ES2320821T3 - Aparato para la deteccion de falta de homogeneidad en un flujo liquido. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para detectar faltas de homogeneidad, en particular burbujas de gas, en el flujo de un líquido, en el que el aparato comprende: una carcasa de una sola pieza (1) de un material que permite la transmisión de ultrasonidos, un paso de líquidos (2) que se extiende a través de la carcasa (1), medios de entrada y de salida (2a, 2b) en la carcasa (1) para conectar el paso de líquido (2) al flujo de líquido, y medios de transductor de ultrasonidos (3, 4) en la carcasa, en cada lado del paso de líquido (2), estando dispuestos unos medios de transductor como emisor y estando dispuestos los otros medios de transductor como receptor, con el paso de líquido (2) situado en el trayecto de transmisión del sonido entre el emisor y el receptor, por el que las faltas de homogeneidad pueden ser detectadas basándose en la energía emitida por el ultrasonido que es recibida por el receptor, en el que la carcasa (1) tiene dos rebajes opuestos (6, 7), uno en el lado del emisor del paso de líquido (2) y uno en el lado de receptor del mismo, en el que los rebajes en una dirección perpendicular al trayecto de transmisión del sonido (9) así como al paso de líquido (2) se extienden en lados opuestos del trayecto de transmisión del sonido (9) substancialmente al nivel del borde exterior respectivo (8a, 8b) del paso de líquido (2), y en la dirección de transmisión del sonido, se extiende desde unos medios de transductor respectivos (3, 4) hacia el paso de líquido (2) con la parte restante de la carcasa entre el rebaje y los otros medios de transductor que están sin rebajar, para que los rebajes (6, 7) juntos mediante el apantallamiento guían la transmisión de ultrasonidos entre los medios de transducción emisores y los medios de transducción receptores para tener lugar substancialmente a través del paso de líquido (2).
Description
Aparato para la detección de falta de
homogeneidad de un flujo líquido.
La presente invención se refiere a un aparato
para detectar faltas de homogeneidad en el flujo de un líquido, en
particular, burbujas de aire, por medio de ultrasonidos.
En muchas situaciones es importante poder
detectar la presencia de faltas de homogeneidad, tales como
burbujas, en el flujo de un líquido. Éste es el caso de, por
ejemplo, el campo médico de la administración parenteral de
soluciones para tratamiento en las que el paciente debe estar
protegido frente a la infusión de burbujas de aire. En la
industria, por ejemplo, la presencia de burbujas en un sistema de
refrigeración indica capacidad de refrigeración insuficiente. En el
campo analítico, debe mencionarse de manera particular la detección
de burbujas de aire en los pasos para cromatografía de
líquidos.
Un método común para detectar burbujas de gas en
el flujo de un líquido se basa en el uso de ultrasonidos, y se
fundamenta en el hecho de que un gas tiene una impedancia acústica
considerablemente más alta que un líquido o un material sólido.
Así, si el ultrasonido se emite desde un emisor en un lado de un
conducto de líquido a un receptor en el otro lado del conducto, la
presencia de burbujas de aire, por ejemplo, en el líquido, se puede
detectar como una reducción característica de la energía sonora
recibida comparada con la misma cuando en el conducto solamente hay
líquido.
El ultrasonido se puede generar en un
transductor piezoeléctrico, llamado piezotransductor, en el cual se
hace oscilar a un cristal cuando es accionado por una tensión
eléctrica. Inversamente, el cristal produce una tensión eléctrica
cuando el ultrasonido golpea el cristal. Un transductor ultrasónico
puede, por lo tanto, emitir y recibir sonido.
Existe un aparato para la detección de burbujas
conocido previamente para los fines de la cromatografía líquida,
que se puede conectar a un sistema de cromatografía, y que comprende
un bloque de plástico que tiene un paso directo para el líquido, y
un emisor y un receptor montados a cada lado del paso de líquido. Un
inconveniente de este aparato es que la diferencia entre las
señales obtenidas para líquido y aire, respectivamente, no es muy
grande, puesto que el ultrasonido emitido puede propagarse al lado
del paso de líquido e incluso golpear el receptor. Asimismo, el
ultrasonido que ha pasado a través del paso de líquido se puede
propagar, luego, al lado del receptor. El aparato requiere, por lo
tanto, circuitos electrónicos complicados para el procesamiento de
la señal desde los transductores de ultrasonidos, así como un
procedimiento de ajuste complicado al instalar el dispositivo.
La patente estadounidense 4.418.565 describe un
aparato de detección de burbujas mediante ultrasonidos en forma de
bloque de plástico que tiene introducidos en el mismo un par de
transductores de ultrasonidos opuestos (transmisor y receptor) y un
canal definido entre los transductores, en cuyo canal se aplica el
conducto de líquido donde se van a detectar las burbujas,
típicamente un tubo proveniente de una bolsa o botella para la
administración parenteral de la solución. Entre cada transductor y
el paso hay un rebaje lleno de un material elastomérico que
transmite ultrasonidos. Para evitar la propagación de ultrasonidos
desde el emisor al receptor por una ruta distinta a aquélla a
través del material elastomérico y, por lo tanto, a través del
conducto de líquido, se coloca una ranura que contiene aire en el
fondo del canal. Esta ranura, que es demasiado estrecha para ser
capaz de recibir el conducto de líquido, se extiende hasta una
profundidad por lo menos debajo de los bordes más bajos de los
transductores de ultrasonidos.
Aunque esta construcción para el guiado de
ultrasonidos mediante apantallamiento, por lo menos parcialmente,
supera los problemas de detección antedichos del primer aparato
detector de burbujas descrito, la construcción tiene otros
inconvenientes. En primer lugar, el aparato en sí mismo tiene una
construcción complicada y contiene, entre otras cosas, tornillos,
elementos separadores y placas de presión. Además, la detección de
un tubo es poco práctica y requiere que el tubo esté montado con un
buen acoplamiento acústico. Esto se puede conseguir, de hecho, si
el tubo es flexible, pero tal tubo no resiste las presiones de
fluido relativamente altas que prevalecen, a menudo, en la
cromatografía líquida, por ejemplo. La consecución de un
acoplamiento acústico suficiente con un tubo rígido requiere, por
otra parte, el uso de pasta de montaje, que es muy poco práctica.
Debido a la ranura definida debajo del canal del conducto de
líquido, el aparato de detección de burbujas obtiene, también,
malas propiedades de resistencia, especialmente con respecto a la
retorsión o a la resistencia a la torsión.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un aparato de ultrasonidos para la detección de
burbujas de gas y de otras faltas de homogeneidad en el flujo de un
líquido, en el que dicho aparato, como en el primer aparato
descrito más arriba, tiene un paso de líquido resistente a la
presión enterizo, pero en el que el paso de líquido es un elemento
dominante en la trayectoria del sonido para asegurar una diferencia
grande entre la señal para el gas y la señal para el líquido.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
aparato que permite el uso de circuitos electrónicos sencillos para
el accionamiento y el tratamiento de las señales.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
aparato del tipo mencionado más arriba que es robusto y sencillo de
utilizar.
Un objeto adicional de la invención es
proporcionar un aparato del tipo mencionado más arriba que contiene
pocos detalles y es simple de fabricar.
Según la invención, se consiguen estos y otros
objetos y ventajas, con un aparato de detección de burbujas
mediante ultrasonidos que tiene una carcasa de una sola pieza con un
paso directo para líquidos y dos transductores de ultrasonidos
opuestos montados en la carcasa en cada lado del paso, mediante la
provisión de dos rebajes opuestos cortados en la carcasa entre cada
transductor y el paso de líquidos y en los lados opuestos del
trayecto de transmisión del sonido para que los rebajes protejan
juntos a la trayectoria de sonido entre los transductores de manera
que esencialmente toda la energía ultrasónica que es recibida por el
receptor haya pasado a través del paso de líquido. En otras
palabras, la distribución del sonido entre el paso y el material
circundante en la dirección transversal del sonido será tal que el
paso domina el área en sección transversal que pasa el ultrasonido
cuando se propaga a través de la carcasa. De ese modo, se logra una
diferencia grande y fiable entre la indicación del aire y la
indicación del líquido. Debido a la disposición opuesta de los
rebajes, puede mantenerse, también, una resistencia excelente de la
carcasa.
Por lo tanto, un aspecto de la invención se
refiere a un aparato para detectar faltas de homogeneidad en el
flujo de un líquido, en el que este aparato comprende una carcasa de
una sola pieza de un material que es transmisor de ultrasonidos, un
paso de líquido que se extiende a través de la carcasa, medios de
entrada y de salida en la carcasa para conectar el paso de líquido
al flujo de líquido, y unos medios de transductor ultrasónico en la
carcasa en cada lado del paso de líquido, estando un transductor
dispuesto como emisor y el otro como receptor con el paso de
líquido situado en el trayecto de transmisión del sonido entre el
emisor y el receptor, por el que las faltas de homogeneidad en el
flujo de líquido pueden ser detectadas basándose en la energía de
ultrasonido recibida por el receptor. El aparato se caracteriza
porque la carcasa tiene dos rebajes opuestos, uno en el lado del
emisor del paso de líquido y otro en el lado del receptor del mismo.
En una dirección perpendicular al trayecto de transmisión del
sonido, así como al paso del líquido, los dos rebajes se extienden
en lados opuestos del trayecto de transmisión del sonido
substancialmente al nivel del borde exterior respectivo del paso de
líquido. En la dirección de transmisión del sonido, los dos rebajes
se extienden desde unos medios de transductor respectivos hacia el
paso de líquido con la parte de carcasa restante entre el receso y
los otros medios de transductor estando sin rebaje. Por tanto, los
dos recesos, juntos mediante apantallamiento, guían la transmisión
de ultrasonidos entre los medios de transductor de emisión, de
manera que la transducción de ultrasonidos tiene lugar,
substancialmente, a través del paso de líquido (y no a través del
material circundante).
En otro aspecto, la invención se refiere a un
sistema para detectar faltas de homogeneidad en el flujo de un
líquido, en el que el sistema, además del aparato descrito más
arriba, incluye medios para tratar y presentar la señal desde los
transductores de ultrasonidos.
Para facilitar la comprensión de la invención,
ésta se describe con más detalle más abajo, solamente a modo de
ejemplo, tomando en consideración una realización específica,
haciéndose referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista en sección esquemática
de una realización del aparato según la invención.
La figura 2 es una vista correspondiente a la de
la figura 1 pero con la trayectoria del sonido ilustrada.
La figura 3 es una vista en perspectiva
esquemática de una realización del aparato según la invención, que
corresponde, substancialmente, a la realización mostrada en las
figuras 1 y 2.
La figura 4 es un diagrama de circuito
esquemático para el tratamiento electrónico de la señal del
transductor desde un aparato según la invención.
El aparato de detección de burbujas mostrado en
las figuras 1 a 3 está destinado, sobre todo, a ser utilizado para
la detección de aire/líquido en los pasos para cromatografía en
líquidos, pero puede, por supuesto, utilizarse también en otras
aplicaciones en las que se van a detectar burbujas de gas (u otras
faltas de homogeneidad) en el flujo de un líquido. El aparato
comprende una carcasa o célula 1 provista de un paso a través para
líquidos 2 con una entrada y una salida 2a, 2b (figura 3) diseñado
para ser conectado al sistema de flujo de líquidos en cuestión. La
célula 1 está hecha de manera conveniente con plástico duro, por
ejemplo, PEEK. La dimensión del paso (diámetro en sección
transversal) es la adecuada para la aplicación contemplada de
cromatografía de líquidos, típicamente en el intervalo de 1 a 5
milímetros. Dos transductores de ultrasonidos 3, 4, aquí discos de
cristal piezoeléctrico - llamados piezotransductores - están
montados en la célula opuesta, cada uno en cada lado del paso de
líquido 2. Como se explicará más detalladamente más abajo, un
transductor es utilizado como emisor y el otro como receptor, en
cooperación con un circuito de control electrónico. Para un mejor
comportamiento, los transductores piezoeléctricos son utilizados en
su frecuencia de resonancia, que depende, entre otras cosas, del
grosor del disco de cristal. Para una combinación de dos discos que
tienen un diámetro de 5 milímetros y un grosor de 0,5 milímetros,
por ejemplo, la resonancia es de alrededor de 4 Megahercios.
En la realización mostrada en la figura 3, los
dos transductores 3, 4 están montados en una parte central 5 de la
célula para reducir la distancia entre el transductor y el paso de
líquido.
La célula 1 está provista, adicionalmente, de
dos cortes o rebajes 6, 7, opuestos, estando provisto un rebaje 6
entre un transductor 3 y el paso de líquido 2, y el otro rebaje 7
estando provisto entre el otro transductor 4 y el paso de líquido
2. Los rebajes 6, 7 se extienden verticalmente en direcciones
opuestas en las figuras 1 y 2 al nivel del borde exterior
respectivo del paso 2, estando estos bordes exteriores indicados por
las líneas de trazos 8a, 8b en la figura 1. Juntos, los dos
rebajes, opuestos verticalmente y horizontalmente 6, 7, funcionan
como un apantallamiento o "diafragma" para las ondas sonoras
emitidas desde el transductor emisor, de manera que el sonido
transmitido entre los transductores 3, 4 sigue una vía que en la
dirección vertical de las figuras 1 y 2 está restringida,
esencialmente, a la extensión del paso de líquido. La trayectoria
del sonido obtenida está indicada en la figura 2 por el número de
referencia 9. Como se ve fácilmente, este apantallamiento o esta
guía de los ultrasonidos tiene como resultado que, substancialmente,
toda la energía del sonido que es detectada por el transductor
receptor ha pasado a través del paso de líquido 2. Desde el punto
de vista del sonido que guía o que blinda, es, por supuesto,
ventajoso si los rebajes 6, 7 en la dirección horizontal en las
figuras 1 y 2 se extiende, esencialmente, a todo lo largo del
transductor respectivo 3, 4 al paso 2, como se muestra en las
figuras 1 y 2.
Debido al hecho de que los dos rebajes 6, 7,
cuando son vistos verticalmente en las figuras 1 y 2, están situados
en diferentes lados del paso de líquido 2, la célula mantendrá una
torsión o una resistencia a la torsión considerable. El grosor del
material alrededor del paso 2, y no el menor en la parte central 5
en la realización de la figura 3, por supuesto, está ajustado a los
requisitos mecánicos para cada aplicación específica. Opcionalmente,
los rebajes 6, 7 se pueden rellenar con un material que tenga una
impedancia acústica elevada.
Según se ha acentuado previamente, el hecho de
que el paso de líquido 2 domine el área por la que el ultrasonido
emitido atraviesa la célula, tiene como resultado que se obtenga una
diferencia grande y fiable entre las intensidades de sonido
respectivas detectadas para el líquido y el gas, normalmente aire.
Esto causa a su vez que el circuito electrónico que es necesario
para el accionamiento de la célula del detector se pueda hacer muy
pequeño. Un ejemplo esquemático de tal circuito se muestra en la
figura 4.
En este circuito, el transductor emisor de una
célula del detector del tipo descrito más arriba, designado en este
documento mediante el número de referencia 10, está conectado a la
entrada de un amplificador 11, mientras el receptor de la célula 10
del detector está conectado a la salida del amplificador a través de
una resistencia 12. La salida del amplificador está conectada,
también, a una etapa de accionamiento 13 de salida que comprende un
rectificador y un transistor. La magnitud de la resistencia 12 está
seleccionada para ajustar la señal detectora amplificada de la
célula hasta el nivel deseado. La señal de salida de la etapa de
accionamiento 13 es conducida, luego, a un dispositivo de
presentación adecuado, o es utilizada como señal de control en un
sistema automatizado.
Como se muestra a partir de lo antedicho, el
aparato de detección de burbujas descrito proporciona una unidad
robusta que es adecuada para dimensiones de paso de líquido
pequeñas, da una detección fiable de burbujas de aire y requiere
solamente un sencillo circuito electrónico de control, que es
simultáneamente fácil de manejar y de fabricar (célula de una sola
pieza).
La invención no está, por supuesto, restringida
a las realizaciones descritas específicamente más arriba e
ilustradas en los dibujos, sino que puede ser cambiada y modificada
de muchos modos dentro del concepto inventivo general, según se
define en las reivindicaciones siguientes.
Claims (5)
1. Un aparato para detectar faltas de
homogeneidad, en particular burbujas de gas, en el flujo de un
líquido, en el que el aparato comprende:
una carcasa de una sola pieza (1) de un material
que permite la transmisión de ultrasonidos,
un paso de líquidos (2) que se extiende a través
de la carcasa (1),
medios de entrada y de salida (2a, 2b) en la
carcasa (1) para conectar el paso de líquido (2) al flujo de
líquido, y
medios de transductor de ultrasonidos (3, 4) en
la carcasa, en cada lado del paso de líquido (2), estando
dispuestos unos medios de transductor como emisor y estando
dispuestos los otros medios de transductor como receptor, con el
paso de líquido (2) situado en el trayecto de transmisión del sonido
entre el emisor y el receptor, por el que las faltas de
homogeneidad pueden ser detectadas basándose en la energía emitida
por el ultrasonido que es recibida por el receptor, en el que
la carcasa (1) tiene dos rebajes opuestos (6,
7), uno en el lado del emisor del paso de líquido (2) y uno en el
lado de receptor del mismo, en el que los rebajes en una dirección
perpendicular al trayecto de transmisión del sonido (9) así como al
paso de líquido (2) se extienden en lados opuestos del trayecto de
transmisión del sonido (9) substancialmente al nivel del borde
exterior respectivo (8a, 8b) del paso de líquido (2), y en la
dirección de transmisión del sonido, se extiende desde unos medios
de transductor respectivos (3, 4) hacia el paso de líquido (2) con
la parte restante de la carcasa entre el rebaje y los otros medios
de transductor que están sin rebajar, para que los rebajes (6, 7)
juntos mediante el apantallamiento guían la transmisión de
ultrasonidos entre los medios de transducción emisores y los medios
de transducción receptores para tener lugar substancialmente a
través del paso de líquido (2).
2. El aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque la carcasa (1) está hecha de plástico
duro.
3. El aparato según la reivindicación 1 o la 2,
caracterizado porque los rebajes (6, 7) están rellenos de un
material de elevada impedancia acústica.
4. Un sistema para detectar faltas de
homogeneidad, en particular burbujas de gas, en el flujo de un
líquido, caracterizado porque el sistema comprende un
aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, y un
circuito eléctrico para el accionamiento y el tratamiento de las
señales.
5. Uso de un aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, o de un sistema según la reivindicación 4,
para detectar burbujas de aire en cromatografía para líquidos.
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