ES2211336B1 - Sistema de medicion de la presencia y concentracion de distintos liquidos y inmiscibles en una muestra. - Google Patents
Sistema de medicion de la presencia y concentracion de distintos liquidos y inmiscibles en una muestra.Info
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Abstract
Sistema de medición de la presencia y concentración de distintos líquidos inmiscibles en una muestra. Circuito electrónico medidor de la presencia y concentración de distintos elementos inmiscibles en una muestra, en particular la interfase de hidrocarburos, agua o ambos cuyo principio de funcionamiento consiste en medir el espacio de tiempo de carga en relación a un condensador de referencia ajeno a la medida y el condensador equivalente a su sensor, y por lo tanto, proporcional a la constante dieléctrica de la muestra a medir y relacionar el resultado con el porcentaje de concentración de los distintos líquidos inmiscibles contenidos en dicha muestra. El sensor está envuelto y protegido por una capa exterior de material aislante eléctrico e impermeable que facilitan su implantación en lugares cuyas condiciones de suciedad, impurezas y corrosión extremas, propias de la naturaleza de este tipo de muestras.
Description
Sistema de medición de la presencia y
concentración de distintos líquidos inmiscibles en una muestra.
La presente invención se refiere a un sistema de
medición de la presencia y concentración de distintos líquidos
inmiscibles en una muestra. En particular el sistema es capaz de
medir la interfase de hidrocarburos, agua, o ambos. Su principio de
funcionamiento consiste en medir por una parte el espacio de tiempo
de carga en relación a un condensador ajeno a la medida y que se
toma como referencia, y por otra parte el condensador equivalente a
su sensor, proporcional por tanto, a la constante dieléctrica de la
muestra a medir. Relacionándolo todo con el porcentaje de
concentración de los distintos líquidos inmiscibles contenidos en
la muestra. Además incorpora en su sensor una capa exterior de
material aislante eléctrico e impermeable que lo envuelve y
protege, gracias a la cual se consiguen notables mejoras con
relación a medidores de constante dieléctrica conocidos hasta
ahora. Las mejoras afectan a la facilidad de implantación incluso
en lugares con condiciones extremas de suciedad, impurezas y
corrosión; propios de la naturaleza de este tipo de muestra.
Todos los sistemas de medición de la constante
dieléctrica consideran el sensor como un condensador (componente
electrónico), pero la mayoría de sistemas conocidos suelen integrar
su sensor, como un componente más que forma parte del circuito
electrónico detector, tal como el empleo del sensor como un
elemento que actúa variando la frecuencia de un oscilador en el cual
esta integrado, y es precisamente, esta variación de frecuencia, la
que se utiliza como principio de medida. Entre otras invenciones
que integran entre sus características las anteriormente
mencionadas, se encontraría la US3958159. Otros sistemas adaptan o
acoplan la señal entre dos pasos, como en el caso de la patente
US4646070, pero debido a que estos equipos son muy sensibles y
teniendo en cuenta que, si los elementos que intervienen en la
composición de la muestra son diferentes, la variación de la
constante dieléctrica ante un cambio de la muestra es muy elevada,
la variación de la constante dieléctrica a causa de la suciedad
depositada, hace que a su vez varíe sustancialmente la lectura real,
y por lo tanto, cualquier elemento que contenga la muestra y que
quede depositado en el sensor provoca serios problemas en la medida,
siendo necesaria la intervención del técnico de mantenimiento para
realizar una limpieza. Por este motivo, para poder realizar una
medición de la muestra es necesario prepararla con los conocidos
Sistemas Acondicionadores de Muestras (S.A.M.) provistos de
filtros, decantadores, etc., que protegen relativamente a los
medidores de estos serios inconvenientes de suciedad, impurezas o
agentes corrosivos propios de la naturaleza de las muestras a
medir.
Otros sistemas realizan la medida de la capacidad
de su sensor, con la relación que guardan con la constante de
tiempo de carga y tienen una similitud con el principio de medida
presentado en esta invención. Ahora bien, dichos sistemas realizan
una medición absoluta que consiste en medir el espacio de tiempo
transcurrido desde que se aplica tensión al sensor hasta que ésta
alcanza un valor máximo prefijado, repitiendo el ciclo y
determinando el porcentaje de su medida comparándolo con un espacio
de tiempo prefijado como referencia, tal como se representa, en la
patente US5668309, cuyo uso principal está orientado a la detección
de partículas dentro de una muestra líquida.
Por todo lo expuesto con anterioridad, solo es
posible la colocación directa de este tipo de medidores en
aplicaciones muy concretas, siendo necesario siempre adaptar el
proceso a los requisitos del medidor y en escasas ocasiones se
presenta algún modelo para aplicaciones específicas.
Para evitar estos inconvenientes esta invención
presenta soluciones, cuyas características fundamentales son las
siguientes: su fácil implantación; al realizar su medida en
contacto directo y continuo con la muestra a medir sin necesidad de
Sistema Acondicionador (S.A.M.), su simplicidad de diseño y
realización al estar formado por dos láminas metálicas que actúan a
modo de electrodos de medida, fijadas sobre un soporte de material
aislante eléctrico y recubierto todo el conjunto también de
material aislante eléctrico de manera que los electrodos quedan
aislados por completo del producto a medir, reduciendo la
posibilidad de fijación de la suciedad, su versatilidad para que,
sin variar las características del sensor objeto de esta invención,
se puedan realizar sensores específicos para cada aplicación, y por
último la innovación al poder integrar en un sólo elemento de
medida numerosos sensores que darían una representación gráfica o
una visualización de la composición de la muestra en todo el rango
de medida.
El principio de funcionamiento del sistema
medidor objeto de la invención consiste en medir por una parte el
espacio de tiempo de carga en relación a un elemento ajeno a la
medida y tomado como referencia, y por otra parte el condensador
equivalente a su sensor, proporcional por tanto a la constante
dieléctrica de la muestra a medir. Relacionándolo todo con el
porcentaje de concentración de los distintos líquidos inmiscibles
contenidos en la muestra.
Realiza una medida relativa, al contrario de los
sistemas anteriores cuya medición es absoluta y emplea como
innovación la recta de señales una vez alcanzado un valor prefijado
logrando una inmejorable estabilidad, dicha medida consiste en
ignorar el tiempo transcurrido desde que se aplica la tensión al
sensor y al circuito de referencia hasta que ésta alcanza, bien en
el sensor o bien en el circuito, el valor prefijado como máximo; en
este momento es cuando se mide el tiempo de espera hasta que lo
alcanza el segundo, repitiendo el ciclo y determinando el
porcentaje de la medida con el tiempo de espera obtenido. Permite
además ajustar el medidor representado en esta invención a
cualquier muestra compuesta por varios elementos inmiscibles.
La tensión almacenada del condensador equivalente
a su sensor, depende directamente de la constante dieléctrica y por
lo tanto de la constante dieléctrica de los productos inmiscibles
que componen la muestra. Por este motivo y gracias a la diferencia
que provoca un cambio del porcentaje de la muestra a medir en
relación a la variación de tiempo de espera obtenido, que es de
gran consideración, con la variación o error que provoca la suciedad
en la lectura o señal de salida, que es prácticamente despreciable,
el sistema puede fácilmente discriminarlo tal como lo hace con el
material aislante eléctrico e impermeable que recubre todo el
conjunto sensor.
Cuando una muestra formada por varios productos
inmiscibles es sometida a una agitación, tal y como sucede cuando
se le hace circular a través de una línea, sufre turbulencias que
interrelacionan su composición y tan pronto como se somete a reposo
vuelve a su estado inicial decantándose sus productos
inmiscibles.
A partir del principio innovador de medida que se
presenta en esta invención, es posible realizar sensores
específicos para aplicaciones determinadas sin modificar el
principio de medida independientemente del estado en el que se
encuentre la muestra a medir, apareciendo dos grupos:
1.- Sistema de medición para muestras cuyos
productos inmiscibles se encuentran separados. Son muestras en
reposo o muestras cuya velocidad de circulación permite este
estado.
2.- Sistema de medición para muestras cuyos
productos inmiscibles se encuentran interrelacionados. Son muestras
en movimiento, incluso en ocasiones a gran velocidad.
Para la mejor compresión de cuanto queda descrito
en la presente memoria se acompañan unos dibujos en los que se
representan varios casos prácticos de realización de los sistemas
de medición o sensores aislados de la muestra a medir.
La figura 1A es una sección que representa los
elementos que conforman el sensor de medición exterior de
hidrocarburos. La figura 1B es una sección que representa los
elementos que conforman el sensor de medición interior de
hidrocarburos y la figura 1C es una sección que representa los
elementos que conforman un sensor plano.
La figura 2A es una vista en alzado que
representa el sensor exterior de producto. La figura 2B muestra un
sensor múltiple según una realización práctica.
La figura 3 es una vista en alzado que representa
el sensor interior de producto.
La figura 4A es una vista en alzado que
representa el sensor de medición centrifuga de producto y la figura
4B es una representación de un sensor en espiral.
La figura 5 es una representación electrónica
modular del medidor.
La figura 6 representa las curvas de trabajo del
medidor.
La figura 7 representa las curvas del ajuste de
cero de una muestra compuesta por dos elementos inmiscibles.
El sistema de medición de la presencia y
concentración de distintos líquidos inmiscibles en una muestra, en
particular la interfase de hidrocarburos, agua, o ambos (presentado
tal como se indica en la figura 1A y 1B), consta de un soporte (3)
de material aislante eléctrico al cual se fijan dos laminas
metálicas conductoras eléctricas (1) que actúan como electrodos de
medida, recubriendo todo el conjunto también de material aislante
eléctrico e impermeable (2) de manera que el sensor queda dotado de
una importante característica como es el estar aislado de la
muestra a medir (10) además de dificultar la adherencia de la
suciedad sobre los electrodos de medida, empleando el material
adecuado para cada muestra a medir, tal como, Teflón, vidrio,
resinas, polímeros, etc.
Conservando el mismo procedimiento de fabricación
presentado en la figura 1A/B, se pueden realizar sensores con
diseños específicos para poder detectar con mayor fiabilidad la
muestra a medir como el sensor plano representado en la figura 1C
cuya aplicación específica es la medición de fondos de arquetas o
recipientes en los que la interfase se produce en el fondo de los
mismos y la proporción es tan baja que la capa formada no tiene el
espesor suficiente para ser medida por sensores como el representado
en las figuras 2A y 2B, de esta forma en la figura 2A se aprecia
como el sensor diseñado, permite realizar una medición exterior
sumergiéndolo directamente en el producto. La estructura interna
del sensor se corresponde con la figura 1A, y está especialmente
indicado para aplicaciones con muestras cuyos productos inmiscibles
se encuentran separados, tales como arquetas, tanques, depósitos,
etc.
Una variante de éste, permite dividir en un
número indeterminado de detectores X el mismo rango de medida y
visualizar o realizar una representación gráfica de una interfase
de muestras a medir. En la figura 2B se representa un sensor
múltiple resultado de la integración de un número indeterminado de
detectores miniaturizados, de iguales características que el
representado en la figura 2A, en un solo sensor. El sensor se
encuentra sumergido en una muestra en donde se aprecia la presencia
de dos compuestos (6) y (7) con constantes dieléctricas diferentes
y todo dentro de un recipiente (8). También se aprecia que el
sensor múltiple está formado por X detectores (Z_{1}...Z_{x})
montados en el mismo sensor mientras que la representación de la
señal de salida se muestra en la tabla que se representa a
continuación en la que se da un valor en porcentaje para cada
sensor, dicho valor guarda una relación directa con el producto a
medir, visualizando la interfase de una forma gráfica cuya
definición depende del numero de detectores.
| D | % |
| Z_{x} | 0 |
| Z_{s} | 0 |
| Z_{4} | 48 |
| Z_{3} | 100 |
| Z_{2} | 50 |
| Z_{1} | 0 |
En la figura 3 la muestra es medida en el
interior, permitiendo que ésta se realice en circulación, su
estructura interna se corresponde con la figura 1B, y está
especialmente indicado para aplicaciones con muestras cuyos
productos inmiscibles se encuentran separados, tales como líneas de
carga a hornos donde se mide la presencia de líquidos inmiscibles
no deseados con el deseado predominante en la muestra a medir.
En la figura 4A la muestra también es medida en
el interior y se realiza en circulación, correspondiéndose su
estructura interna con la figura 1B, pero en este caso, el sensor
está especialmente indicado para aplicaciones con muestras cuyos
productos inmiscibles se encuentran interrelacionados. Gracias a su
diseño somete a la muestra a un desplazamiento de 360 grados,
permitiendo separar los productos inmiscibles de la muestra y
generando una interfase por fuerza centrifuga gracias a la
velocidad del proceso, y por lo tanto medirla, esto se consigue
debido a que el elemento inmiscible más pesado de la muestra a
medir queda lanzado hacia la cara exterior donde se detecta
fácilmente su concentración al estar más cerca de los electrodos
(1), mientras que el elemento inmiscible más ligero cubre todo el
conducto.
El decantador centrífugo representado en la
figura 4A somete a la muestra a un giro de 360 grados con el fin de
facilitar la interfase, pero en determinados productos o procesos,
un único giro podría no ser suficiente para precipitar la interfase
del producto por lo que, en estos casos, utilizaremos una variante
de este sensor, figura 4B, ampliado formando una espiral para
someter a la muestra a medir a tantos giros como sea necesario para
que se produzca la interfase.
Por otra parte, los distintos elementos que
componen los modos preferenciales de realización del sensor se
representan en las figuras 2A, 2B, 3, 4A y 4B en donde el soporte
de sujeción (4) es el elemento que une la zona de medida con
cualquier elemento exterior, tal como caja eléctrica, sistema de
comunicaciones, etc. y el cable de señales de salida y alimentación
(5) representa todas las señales de entrada y salida del detector
así como alimentación.
Hasta aquí se han descrito aspectos de la
realización física del sensor, pero la característica esencial de
esta invención radica además, en el concepto innovador de
realización de la medición del comportamiento del sensor ante la
presencia de una muestra y se representa en la figura 5 en donde se
aprecian las partes principales que lo componen:
La rama de referencia 512 está compuesta por la
resistencia de carga de referencia 501 que determina el valor de la
carga del condensador de referencia 502 y el interruptor de
descarga de referencia 503 que una vez cerrado descarga el
condensador de referencia 502 para pasar de nuevo a estado abierto
iniciando el ciclo de carga y dando como resultado la forma de onda
de referencia (11) de las curvas (13) o curvas de carga
representadas en la figura 6.
La rama de medida 513 está compuesta por la
resistencia de carga de medida 504 que determina el valor de la
carga del sensor 505 y el interruptor de descarga de medida 506 que
una vez cerrado descarga el sensor 505 para volver de nuevo a
estado abierto e iniciar el ciclo de carga, dando como resultado
las formas de onda (12) de las curvas (13) representadas en la
figura 6.
El generador de impulso 507, que manda impulsos
periódicamente y de forma repetitiva (17) a los interruptores de
referencia 503 y de medida 506, para la descarga del condensador de
referencia 502 y el sensor 505, dando como resultado la forma de
onda (14) representada en la figura 6.
El comparador de referencia 508 en el que la
señal de entrada procedente de la rama de referencia, queda
retenida y no activa su salida hasta que no alcanza un valor
prefijado por un punto de consigna dado por la tensión +B
representado en la figura 6, en las curvas (13).
El comparador de medida 509 en donde la señal de
entrada procedente de la rama de medida queda retenida y no activa
su salida hasta que no alcanza un valor prefijado por un punto de
consigna dado por la tensión +B representado en la figura 6, en las
curvas (13).
El circuito restador 510 en el que se restan la
señal de salida del comparador de referencia 508 y la señal de
salida del comparador de medida 509, dando como resultado una señal
igual a la diferencia de tiempo entre ambas señales (16),
resultando la forma de onda (15) representada en la figura 6, en
las curvas (13).
La etapa de salida 511 representa a cualquier
sistema de comunicaciones o activador de mecanismos según la
aplicación necesaria.
Su principio de funcionamiento comienza cuando el
generador de impulsos 507 mantiene desactivados los interruptores
de referencia 503 y de medida 506 (en la figura 6, curvas (14) a
valor 0), iniciando el ciclo de carga del condensador de referencia
502, con la alimentación +A y la resistencia de referencia 501, de
igual forma se carga el sensor 505 con la alimentación +C y la
resistencia de medida 504. La tensión acumulada en el condensador de
referencia 502 aumenta progresivamente (en la figura 6, curvas
(13), representado como (11)) y es comparada en el comparador de
referencia 508 con la tensión prefijada +B, de igual manera la
tensión acumulada en el sensor 505 (en la figura 6, curvas (13),
representado como (12)) aumenta progresivamente y es comparada en
el comparador de medida 509 con la tensión prefijada +B, mandando
ambos comparadores un valor de tensión que aumentará hasta alcanzar
el valor de tensión de consigna +B (en la figura 6, curvas (13),
representado como +B). El primero en alcanzar el valor +B será el
condensador de referencia 502 debido a que su constante de carga es
mayor que la del sensor 505, dejando paso hasta el circuito
restador 510, que manda un impulso a la salida 511 siendo éste
equivalente a comenzar a contar el tiempo que tarda en llegar el
sensor 505 al valor de tensión +B (en la figura 6, curvas (13),
representado, como inicio del intervalo de tiempo definido como
(16)). Cuando esto sucede, la salida del comparador 509 deja paso
hasta el circuito restador 510, desactivando el impulso equivalente
al final del tiempo de espera (en la figura 6, curvas (13),
representado como fin del intervalo de tiempo definido como (16)) y
eliminando la señal sobre la etapa de salida 511(en la
figura 6, (15)) siendo esta señal la correspondiente a la relación
entre los productos inmiscibles de la muestra medida.
Posteriormente el circuito generador de impulsos
507 activa durante un espacio de tiempo los interruptores 503 y 506
descargándose el condensador de referencia 502 y el sensor 505 de
manera que se inicia un nuevo ciclo de carga (en la figura 6,
representado como (17), dando como resultado la forma de onda
(14)).
Además el principio de medida presentado en esta
invención, permite ajustar el medidor para poder medir varios
elementos inmiscibles de una muestra. De esta forma para definir el
rango de medida del equipo, bastaría con conocer los elementos
inmiscibles de los cuales se desea saber el grado de concentración
en la muestra.
Por tanto, tomaremos como cero o mínima variación
en la lectura de salida, cuando el sensor esté sometido a una
presencia del 100% del producto inmiscible deseado, sometiendo a
continuación al sensor a una presencia del 100% del elemento
inmiscible no deseado y ajustando a la máxima variación de señal de
salida. Para realizar el ajuste del cero, se varía la tensión de
alimentación sobre el sensor 505 con la resistencia variable
504.
En la figura 7, se representa gráficamente el
ajuste de cero (18) pudiendo observarse tres curvas de carga, por
un lado la que representa al condensador de referencia 502
(representado como (19)) y por otro dos curvas que representan al
sensor 505 sometido a dos elementos inmiscibles de una muestra con
diferentes constantes dieléctricas y diferente pendiente de carga
(20) y (21).
(20) representa la curva de carga del elemento
inmiscible más cercano a la referencia (19) y para que el rango de
medida pueda ser más amplio, y por lo tanto más preciso,
corregiremos ese error superponiendo las curvas (19) y (20),
eliminando la diferencia representada en la figura 7 como ajuste de
cero (18) y quedando como resultado dos curvas, aumentando la
precisión en la medida y adaptando el medidor a las características
de la muestra.
Claims (5)
1. Sistema de medición de la presencia y
concentración de distintos líquidos inmiscibles en una muestra, en
particular la interfase de hidrocarburos, agua, o ambos,
caracterizado por estar dotado de un sensor formado por un
soporte (3) de material aislante conductor al cual se fijan dos
láminas metálicas conductoras eléctricas (1) que actúan como
electrodos de medida recubriendo todo el conjunto también de
material aislante conductor e impermeable (2) de manera que el
sensor queda aislado de la muestra a medir.
2. Sistema de medición, según la primera
reivindicación caracterizado por que el sensor puede
realizarse plano, con forma cilíndrica, en forma de "T", en
forma de herradura, en espiral o con forma tubular, dependiendo de
que la medición se realice sobre una muestra en reposo o en
movimiento y de que la aplicación se lleve acabo en arquetas,
tanques, depósitos, líneas de carga a hornos, etc., estando siempre
constituido por un número variable de detectores (Z_{1} a
Z_{x}) montados en el mismo sensor, por un soporte de sujeción
(4) siendo éste el elemento que une la zona de medición con
cualquier toma de datos exterior y por un cable (5) de señales de
entrada, salida y alimentación del conjunto.
3. Sistema de medición, según la primera
reivindicación caracterizado por permitir la visualización
de una interfase de la muestra a medir gracias a la integración de
los detectores (Z_{1} a Z_{x}).
4. Sistema de medición, según primera
reivindicación caracterizado por realizar una medida
relativa empleando la recta de señales una vez alcanzado un valor
prefijado que se toma como referencia de tal manera que se ignora el
tiempo transcurrido desde que se aplica tensión al sensor y al
circuito de referencia hasta que uno de los dos alcanza el valor de
referencia empezando a medirse en ese instante el tiempo que tarda
en alcanzar ese valor el otro, repitiendo el ciclo y determinándose
el porcentaje de medida en relación con el tiempo de espera
obtenido, pudiéndose además ajustar el sistema a cualquier muestra
compuesta por varios elementos inmiscibles.
5. Sistema de medición, según reivindicaciones
anteriores caracterizado porque el sensor está compuesto por
la rama de referencia 512 formada por la resistencia de carga de
referencia 501 que determina el valor de la carga del condensador
de referencia 502 y el interruptor de descarga de referencia 503
que una vez cerrado descarga el condensador de referencia 502 para
iniciar de nuevo el ciclo de carga cuando se abre de nuevo, la rama
de medida 513 está formada por la resistencia de carga de medida
504 que determina el valor de la carga del sensor 505 y por el
interruptor de descarga de medida 506 que, una vez cerrado descarga
el sensor 505 para iniciar el ciclo de carga cuando se abre de
nuevo, otro de los elementos del circuito que forman el sensor es
un generador de impulsos 507 que envía periódica y repetitivamente
impulsos a los interruptores de referencia 503 y de medida 506 para
que éstos descarguen el condensador de referencia 502 y el sensor
505 respectivamente, el comparador de referencia 508 en el que la
señal de entrada que procede de la rama de referencia 512 queda
retenida y no activa su salida hasta que no alcanza un valor
prefijado +B, el circuito restador 510 en el cual se restan la
señal de salida del comparador de referencia 508 y la señal de
salida del comparador de medida 509, lo que da como resultado una
señal igual a la diferencia de tiempo de ambas señales y por último
la etapa de salida 511 que representa a cualquier sistema de
comunicaciones o activador de mecanismos.
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