superó para no forzar el caudal de SU-8 ni la tapadera del sensor de flujo.
Aproximadamente a los 3600s se terminó la prueba y se paró la bomba de jeringa, observándose
la rápida respuesta del sensor de flujo, ajustándose muy rápido a los valores de caudales
pequeños.
Figura 6.22. Tensión de salida del sensor de flujo para los sensores 1-4
Debido a que las imágenes anteriores muestran la respuesta temporal del tiempo, se ha
representado en la Figura 23 la curva característica de tensión frente a caudal.
‐ 129 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.23. Curva característica de tensión frente a caudal
En esta imagen se aprecien muy bien los fenómenos descritos anteriormente. Se observa una
primera región muy lineal donde la tensión de salida se incrementa con el caudal hasta unos
70 µL/min aprox. A partir de este caudal, la tensión de salida comienza a decrecer de un modo
no lineal hasta el caudal límite de 2000 µL/min, observándose como para estos caudales tan
elevados, la tensión de salida del sensor está cerca del caudal de saturación.
Figura 6.24. Tensión de salida de los sensores de temperatura
‐ 130 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Para finalizar el estudio de la configuración 1-4 se muestra la respuesta temporal de los sensores
de temperatura. Se observa como el sensor aguas-arriba varía muy poco su tensión,
aproximadamente 15 mV. Sin embargo, en el sensor aguas abajo se aprecian muy bien las dos
regiones de funcionamiento del sensor y los momentos en los que se incrementa el caudal.
Por todo ello, parece que esta configuración es aceptable para medir caudales, tanto pequeños
como elevados.
Sensores de temperatura 2 y 4
Se mostrarán a continuación los resultados del estudio de la configuración 2-4. De nuevo se
observa una doble región de funcionamiento, mostrándose en la figura 6.25 la respuesta
temporal del sensor para caudales pequeños. Pueden observarse los incrementos en la tensión de
salida provocados por los caudales hasta un valor de saturación de 50 µL/min, consiguiéndose
una diferencia de tensión de 40 mV en este rango. También puede observarse en esta imagen
como en esta configuración no se consigue un valor estable de tensión, variando bastante ésta,
por ello se muestra una curva de tendencia con media móvil.
Figura 6.25. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
Una vez observada la primera región de funcionamiento, se muestra en la Figura 6.26 toda la
respuesta temporal. Pueden apreciarse de nuevo como para cada caudal de entrada se
corresponde una tensión de salida bastante estable, siendo el caudal máximo 2000 µL/min.
También se observa una mayor agrupación de los datos muestreados en la segunda región con
respecto a la primera, donde variaban algo más.
‐ 131 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.26. Tensión de salida del sensor de flujo para los sensores 2 y 4
Para comprobar realmente el comportamiento del sensor de flujo, se representa a continuación
la curva de comportamiento de tensión frente a caudal para esta configuración. Pueden
apreciarse muy claramente las dos regiones de funcionamiento, ofreciendo la primera una
tensión de salida próxima a 40 mV. La segunda región se corresponde con una respuesta no
lineal con una variación de tensión de 160 mV, estando el caudal de saturación próximo a
2000 µL/min.
Figura 6.27. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 2-4
Para mayor comprensión del funcionamiento de esta configuración se añade la respuesta
independiente de los sensores de temperatura. Puede observarse como el sensor de temperatura
aguas-arriba varía poco su respuesta con respecto al sensor aguas-abajo, que es el que responde
mejor ante cambios de caudal.
‐ 132 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.28. Tensión de salida de los sensores de temperatura
Tras el análisis de los datos para la configuración 2-4, parece que se adapta bien para medir
caudales elevados pero no es muy sensible para caudales pequeños.
Sensores de temperatura 3 y 4
Se pasa a continuación a estudiar el comportamiento de los sensores de temperatura 3 y 4. A
priori, esta topología no debería ofrecer datos muy buenos debido a próxima situación del
sensor aguas-arriba.
Figura 6.29. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
‐ 133 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Aunque en principio no parecía muy viable esta configuración, en la Figura 6.29 se observa una
respuesta bastante buena del sensor de flujo. Se obtiene una diferencia de 55 mV en un rango de
50 µL/min, lo que corresponde a una sensibilidad de 1,1 mV/(µL/min). De nuevo el caudal de
saturación en esta región está en torno a 100 µL/min.
Figura 6.30. Tensión de salida del sensor de flujo para los sensores 2 y 4
En la Figura 6.30 se observa la respuesta temporal del sensor de flujo. En este caso se aprecian
muy bien las variaciones de caudal, manteniéndose muy estable la tensión para cada caudal. La
diferencia de tensión que se obtiene en esta región es de 120 mV desde 100 hasta 2000 µL/min.
Figura 6.31.Curva característica del sensor de flujo para la configuración 3-4
En Figura 6.31 se puede observar la respuesta del sensor de flujo para esta configuración. Se
aprecia una respuesta bastante lineal en la primera región y una respuesta muy suave en la
segunda. En la Figura 6.32 se muestra la tensión de salida de los sensores de temperatura.
‐ 134 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Destacar que a diferencia de casos anteriores, al estar el sensor aguas-arriba tan próximo al
calentador, se ve muy influenciado por éste, aumentando su temperatura.
Figura 6.32. Tensión de salida de los sensores de temperatura
Esta disposición de situar el sensor aguas-arriba tan próximo al calentador hace más sensible el
sensor de flujo para caudales pequeños. La respuesta en la segunda región sigue siendo muy
similar a casos anteriores. Por ello, es viable utilizar esta configuración tanto para medir
caudales pequeños como elevados.
Sensores de temperatura 1 y 5
Una vez analizados los tres sensores aguas-arriba asociados al sensor 4, se pasará a realizar el
mismo análisis pero refiriéndolos al sensor aguas-abajo 5. En principio, las medidas tomadas
con este sensor número 5 deberían ser menos sensibles que las realizadas con el 4, como ocurrió
con aire. Sin embargo, debido a la mayor conductividad térmica que tiene le agua puede que
esto no sea cierto.
Observando la Figura 6.33 se observa una gran correlación de la tensión de salida respecto al
caudal. En este caso los valores de tensión se ajustan muy bien al caudal, manteniéndose muy
estables y consiguiéndose una variación de tensión de 55 mV en 70 µL/min, siendo su
sensibilidad de 0,78 mV/(µL/min).
‐ 135 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.33. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
En la Figura 6.34 se añade la respuesta temporal total del sensor de flujo para un rango de
caudales comprendido entre 0 y 2000 µL/min. Puede observarse una relación bastante fuerte
entre los caudales y la tensión de salida, la cual se mantiene bastante constante para cada valor
de caudal. En la segunda región de funcionamiento se consigue una variación de tensión de
120 mV en un rango de 70 a 2000 µL/min.
Figura 6.34. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 1-5
Aunque teóricamente la respuesta con esta configuración no debería ser tan sensible como las
anteriores, que usaban el sensor aguas-abajo 4, se observa cómo se obtiene una respuesta
bastante similar. Esto es debido a que el agua es capaz de mantener el calor que le suministra el
‐ 136 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales calentador el tiempo suficiente hasta alcanzar el sensor de temperatura aguas-abajo. Sin
embargo, en las pruebas con aire, debido a su baja conductividad térmica, se observó que con
esta configuración 1-5 no se obtenía una buena respuesta
Para observar mejor la respuesta del sensor de flujo se representa en la Figura 6.35 la tensión de
salida con respecto al caudal que circula por el canal. Se observa una respuesta similar a las
anteriores, con dos regiones bien diferenciadas. En la primera se obtiene una respuesta muy
lineal, con una variación de 55 mV en 70 µL/min. En la segunda región el comportamiento es
fuertemente no lineal, con una variación de tensión de 120 mV y un caudal de saturación
próximo a 2000 µL/min.
Figura 6.35. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 1-5
También se muestra la respuesta independiente de los sensores de temperatura, obteniéndose
una respuesta similar a las anteriores. El sensor aguas-arriba varía poco respecto al caudal de
entrada debido a que el fluido entra a temperatura ambiente, sin embargo es el sensor aguasabajo el que se ve mucho más afectado ante cambios de caudal. Es importante ver el efecto que
tienen los cambios de caudal en el sensor aguas-abajo, el cual aun no estando tan cerca del
calentador tiene mucha sensibilidad.
‐ 137 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.36. Tensión de salida de los sensores de temperatura
Debido a la buena respuesta que tiene el sensor para caudales tanto pequeños como mayores, se
estima esta configuración como válida para la medición de caudales de agua.
Sensores de temperatura 2 y 5
Se pasa a continuación a analizar la respuesta del sensor de flujo con la configuración de los
sensores 2-5. En la figura 6.37 se muestra la respuesta para caudales pequeños. Se puede
observar como la respuesta es muy clara, manteniéndose los valores de tensión muy agrupados
para cada caudal hasta el caudal de saturación, que en este caso es 50 µL/min. La variación de
tensión obtenida en esta primera región es 43 mV, con una sensibilidad de 0,86 mV/(µL/min).
‐ 138 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.37. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
En la Figura 6.38 se muestra la respuesta temporal del sensor de flujo para un rango de caudales
desde 0 hasta 2000 µL/min. De nuevo la respuesta entre caudal y tensión es bastante clara,
estabilizándose en un valor sin oscilar demasiado.
Figura 6.38. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 2-5
La respuesta del sensor de flujo en la configuración 2-5 es mostrada en la Figura 6.39. En ella se
observa claramente las dos regiones de funcionamiento, siendo la primera muy lineal aunque
con un bajo fondo de escala. A partir de este primer caudal de saturación de 70 µL/min se
obtiene una respuesta no lineal hasta el segundo caudal de saturación, el cual está próximo a los
2000 µL/min.
‐ 139 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.39. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 2-5
Para comprobar el buen funcionamiento del sensor, la respuesta independiente de los sensores
de temperatura es mostrada en la Figura 6.40. Como ha ocurrido en anteriores ocasiones, es el
sensor aguas abajo el que realmente mide y responde ante las variaciones de caudal,
manteniéndose el sensor aguas-arriba bastante estabilizado en un valor. Cabe destacar de nuevo
la gran respuesta que tiene el sensor aguas abajo aunque esté a una distancia bastante importante
del calentador.
Figura 6.40. Tensión de salida de los sensores de temperatura
Sensores de temperatura 3 y 5
Para finalizar el análisis de agua destilada como fluido de prueba, se muestran los resultados de
los sensores de temperatura 3 y 5. Esta configuración no es la más idónea para medir caudales,
sin embargo, como se ha demostrado anteriormente, las buenas propiedades térmicas del agua
hacen que se adapte muy bien a todo tipo de configuraciones y distancias de los sensores.
‐ 140 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.41. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
En la Figura 6.41 se observa la respuesta de esta configuración 3-5 para caudales pequeños. A
diferencias de medidas realizadas anteriormente, se observa como la tensión de salida
permanece muy constante para cada variación de caudal, siendo su dispersión mínima. En este
caso, se obtiene un caudal de saturación de 70 µL/min con una variación de tensión de 135 mV,
siendo la sensibilidad de esta configuración de 1,92 mV/(µL/min).
Figura 6.42. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 3-5
La respuesta temporal completa es mostrada en la Figura 6.42. En ella se observa cómo, en
niveles de tensión, la respuesta en la primera región es muy similar a la segunda. Se aprecia
‐ 141 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales también una clara correlación entre tensiones y caudales, siendo la variación de tensión en la
segunda región de 120 mV.
Figura 6.43. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 3-5
En la respuesta de tensión frente a caudal se observa una curva con una gran sensibilidad para
caudales pequeños. En la segunda región se observa una respuesta no lineal que para caudales
próximos a 2000 µL/min satura la tensión de salida.
Figura 6.44. Tensión de salida de los sensores de flujo
‐ 142 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Con estos datos, se observa que de todas las configuraciones posibles parece que ésta es la que
mejor se adapta para medir caudales, tanto pequeños como elevados. Analizando la respuesta de
los sensores de temperatura se puede comprender mejor el por qué.
La respuesta del sensor aguas-abajo es muy parecida a la de anteriores ocasiones, ajustándose
muy bien ante cambios de caudal. Sin embargo, la respuesta del sensor aguas-arriba difiere
bastante. Se observa como al estar tan cerca del calentador, se ve alterado por la temperatura de
éste, disminuyendo su tensión de salida. Sin embargo, al ir incrementando el caudal por el canal
el calor que le llega a este sensor de temperatura es menor debido al desplazamiento producido
en el perfil de temperatura, enfriándose y disminuyendo su tensión de salida. Este hecho se
contrapone al sensor aguas-abajo, el cual se está calentando al aumentar el caudal y de este
modo, como la tensión de salida es la diferencia de ambos, se obtiene una mayor sensibilidad en
la medida de pequeños caudales. Una vez alcanzado un caudal medio de 150 µL/min
aproximadamente, el sensor aguas-arriba ya está bastante enfriado y se mantiene en ese valor
aunque se aumente más el caudal.
6.3.3 Aceite
Tras analizar el comportamiento del sensor de flujo para aire y agua, se procederá a caracterizar
su respuesta ante aceite de girasol. De este modo se podrá comparar un líquido con una
conductividad térmica media como es el agua y otro con una conductividad alta que es el aceite,
pudiendo comprobar así como afecta esta característica del fluido.
En todas las pruebas el calentador fue configurado con una corriente eléctrica de 1 A, el cual
corresponde a una temperatura de 40 ºC.
En cada pareja de sensores de temperatura se observó una respuesta muy similar a la de agua,
con dos regiones de funcionamiento. La primera región correspondía a un funcionamiento
donde el sensor aguas-arriba se refrigera y el sensor aguas-abajo se calienta. En la segunda
región este segundo sensor se enfriaba también, pero su valor era función del caudal que
circulaba por el canal. Todos los ensayos realizados fueron análogos a los empleados para agua,
analizando las 6 combinaciones posibles de sensores de temperatura y caudales desde en 0 hasta
2000 µL/min.
Sensores de temperatura 1 y 4
La primera pareja en estudio fueron los sensores de temperatura 1 y 4. Para ello se conectó toda
la electrónica y se comenzó a incrementar el caudal, apuntando el valor correspondiente de cada
tensión.
Se observó como para pequeños caudales, se obtenía una respuesta aceptable hasta una caudal
de saturación de 70 µL/min. A partir de este valor el sensor de temperatura aguas-abajo no se
calentaba más y al aumentar el caudal se comenzaba a refrigerar. Se consiguió una variación de
tensión de 43 mV en 70 µL/min, siendo su sensibilidad de 0,6 mV/(µL/min).
‐ 143 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.45. Tensión de salida del sensor de flujo para pequeños caudales
En la Figura 6.46 se muestra todo el rango de caudales. Puede observarse como una vez
alcanzado el caudal de saturación de 70 µL/min, la tensión de salida comienza a descender al
aumentar el caudal de entrada. Se obtuvo una diferencia de tensión de 160 mV en esta segunda
región de funcionamiento.
Figura 46. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 1-4
Sin embargo, como se puede observar en la Figura 6.47, donde se representa la curva
característica de la tensión del sensor de flujo frente al caudal de entrada, la respuesta de esta
segunda región es fuertemente no lineal. Se obtiene una gran sensibilidad para caudales
‐ 144 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales comprendidos entre 150 y 400 µL/min, sin embargo para caudales mayores nos aproximamos al
caudal de saturación y la capacidad de respuesta del sensor decrece.
Figura 6.47. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 1-4
Como se ha podido apreciar en las imágenes anteriores, la respuesta del sensor de flujo para la
configuración 1-4 es bastante aceptable para la medición de caudales de aceite.
Sensores de temperatura 2 y 4
Se pasa ahora a describir los resultados experimentales obtenidos para la configuración 2-4. En
la Figura 6.48 se muestra la respuesta del sensor para caudales pequeños. En esta primera región
se obtuvo una amplitud de tensión de salida de 48 mV para 70 µL/min, siendo la sensibilidad de
0,68 mV/(µL/min) aprox. Se observa como la respuesta en la configuración 2-4 es muy similar a
la conseguida con la 1-4 para la región de funcionamiento de caudales pequeños.
Figura 6.48. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
‐ 145 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.49. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 2-4
En la Figura 6.49 se muestra toda la respuesta temporal del ensayo. En ella se observa como
para caudales superiores de 70 µL/min, el sensor comienza a funcionar en la segunda región,
disminuyendo su tensión de salida al incrementar el caudal, manteniéndose bastante estable para
cada valor de caudal. En esta región se consigue una diferencia de tensión de 100 mV para
caudales comprendidos entre 100 y 2000 µL/min.
La característica del sensor se puede ver en la Figura 6.50, donde se observa la fuerte linealidad
que tiene la tensión de salida para caudales pequeños.
Figura 6.50. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 2-4
También se añade la respuesta de los sensores de temperatura. En ella se observa como el sensor
aguas-arriba no se ve alterado por el calentador, manteniendo su tensión de salida bastante
estable. Sin embargo, en la respuesta del sensor aguas-abajo se observa muy claramente los
momentos en que se producen las variaciones de tensión.
‐ 146 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.51. Tensión de salida de los sensores de temperatura
Sensores de temperatura 3 y 4
En la configuración 3-4 se observó una mejoría bastante importante con respecto a las anteriores
configuraciones. En la figura 6.52 se muestra la respuesta del sensor para caudales pequeños. En
ella se observa una respuesta muy buena por parte del sensor, siendo su tensión de salida muy
elevada y estable para cada valor de caudal. En esta primera región se obtuvo una tensión de
salida de 95 mV para un rango de 100 µL/min, siendo la sensibilidad de 0,95 mV/(µL/min),
valor bastante mayor que los casos anteriores.
Figura 6.52. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
‐ 147 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.53. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 3-4
Como se puede ver en la Figura 6.53, la respuesta total del sensor de flujo es muy buena, siendo
la diferencia de tensión en la segunda región de 110 mV.
Para analizar mejor estos datos, se muestra la curva característica del sensor en la figura 6.54.
En ella se observa una respuesta muy lineal desde 0 hasta 100 µL/min y una caída de tensión
bastante suave para caudales mayores.
Figura 6.54. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 3-4
Por ello, parece bastante interesante la configuración 3-4 para caracterizar, sobretodo, caudales
pequeños de aceite.
‐ 148 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Sensores de temperatura 1 y 5
Tras analizar el comportamiento del sensor de flujo utilizando el sensor aguas-abajo número 4,
se pasa a estudiar el número 5. Para ello se comenzará por la configuración 1-5.
Figura 6.55. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños.
En la figura anterior se aprecia una muy buena respuesta del sensor de flujo para caudales
pequeños. Se obtiene una tensión de salida muy estable y elevada para cada valor, siendo el
caudal de saturación de 100 µL/min. En el rango de 0-100 µL/min el sensor de flujo ofrece una
variación de tensión de salida de 100 µL/min, siendo la sensibilidad de 1 mV/(µL/min).
Figura 6.56. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 1-5
‐ 149 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.57. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 1-5
La respuesta completa del sensor de flujo se muestra en la Figura 6.57. En ella puede observarse
como tanto para la primera región de funcionamiento como para la segunda la tensión de salida
se ajusta bien a las variaciones de caudal. En esta segunda región se consigue una variación de
tensión de salida de 130 mV.
En la Figura 6.58 se puede observar mejor la respuesta del sensor de flujo, siendo de nuevo la
respuesta muy lineal para pequeños caudales. Por ello, se considera esta distribución 1-5 de
sensores bastante buena para la medición de caudales de aceite.
Sensores de temperatura 2 y 5
El análisis del sensor de flujo es mostrado a continuación para la configuración 2-5. Para
caudales pequeños se observa una respuesta muy parecida a las anteriores, donde la tensión de
salida aumenta hasta un valor de saturación de 100 µL/min. Con esta configuración se obtiene
una variación de tensión de 100 mV para 100 µL/min, por lo que su sensibilidad fue de
1 mV/(µL/min).
Figura 6.58. Tensión de salida del sensor de flujo para caudales pequeños
‐ 150 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.59. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 2-5
A partir de este caudal de saturación de 100 µL/min la tensión comienza a disminuir cuando se
aumenta el caudal. Se observa una pequeña sobreoscilación en la respuesta cuando se
incrementa el caudal, estabilizándose muy rápido. En esta región la tensión de salida varió
90 mV en un rango de 150- 2000 µL/min.
Figura 6.60. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 2-5
En la Figura 6.60 se muestra la curva característica para esta configuración. La respuesta es muy
similar a los casos anteriores de agua y aceite, siendo la respuesta muy lineal hasta un caudal de
saturación próximo a 100 µL/min, a partir del cual la tensión de salida es no lineal con un
segundo caudal de saturación próximo a 2000 µL/min.
‐ 151 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Sensores 3 y 5
Para finalizar el estudio de los datos de aceite, se muestran los resultados del último caso
analizado. Debido al tipo de respuesta que se ha conseguido, se ha podido representar en la
Figura 6.61 los dos regímenes de funcionamiento del sensor. Para el primero puede observarse
una respuesta muy estable para cada caudal, siendo el caudal de saturación 100 µL/min. La
tensión de salida obtenida es 130 mV para 100 µL/min, siendo la sensibilidad de
1,3 mV/(µL/min), un valor bastante elevado comparándolo con resultados anteriores.
Figura 6.61. Tensión de salida del sensor de flujo para la configuración 3-5
Con respecto a la segunda zona de funcionamiento, se observa una respuesta estable pero con
una variación de tensión de 80 mV en un rango de 150-2000 µL/min, valor no muy elevado
comparado con resultados anteriores.
Figura 6.62. Curva característica del sensor de flujo para la configuración 3-5
La curva característica de tensión frente a caudal se puede verse en la Figura 6.62. En este caso
se observa una gran sensibilidad para caudales pequeños, pero para caudales mayores la
respuesta del sensor no es tan buena. Cabe destacar también la gran linealidad que tiene el
sensor de flujo para caudales pequeños aun teniendo una variación de salida tan elevada.
‐ 152 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales 6.4 Conclusiones de los datos obtenidos
Tras mostrar por separado y para cada fluido el comportamiento de cada pareja de las seis
posibles configuraciones de sensores de temperatura, se pasa a mostrar las conclusiones
obtenidas para cada uno.
Para ello se mostrarán en una misma gráfica las tres disposiciones de sensores aguas-arriba con
el sensor aguas-abajo 4 y de igual modo con el sensor 5, para poder analizar y comparar mejor
la influencia de las distancias en el comportamiento del sensor. Para finalizar se mostrarán en la
misma gráfica las respuestas del sensor de flujo ante estos tres fluidos.
Se recuerda en la Figura 6.63 la nomenclatura utilizada para designar a cada sensor de
temperatura.
Figura 6.63. Nomenclatura de los sensores de temperatura en el sensor de flujo
‐ 153 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Aire
Primero se analizará el comportamiento del sensor de flujo ante variaciones de caudal de aire.
En la Figura 6.64 se muestra la respuesta de los sensores aguas-arriba referidos al sensor aguasabajo 4.
En ella se observa como las configuraciones 1-4 y 2-4 tienen respuestas muy similares,
obteniendose una variación en la tensión de salida próxima a los 28 mV. Sin embargo, con la
distribución 3-4 no se obtiene tanta diferencia. Esto es debido a que el sensor aguas-arriba está
siendo calentado por estar muy próximo al calentador (2 mm) y como la tensión de salida
muestra la diferencia entre los dos sensores de temperatura, y ambos están a temperaturas
similares, la diferencia es pequeña. Este hecho no se observa en las otras dos configuraciones
1-4 y 2-4, ya que los sensores aguas-arriba están más alejados del calentador, 12 y 7 mm.
respectivamente.
Figura 6.64. Curva característica del sensor de flujo para aire y el sensor aguas-abajo 4
Se muestra en la Figura 6.65 la respuesta del sensor de flujo utilizando como sensor aguas-abajo
el S5, donde se ha mantenido la misma escala que en la Figura 6.63 para poder apreciar y
comparar mejor los seis casos.
En esta figura se observa que la diferencia de tensión en estas tres configuraciones es muy
pequeña, del orden de 7 mV. Esto es debido a que al pasar el aire por el calentador y aumentar
su temperatura, como el sensor aguas abajo está bastante más alejado (4 mm) y el aire tiene
poca inercia térmica, en el período de tiempo que tarda en llegar el aire desde el calentador al
sensor aguas-abajo se pierde gran parte del calor, siendo muy poco el transmitido por
convección al sensor aguas-abajo. De este modo se observa una pequeña variación en la tensión
de salida al aumentar el caudal de entrada, siendo la configuración 1-5 la mejor de las tres, con
una tensión de salida de 9 mV.
‐ 154 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.65. Curva característica del sensor de flujo para aire y el sensor aguas-abajo 5
Del análisis anterior se puede concluir que la combinación que mejor es capaz de medir el
caudal de aire es la 2-4, obteniéndose una variación en la tensión de salida de 29 mV en un
rango de 0-29 mL/min y una sensibilidad de 14,5·10-3 mV/(mL/min).
Agua
Se analizará a continuación la respuesta del sensor de flujo ante agua destilada. Para ello de
nuevo se mostrarán por separado los datos referidos a los sensores aguas-abajo 4 y 5,
manteniéndose todos los resultados a la misma escala.
En la Figura 6.66 se observa la respuesta de los sensores aguas-arriba con respecto al sensor
aguas-abajo 4. En ellos se puede observar dos regiones de funcionamiento: una primera para
caudales hasta 100 µL/min y una segunda para caudales mayores hasta 2000 µL/min.
Se observa como para caudales pequeños, la configuración que mejor se adapta es la 3-4. Esto
es debido a que se está calentando el sensor aguas-arriba al estar tan próximo al calentador,
igual que ocurría en el caso de aire. Sin embargo, al incrementar el caudal, debido a que el agua
tiene mayor conductividad e inercia térmica que el aire, es capaz de absorber más calor y
mantenerlo mejor. Por ello, para caudales nulos están calientes ambos sensores de temperatura
debido al calentador, pero al ir incrementando el caudal, el perfil de temperatura se comienza a
desplazar, enfriándose el sensor aguas-arriba y calentándose más el aguas-abajo. Debido a que
la tensión de salida es la diferencia de estos dos sensores, sus efectos contrarios provocan una
gran sensibilidad en la medida de caudales pequeños, siendo la diferencia de tensión en esta
caso de 55 mV a los 100 µL/min, con una sensibilidad de 0,55 mV/(µL/min).
Sin embargo, si lo que se desea es medir caudales mayores el sensor de flujo trabajará en la
segunda región. En este caso se observa como la configuración que mayor diferencia de tensión
‐ 155 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales obtiene es la 1-4, siendo de 180 mV. Esto se debe a que al estar los dos sensores de temperatura
enfriándose a la vez en esta región, interesa que el sensor aguas-arriba esté lo más alejado
posible del calentador, para que no se vea afectado por éste.
Figura 6.66. Curva característica del sensor de flujo para agua y el sensor aguas-abajo 4
La respuesta con respecto al sensor aguas-abajo 5 se muestra en la Figura 6.67. En ella se
observa de nuevo como la pareja que mejor mide caudales menores de 100 µL/min es la que
utiliza el sensor aguas-arriba 3. El motivo es el mismo que en el caso anterior, sin embargo, con
esta configuración se consigue una tensión de salida mucho mayor, 140 mV. Esto se debe a que
al estar el sensor aguas-abajo más alejado del calentador su temperatura a caudal nulo es menor
que en el caso donde se usaba el sensor S4. De este modo sólo se ve afectado por la temperatura
del fluido, incrementando su sensibilidad ante variaciones de caudal.
Se observa como en este caso no hay una configuración que predomine en la región de caudales
elevados, siendo todas las variaciones de tensión próximas a 120 mV.
‐ 156 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.67. Curva característica del sensor de flujo para agua y el sensor aguas-abajo 5
En función de los datos obtenidos, se estima que la configuración que es capaz de medir mejor
caudales hasta 100 µL/min es la 3-5, la cual proporciona una variación en la tensión de salida de
140 mV, con una sensibilidad de 1,4 mV/(µL/min). Para medir caudales comprendidos entre
100-2000 µL/min, se recomienda la configuración 1-4, la cual ofrece una diferencia de tensión
de 180 mV.
Aceite
Por último, se mostrarán los resultados obtenidos para aceite de girasol. En la Figura 6.68 se
observa la respuesta del sensor de flujo utilizando el sensor aguas-abajo 4, donde de nuevo se
aprecia como la que mejor se adapta es la configuración 3-4, con una diferencia de tensión de
110 mV a los 100 µL/min. En este caso ocurre los mismo que con el agua, donde el sensor de
flujo se hace más sensible para caudales pequeños cuando el sensor aguas abajo está a una
distancia del calentador de 2 mm.
Con respecto a caudales mayores de 100 µL/min, la distribución que es más sensible ante
cambios de caudal es la 1-4, tal y como ocurrió en el caso de agua, siendo la diferencia de
tensión de 170 mV en el rango de 100-2000 µL/min. Esto vuelve a ser debido a que la
configuración 1-4 es la que consigue que el sensor aguas-arriba esté más alejado del calentador,
favoreciendo de este modo la medida de caudales elevados.
‐ 157 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Figura 6.68. Curva característica del sensor de flujo para aceite y el sensor aguas-abajo 4
Se representa en la Figura 6.69 la respuesta del sensor de flujo cuando se utiliza el sensor
aguas-abajo 5.
Figura 6.69. Curva característica del sensor de flujo para aceite y el sensor aguas-abajo 5
‐ 158 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Se confirma en la Figura 6.69 como para caudales pequeños el sensor aguas-abajo 5 funciona
mejor que el 4, ya que se aprecia una gran variación en la tensión en las tres configuraciones.
Entre ellas, la que mayor sensibilidad muestra es de nuevo la 3-5, como ya ocurrió con el agua,
siendo su diferencia de tensión de 130 mV a los 100 µL/min y su sensibilidad de
1,3 mV/(µL/min).
Sin embargo, para caudales mayores de 100 µL/min, la pareja que ofrece una mayor diferencia
de tensión a la salida es, de nuevo, la 1-4, siendo su diferencia de tensión de 170 mV.
Comparación entre aire, agua y aceite
Para concluir el análisis de los datos experimentales se muestran a continuación en la misma
gráfica la mejor respuesta obtenida para cada fluido, siendo la de aire la configuración 2-4 y
para agua y aceite la 3-5. Esto puede ser observado en la Figura 6.70, donde la respuesta de aire
es tan baja debido a que se ha representado en un rango de 0-2 mL/min, valores que
corresponden al ensayo realizado para los líquidos.
Figura 6.70. Respuesta del sensor de flujo ante distintos fluidos
Analizando la Figura 6.70 puede observarse como el sensor de flujo fabricado es capaz de medir
muy bien caudales comprendidos entre 0-100 µL/min, siendo su respuesta muy lineal. También
se podrían medir caudales mayores, aunque la respuesta obtenida sería no lineal. Sin embargo,
para medir pequeños caudales de aire, el sensor no es capaz de proporcionar una tensión de
salida que sea representativa del caudal.
‐ 159 ‐ Capítulo 6 Datos Experimentales Debido a que no se aprecia bien la respuesta del sensor de caudal para las pruebas de aire, se
muestra en la Figura 6.71 su respuesta para un rango de caudales de 0-29 mL/min con la
configuración óptima 2-4.
Figura 6.71. Respuesta para aire con la configuración 2-4
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