ES2249139A1 - Sensor de nivel capacitivo para sistemas de volumen reducido. - Google Patents

Sensor de nivel capacitivo para sistemas de volumen reducido.

Info

Publication number
ES2249139A1
ES2249139A1 ES200401349A ES200401349A ES2249139A1 ES 2249139 A1 ES2249139 A1 ES 2249139A1 ES 200401349 A ES200401349 A ES 200401349A ES 200401349 A ES200401349 A ES 200401349A ES 2249139 A1 ES2249139 A1 ES 2249139A1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
sensor device
tank
liquid
level sensor
probe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
ES200401349A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2249139B1 (es
Inventor
Jose Prieto Barranco
Consuelo Goberna Selma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC filed Critical Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority to ES200401349A priority Critical patent/ES2249139B1/es
Priority to EP05774346.0A priority patent/EP1757911B1/en
Priority to US11/628,340 priority patent/US7895891B2/en
Priority to PCT/ES2005/070081 priority patent/WO2006021604A1/es
Publication of ES2249139A1 publication Critical patent/ES2249139A1/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2249139B1 publication Critical patent/ES2249139B1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D5/00Condensation of vapours; Recovering volatile solvents by condensation
    • B01D5/0033Other features
    • B01D5/0042Thermo-electric condensing; using Peltier-effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/266Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors measuring circuits therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Sensor de nivel capacitivo para sistemas de volumen reducido. Sensor de nivel de tipo capacitivo, de especial aplicación a sistemas donde se trabaja con volúmenes de fluidos reducidos y altas presiones, formado por un separador líquido-gas materializado en una pieza (1) metálica, con entrada de gases (8) y salida de líquidos (9) y de gases (10), que actúa como condensador y que cuenta con un depósito (2) para recogida de los líquidos condensados en su fondo, hasta donde se introduce una sonda (4) aislada eléctricamente del sistema, y que junto a la carcasa de la pieza (1) forman un condensador eléctrico que variará su capacidad en función del nivel de líquido en el depósito (2), emitiendo por medio de un sistema oscilador una señal de frecuencia que es recibida por un microprocesador (13) que elabora una señal de salida proporcional a la respuesta del sensor y por tanto a la altura del líquido en el depósito (2).

Description

Sensor de nivel capacitivo válido para sistemas de volumen muy reducido: Aplicación a un separador gas-líquido.
Sector de la técnica
El objeto de la invención es proporcionar un sensor para la medida o control de nivel con una precisión muy elevada (precisión de hasta 100 \mum) cuyo uso irá destinado fundamentalmente a equipos, reactores y plantas de proceso a escala micro-piloto o laboratorio, donde los depósitos poseen capacidades de volumen muy reducidas, del orden de pocos cm^{3}.
El tamaño de los instrumentos y el rango de medida suponen limitaciones críticas a la hora de utilizar los medidores que existen en la actualidad para este tipo de equipos.
El sensor objeto de la invención permitirá, además, una reducción considerable de los volúmenes muertos del sistema, así como trabajar a presiones elevadas (hasta 400 bar), aspectos de gran relevancia para la óptima operación de los equipos mencionados.
Estado de la técnica
Para la medida de nivel en un entorno industrial se están utilizando en la actualidad principios físicos muy diversos. Factores como la corrosividad o la inflamabilidad de las sustancias a medir, o las condiciones extremas de presión y temperatura, influirán en la selección del tipo de medidor, así como la precisión, la fiabilidad y las limitaciones físicas del sistema. En dicha selección del tipo de medidor tienen preferencia los medidores estáticos frente a los conformados por partes móviles y los que no precisan contacto con el fluido o incluso son exteriores al sistema. Pero la industria ha centrado sus esfuerzos en la lectura de nivel en grandes depósitos.
Si bien existen multitud de principios operativos en los que se basan los diferentes medidores de nivel que se encuentran en el mercado (flotabilidad, ultrasonidos, conductividad, láser, presión diferencial, resistividad, capacidad, microondas, radioactividad, deformación, etc.), en el entorno de equipos o plantas de proceso a escala micro-planta piloto o de reactores de laboratorio básicamente se descarta cualquier tipo de instrumento para la medida de nivel, como consecuencia de las limitaciones de instalación derivadas del tamaño de los instrumentos en unos casos, y del rango de la medida que se pretende realizar en otros. El único método válido para su medida en estos sistemas es la medida indirecta por medio de la presión diferencial existente entre los extremos de un depósito que resulta de la presión que sobre su base ejerce la columna hidrostática:
P=\rho \cdot g\cdot h
Donde, \rho es la densidad del líquido y h su altura en el depósito.
Centrando la situación actual de la tecnología disponible en su aplicación al tipo de sistemas que nos ocupa, con un volumen total de unos pocos cm^{3}, podemos afirmar que no existe en el mercado ningún instrumento para la medida de nivel que pueda resolver con satisfacción esta medida dadas las especificaciones de tamaño que requiere la misma en un equipo o reactor de laboratorio operando en continuo.
Así, por ejemplo, un depósito donde se produce la condensación de los productos líquidos de reacción a la salida de un reactor, debe disponer de una medida en continuo de nivel con objeto de regular la salida de líquidos del reactor, fenómeno que puede suceder con presiones en este depósito altas, del orden de 100 bar, o incluso superiores. La condensación sucede de forma continua y, si se pretende evitar la acumulación de estos productos con el objeto de posibilitar el análisis de muestras en tiempos determinados de reacción, la situación debería ser lo más aproximada posible a "gota que condensa, gota evacuada del sistema". Para ello es imprescindible mantener un nivel constante, que además actúa como cierre hidráulico del sistema.
Actualmente existen diferentes constructores de este tipo de sistemas que utilizan la medida de presión diferencial en el depósito como medida indirecta de nivel en el mismo. Se trata, a grandes rasgos, de dos ramas, una superior y una inferior, que captan la presión diferencial entre los extremos del depósito. No obstante, con este sistema se debe mantener la columna de fluido varios centímetros de altura por encima de la rama de lectura de presión alta, ya que como consecuencia de la baja precisión de estos equipos y de su error de cero, elegir una altura insuficiente podría ser critico, pudiendo darse la circunstancia de que el error de cero enmascarará la señal del transmisor y el sistema de control recibiera una señal equivocada. Si ocurriese este fenómeno, la válvula de control que regula la altura de esa columna de líquido tendería a abrir hasta evacuar la totalidad del líquido del depósito, momento en el cual se perdería el sello hidráulico y los gases del sistema saldrían al exterior, pudiendo ocasionar un accidente por su toxicidad o inflamabilidad.
Si a esto se añade la columna de líquido que debe rellenar la rama que transmite la presión al instrumento medidor y la cantidad de líquido que debe rellenar la cámara del instrumento de lectura, se tendría que realizar un diseño con un considerable volumen muerto, lo que en una situación en la que se alimenta al sistema con un caudal de líquidos pequeño, del orden de 0.01 mal/min, se necesitaría un periodo de tiempo considerable, incluso de varias horas, para obtener en la salida la primera gota de muestra de líquido.
Este problema podría evitarse manteniendo un líquido inundando el sistema de forma permanente, sin embargo, esto originaria la contaminación de la muestra. En cualquier caso es inevitable que la muestra en la salida sea una media de los productos recogidos en un largo periodo de tiempo. La situación no es critica en plantas piloto de gran envergadura, donde los caudales son considerablemente superiores y estos efectos son despreciables, pero es definitivamente inaceptable en equipos, micro-plantas y reactores que trabajan con volúmenes muy reducidos, del orden de pocos cm^{3}, como es el caso, por ejemplo, de reactores para estudios de micro-actividad catalítica, plantas micro-piloto que operan en condiciones supercríticas con columna contracorriente, autoclaves agitados de volúmenes comprendidos entre 50 y 1000 ml, y otros sistemas de pequeño volumen.
Descripción breve
La presente invención se refiere a un sensor de nivel de tipo capacitivo, especialmente concebido para aplicar a sistemas donde se trabaja con volúmenes reducidos, del orden de pocos cm^{3}.
Un objeto de la invención constituye el dispositivo sensor de nivel capacitivo, en adelante dispositivo sensor de la invención, caracterizado porque comprende, al menos, los siguientes elementos:
i)
Un depósito, con una capacidad de volumen total entre 1 y 20 cm^{3} y que cuenta, al menos, con una entrada y una salida.
ii)
Una sonda aislada eléctricamente del resto del sistema, que es introducida en el depósito, permitiendo el cierre hermético del mismo para presiones inferiores a 400 bar, y que constituye, junto con las paredes del depósito, un condensador eléctrico, de forma que el líquido presente entre la sonda y las paredes del depósito actúa como dieléctrico.
iii)
Un circuito oscilador RC que mide la variación de la capacidad eléctrica del condensador eléctrico y que generará una señal de frecuencia proporcional a dicha capacidad eléctrica y, por tanto, proporcional a la altura o nivel de líquido en el depósito.
iv)
Un segundo circuito oscilador RC de referencia, que trabaja en paralelo con el primero (de medida), y que permite eliminar los errores debidos a variaciones de temperatura en el circuito oscilador RC de medida (consecuencia de la deriva térmica de sus componentes). Este segundo circuito oscilador se encuentra a idéntica temperatura que el primero.
v)
Un circuito eléctrico, capaz de convertir la doble señal de frecuencia procedente de los circuitos oscilador RC de medida y oscilador RC de referencia, en una señal eléctrica capaz de ser leída por dispositivos típicos de lectura (displays) o de control (controladores).
Un objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el depósito descrito en i) dispone de más de una salida.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un sistema de refrigeración.
Una realización particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el sistema refrigerante es una célula Peltier.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el depósito es de metal, aleación metálica o de cualquier material conductor.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que la sonda cuenta con una serie de piezas de material aislante.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda es de metal, aleación metálica o de cualquier material conductor.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda dispone de un cierre con junta de material aislante.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda no dispone de sistema de cierre.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el circuito eléctrico incluye un multiplexor y un procesador.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un controlador.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un dispositivo de lectura conectado al circuito eléctrico.
Otro objeto de la invención es la utilización del dispositivo sensor de la invención en una planta a escala micro-piloto o laboratorio, con objeto de controlar el nivel de líquido en un depósito con una precisión de \pm100 \mum.
Otro objeto particular de la invención es la utilización del dispositivo sensor de la invención en la separación de dos fases, líquida y gaseosa, en sistemas de volumen reducido.
Descripción de las figuras
Para complementar la descripción que se está realizando se acompaña, como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una representación esquemática de una sección del alzado correspondiente al sensor de nivel objeto de la invención en el que el depósito actúa como condensador térmico para separar dos fases, líquida y gaseosa. En la parte izquierda de esta figura se ha representado la sonda (4), en la que se aprecian las distintas piezas de material aislante (5), (6) y (7), así como la rosca que permitirá el cierre del depósito. En la parte derecha se ha representado el depósito (2) horadado en una pieza maciza (1), cuya geometría corresponde a un paralelepípedo rectangular, observándose en este esquema la apertura superior roscada (3) por donde se introduce la sonda, una entrada (8), por donde se introduce la corriente de fluido a separar en dos fases (líquida y gaseosa), y dos salidas (9) y (10), por donde salen los líquidos y los gases, respectivamente.
Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques representativo de los circuitos RC de medida y de referencia, y del circuito eléctrico. En esta figura pueden distinguirse el circuito oscilador de medida (11), el circuito oscilador de referencia (12), el multiplexor (14), el procesador (13) y el dispositivo de lectura o controlador (15). Igualmente, se ha representado en esta figura el sistema de comunicaciones digitales (16) que permite la programación de dicho procesador.
La figura 3.- Muestra una gráfica donde se ha representado la variación de la señal de frecuencia procedente del circuito oscilador de medida que forma parte del sensor de nivel capacitivo objeto de la invención, cuando se introducen 0.5 cm^{3} de etanol en cuatro ocasiones consecutivas.
La figura 4.- Muestra una gráfica donde se ha representado la señal de frecuencia procedente del circuito oscilador de medida frente a la constante dieléctrica relativa de distintos líquidos, para un volumen de 2 cm^{3}. Como puede observarse dicha gráfica corresponde a una línea recta, cuya pendiente y ordenada en el origen son respectivamente 787,94 y -378,18.
Descripción detallada
La presente invención se refiere a un sensor de nivel de tipo capacitivo, especialmente concebido para aplicar a sistemas donde se trabaja con volúmenes reducidos, del orden de pocos cm^{3}, por ejemplo en plantas a escala micro-piloto o laboratorio donde, el tamaño de los instrumentos y el intervalo de medida, suponen limitaciones a la hora de utilizar los medidores que existen en la actualidad.
Un objeto de la invención constituye el dispositivo sensor de nivel capacitivo, en adelante dispositivo sensor de la invención, caracterizado porque comprende, al menos, los siguientes elementos:
i)
Un depósito, con una capacidad de volumen total entre 1 y 20 cm^{3} y que cuenta, al menos, con una entrada y una salida.
ii)
Una sonda aislada eléctricamente del resto del sistema, que es introducida en el depósito, permitiendo el cierre hermético del mismo para presiones inferiores a 400 bar, y que constituye, junto con las paredes del depósito, un condensador eléctrico, de forma que el líquido presente entre la sonda y las paredes del depósito actúa como dieléctrico.
iii)
Un circuito oscilador RC que mide la variación de la capacidad eléctrica del condensador eléctrico y que generará una señal de frecuencia proporcional a dicha capacidad eléctrica y, por tanto, proporcional a la altura o nivel de líquido en el depósito.
iv)
Un segundo circuito oscilador RC de referencia, que trabaja en paralelo con el primero (de medida), y que permite eliminar los errores debidos a variaciones de temperatura en el circuito oscilador RC de medida (consecuencia de la deriva térmica de sus componentes). Este segundo circuito oscilador se encuentra a idéntica temperatura que el primero.
v)
Un circuito eléctrico, capaz de convertir la doble señal de frecuencia procedente de los circuitos oscilador RC de medida y oscilador RC de referencia, en una señal eléctrica capaz de ser leída por dispositivos típicos de lectura (displays) o de control (controladores).
El comportamiento del conjunto formado por el depósito y la sonda descritos en i) y ii) corresponde al de un condensador eléctrico, por lo que su funcionamiento se basa en el siguiente principio físico: cuando entre dos placas (armaduras) de un material conductor se encuentra presente un dieléctrico, conjunto que constituye un condensador eléctrico, y se aplica una diferencia de potencial entre estas placas, el condensador eléctrico adquiere una carga eléctrica, y su capacidad viene dada por el cociente entre la carga de cualquiera de sus armaduras y la diferencia de potencial existente entre ambas:
C=\frac{q}{V_{1}-V_{2}}
La capacidad eléctrica del condensador eléctrico, es función de la cantidad total de líquido presente en el depósito y de la constante dieléctrica del mismo.
La utilización de un segundo circuito oscilador descrito en iv), da como resultado un sensor con una elevada precisión en la medida, incluso para líquidos (dieléctricos) con constante dieléctrica muy baja, o cuando la constante dieléctrica del líquido cuyo nivel se desea medir es muy semejante a la del gas que se encuentra sobre dicho líquido en el depósito.
Un objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el depósito descrito en i) dispone de más de una salida. Este tipo de configuración es necesaria, por ejemplo, cuando el sensor se emplea como elemento de medida en el lazo de control de nivel de líquido en un depósito que actúa como condensador térmico. El objetivo, en este caso, es separar en dos fases (líquida y gaseosa) los productos que componen la corriente gaseosa que, de manera continua, entra al depósito, recogiéndose los líquidos en la base del mismo. En esta situación los productos condensables (líquidos) serán evacuados del depósito por la salida inferior del depósito, y los productos no condensables (gases) saldrán por la salida superior.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un sistema de refrigeración que permite disminuir la temperatura del depósito, con el fin de que actúe como un condensador térmico, posibilitando que los productos condensables sean recogidos en el fondo del mismo.
Una realización particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el sistema refrigerante es una célula Peltier, dispositivo constituido por dos placas de material conductor, y que genera una diferencia de temperatura entre sus placas cuando se aplica una diferencia de potencial entre las mismas.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el depósito es de metal, aleación metálica o de cualquier material conductor.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que la sonda cuenta con una serie de piezas de material aislante que, al situarse en el interior del depósito, consiguen reducir el volumen interno del mismo, eliminando volúmenes muertos, y, al mismo tiempo, aislan eléctricamente la sonda de las paredes de dicho depósito.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda es de metal, aleación metálica o de cualquier material conductor.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda dispone de un cierre con junta de material aislante, compatible con productos químicamente agresivos, y capaz de mantener el cierre del depósito a presiones de hasta 400 bar.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que la sonda no dispone de sistema de cierre, de forma que el depósito queda abierto al exterior.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención en el que el circuito eléctrico incluye un multiplexor, para la lectura secuencial y consecutiva de las señales (en frecuencia) procedentes de los dos circuitos osciladores RC, y un procesador, que elabora una señal de salida analógica (por ejemplo, 4/20 mA) interpretable por los instrumentos indicadores y de control, proporcional a la señal original (en frecuencia).
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un controlador conectado al circuito eléctrico y una válvula situada a la salida del depósito, que permiten mantener constante el nivel de líquido en el mismo.
Otro objeto particular de la invención es el dispositivo sensor de la invención caracterizado por que incluye un dispositivo de lectura conectado al circuito eléctrico, que permite visualizar el nivel de líquido en el mismo.
Otro objeto de la invención es la utilización del dispositivo sensor de la invención en una planta a escala micro-piloto o laboratorio, operando en continuo, con objeto de controlar el nivel de líquido en un depósito de dicha planta con una precisión de \pm100 \mum.
Otro objeto particular de la invención es la utilización del dispositivo sensor de la invención en la separación de dos fases, líquida y gaseosa, en sistemas de volumen reducido.
Ejemplo de realización de la invención
Para demostrar esta invención se diseño y construyó un dispositivo sensor de nivel capacitivo, tal como se describe en los puntos siguientes.
\bullet
En primer lugar, se obtuvo un depósito (2) horadando interna y longitudinalmente, una pieza maciza metálica (1), realizada en este ejemplo en acero inoxidable, cuya geometría corresponde a un paralelepípedo rectangular. El depósito cilíndrico obtenido (2) posee un diámetro de 0,8 cm, y una altura de 8 cm. Además, en la pieza maciza se realizan otros cuatro orificios roscados de manera que la parte superior del depósito queda abierta, por el orificio (3), para posibilitar la introducción de la sonda y el cierre del mismo, y logrando disponer de una entrada (8) y dos salidas (9) y (10).
La especial configuración paralelepípeda de la pieza (1), posibilita su refrigeración para que actúe como condensador térmico, de manera que el depósito opera como un separador líquido-gas, condensando en sus paredes los compuestos de mayor punto de vaporización, que son introducidos en dicho depósito por la entrada (8) y recogiéndose el líquido en su base. Este líquido será evacuado del depósito por la salida inferior del mismo (9), mientras que los gases abandonarán el depósito por la salida superior (10).
La refrigeración del depósito se llevará cabo mediante una célula Peltier, poniendo en estrecho contacto una de las placas de dicha célula con una de las caras de mayor superficie de la pieza maciza en la se ha horadado el depósito. Para conseguir la disminución de temperatura en esta pieza, y como consecuencia en el depósito, se aplica una diferencia de potencial entre las placas de la célula Peltier, lo que genera una diferencia de temperatura entre dichas placas de aproximadamente 30ºC (efecto Peltier). De esta forma, una de las placas (la que no se encuentra en contacto con la pieza maciza) incrementará su temperatura hasta 55ºC (suponiendo una temperatura ambiente de 25ºC). Utilizando un disipador de calor por convección forzada para disminuir la temperatura de esta placa hasta 25ºC, y dado que, debido al efecto Peltier, la diferencia de temperatura entre las placas de la célula se mantiene constante mientras sea constante la diferencia de potencial aplicada, la temperatura de la placa fría (en contacto con la pieza maciza) bajará hasta -5ºC. Así, se consigue una temperatura en dicha pieza próxima a 0ºC.
\bullet
Seguidamente se construye la sonda (4), partiendo de un cilindro macizo de acero inoxidable de 3 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Sobre este cilindro se acoplan las piezas aislantes de teflón (5), (6) y (7), cuya forma puede apreciarse en la figura 1, y que han sido obtenidas con un tomo de precisión a partir de cilindros macizos de teflón, así como los racores necesarios para lograr en cierre del depósito una vez que la sonda ha sido introducida en él. La parte inferior de la sonda se introduce en el depósito por la parte superior de éste (3), quedando aislada eléctricamente de las paredes del depósito y de otras partes del sistema mediante las piezas de material aislante (5), (6) y (7), fabricadas en teflón en este ejemplo.
Las piezas referenciadas en la figura como (5) y (7) permiten, además, reducir el volumen interno del depósito, reduciendo el volumen muerto.
Como ya se ha mencionado, la sonda cuenta con un sistema de cierre roscado y con una junta elastomérica, compatible con un amplio número de sustancias químicas, lo que posibilita el cierre del depósito, y su aislamiento del exterior cuando así se requiere, aún cuando la presión en el interior del mismo alcance los 400 bar.
A la parte superior de la sonda se une uno de los extremos de un hilo conductor, y a la pieza maciza se une el extremo de un segundo cable conductor, lo que permitirá llevar la señal (capacidad eléctrica) procedente de las armaduras del condensador eléctrico, hasta el circuito oscilador de medida, conectando los extremos de los hilos conductores a dicho circuito.
\bullet
A continuación se montan dos circuitos osciladores RC, uno de medida (11) y otro de compensación o de referencia (12). Solo el circuito de medida recibe la señal (capacidad del condensador eléctrico) procedente del sensor de nivel descrito antes, pero ambos circuitos son idénticos y están en íntimo contacto con el fin de que se encuentren a idéntica temperatura. Así, se minimizan los errores debidos a variaciones de temperatura de los componentes eléctricos que integran el circuito oscilador RC de medida, aumentando considerablemente la precisión del sensor.
El circuito oscilador RC de medida convierte la señal medida por el sensor (capacidad eléctrica) en una señal en frecuencia.
\bullet
Por último se monta sobre una placa el circuito eléctrico. Dicho circuito comprende un microprocesador (13) al que llegan las señales en frecuencia, procedentes de ambos circuitos osciladores RC, a través de un multiplexor (14). El microprocesador (13) realiza los cálculos necesarios para elaborar una señal de salida analógica de tipo eléctrico, por ejemplo, 4/20 mA (15). La señal procedente del microprocesador es proporcional a la medida efectuada por el sensor, que a su vez es proporcional a la altura de líquido en el depósito (2). La programación de este procesador puede llevarse a cabo desde un ordenador, por ejemplo, mediante comunicaciones digitales (16).
Es importante que el sistema descrito y representado en las figuras (1) y (2) sea calibrado correctamente, para obtener unas medidas lo más fiables posible, para ello se procede de la siguiente manera:
Con la salida de líquido (9) cerrada mediante un tapón y la salida de gases (10) abierta a la atmósfera para venteo del sistema, se introducen cantidades conocidas y exactas de un compuesto hasta el interior del depósito (2) por la entrada (8). Para ello se emplea una jeringa graduada cuya aguja se introduce hasta la base del depósito para evitar fenómenos de menisco. En un ejemplo, de esta realización preferente de la invención, se han introducido cantidades de 0.5 cm^{3} de etanol en cuatro ocasiones consecutivas (figura 3), acumulando un total de 2 cm^{3} en el depósito (2).
En la figura 3 se puede apreciar como cambia la señal en frecuencia por cada adición de 0.5 cm^{3} de muestra en el sistema descrito. Las frecuencias que se visualizan en la gráfica comprenden el rango que va desde 30.000 Hz hasta 51.000 Hz. La frecuencia de oscilación del sistema vacío es de 30.920 Hz y la del sistema con 2 cm^{3} de etanol es de 50.275 Hz, habiéndose producido un cambio en la respuesta de frecuencia del sistema de 19.355 Hz, para un compuesto con constante dieléctrica relativa de 25.3 a 25ºC.
La misma experiencia se ha realizado para un determinado número de compuestos que abarcan toda la escala de constantes dieléctricas, desde 1.89 para el hexano, hasta 80.1 para el agua desionizada. Los datos para las cuatro adiciones consecutivas de 0.5 cm^{3} de líquido, y de las constantes dieléctricas de cada compuesto relativas se recogen en la siguiente tabla:
1
Analizando la relación existente entre la frecuencia de oscilación debida a la presencia de líquido (DIF: resultado de obtener la diferencia entre la frecuencia leída cuando hay líquido presente y la frecuencia leída cuando el sistema está vacío - BASE) y la constante dieléctrica relativa del mismo, se comprueba que la respuesta del sensor es extraordinariamente lineal para todo el rango de constantes dieléctricas relativas estudiadas, como se aprecia en la figura 4. Esto permite calcular la respuesta esperada para un determinado compuesto en función de la constante dieléctrica relativa del mismo.
La señal que llega al microprocesador varía, por ejemplo, entre 31,0 y 93,4 KHz para el agua desionizada, entre 30,9 y 50,3 KHz para un alcohol (etanol), y entre 30,9 y 31,7 KHz para un hidrocarburo (hexano). En una situación como esta, un error de cero, por ejemplo, de 50 Hz es despreciable en el caso de fluidos con alta constante dieléctrica, pero determinante en el caso de los fluidos con constante dieléctrica baja, ya que la señal con la 5 que opera el microprocesador es la obtenida por diferencia entre la señal correspondiente al sistema con un volumen de líquido conocido y la señal BASE (con el sistema vacío). Por ello, es importante fijar con precisión el cero del instrumento, que corresponderá a la señal generada cuando el depósito se encuentra vacío, pero habiendo sido previamente humedecido con el compuesto objeto de estudio. Una vez conocido el cero del instrumento puede comprobarse que la señal de salida del instrumento es directamente proporcional a la altura de líquido en el depósito (2).
El microprocesador (13) convierte la señal de entrada (resultado de la diferencia antes indicada) en una señal de salida analógica, interpretable por los instrumentos indicadores y de control (15), por ejemplo, 4/20 mA. Para ello, basta programar el procesador de manera que 31,9 KHz corresponden a una salida de 4 mA y, 50,3 KHz correspondan a una salida de 20 mA (caso del etanol). A partir de este momento, el instrumento proporciona una señal de salida 4/20 mA proporcional a la altura de líquido en el depósito (2), exceptuando cuestiones de diseño geométrico.
El sistema descrito consigue mantener el volumen en el depósito, donde condensan los líquidos, prácticamente constante, de manera que una gota de líquido es evacuada cada vez que condensa una nueva gota.
El sensor de nivel capacitivo descrito en la presente invención se utilizó, en un reactor para estudio de actividad catalítica, para la separación de fases, líquidos y gases, producto de la reacción, antes de que los productos gaseosos abandonen es sistema a través de la válvula de control de presión.
El sensor de nivel capacitivo descrito también se utilizó con éxito para mantener constante el nivel de líquido en un depósito, en una planta micro-piloto para extracción en condiciones supercríticas con columna en contracorriente, operando en continuo. En la base de esta columna existe un depósito en el que se recogen de manera continua los líquidos agotados después de su circulación por la columna de extracción; encontrándose dicho depósito a una presión de 400 bar, y siendo su volumen de aproximadamente 200 cm^{3}. La naturaleza del medio presente en el sistema es CO_{2} supercrítico y los diferentes líquidos que descienden hasta el depósito pueden ser de naturaleza muy diferente: aceites minerales, aceites vegetales, residuos de tomate, residuos lácteos, etc.
El sensor de nivel capacitivo descrito se utilizó, por último, con éxito para la medida y control de nivel en autoclaves, es decir en recipientes agitados a alta presión, de pequeño volumen, con una capacidad comprendida entre 50 y 1000 ml, con el objeto de regular el nivel del líquido contenido en su interior, cuando al sistema se le dosifica un líquido en continuo y la señal de salida del sensor gobierna una válvula que controla la salida de líquidos.

Claims (13)

1. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, caracterizado por poseer una precisión en la medida del nivel de hasta 100 \mum, y porque comprende, al menos, los siguientes elementos:
\bullet
Un depósito, con una capacidad de volumen entre 1 y 20 cm^{3} y que cuenta, al menos, con una entrada y una salida.
\bullet
Una sonda aislada eléctricamente del resto del sistema, que es introducida en el depósito, permitiendo el cierre hermético del mismo, para presiones no superiores a 400 bar, que constituye, junto con las paredes del deposito, un condensador eléctrico, de forma que el líquido presente entre la sonda y las paredes del depósito actúa como dieléctrico.
\bullet
Un circuito oscilador RC que mide la variación de la capacidad eléctrica del condensador eléctrico y que generará una señal de frecuencia proporcional a dicha capacidad eléctrica y, por tanto, proporcional a la cantidad de líquido dieléctrico presente entre sus armaduras, o lo que es lo mismo, a la altura o nivel de líquido en el depósito.
\bullet
Un segundo circuito oscilador RC de referencia, que permite eliminar los errores debidos a variaciones de temperatura en los componentes del circuito oscilador RC de medida, y que se encuentra a idéntica temperatura que este.
\bullet
Un circuito eléctrico capaz de convertir la doble señal de frecuencia procedente de los circuitos oscilador RC de medida y oscilador RC de referencia, en una señal eléctrica capaz de ser leída por dispositivos típicos de lectura (displays) o de control (controladores).
2. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque el depósito dispone de más de una salida.
3. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque incluye un sistema de refrigeración que permite disminuir la temperatura del depósito, con el fin de que actúe como un condensador térmico.
4. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 3, caracterizado porque el sistema refrigerante es una célula Peltier.
5. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque el depósito es de metal, aleación metálica, o de cualquier material conductor.
6. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, en el que la sonda comprende una serie de piezas de material aislante que, al situarse en el interior del depósito, consiguen reducir el volumen interno del depósito y aislar la sonda de las paredes de este.
7. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque la sonda es de metal, aleación metálica, o de cualquier material conductor.
8. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque la sonda dispone de un cierre con junta de material aislante, compatible con productos químicamente agresivos, y capaz de soportar presiones de hasta 400 bar.
9. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque la sonda no dispone de sistema de cierre, de forma que el depósito queda abierto al exterior.
10. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque incluye un controlador conectado al circuito eléctrico y una válvula situada a la salida del depósito, que permiten mantener constante el nivel de líquido en el mismo,
11. Dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicación 1, caracterizado porque incluye un dispositivo de lectura conectado al circuito eléctrico, que permite visualizar el nivel de líquido en el mismo.
12. Uso del dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicaciones 1-11, en una planta a escala micropiloto o laboratorio, operando en continuo, con objeto de controlar el nivel de líquido en un depósito de dicha planta con una precisión de \pm100 \mum o inferior.
13. Uso del dispositivo sensor de nivel capacitivo, según reivindicaciones 12, en la separación de dos fases, líquida y gaseosa, en sistemas de volumen reducido.
ES200401349A 2004-06-03 2004-06-03 Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido. Expired - Fee Related ES2249139B1 (es)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200401349A ES2249139B1 (es) 2004-06-03 2004-06-03 Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido.
EP05774346.0A EP1757911B1 (en) 2004-06-03 2005-06-02 Gas/liquid separator comprising a capacitive level sensor
US11/628,340 US7895891B2 (en) 2004-06-03 2005-06-02 Gas/liquid separator comprising a capacitive level sensor
PCT/ES2005/070081 WO2006021604A1 (es) 2004-06-03 2005-06-02 Separador gas-líquido con sensor de nivel capacitivo

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200401349A ES2249139B1 (es) 2004-06-03 2004-06-03 Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2249139A1 true ES2249139A1 (es) 2006-03-16
ES2249139B1 ES2249139B1 (es) 2007-05-01

Family

ID=35967181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES200401349A Expired - Fee Related ES2249139B1 (es) 2004-06-03 2004-06-03 Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido.

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7895891B2 (es)
EP (1) EP1757911B1 (es)
ES (1) ES2249139B1 (es)
WO (1) WO2006021604A1 (es)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011020939A2 (es) 2009-08-17 2011-02-24 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Dispositivo separador capacitivo

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017039789A1 (en) * 2015-08-31 2017-03-09 Exxonmobil Upstream Research Company Corp-Urc-E2. 4A.296 Smart electrochemical sensor for pipeline corrosion measurement
US11674838B2 (en) 2019-04-04 2023-06-13 Poseidon Systems Llc Capacitive fringe field oil level sensor with integrated humidity and temperature sensing

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4470300A (en) * 1981-04-10 1984-09-11 Nissan Motor Company, Limited Apparatus for and method of determining a capacitance
US4506510A (en) * 1982-06-10 1985-03-26 Commissariat A L'energie Atomique Apparatus for continuously metering vapors contained in the atmosphere
US6272906B1 (en) * 1998-09-01 2001-08-14 Institut Francais Du Petrole Device for separating and for measuring the volume of the various phases of a mixture of fluids

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2186842A (en) * 1936-07-25 1940-01-09 Gen Electric Electric capacitor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4470300A (en) * 1981-04-10 1984-09-11 Nissan Motor Company, Limited Apparatus for and method of determining a capacitance
US4506510A (en) * 1982-06-10 1985-03-26 Commissariat A L'energie Atomique Apparatus for continuously metering vapors contained in the atmosphere
US6272906B1 (en) * 1998-09-01 2001-08-14 Institut Francais Du Petrole Device for separating and for measuring the volume of the various phases of a mixture of fluids

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011020939A2 (es) 2009-08-17 2011-02-24 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Dispositivo separador capacitivo
US8800301B2 (en) 2009-08-17 2014-08-12 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Capacitive separator device

Also Published As

Publication number Publication date
US20070283753A1 (en) 2007-12-13
ES2249139B1 (es) 2007-05-01
EP1757911B1 (en) 2019-06-26
EP1757911A1 (en) 2007-02-28
US7895891B2 (en) 2011-03-01
WO2006021604A1 (es) 2006-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11549842B2 (en) Flow calibration system with weir fluid separation tank
US10107728B2 (en) Microfluidic system and method for performing a flash separation of a reservoir fluid sample
CN102759492B (zh) 低温流体密度测量装置
ES2249139B1 (es) Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido.
ES2353288B1 (es) Dispositivo separador capacitivo.
US20060026977A1 (en) Device for creating a reference humidity
ES2296089T3 (es) Procedimiento para la puesta a disposicion de gases disueltos en liquidos de instalaciones de alta tension para el analisis externo y dispositivo para la realizacion del procedimiento.
Rosettani et al. Instantaneous void fraction signal using capacitance sensor for two-phase flow pattern identification
SU1037762A1 (ru) Датчик определени концентрации газа в газожидкостном потоке
RU2499247C1 (ru) Устройство для определения количества газов в жидкости
RU118435U1 (ru) Устройство для определения количества газов в жидкости
SU1747923A1 (ru) Уровнемер дл криогенных жидкостей
SU905740A1 (ru) Устройство дл определени газосодержани разлагающихс и токсичных жидкостей
Grynia et al. Water Content of Hydrogen Sulfide–A Review
CN115372407A (zh) 一种检测氟碳绝缘冷却液热膨胀系数的装置及方法
Isaac et al. The Accurate Calibration of Capillary Tubes
SU1767407A1 (ru) Способ определени термодинамических характеристик конденсированных сред
BR112021023309B1 (pt) Dispositivo e método para determinar um volume de líquido em uma amostra de fluido e conjunto
Habyalimana Vapour-liquid equilibrium studies at low pressure using a static-cell cluster.
Mears et al. ENG. zyxwvutsrqponmlkjihgf
Konuk et al. BASIC MEASUREMENTS OF PRESSURE, TEMPERATURE, DENSITY AND VISCOSITY
KR20150137798A (ko) 가스정량포집장치 및 가스정량포집방법

Legal Events

Date Code Title Description
EC2A Search report published

Date of ref document: 20060316

Kind code of ref document: A1

FG2A Definitive protection

Ref document number: 2249139B1

Country of ref document: ES

FD2A Announcement of lapse in spain

Effective date: 20240626