ES2203561T3 - Sistema para determinar la tension superficial de una solucion, en particular de una solucion de agente tensoactivo. - Google Patents
Sistema para determinar la tension superficial de una solucion, en particular de una solucion de agente tensoactivo.Info
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Abstract
Sistema para determinar la tensión superficial de una solución que se encuentra en un recipiente, en particular de una solución de agentes tensoactivos (líquido de lavado 1), según el procedimiento de la presión de burbuja, introduciéndose en la solución mediante un capilar (4) una corriente volumétrica gaseiforme y considerándose durante la formación de la burbuja la evolución en el tiempo de la presión de esta corriente volumétrica, caracterizado porque el capilar (4) desemboca en una cámara de burbujas (2) en la que mediante depresión puede generarse una columna de líquido que asciende por encima de la altura donde desemboca el capilar (4).
Description
Sistema para determinar la tensión superficial de
una solución, en particular de una solución de agente
tensoactivo.
La invención se refiere a un sistema para
determinar la tensión superficial de una solución que se encuentra
en un recipiente, en particular de una solución de agente
tensoactivo, según el procedimiento de la presión de burbuja,
introduciéndose en la solución mediante un capilar una corriente
volumétrica gaseiforme y considerándose durante la formación de la
burbuja la evolución en el tiempo de la presión de esta corriente
volumétrica.
La medición de la tensión superficial dinámica
según el método de la presión de burbuja se basa en que la tensión
superficial depende de la presión cuando se forman superficies
curvadas. Por la DE 41 12 417 y por la DE 195 29 787 se conoce por
ejemplo el cálculo de la concentración de detergente de una mezcla
de detergente-agua (líquido de lavado, por ejemplo
en el recipiente para la colada de una máquina lavadora) mediante
una medición de la tensión superficial. La ventaja del método de la
presión de burbuja es entonces que la tensión superficial puede ser
determinada (dinámicamente) en superficies de distinta madurez.
Cuanto más lentamente se genere una burbuja, tanto más tiempo tienen
los agentes tensoactivos de pasar a la superficie y hacer descender
la tensión superficial. Esta velocidad de los agentes tensoactivos
se capta también en este método (ver la antigua solicitud de patente
alemana 199 28 390.7).
En el método de la presión de burbuja se genera
en un capilar, mediante una corriente de aire que se aplica
continuamente, una burbuja en el líquido de lavado. La diferencia
de presión entre las burbujas que se forman y las que se desprenden
es entonces proporcional a la tensión superficial. Para generar las
burbujas se lleva mediante un tubito capilar estrecho un medio
gaseiforme, en general aire, al líquido de lavado a medir. Si este
tubito capilar se dispone directamente en el recipiente de lavado,
entonces existe el peligro de que la abertura del capilar se obture
tras algún tiempo debido a partículas de suciedad. Este problema
aumenta cuando las burbujas de gas se generan con una bomba y ésta
se desconecta tras el proceso de medida con el recipiente de lavado
lleno. Entonces fluye líquido hacia el capilar y continúa fluyendo
hacia el tubo flexible al que está conectado el capilar. Si en este
tubo flexible se forma una capa de cal y la misma se suelta
posteriormente, entonces se insuflan en el capilar las partículas
que se sueltan por parte de la bomba y el capilar se obtura.
Para evitar esto, se propone en la antigua
solicitud de patente alemana 199 28 393.1 alojar en una máquina
lavadora el capilar para la medición de la tensión superficial en un
recipiente en la pared del recipiente de lavado, el cual se llena
mediante equipos elevadores en el tambor de lavado. Además, debe
limpiarse regularmente mediante agua de aportación. Para vaciar el
recipiente, se utiliza el desequilibrio al centrifugar. Un
inconveniente al respecto es que el vaciado del recipiente mediante
el desequilibrio no es posible que quede definido, ya que unas
veces hay más desequilibrio y otras veces menos al centrifugar.
Además, es necesario alojar un equipo elevador en el tambor de
lavado, lo cual por razones de espacio no es fácil de realizar.
Por la DE 196 53 752 se conoce un procedimiento y
un equipo para limpiar células de medida de proceso con capilares,
en el que tiene lugar una utilización combinada de ultrasonido
junto con una corriente de líquido y gas de limpiado. Un equipo así
es demasiado caro para una amplia aplicación en aparatos de la
técnica de electrodomésticos, como máquinas lavadoras y
lavavajillas.
La invención se enfrenta así al problema de dar a
conocer un sistema para determinar la tensión superficial del tipo
citado al principio, en el que de manera sencilla se evite una
obturación del capilar.
Este problema se resuelve en el marco de la
invención mediante un sistema con las particularidades indicadas en
la reivindicación 1. Ventajosos perfeccionamientos y mejoras de la
invención resultan de las siguientes reivindicaciones
secundarias.
Mediante la configuración del sistema
correspondiente a la invención, queda asegurado que la corriente de
gas en el capilar discurre siempre en la dirección de la cámara de
burbujas llena de líquido. Así el peligro de obturación es reducido.
Esto es válido también tras la desconexión de la bomba, ya que en la
cámara de burbujas sigue existiendo una depresión, que disminuye
sólo con el tiempo en función de la columna de líquido descendente.
El sistema puede aplicarse básicamente siempre cuando la tensión
superficial ha de ser determinada y por lo tanto no se limita
solamente a máquinas lavadoras automáticas.
En una forma constructiva ventajosa, la abertura
de los capilares contrapuesta a la cámara de burbujas desemboca en
una cámara de medida, a la que está conectado un sensor de presión y
que mediante un elemento de estrangulación está unida con la presión
ambiental. De esta manera se generan las burbujas en los capilares
de manera sencilla mediante la diferencia de presión entre la
columna de líquido en la cámara de burbujas y la presión en el lado
del capilar que se encuentra fuera de la cámara de burbujas. Sólo se
necesita una única bomba para bombear el líquido de la colada a un
nivel más elevado y a la vez generar las burbujas. Mediante el
elemento de estrangulación puede mantenerse de manera sencilla
constante la corriente volumétrica entre la cámara de medida y su
entorno. El elemento de estrangulación puede protegerse frente a la
suciedad mediante un filtro de aire.
Disponiendo otro elemento de estrangulación
adicional en la cámara de burbujas por encima de la altura donde
desemboca el capilar, se logra un rápido descenso de la columna de
líquido en la cámara de burbujas tras el proceso de medida.
En una forma constructiva especialmente ventajosa
del sistema de medida, puede variarse la corriente volumétrica a
través del capilar mediante un equipo para la variación de presión
que se encuentra unido con la cámara de medida. De esta manera
pueden generarse burbujas con diferente grado de madurez de la
superficie y puede de manera sencilla realizarse el procedimiento
conocido por la antigua solicitud de patente alemana 199 28 390.7
para determinar la concentración de un detergente.
Entonces está unida de la manera más sencilla la
cámara de medida mediante un bypass con la cámara de burbujas,
estando dispuesto el bypass por encima de la altura donde desemboca
el capilar en la cámara de burbujas y estando dispuesto en el bypass
otro elemento de estrangulación adicional. En una disposición así,
la frecuencia de las burbujas depende de la altura del nivel del
liquido en la cámara de burbujas, pudiendo de esta manera
determinarse el nivel a partir de la madurez de la superficie y
evitarse de manera sencilla que el líquido de lavado sea aspirado
hacia la bomba. Puede renunciarse a una regulación de la bomba.
Puesto que el llenado y vaciado de la cámara de burbujas tiene lugar
lentamente, varía entonces la corriente volumétrica de burbujas y
con ello la madurez de la superficie. De esta manera puede medirse
durante el llenado y/o el vaciado de la cámara de burbujas la
tensión superficial en función de la madurez de la superficie.
En los dibujos se muestra de manera esquemática
un ejemplo de ejecución de la invención, el cual se describe más en
detalle a continuación. Se muestra en
Fig.1 un sistema para medir de la tensión
superficial
Fig.2 la evolución de la presión en un sistema
correspondiente a la figura 1
Fig.3 el procedimiento de presión de burbuja para
determinar la presión superficial
Fig.4 un sistema para generar burbujas con
diferente grado de madurez de la superficie
Fig.5 la evolución de la presión en un sistema
correspondiente a la figura 4
Fig.6 otro sistema para generar burbujas con
diferente grado de madurez de la superficie.
La figura 1 muestra un recipiente, por ejemplo el
recipiente de lavado de una máquina lavadora, en el que se encuentra
una solución en forma de una mezcla detergente-agua
(denominado en lo que sigue líquido de lavado (1)). Aquí se ha
representado con superficie rayada. En el recipiente de lavado
desemboca por debajo del nivel normal del líquido de lavado (1) una
cámara de burbujas (2). El extremo contrapuesto de la cámara de
burbujas (2) sobresale del líquido de lavado (1) y está unido con
una bomba (3). Con ayuda de la bomba (3) se genera una depresión,
que aspira el líquido de lavado (1) hasta la altura h_{w} en la
cámara de burbujas (2). En la cámara de burbujas (2) desemboca a la
altura h_{k} un capilar (4). Éste está unido en el lado
contrapuesto (4b) a la cámara de burbujas (2), con una cámara de
medida (5), que está conectada a un sensor de presión (6) y que está
unida mediante un elemento de estrangulación (7) con la presión
atmosférica del aire del ambiente (presión ambiental). En la cámara
de burbujas (2) puede alojarse adicionalmente otro elemento de
estrangulación (8) para un descenso más rápido de la columna de
líquido.
En la figura 2 se representa la evolución de la
presión en este sistema. Al respecto, p_{1} es la presión por
encima de la columna de líquido, p_{2} es la presión en el
líquido de lavado a la altura del capilar (4) y p_{med} es la
presión a medir mediante el sensor de presión (6) en el lado del
aire del capilar (4). La presión p1 corresponde a la altura de
aspiración h_{w} de la columna de líquido en el tubo (presión de
gravedad):
(1)p_{1} = p_{0} - \rho g
\cdot
h_{w}
| p_{1} | presión por encima de la columna de líquido [Pa] |
| p_{0} | presión atmosférica del aire (presión ambiental)[Pa] |
| \rho | densidad del líquido de lavado [kg/m^{3}] |
| g | constante de gravedad = 9,81 m/s^{2} |
| h_{w} | altura de la columna de líquido [m] |
A la altura h_{k} donde desembocan los
capilares (4) reina en el líquido de lavado igualmente una presión
de gravedad correspondiente a la altura:
(2)p_{2} = p_{0} - \rho g
\cdot
h_{k}
| p_{2} | presión a la altura del capilar (4) [Pa] |
| h_{k} | altura del capilar (4) [m] |
\newpage
De esta manera la presión es a la altura h_{w}
la más baja y a la altura h_{k} correspondientemente mayor, pero
siempre más baja que la presión ambiental p_{0}.
El capilar (4) sirve para generar las burbujas.
En la cámara de medida (5) a la derecha del capilar (4) reina
primeramente la misma depresión que en el líquido de lavado (1) en
la cámara de burbujas (2) a la izquierda del capilar (4) (a la
altura h_{k}). El elemento de estrangulación (7) se ocupa de la
regulación de la corriente volumétrica de aire. Debido a la
diferencia de presión respecto a la presión ambiental se conduce
aire desde el entorno hasta la cámara de burbujas (2) y el mismo
llega a través del capilar (4) al líquido de lavado (1). Puesto que
entonces su superficie se deforma, aumenta debido a la tensión
superficial la contrapresión. La magnitud de esta contrapresión en
relación con la presión hidrostática en el agua es así una medida de
la tensión superficial. La evaluación de este fenómeno se denomina
"medición de la tensión superficial dinámica según el método de la
presión de burbuja". La contrapresión aumenta entonces durante la
generación de burbujas debido a los radios cada vez menores de la
superficie límite entre el líquido de lavado-aire.
La figura 3 muestra la evolución de la presión juntamente con las
formas de la superficie límite entre el líquido de lavado y el aire
en los correspondientes instantes (arriba en la imagen.) El capilar
(4) está indicado en cada caso mediante ambas líneas más gruesas
paralelas. Tan pronto la burbuja alcanza la forma de una semiesfera,
existe el máximo de presión, y a continuación cae la presión al
seguir creciendo la burbuja. Entonces se desprende la burbuja y se
alcanza de nuevo el estado inicial con la superficie horizontal (r
\rightarrow \infty \Longrightarrow ninguna presión debido a la
tensión superficial).
Correspondientemente, ha de explicarse la
evolución representada en la figura 2 de la presión p_{med} medida
con el sensor de presión (6):
Al comienzo, reina en la cámara de medida (5) la
presión estática p_{2}. Debido a la diferencia de presión
respecto a la presión ambiental, se genera una corriente volumétrica
de aire en el elemento de estrangulación (7).
\Delta p_{estr} = p_{0} -
p_{2}
El aire llega a través del capilar (4) al volumen
de medida 2 y comienza allí a generar una burbuja. Entonces aparece
debido a la tensión superficial una contrapresión en la cámara de
medida (5), que se mide mediante el sensor de presión (6). En
correspondencia al aumento de la contrapresión, desciende la
diferencia de presión en el elemento de estrangulación (7). De esta
manera se reduce algo la corriente volumétrica del aire que fluye a
posteriori durante la formación de la burbuja (la corriente
volumétrica a través del elemento de estrangulación (7) es
proporcional a la diferencia de presiones). Esto es por supuesto de
una importancia secundaria para estas consideraciones.
En cualquier caso, sigue creciendo la burbuja
hasta que alcanza la forma semiesférica y con ello el máximo de
presión. A continuación, cae la presión de nuevo, la burbuja se
desprende y se restablece de nuevo el estado de partida. De esta
manera, existe una relación entre la amplitud de la presión en la
presión medida p_{med} y la tensión superficial.
Para necesitar en una máquina lavadora un único
sensor de medida (6) para la medición del nivel y la medición de la
tensión superficial, puede utilizarse un sensor de presión
diferencial según el procedimiento descrito en la antigua solicitud
de patente alemana 199 28 391.5 (medición del nivel en un lado del
sensor de presión con la bomba (3) desconectada y medición de la
tensión superficial dinámicamente con la bomba (3) conectada). El
capilar (4) está alojado a una altura h_{k} en la cámara de
burbujas, altura que nunca es alcanzada por el líquido de lavado
(1) con la bomba (3) desconectada. De esta manera existe durante la
medición allí siempre una depresión correspondiente a la altura
h_{k}. Tan pronto se desconecta la bomba (3) para la generación de
la depresión, desciende el nivel en la cámara de burbujas (2) de
nuevo y el volumen es sustituido por aire. La aportación de aire
tiene lugar a través del elemento de estrangulación (7) y el
capilar (4), así como a través de otro elemento de estrangulación
(8) que puede alojarse adicionalmente para un descenso más rápido de
la columna de líquido, pero que no obstante no es forzosamente
necesario para la función básica.
La configuración antes descrita tiene el
siguiente inconveniente:
En los sistemas conocidos para la medición de la
tensión superficial la aportación de aire para el capilar (4) tiene
lugar mediante una bomba regulable, con lo que la corriente
volumétrica de aire es ajustable. De esta manera pueden generarse
las burbujas con distinta frecuencia y el carácter dinámico de las
sustancias superficialmente activas en el líquido de lavado influye
en la medición. Un líquido de lavado contiene siempre una
proporción de agentes tensoactivos que precisan de un determinado
tiempo para ocupar las superficies límite (respecto al aire, colada
y suciedad). Si ahora en el procedimiento de la presión de burbuja
se genera una burbuja muy rápidamente debido a una elevada corriente
volumétrica de aire, entonces los agentes tensoactivos no tienen
tiempo suficiente para llegar a la superficie y actuar allí. Esto
se refleja también en diferencias de presión más bajas en la señal
p_{med}. Así, en el procedimiento de la presión de burbuja es
posible tener en cuenta el comportamiento dinámico de los agentes
tensoactivos mediante mediciones con corrientes volumétricas de aire
de diferente magnitud y con ello considerar las frecuencias de
burbujas más o menos altas a continuación f_{burb} = 1 /
t_{periodo} o bien los diferentes grados de madurez de la
superficie t_{sup}. Para poder aprovechar esta ventaja también en
el sistema configurado según la invención, ha de preverse la
posibilidad de variar la corriente volumétrica de aire a través del
capilar (4) de manera sencilla.
\newpage
Una solución al respecto la muestra la figura 4.
En esta disposición la cámara de medida (5) está unida mediante un
bypass (9) con la cámara de burbujas (2), estando alojado en el
bypass (9) otro elemento de estrangulación (10). La generación de
burbujas en el capilar (4) tiene lugar de la misma manera que en el
sistema descrito en la figura 1, mediante generación de una
depresión en la cámara de burbujas (2) y aprovechando la diferencia
de presiones entre la presión ambiental y la presión en la cámara
de burbujas (2). El líquido de lavado (1) es aspirado mediante la
bomba de depresión (3). Debido a las relaciones de presión, se
forman corrientes volumétricas de aire en los elementos de
estrangulación (7 y 10).
Para mayor claridad, se representa en la figura 5
la evolución de la presión p_{1} en la cámara de burbujas (2),
p_{2} en el capilar (4) a la altura h_{k} y p_{med} en la
cámara de medida (5). Las presiones p_{1} y p_{2} se calculan de
nuevo según las igualdades (1) y (2) y son por lo tanto
dependientes de la altura de aspiración de la columna de líquido
así como de la altura en la que desemboca el capilar (4). p_{1} es
siempre inferior a p_{2}, ya que el líquido de lavado ha de
encontrarse siempre más elevado que la altura hasta los capilares
(4) en la cámara de burbujas (2) para que sea posible una medición.
Las diferencias de presión en los elementos de estrangulación y su
diámetro de paso determinan la corriente volumétrica de aire que los
atraviesa. Las diferencias de presión se representan en la figura 5.
En el elemento de estrangulación (7) existe la diferencia de
presión \Deltap_{estr7} entre la cámara de burbujas (2) a la
altura de los capilares (4) (h_{k}\Longrightarrowp_{2}) y el
ambiente (p_{0}) y en el elemento de estrangulación (10) existe la
diferencia de presión \Deltap_{estr10} entre la cámara de
burbujas (2) a la altura de los capilares (4)
(h_{k}\Longrightarrow p_{2}) y la depresión por encima de la
columna de líquido (h_{w}\Longrightarrowp_{1}). La presión
ambiental es constante, mientras que la depresión por encima de la
columna de líquido p_{1} depende de la altura de aspiración en la
cámara de burbujas (2). Si la columna de líquido es precisamente
tan alta como la altura de aportación del capilar (4) entonces es
p_{1} = p_{2} y es así aproximadamente tan elevada como la
presión p_{med} en la cámara de burbujas (2). Si sigue aumentando
la altura de aspiración, entonces resulta una diferencia de presión
entre p_{1} y p_{med}, de manera que la presión diferencial
\Deltap_{estr10} se hace más grande. Las corrientes
volumétricas de aire a través de los elementos de estrangulación (7,
10) son proporcionales a las diferencias de presión (La dependencia
es lineal, ya que en los elementos de estrangulación reina un flujo
laminar. Para flujo turbulento, la corriente volumétrica de aire es
proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones).
Hay tres corrientes volumétricas de aire hacia la
cámara de medida (5) o bien desde la misma: una corriente
volumétrica de aire se forma desde el ambiente a través del elemento
de estrangulación (7) hacia la cámara de medida (5). La misma
depende de la diferencia de presión \Deltap_{estr7} y por lo
tanto viene determinada ante todo por la altura de aportación del
capilar (4). Esta corriente volumétrica de aire se divide ahora en
dos corrientes volumétricas de aire. La primera se disipa a través
del capilar (4) y se ocupa así de la generación de burbujas. Otra
corriente de aire se disipa a través del elemento de estrangulación
(10) en el volumen de aire por encima de la columna de líquido en la
cámara de burbujas (2). Puesto que la depresión por encima de la
columna de líquido depende de la altura de aspiración h_{w}, puede
ajustarse la corriente volumétrica de aire mediante el elemento de
estrangulación (10) a través de la altura de aspiración h_{w}.
Cuanto mayor es la altura de aspiración, tanto mayor será la
corriente volumétrica de aire a través del elemento de
estrangulación (10). Puesto que la corriente volumétrica media de
aire a través de los elementos de estrangulación (10) es constante
cuando permanece invariable el nivel del líquido de lavado (1) en
la cámara de burbujas (2), el aumento de la corriente volumétrica
de aire a través del elemento de estrangulación (10) con la altura
de aspiración da lugar a una reducción de la corriente volumétrica
de aire a través del capilar (4) y así desciende la frecuencia de
burbujas. De esta manera se ha logrado la finalidad perseguida: la
frecuencia de las burbujas (o bien el grado de madurez de la
superficie) puede ajustarse mediante una sencilla modificación del
nivel h_{w}.
Para el dimensionamiento pueden emplearse
elementos de estrangulación con secciones de paso ajustables. El
elemento de estrangulación (10) se cierra primeramente y el elemento
de estrangulación (7) se ajusta de manera tal que se logra la
frecuencia máxima de burbujas o bien la mínima madurez de la
superficie. A continuación se llena la cámara de burbujas (2)
mediante la aspiración de la bomba (3) hasta el nivel en el que ha
de lograrse la frecuencia mínima de burbujas (o bien la máxima
madurez de la superficie). Con el elemento de estrangulación (10) se
ajusta entonces la frecuencia mínima de burbujas. Entonces se repite
el ajuste (de nuevo el elemento de estrangulación para la máxima y
elemento de estrangulación para la mínima frecuencia de burbujas)
hasta que se realiza la gama prescrita de frecuencias de burbujas. A
continuación se desmontan los elementos de estrangulación, se miden
las pérdidas de presión de los elementos de estrangulación (7, 10) y
se sustituyen los elementos de estrangulación ajustables por los
correspondientes elementos de estrangulación fijos.
Puede renunciarse a una regulación de la bomba
(3). Puesto que el llenado y vaciado de la cámara de burbujas (2)
tienen lugar lentamente, varía entonces correspondientemente la
corriente volumétrica de burbujas y con ello la madurez de la
superficie. Así puede medirse durante el llenado y/o vaciado de la
cámara de burbujas (2) la tensión superficial en función de la
madurez de la superficie.
En el sistema de medida representado en la figura
4 pueden presentarse debido a la realimentación y a través del
bypass (9) perturbaciones en la evolución de la señal de presión,
que se hacen patentes mediante una oscilación de los valores de las
puntas. Las mismas pueden eliminarse mediante el sistema
representado en la figura 6 de un volumen de colchón (11) en el
bypass (9).
Claims (5)
1. Sistema para determinar la tensión superficial
de una solución que se encuentra en un recipiente, en particular de
una solución de agentes tensoactivos (líquido de lavado 1), según el
procedimiento de la presión de burbuja, introduciéndose en la
solución mediante un capilar (4) una corriente volumétrica
gaseiforme y considerándose durante la formación de la burbuja la
evolución en el tiempo de la presión de esta corriente
volumétrica,
caracterizado porque el capilar (4)
desemboca en una cámara de burbujas (2) en la que mediante depresión
puede generarse una columna de líquido que asciende por encima de la
altura donde desemboca el capilar
(4).
2. Sistema para determinar la tensión superficial
según la reivindicación 1,
caracterizado porque la abertura del
capilar (4) contrapuesta a la cámara de burbujas (2) desemboca en
una cámara de medida (5) a la que está conectado un sensor de
presión (6) y que está unida mediante un elemento de estrangulación
(7) con la presión de aire atmosférica ambiente (presión ambiental
p_{0}).
3. Sistema para determinar la tensión superficial
según una de las reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque en la cámara de
burbujas (2) por encima de la altura donde desemboca el capilar (4)
está dispuesto otro elemento de estrangulación
(8).
4. Sistema para determinar la tensión superficial
según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque la corriente
volumétrica a través del capilar (4) puede hacerse variar mediante
un equipo para variar la presión unido con la cámara de medida
(5).
5. Sistema para determinar la tensión superficial
según la reivindicación 4,
caracterizado porque la cámara de medida
(5) está unida mediante un bypass (9) con la cámara de burbujas
(2), desembocando el bypass (9) por encima de la altura donde
desemboca el capilar (4) en la cámara de burbujas (2) y estando
dispuesto en el bypass (9) otro elemento de estrangulación (10)
adicional.
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