ES2249139B1 - Sensor de nivel capacitivo valido para sistemas de volumen muy reducido. - Google Patents
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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.
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.
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.
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 porque 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 porque 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 porque incluye un
controlador.
Otro objeto particular de la invención es el
dispositivo sensor de la invención caracterizado porque 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.
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.
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 porque 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 porque 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 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.
Otro objeto particular de la invención es el
dispositivo sensor de la invención caracterizado porque 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.
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:
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.
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