ES2220954T3 - Procedimiento para medir con independencia del nivel de llenado la tension superficial de sustancias liquidas. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION Y LA INFLUENCIA DE LA CALIDAD DE SOLUCIONES CON SUSTANCIAS ACTIVAS SUPERFICIALES, POR EJEMPLO CON LIQUIDOS DE LIMPIEZA Y DE LAVADO EN PROCESOS DE ENJUAGUE Y/O LAVADO PARA MATERIALES TEXTILES, ASI COMO UN EQUIPO PARA LA REALIZACION DEL PROCEDIMIENTO, DONDE EN LOS APARATOS PARA EL MANTENIMIENTO DOMESTICO DEBEN SER UTILIZADOS, DE FORMA INDEPENDIENTE MEDIOS DE LAVADO APLICADOS DE FORMA HABITUAL. EL OBJETIVO ES CONSEGUIR UN PROCEDIMIENTO Y UN EQUIPO, QUE CONSIGA SOBRE LA BASE DE LA MEDICION DE LA TENSION SUPERFICIAL DINAMICA UNA SOLUCION CORRESPONDIENTE, QUE GARANTIZA LA CONCENTRACION DE AGENTE DE LAVADO NECESARIO, CONSIGUIENDOSE UNA SOLUCION DE TAL MODO, QUE DURANTE EL PROCESO DE ENJUAGUE Y/O DE LAVADO SE APLICA UNA CORRIENTE DE VOLUMEN DE FORMA GASEOSA Y SE GUIA EL LIQUIDO A SER MEDIDO, ASI COMO SE DETERMINA EL VALOR MAXIMO DE LA DERIVACION PRIMARIA DE LA PRESION DURANTE LA DISMINUCION DE BURBUJAS O SE DETERMINA LA DIFERENCIA ENTRE EL VALOR MAXIMO Y MINIMO DEL DESARROLLO TEMPORAL DE ESTE PROCESO DE MEDICION PARA UN DESCENSO DE BURBUJAS.

Description

Procedimiento para medir con independencia del nivel de llenado la tensión superficial de sustancias liquidas.

La invención se refiere a un procedimiento para determinar e influenciar la calidad de soluciones o líquidos con sustancias de actividad superficial, por ejemplo soluciones de limpieza, preferiblemente en procesos de lavado y/o aclarado para material textil, estando éstos orientados preferiblemente a su aplicación en aparatos para el hogar.

La acción de tensioactivos como sustancias de actividad superficial, por ejemplo como detergentes en soluciones de lavado, en soluciones de desengrasado para la limpieza superficial en el galvanizado al fuego, en barnices y en otros líquidos técnicos se puede determinar a partir del comportamiento de la tensión superficial de la respectiva solución. Se diferencia aquí entre la medición estática y la medición dinámica de la tensión superficial. El procedimiento de medición estática se aplica prioritariamente a pequeñas concentraciones de tensioactivo por debajo de la concentración crítica de formación de micelas (CMC). A altas concentraciones se pueden calcular con suficiente exactitud las propiedades características de soluciones de tensioactivo, como, por ejemplo, la concentración y el comportamiento de adicionamiento en superficies límite, solamente aún con una medición dinámica de la tensión superficial.

Para determinar la tensión superficial dinámica se aplica preferiblemente el procedimiento de presión de burbuja en el que una burbuja de gas es introducida a presión en el líquido a estudiar desde un capilar de diámetro conocido. La presión de gas necesaria para ello alcanza el valor de una presión máxima p_{max} en el momento en que el diámetro de la burbuja se hace igual al diámetro 2r del capilar (véase la figura 1). La tensión superficial \delta resulta de

\delta = [(p_{max}-p_{estat})/2] \ x \ r.

La porción de presión estática p_{estat} depende de la altura h de la columna de agua por encima del capilar, así como de la tensión superficial límite \delta_{G} en el capilar.

Por este motivo, para obtener resultados de medida exactos y reproducibles se imponen altas exigencias a la calidad de fabricación del capilar, su manejo, conservación y limpieza, así como a la calidad del gas generador de presión (sin partículas y seco).

Así, por ejemplo, se conoce una técnica de medida de laboratorio correspondiente de las firmas Krüss GmbH y Lauda Dr. R Wobser GmbH & Co. KG, en la que, después de cada medición, se tiene que limpiar el capilar de una manera muy complicada en un baño de ultrasonidos o en cromo-ácido sulfúrico o bien se efectúa un cambio completo del capilar.

El manejo de esta técnica de medida de laboratorio es relativamente complicado, de modo que esta técnica es muy costosa y no resulta adecuada para la automatización de procesos técnicos de limpieza ni para una aplicación en aparatos conductores de agua en el ámbito doméstico.

Se conoce por el documento DE-OS 41 12 417 una solución técnica para un sistema de medida automatizado para la determinación de la concentración óptima de detergente en máquinas lavadoras de prueba. La base de esta solución térmica está formada por el principio de procedimiento antes citado. Se mide aquí a partir de la presión máxima p_{max} y la porción de presión hidrostática con un sensor de presión diferencial la diferencia de presión \Deltap = p_{max}-p_{hidrostat} (figura 1). Por tanto, la señal de medida eléctrica depende directamente de la presión \Deltap.

Para captar la porción de presión hidrostática p_{hidrostat} es necesario un segundo capilar de mayor diámetro e igual profundidad de inmersión, cuyo caudal volumétrico se regula por medio de una válvula adicional.

La concentración óptima de detergente se alcanza cuando la acción calculada del detergente ya no aumenta al añadir el detergente. La acción del detergente (valor 2 menos valor 1) dividida por el valor 2 resulta de la concentración de detergente en el líquido de lavado (valor 1) medida con un tensiómetro y de la concentración (valor 2) producida por la cantidad de detergente añadida. Para determinar la concentración del detergente en el líquido de lavado tiene que ser conocida la relación entre la concentración del detergente y la tensión superficial para el detergente a la temperatura de lavado ajustada en cada caso. El procedimiento descrito no se puede aplicar para un detergente con comportamiento desconocido entre tensión superficial, temperatura y concentración. Se tiene que calcular siempre primero por vía experimental con un tensiómetro una curva de calibrado para el detergente utilizado.

Por tanto, no es posible una aplicación universal de este procedimiento descrito para una dosificación exacta y automática del detergente, especialmente en máquinas lavadoras domésticas, dado que pueden utilizarse detergentes diferentes con propiedades desconocidas. Una limitación a unos pocos detergentes cuyas curvas de calibrado son conocidas es poco conveniente para el usuario y limita su libertad de decisión en la elección del detergente.

A esto se añade que pueden producirse perturbaciones del desprendimiento de burbujas en el capilar de medida, provocadas por el desprendimiento de burbujas en el segundo capilar. Asimismo, pueden producirse perturbaciones del desprendimiento de burbujas debido a que el desprendimiento de la burbuja de aire en el capilar de medida está dirigido en sentido contrario a la fuerza ascensional. Además, las variaciones de la tensión superficial límite \delta_{G} dentro del capilar de medida pueden perjudicar muy fuertemente la capacidad de reproducción de los resultados de medida. Asimismo, el coste de la solución técnica antes citada se incrementa sensiblemente debido al segundo capilar, que necesita un dispositivo de mando separado de la corriente de gas, incluyendo una válvula, lo que, por ejemplo, conduciría a su vez a que se rebasara sensiblemente un marco de costes usual para máquinas lavadoras domésticas.

Todos los procedimientos e instalaciones conocidos hasta ahora para determinar la tensión superficial miden la presión o la diferencia de presión como valor absoluto, para lo cual son necesarios sensores de presión relativamente costosos con un calibrado muy preciso. En el sector de la limpieza de textiles y de vajilla, especialmente en el ámbito doméstico, no se conocen aún hasta el presente momento soluciones económicas y competitivas que permitan medir la tensión superficial de líquidos de lavado y aclarado que contienen tensioactivos.

El problema que se pretende resolver con la invención consiste en crear un procedimiento con el que la concentración de soluciones que contienen tensioactivos pueda ser controlada mediante la medición de la tensión superficial en una forma automática y con independencia del agente de limpieza o el detergente empleado.

Este problema se resuelve con las características indicadas en la reivindicación 1.

La ventaja esencial del procedimiento según la invención frente a las soluciones técnicas conocidas consiste en que mediante la medición de la primera derivada de la presión de burbuja según el tiempo dp/dt (véase la figura 2) se pueden utilizar unos baratos convertidores de presión acústica en calidad de sensores para determinar la tensión superficial de soluciones que contienen tensioactivos. Es ventajosa aquí la independencia del procedimiento de medida frente al nivel de llenado, de modo que su aplicación es posible sin problemas a diferentes niveles de llenado, por ejemplo durante el proceso de lavado y aclarado en máquinas lavadoras. La independencia frente al nivel de llenado resulta de la diferenciación -condicionada por el procedimiento- de la porción de presión estática p_{estat} durante la medición con dp_{estat}/dt = 0. Por tanto, la señal de medida es proporcional a la primera derivada de la presión de la burbuja según el tiempo dp/dt, a partir de la cual se puede calcular por medio de integración (por medio de amplificadores de medida o con software) la presión p de la burbuja o la diferencia de presión máxima \Deltap_{max} (\Deltap_{max} = p_{max}-p_{estat)}, así con la tensión superficial \delta a partir de \delta = r x p_{max}/2.

Asimismo, es posible que, por medio de la curva de calibrado \delta = f(|dp/dt|_{max}) del sensor, se determine la tensión superficial, sin integración, directamente a partir de la señal del convertidor de presión acústica.

La aplicación del procedimiento según la invención hace posible, por un lado, que solamente se añada al baño de lavado la cantidad objetivamente necesaria de un detergente cualquiera y que, por otro lado, el proceso de aclarado tenga que realizarse únicamente hasta que el contenido de tensioactivos del baño de aclarado haya alcanzado una concentración inocua para el hombre y el medio ambiente.

Por el lado del procedimiento, la utilización de una boquilla de medida en la celda de medida es sustancialmente ventajosa respecto de un funcionamiento sin perturbaciones del equipo de medida. Debido a la pequeña longitud de la abertura de paso de la boquilla se tiene que en esta disposición la acción perturbadora de fuerzas capilares dependientes de la tensión superficial límite, como las que pueden presentarse en los procedimientos de medida con capilares pertenecientes al estado de la técnica, se mantienen sin influencia sustancial. En la celda de medida tiene lugar la disposición de la boquilla dirigida hacia arriba, de modo que la dirección de desprendimiento corresponde a la dirección de ascensión natural de las burbujas de gas, con lo que se reducen los errores de medida.

Esta disposición hace posible también que se instalen discrecionalmente en esta celda de medida otros electrodos de medida, por ejemplo para la medición de la conductividad, o bien uno o más elementos de calentamiento. La posibilidad creada de almacenamiento de los valores de medida de la tensión superficial garantiza, además, una dosificación muy exacta de las cantidades de detergente a añadir, con lo que se hace posible nuevamente un mantenimiento muy exacto de los límites prefijados de concentración del baño.

El procedimiento está diseñado técnica y económicamente de modo que se haga posible una utilización de serie en máquinas de limpieza de textiles o de vajilla, especialmente en el sector doméstico.

Otras ejecuciones y perfeccionamientos ventajosos de la invención pueden apreciarse en las reivindicaciones subordinadas y en el siguiente ejemplo de ejecución descrito en su principio con ayuda del dibujo.

Muestran:

la figura 1, una representación gráfica de la señal de medida del desprendimiento de burbujas durante la medición de presión con procedimientos de medida convencionales,

la figura 2, la señal de medida del desprendimiento de burbujas durante la medición con un convertidor de presión acústica o con un sensor de caudal volumétrico,

la figura 3, la disminución de las magnitudes de medida |dp/dt|_{max} o dV/dt_{max} en función de la cantidad de detergente añadida, y

la figura 4, una disposición esquemática de principio para la puesta en práctica del procedimiento.

Una celda de medida 1 con una boquilla de medida incorporada 2 está unida con un equipo 5 de regulación de caudal volumétrico a través de un equipo 4 de limpieza de la boquilla. Una fuente 6 de caudal volumétrico sirve para generar un caudal volumétrico gaseoso que, después de recorrer el equipo 5 de regulación del caudal volumétrico y el equipo 4 de limpieza de la boquilla, llega directamente a la celda de medida 1 a través de la boquilla de medida 2. Además, la celda de medida 1 está unida -en este ejemplo de ejecución a través de una bomba 10- con el recipiente de lejía 11 de una máquina lavadora o de una máquina lavavajillas. Esto puede ser eventualmente también el recipiente acumulador del baño, otro recipiente de tratamiento con lejía de la máquina lavadora o lavavajillas o bien otro recipiente con líquido de limpieza.

La bomba 10 es controlada por el programador de control 9 de la máquina.

La alimentación del caudal volumétrico gaseoso -generado en la fuente 6 de caudal volumétrico- a la boquilla de medida 2 está unida con un convertidor 3a de presión acústica que, por ejemplo según el principio del electreto o del condensador, transforma la primera derivada de la presión de burbuja producida en una señal eléctrica. Como alternativa a esto, en lugar del convertidor 3a de presión acústica puede conectarse también un sensor 3b de caudal volumétrico a la alimentación del caudal volumétrico gaseoso a la boquilla de medida 2, el cual suministra una señal de medida eléctrica proporcional al caudal volumétrico.

Una unidad electrónica 7 está unida con el convertidor 3a de presión acústica, el equipo 4 de limpieza de la boquilla, el equipo 5 de regulación del caudal volumétrico, un equipo 8 de dosificación de detergente y el programador de control 9 de la máquina.

El procedimiento según la invención puede desarrollarse, por ejemplo, en la forma que se describe seguidamente:

La bomba 10 obtiene del programador de control 9 una señal y transporta una cantidad determinada del líquido a medir desde el recipiente de lejía 11 hasta la celda de medida 1. A continuación, la bomba 10 es desconectada por una señal procedente del programador de control 9, y se inicia el proceso de medida a través del programador de control 9 y la unidad electrónica 7, a cuyo fin se genera por parte de la fuente 6 de caudal volumétrico un caudal volumétrico gaseoso, se ajusta éste a un valor constante por medio del equipo 5 de regulación del caudal volumétrico y se transporta dicho caudal a la celda de medida 1 a través de la boquilla de medida 2. La frecuencia producida de las burbujas, provocada por el caudal volumétrico gaseoso que sale de la boquilla de medida 2, es captada por el convertidor 3a de presión acústica o el sensor 3b de caudal volumétrico y alimentada como señal eléctrica a la unidad electrónica 7. La frecuencia actual de las burbujas es comparada allí con un valor nominal prefijado y, en caso de existir una desviación, es regulada posteriormente con el equipo 5 de regulación del caudal volumétrico.

Cuando la frecuencia de las burbujas corresponde al valor nominal prefijado, se inicia la medición por medio de la unidad electrónica 7. La medición del valor máximo de la cuantía de la primera derivada de la presión de las burbujas |dp/dt|_{max} se efectúa estando estacionario el líquido de medida a medir, es decir que, como se ha mencionado antes, la bomba 10 está desconectada. Una vez concluido este proceso de medida, el programador de control 9 conecta de nuevo la bomba 10 después de una señal recibida de la unidad electrónica 7. Al mismo tiempo, la unidad electrónica 7 controla el primer proceso de dosificación del equipo 8 de dosificación de detergente.

Se añade así la primera porción de detergente al líquido. Mediante bombeo del líquido o mediante un ritmo de giro determinado del tambor de lavado se consigue una distribución correspondiente del detergente o una homogeneización del baño. El proceso de medida es iniciado de nuevo por la unidad electrónica 7. La dosificación del agente de limpieza o del detergente se efectúa de preferencia sucesivamente en porciones individuales. Después de concluida esta medición, se compara el valor de medida actual con el valor de medida antes de la adición de la porción de detergente - en el curso ulterior del programa antes de la adición de la última porción de detergente. Cuando el valor de medida actual es menor que el valor de medida precedente, se efectúa a través del equipo 8 de dosificación del detergente la adición de una porción adicional de detergente. Esta comparación se repite frecuentemente hasta que no se produzca ya una disminución sensible de los valores de medida o de la tensión superficial. En este caso, no se efectúa ninguna adición más de detergente, es decir que se ha alcanzado una concentración óptima del agente de limpieza o del detergente (MW_{opt}) (figura 3).

Sin embargo, el proceso de medida se repite a ciertos intervalos de tiempo, puesto que se consume agente de limpieza debido al proceso de limpieza subsiguiente y aumenta la tensión superficial. En este caso, al sobrepasarse un valor límite prefijado \varepsilon, por ejemplo referido al valor de medida después de la última adición del agente de limpieza, se añade nuevamente agente de limpieza hasta que se vuelva a alcanzar la concentración óptima (MW_{opt}). Condición para ello es una constancia de la temperatura de la solución de lavado o de limpieza durante el proceso de medida y dosificación, lo que se puede materializar, por ejemplo, con un elemento de calentamiento regulable. Cuando la solución de limpieza, por ejemplo debido a un volumen grande, posee una capacidad calorífica suficientemente grande, de modo que la temperatura del líquido se mantiene suficientemente estable, se puede evitar una regulación de la temperatura. En ambos casos, es posible calentar la solución de limpieza a intervalos entre los procesos de dosificación para acortar la duración del proceso total. Sin embargo, como referencia para una variación de la tensión superficial por efecto del proceso de dosificación subsiguiente se puede realizar aquí una medición después de la conclusión del intervalo de calentamiento y antes de la dosificación del agente de limpieza. Mediante este proceso se garantiza que esté disponible siempre para el proceso de limpieza un baño suficientemente activo para lavado, pero no se añade al baño más detergente que el absolutamente necesario y, por tanto, se excluye en muy amplio grado el factor subjetivo en la dosificación del detergente por parte de la persona usuaria.

En un segmento de aclarado subsiguiente se aplica también este proceso de medida, sólo que ahora en sentido contrario, es decir que cuando la comparación de valores de medida entre el valor de medida antes de la primera adición de detergente o de agente de limpieza y el valor de medida actual (último) ha detectado un valor límite prefijado determinado como rebasado por abajo, se puede poner fin prematuramente al proceso de aclarado a través de la unidad electrónica 7 y el programador de control 9.

Por tanto, la unidad electrónica 7 controla el equipo 8 de dosificación del detergente y el equipo 5 de regulación del caudal volumétrico y recibe, procesa, compara y almacena las señales de medida del convertidor 3a de presión acústica o del sensor 3b de caudal volumétrico. Asimismo, la unidad electrónica 7 controla el equipo 4 de limpieza de la boquilla, el cual, en instantes prefijados, limpia la boquilla de medida 2 de forma automática, por ejemplo por medio de una aguja de limpieza. El accionamiento de este equipo 4 de limpieza de la boquilla puede estar integrado en el equipo 5 de regulación del caudal volumétrico, de modo que, por ejemplo cuando se emplee un motor lineal de pasos como accionamiento, se materializan con una dirección de movimiento en la función del válvula del equipo 5 de regulación del caudal volumétrico y con la otra dirección de movimiento la función de regulación del equipo 4 de limpieza de la boquilla. Este equipo 4 de limpieza de la boquilla sirve también para cerrar la abertura de la boquilla de medida 2 (automáticamente en caso de avería), de modo que, durante la circulación por la celda de medida 1 o en caso de avería (por ejemplo, en caso de fallo de la red), no pueda penetrar líquido de lavado en la boquilla de medida 2 ni en la alimentación al convertidor 3a de presión acústica o al sensor 3b de caudal volumétrico.

Claims (10)

1. Procedimiento para determinar con independencia del nivel del llenado la tensión superficial de sustancias líquidas, preferiblemente adecuado para determinar e influenciar la calidad de baños en el lavado y/o aclarado de material textil, materiales fibrosos o similares con un líquido acuoso que contiene tensioactivos u otras sustancias de actividad superficial, en donde, según el procedimiento de presión de burbuja, se introduce un caudal volumétrico gaseoso en el líquido a medir y durante la vida útil de las burbujas se mide la primera derivada de la presión de las burbujas según el tiempo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se determina la tensión superficial a partir del valor máximo de la integración de la evolución temporal de la primera derivada de la presión de las burbujas según el tiempo o a partir de la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo de la integración de la evolución temporal de la primera derivada de la presión de las burbujas según el tiempo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se introduce el caudal volumétrico en el líquido de medida que se encuentra en un recipiente o solamente en una parte del líquido de medida que se encuentra por fuera de este recipiente, preferiblemente en un recipiente separado.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque preferiblemente está circulando una cantidad parcial del líquido a medir y en esta cantidad parcial o en una parte de esta cantidad parcial se introduce el caudal volumétrico gaseoso.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se mide la primera derivada de la presión de las burbujas según el tiempo por medio de un sensor acústico dinámico, tal como un convertidor (3) de presión acústica, según el principio del electreto, según el principio del micrófono de condensador o según el principio del micrófono de bobina móvil.

6. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se determinan variaciones de la tensión superficial del líquido a estudiar, preferiblemente de forma continua, a partir de la diferencia de dos valores de medida consecutivos.

7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se añade el detergente al baño en forma discontinua o bien continua en porciones individuales, y después de cada adición de detergente se determina la variación (disminución) de la tensión superficial con respecto a los valores de medida antes de la adición del detergente y se pone fin a la adición de detergente cuando ya no disminuye sensiblemente la tensión superficial.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se determinan durante el desarrollo del procedimiento, con ayuda del valor de la variación de la tensión superficial, el instante para la adición y la cantidad del detergente a añadir, y porque se añade esta cantidad de detergente al baño.

9. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque, una vez concluida la adición de detergente, se prosigue el proceso de lavado y se mide la tensión superficial de preferencia en forma discontinua y se efectúa una adición renovada de detergente cuando la tensión superficial ha aumentado en un valor límite establecido con respecto a los valores de medida después de la última adición de detergente.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se introduce el caudal volumétrico gaseoso en el líquido a medir por medio de una boquilla de medida (2) cuya abertura de salida está dispuesta mirando en la dirección de la fuerza ascensional de las burbujas de gas salientes, siendo preferiblemente la longitud de la abertura de paso de la boquilla de medida (2) igual o menor que su diámetro.