ES2311317B2 - Metodo y aparato para medir el nivel de liquidos, el espesor de capas de liquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en liquidos no homogeneos. - Google Patents
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Abstract
Método y aparato para medir el nivel de
líquidos, el espesor de capas de líquidos estratificados y el
gradiente de concentraciones en líquidos no homogéneos.
Método y aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, que se basa en (a) uno o varios conjuntos de
electrodos alineados (dentro de cada conjunto) según la dirección
perpendicular a la superficie del líquido y que se utilizan para
medir, simultánea o sucesivamente, las diferencias de potencial
producidas en el seno del líquido al inyectar una o más señales
eléctricas entre uno o más pares de dichos electrodos, y (b) un
procedimiento para combinar dichas diferencias de potencial y
reconstruir el perfil de diferencias de potencial producidas por la
excitación eléctrica aplicada al líquido, y analizar dicho perfil
basándose en los potenciales previsibles en el medio según su
composición y estructura.
Description
Método y aparato para medir el nivel de
líquidos, el espesor de capas de líquidos estratificados y el
gradiente de concentraciones en líquidos no homogéneos.
Instrumentación de medida y control.
El nivel de un líquido se mide normalmente a
partir de alguna propiedad física del propio líquido. Los medidores
basados en un flotador, por ejemplo, miden, directa o
indirectamente, la posición del flotador que se sabe en la
superficie del líquido. Los medidores basados en el peso del
líquido miden la presión ejercida por la columna de líquido en un
punto cerca del fondo del depósito, o emplean células de carga en
los soportes del depósito.
La limitada fiabilidad de los flotadores y los
inconvenientes de la instalación de sensores en el fondo o debajo
de los depósitos, han estimulado la búsqueda de soluciones que
emplean algún tipo de radiación (rayos x, radiación gamma,
microondas, luz, ultrasonidos), cuya reflexión en la superficie del
líquido indica su posición, o cuya atenuación aumenta con la
longitud de su recorrido dentro del líquido, y por ende con el
nivel. Pero, a pesar de su notable complejidad, estos métodos no
pueden determinar fácilmente el espesor de capas de líquidos
estratificados.
Los medidores basados en las propiedades
eléctricas del líquido ofrecen múltiples posibilidades aunque
necesitan una sonda o electrodos inmersos en el líquido. Los
sistemas más sencillos sólo detectan si el nivel alcanza un punto
concreto, mientras que los sistemas más completos determinan el
nivel mediante una sonda o un cable inmersos verticalmente en el
líquido. Se han propuesto diversas sondas formadas por dos
electrodos que constituyen un condensador cuya capacidad depende
del nivel del líquido (dieléctrico). Los medidores que se basan en
un cable u otra estructura eléctrica inmersa en el líquido aplican
la reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), en la que se mide
el retardo con que llega un pulso aplicado a una línea de
transmisión, y que depende de las discontinuidades de impedancia
eléctrica en el medio por donde se propaga el pulso, las más
notable de las cuales es la que hay entre el aire y el líquido (ver
por ejemplo las patentes EP0937231 y EP1314967). Este mismo
principio de la reflectometría se puede aplicar cuando hay líquidos
estratificados, pero, obviamente, si las primeras discontinuidades
en el medio reflejan la mayor parte de la energía del pulso
eléctrico, no es fácil conocer más allá de dichas discontinuidades;
por ejemplo, no se puede detectar la presencia de capas de líquidos
estratificados en niveles más profundos.
Los denominados medidores de nivel múltiple
(multinivel) sirven para líquidos estratificados. Utilizan sondas
múltiples dispuestas a distintas profundidades, bien mediante el
acceso a través de una pared lateral del depósito (ver por ejemplo
la patente GB967771), bien desde la superficie del líquido (ver por
ejemplo la patente US4382382), en cuyo caso basta que el cable que
soporta cada sonda individual tenga distinta longitud. Las sondas
pueden medir una propiedad local, por ejemplo la conductividad
eléctrica, o una propiedad entre el extremo más profundo y cada uno
de los demás extremos que están a distintas profundidades. Pero en
ambos casos hay una detección binaria: si la propiedad medida tiene
un valor bajo (o alto, según el caso), se considera que los dos
puntos de medida están inmersos; en caso contrario, uno de los dos
puntos está fuera del líquido. La resolución en la medida de nivel
coincide con la distancia entre electrodos, de modo que, para
obtener una buena resolución, la sonda múltiple debe tener un
número elevado de puntos de medida, y ello hace que sea voluminosa
y pesada. El método y aparato descritos en esta patente permiten
obtener una resolución mejor que la distancia entre los electrodos
más próximos.
Una alternativa para medir un nivel de forma
continua incluso si está estratificado, es emplear una sola sonda
capaz de desplazarse en dirección perpendicular a la superficie del
líquido. Este método es propiamente una automatización de la
medición manual consistente en ir sumergiendo progresivamente una
sonda cada vez más, y anotar para cada profundidad el valor de la
propiedad medida. Cuando se entra en el líquido, y cada vez que se
pase de una capa a la siguiente, habrá un cambio en el valor de
dicha propiedad. La automatización elimina la laboriosidad del
método, a costa de un mecanismo complejo para ir desplazando la
sonda dentro del fluido, pero no aumenta notablemente la velocidad
de la medición, que será tanto más lenta cuanto mayores sean el
nivel y la resolución deseada.
La presente invención consiste en un método y un
aparato para determinar el nivel de líquidos, el espesor de capas
de líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos. El método consiste en uno o varios soportes
rígidos aislantes a cada uno de los cuales se sujetan una serie de
electrodos conductores separados entre sí una distancia que puede
ser o no uniforme, según se desee obtener una resolución uniforme o
se prefiera una resolución no uniforme, por ejemplo para conseguir
que sea mejor en alguna parte del rango de medida, en cuyo caso la
separación de los electrodos en dicha zona será menor. Los soportes
se introducen verticalmente en el líquido cuyo nivel se desea medir
y se aplica selectivamente entre al menos un par de electrodos una
o varias señales de excitación (tensión o corriente) cuyas
frecuencias se pueden seleccionar. Si se emplean simultáneamente
varias señales de excitación, conviene que su frecuencia sea
distinta. Si se emplea una señal periódica compleja, por ejemplo
una señal cuadrada, que contiene varias frecuencias
simultáneamente, se obtiene la ventaja de que dicha señal puede ser
generada de una manera más simple. La excitación crea diferencias
de potencial en el seno del líquido que dependen de su conductividad
y permitividad eléctrica, de la proximidad del fondo y de la
superficie (es decir, del nivel), de la presencia de capas o
estratos en el líquido y de su grosor, y de la existencia de
gradientes de conductividad en el seno del líquido. Por ello, se
mide sucesiva o simultáneamente la diferencia de potencial entre los
diversos pares de electrodos a la frecuencia correspondiente, y a
partir de estos valores se ajusta una curva a partir de cuyos
parámetros se pueden determinar el nivel, el grosor de cada capa y
los gradientes de conductividad.
La identificación de los parámetros del líquido
se basa en la determinación previa de la relación entre dichos
parámetros y el perfil de tensiones que se obtiene dentro del
líquido para cada tipo de excitación y ubicación de los electrodos
de excitación. Esa relación se obtiene resolviendo la ecuación de
Laplace para un modelo geométrico del continente del líquido
(depósito o canal natural o artificial, recipiente). Si las
dimensiones de los soportes y la separación entre electrodos son
suficientemente pequeñas, dicho modelo geométrico tiene que
contemplar sólo la presencia del fondo y, si alguno de los soportes
de los electrodos se dispone junto a una pared, debe contemplar
además la presencia de dicha pared.
La influencia de las propiedades eléctricas del
líquido en el resultado de la medición se minimiza automáticamente
porque al medir diferencias de potencial entre electrodos se puede
tener en cuenta tanto las componentes de dicha diferencia que están
en fase con la excitación como las que están en cuadratura con
ella. Si se sabe de antemano que el líquido es conductor (por
ejemplo, agua), basta tener en cuenta una de las dos componentes: la
componente en fase si los electrodos están en contacto eléctrico
directo con el líquido, o la componente en cuadratura si los
electrodos están recubiertos con un aislante eléctrico.
Para corregir los efectos de la temperatura, en
su caso, los soportes aislantes de los electrodos pueden incluir
sensores de temperatura a distintas profundidades, que pueden
coincidir o no con las de los electrodos. La información de los
sensores de temperatura se tiene en cuenta para ponderar, en su
caso, las diferencias de potencial medidas.
El método descrito goza de la fiabilidad
inherente a la ausencia de elementos mecánicos móviles, puede ser
aplicado mediante un solo conjunto de electrodos anclados en un
soporte aislante sujeto, por ejemplo, a una pared del depósito si
está abierto, o a la cubierta si es un depósito cerrado, o
suspendido en un elemento que flote en su superficie, o puede
aplicarse en un vaso o tubo vertical conectado en paralelo con el
depósito. El método descrito aventaja a los métodos eléctricos
actuales que emplean un conjunto de electrodos en contacto con el
líquido, por el hecho de que utiliza la información obtenida con
todos los electrodos a la vez, no para saber cuáles quedan inmersos
y cuáles no (como se hace en las medidas de nivel
discretas-en puntos o profundidades específicas),
sino para reconstruir el perfil de diferencias de potencial en la
vertical del depósito, y a partir de éstas estimar el nivel,
obteniendo así una medida de nivel continua con resolución y
exactitud mejor que la separación entre electrodos.
La figura 1 es un diagrama del equipo y la
figura 2 es un perfil de tensiones medidas con los electrodos.
La figura 1 muestra una forma de realizar el
método en una aplicación donde se desea medir el nivel de agua (1)
cuando su superficie libre (2) está en contacto con aire (3) u otro
gas eléctricamente aislante. El soporte con los electrodos (4) está
sujeto a una pared del depósito, que se supone descubierto, y se
introduce verticalmente en el agua. Alternativamente, el soporte se
puede sumergir desde un flotador en la superficie del agua. En un
depósito cubierto, el soporte se puede suspender verticalmente
desde un punto de la cubierta. También se pueden emplear varios
soportes, dispuestos en la misma o en distintas zona del depósito.
En este ejemplo se ha considerado que el sistema emplea 10
electrodos ((5) a (14)) y que los sensores de temperatura están uno
junto a cada electrodo. La sonda formada por el soporte aislante,
los electrodos y los sensores de temperatura, está conectada a un
aparato que: a) genera las señales de excitación (15); b) tiene un
sistema de conmutación (16) para seleccionar automáticamente el par
o pares de electrodos a los que se aplica la excitación, los pares
de electrodos entre los que se miden las diferencias de potencial,
y el sensor o sensores en los que se mide la temperatura; c) un
sistema para medir diferencias de potencial (17); d) un sistema para
medir la temperatura de los sensores de la sonda (18); e) un
sistema de control de las secuencias de excitación y detección y de
interfaz con el usuario (19); y f) un sistema de cálculo (20) que
ajusta la curva de diferencias de potencial y determina a partir de
ella el nivel del agua.
Dado que el agua es eléctricamente conductora y
el aire es aislante, una posible alternativa para aplicar el método
es emplear electrodos conductores que entren en contacto eléctrico
directo con el medio, y hacer la medición en dos etapas. En la
primera etapa se aplica una tensión entre el electrodo (14) y otro
electrodo cada vez más alejado. Cuando la corriente entre los dos
electrodos se reduce mucho, el segundo electrodo está fuera del
agua, de modo que el electrodo anterior es el último que está
inmerso (en la figura 1, seria el electrodo (6)). A partir de esta
información, el sistema utiliza el método de esta invención: se
aplica por ejemplo tensión entre un par de electrodos, por ejemplo
el (14) y el (6), y se miden las diferencias de potencial entre, por
ejemplo, los electrodos (13) y (14), (12) y (14), (11) y (14), (10)
y (14), (9) y (14), (8) y (14) y (7) y (14). Estas diferencias de
potencial se corrigen, en su caso, a partir de las lecturas de los
sensores de temperatura, teniendo en cuenta el coeficiente de
temperatura de la conductividad eléctrica del agua. A partir de las
diferencias de potencial se ajusta una curva similar a la de la
figura 2, que corresponde a la distribución de potenciales que se
obtendría al seguir la secuencia de inyección y detección
mencionada, aplicando 10 V entre los electrodos inyectores. En el
caso de la figura 2 la separación entre electrodos consecutivos es
uniforme e igual a 5 cm para la medida de un nivel de 45 cm. El eje
de abcisas indica la posición respecto al fondo del depósito del
electrodo del par detector más cercano a la superficie en cada
medida. A partir de la distribución de potenciales obtenida y el
modelo que relaciona dichos potenciales con los parámetros del
líquido (nivel, conductividad...) se usa en este caso un algoritmo
iterativo de ajuste de mínimos cuadrados no lineal del tipo
Levenberg-Marquardt para obtener el valor del nivel
correspondiente.
El alcance de medida del sistema depende de la
longitud del soporte. Si el único punto de referencia geométrica es
el fondo, el soporte debe apoyarse en el fondo. Si hay un punto de
referencia cuya posición respecto al fondo es conocida, el soporte
puede ubicarse en dicho punto.
Claims (15)
1. Procedimiento para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos caracterizado porque
- a)
- se emplea un conjunto de electrodos alineados verticalmente, o varios conjuntos de electrodos (alineados verticalmente dentro de cada conjunto), con los electrodos en contacto con el líquido, y
- b)
- se toman dos electrodos cualesquiera del conjunto; se aplica una señal de excitación en forma de voltaje entre ellos o se inyecta una corriente entre ellos; se miden diferencias de potencial existentes entre una pluralidad de pares de electrodos del conjunto, y
- c)
- se reconstruye a partir de las diferencias de potencial medidas, el perfil (distribución espacial en la dirección vertical) de diferencias de potencial generadas en el líquido por la excitación aplicada, y
- d)
- los parámetros del líquido (el nivel de líquido en líquidos homogéneos y no homogéneos, el espesor de cada capa en líquidos estratificados, o el gradiente de concentraciones en líquidos no homogéneos) se determinan por ajuste de los parámetros del modelo que relaciona el perfil de diferencias de potencial obtenido en la dirección perpendicular a la superficie del líquido con los parámetros del líquido. La relación entre dichos parámetros y el perfil de tensiones dentro del líquido para cada tipo de excitación y ubicación de los electrodos de excitación se obtiene resolviendo la ecuación de Laplace para un modelo geométrico del continente del líquido.
2. Procedimiento para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal o señales de excitación son
periódicas simples, con una frecuencia fija seleccionable.
3. Procedimiento para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal o señales de excitación son
periódicas complejas, que incluyen componentes de varias frecuencias
fijas seleccionables, y cuyas amplitudes respectivas son también
fijas seleccionables.
4. Procedimiento para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, según las reivindicaciones 1, 2 o 3,
caracterizado porque entre cada par de electrodos
seleccionados se mide la diferencia de potencial que está en fase
con la señal de excitación correspondiente, la diferencia de
potencial que está en cuadratura con dicha excitación, o simplemente
el módulo de dicha diferencia de potencial.
5. Procedimiento para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, según las reivindicaciones 1, 2 , 3, o 4,
caracterizado porque se mide la temperatura propia del
líquido en distintas profundidades y se corrigen, en su caso, las
medidas de diferencia de potencial según el coeficiente de
temperatura de la conductividad o permitividad (constante
dieléctrica) del líquido.
6. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, y que contenga:
- a)
- un conjunto de electrodos alineados verticalmente, o varios conjuntos de electrodos (alineados verticalmente dentro de cada conjunto).
- b)
- un sistema de conmutación para seleccionar el par o pares de electrodos a los que se aplica la excitación y los pares de electrodos entre los que se miden las diferencias de potencial siguiendo la secuencia de la etapa b) del procedimiento de la reivindicación 1.
- c)
- un sistema para medir diferencias de potencial.
- d)
- un sistema de control de las secuencias de excitación y detección.
- e)
- un sistema de cálculo que ejecute las etapas c) y d) del procedimiento de la reivindicación 1.
7. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según la reivindicación 6,
caracterizado porque contiene además sensores de temperatura
a distintas profundidades para corregir en su caso, las medidas de
diferencia de potencial según el coeficiente de temperatura de la
conductividad o permitividad (constante dieléctrica) del líquido, y
un sistema de conmutación para seleccionar automáticamente el sensor
o sensores en los que se mide la temperatura.
8. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque los electrodos de cada conjunto están
sujetos a un soporte aislante.
9. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque los electrodos de cada conjunto están
sujetos a un soporte tubular.
10. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque la distancia entre los electrodos de
cada conjunto sea uniforme para obtener una resolución uniforme en
todo el rango de medida.
11. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque la distancia entre los electrodos de
cada conjunto es no uniforme para conseguir que la resolución sea
mejor en alguna parte del rango de medida, en cuyo caso la
separación de los electrodos en dicha zona será menor.
12. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque los electrodos de cada conjunto están
sujetos a un soporte aislante unido a un flotador.
13. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque los electrodos de cada conjunto están
sujetos a un soporte aislante y que se alarga por un extremo una
distancia superior a la necesaria para sujetar los electrodos.
14. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos según las reivindicaciones 6 ó 7.
caracterizado porque los electrodos son conductores sin
recubrimiento aislante eléctrico.
15. Un aparato para medir el nivel de líquidos
homogéneos, no homogéneos y estratificados, el espesor de capas de
líquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en
líquidos no homogéneos, según las reivindicaciones 6 ó 7,
caracterizado porque los electrodos son conductores con
recubrimiento aislante eléctrico.
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| ES200502218A ES2311317B2 (es) | 2005-09-08 | 2005-09-08 | Metodo y aparato para medir el nivel de liquidos, el espesor de capas de liquidos estratificados y el gradiente de concentraciones en liquidos no homogeneos. |
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