ES2623379T3 - Sonda de sobrellenado de fluido con prevención de tensión térmica - Google Patents
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Abstract
Sonda de nivel de fluido (310), que comprende: un alojamiento cilíndrico (312) que comprende un metal ligero y que presenta un primer diámetro exterior y un primer diámetro interior; un tubo (326) dispuesto en el interior del alojamiento cilíndrico (312) y coaxial con el mismo, presentando el tubo un segundo diámetro exterior y un segundo diámetro interior, siendo el segundo diámetro exterior inferior al primer diámetro interior del alojamiento cilíndrico y definiendo un espacio anular entre el segundo diámetro exterior del tubo y el primer diámetro interior del alojamiento, y una placa de circuito impreso (320), que presenta una pluralidad de componentes de circuito previstos sobre una superficie de la placa de circuito impreso para procesar una señal de salida de un fotodetector, estando la placa de circuito impreso dispuesta en el tubo y encajada a presión en el tubo, presentando la placa de circuito impreso un primer espesor, una primera anchura y una primera longitud, en el que la placa de circuito impreso define un primer espacio interior entre el tubo y un primer lado de la placa de circuito impreso y define un segundo espacio interior entre el tubo y un segundo lado de la placa de circuito impreso, en el que cada uno de entre el primer y segundo espacios interiores está libre de material sólido, caracterizado por que el tubo (326) forma una sola pieza con un soporte de prisma (325) dispuesto en un extremo del tubo y que comprende una región vaciada parcial para recibir un prisma (314), y en el que el tubo (326) no está en contacto con el alojamiento (312), y en el que el espacio anular entre el tubo (326) y el alojamiento cilíndrico (312) se llena con un material de encapsulado (330) para evitar que el tubo se mueva dentro del alojamiento.
Description
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DESCRIPCION
Sonda de sobrellenado de fluido con prevencion de tension termica.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un aparato de control de fluidos y, en particular, a sondas de sobrellenado opticas que detectan cuando el fluido que se transfiere a un recipiente ha excedido un nivel maximo deseado y proporcionan una senal que se utiliza para evitar el sobrellenado del recipiente.
Antecedentes de la invencion
En la tecnica del control de transferencia de fluido, particularmente en lo que se refiere a la industria petrolera, uno de los dispositivos de control mas comunes es un detector de sobrellenado para determinar cuando el fluido que se transfiere a un contenedor, como por ejemplo un compartimiento de camion cisterna de petroleo, excede un nivel predeterminado. Una senal de salida de dicha sonda indica un riesgo de sobrellenado, y se puede utilizar mediante un controlador de transferencia de fluido para interrumpir el flujo de fluido hacia el compartimiento. De esta manera, se puede evitar el sobrellenado del compartimiento, que resulta particularmente peligroso cuando se trata de lfquidos inflamables como por ejemplo gasolina. Dicha sonda 100 se muestra esquematicamente en la figura 1, que muestra un diagrama en seccion transversal parcial de un compartimiento de camion cisterna 102 que se esta llenando con un fluido 104. La sonda 100 esta conectada por medio de cables 108 a un circuito de prevencion de sobrellenado, que no se muestra en la figura 1. Tfpicamente, se forma un pozo 106 alrededor de la parte superior de la sonda 100 con el fin de contener cualquier fluido 104 que se pueda fugar alrededor de la sonda 100.
Un tipo de sonda de sobrellenado que se conoce en la industria petroqufmica utiliza una senal optica generada por una fuente de luz, por ejemplo un diodo emisor de luz, cuya senal se acopla a un medio que presenta un fndice de refraccion relativamente elevado, como por ejemplo un vidrio o un plastico translucido. Dicho medio presenta una forma especial y se conoce comunmente como "prisma". La forma del prisma proporciona multiples superficies en la interfaz entre el material del prisma y un entorno exterior, y dichas superficies estan alineadas de manera que den lugar a una reflexion interna de la senal optica acoplada al prisma cuando dicho prisma esta rodeado por aire. Dicha reflexion interna dirige la senal optica hacia un fotodetector que genera una senal de salida que indica que la senal optica esta siendo detectada.
En la figura 2 se muestra una ilustracion esquematica de dicho diseno de sonda 200 segun la tecnica anterior. En el plano del paso de la senal optica 202, el prisma 204 presenta una seccion transversal triangular. La senal optica se genera mediante la fuente de luz 206. Cuando el prisma 204 esta rodeado por aire, la senal optica se refleja en dos interfaces entre el material de prisma y el aire circundante y se redirige hacia el fotodetector 208 siguiendo el paso 202. El fotodetector 208 genera una senal de salida electrica que indica que se detecta la senal optica. Dicha senal optica se dirige a componentes de una placa de circuito impreso que esta situada en un alojamiento de sonda 210 y esta rodeada por un material de encapsulado 212.
El prisma 204 de la figura 2 se monta en un soporte de prisma 216 que presenta unos orificios debidamente situados para recibir la fuente de luz 206 y el fotodetector 208 y una region vaciada parcial para recibir el prisma 204. El soporte de prisma 216 puede comprender una junta elastomerica y puede presentar un compuesto de encapsulado 218 adyacente a la misma para colaborar en el sellado de los componentes internos con respecto al entorno exterior. Dicho soporte de prisma 216 colabora para mantener el prisma, la fuente de luz y el fotodetector en una alineacion relativa apropiada.
Cuando el fluido 104 en el compartimiento 102 se eleva a una altura suficiente como para entrar en contacto con una superficie de prisma en una ubicacion en la que incida la senal optica, la interfaz prisma/aire pasa a ser una interfaz prisma/fluido y el fluido presenta un fndice de refraccion mucho mas cercano al material del prisma que el aire. De acuerdo con la ley de Snell de la refraccion (bien conocida en la tecnica del diseno optico), el angulo de incidencia de la senal optica en la interfaz prisma/fluido da lugar ahora a la transmision de la senal optica por la interfaz debido a la similitud de los Indices de refraccion respectivos. Como resultado, el fotodetector 208 ya no detecta la senal, y el cambio correspondiente en la senal de salida del fotodetector se detecta por medio de la electronica convencional de proceso senales (que no se muestra en la Figura 2) y se utiliza como advertencia de sobrellenado que indica que se debe interrumpir la carga del compartimiento 102.
El documento US 2008/0144033 A1 describe una sonda de nivel de fluido de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
Las sondas de sobrellenado de este tipo se pueden ver sometidas a un entorno particularmente agresivo. Si el compartimiento contiene gasolina u otros combustibles o productos qufmicos agresivos, la sonda puede estar expuesta a vapores corrosivos. Ademas, las condiciones de funcionamiento de los compartimientos a menudo incluyen un amplio intervalo de cambios de temperatura. Dichos cambios pueden someter la sonda a una variedad de tensiones que podrfan dar lugar en ultima instancia a su fallo. Un fallo de la sonda puede que genere una falsa
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senal de sobrellenado, lo que evita que se cargue el fluido en el compartimiento, a pesar de que dicho compartimiento puede estar vacfo. Si esto ocurre, puede resultar necesario limpiar o reemplazar en campo la sonda, lo que da lugar a un tiempo de inactividad significativo.
Breve sumario de la invencion
De acuerdo con la presente invencion, se preve una sonda de nivel de fluido que evita el fallo debido a tensiones ffsicas resultantes de la expansion termica de componentes de la sonda. En particular, se utiliza una estructura interna que preve una holgura de los componentes delicados de la sonda que los separa de los materiales solidos que la rodean. La sonda incluye un detector de nivel de fluido que detecta cuando el fluido en un recipiente ha alcanzado un nivel predeterminado y genera una senal de salida electrica indicativa del mismo. Los componentes del circuito electrico montados en una placa de circuito procesan la senal de salida electrica. Un alojamiento rodea los componentes del circuito electrico y la placa de circuito se fija en su posicion con respecto al alojamiento. Sin embargo, el montaje de la placa de circuito se lleva a cabo de manera que prevea una holgura entre los componentes del circuito y los materiales solidos circundantes en dicho alojamiento.
Con el fin de crear una holgura deseada, libre de material solido, se utiliza un receptaculo que se emplaza dentro del alojamiento y rodea la placa de circuito. Dicho receptaculo es un tubo que esta fijo en su posicion con relacion al alojamiento mediante un material de encapsulado que rodea el tubo y cura a un estado ngido. La placa de circuito se situa adyacente a una superficie interior del tubo a lo largo de sus bordes. En esta configuracion, los bordes de la placa de circuito hacen contacto con el tubo, impidiendo el movimiento de la placa de circuito dentro del tubo, pero la forma de dicho tubo es tal, que se da la holgura deseada entre la superficie del tubo interior y los componentes en el tubo placa de circuito. Por lo tanto, a medida que los materiales solidos cambian de dimension dentro de la sonda debido a la expansion y contraccion termica, no se origina tension ffsica que actue sobre los componentes electricos mediante materiales solidos en el alojamiento de la sonda que rodean la placa de circuito, debido a que la holgura se ha realizado con un tamano lo suficientemente grande como para evitar cualquier contacto de este tipo para la gama completa predeterminada de temperaturas de funcionamiento de la sonda.
Breve descripcion de las distintas vistas de los dibujos
La figura 1 es una vista esquematica en seccion transversal de un recipiente de fluido supervisado por una sonda de sobrellenado de fluido, tal como se conoce en la tecnica anterior.
La figura 2 es una vista en seccion transversal esquematica parcial de una sonda de sobrellenado de fluido segun la tecnica anterior.
La figura 3A es una vista esquematica en seccion transversal longitudinal de una sonda de sobrellenado de fluido segun la presente invencion.
La figura 3B es una vista esquematica en seccion transversal de la sonda de la figura 3A tomada por la lmea de seccion 3B-3B.
Descripcion detallada de la invencion
En la figura 3A se muestra una vista lateral en seccion transversal de una sonda de sobrellenado 310 segun una forma de realizacion a tftulo de ejemplo de la presente invencion. Los componentes de la sonda estan encerrados en un alojamiento 312 de un material duradero, preferiblemente un metal ligero como por ejemplo aluminio. Se emplaza un prisma 314 en un primer extremo de la sonda encarada al lfquido que se esta supervisando en un compartimiento de fluido. Adyacente a dicho prisma se preven la fuente de luz de diodo emisor de luz (LED) 316 y un fotodetector 318. Tal como se ha indicado anteriormente, se acopla una senal optica generada por la fuente de luz 316 al prisma 314 en la direccion de las superficies de prisma que entran en contacto con el fluido cuando el compartimiento esta lleno. De este modo, la senal de la fuente de luz se refleja internamente y se detecta mediante el fotodetector cuando el nivel de fluido se encuentra por debajo de la posicion de la sonda, debido a la gran diferencia entre los indices de refraccion del material de prisma y el aire circundante. Si el nivel de fluido alcanza la sonda, la diferencia de mdice de refraccion es mucho menor y la luz sale del prisma antes de llegar al fotodetector. El cambio en la senal de salida del fotodetector se utiliza por un circuito de control de sobrellenado adjunto para interrumpir el llenado del compartimiento.
La fuente de luz 316 y el fotodetector 318 se conectan electricamente a la placa de circuito impreso (placa PCB) 320, que esta situada dentro de la sonda. Dicha placa PCB 320 soporta componentes electricos utilizados para controlar el funcionamiento de la sonda y esta conectada a circuitena externa (que no se muestra) por medio de cables electricos 322. En la presente forma de realizacion, los componentes se montan en superficie en la placa PCB 320, es decir, dependen de una conexion de soldadura entre los mismos y la placa tanto para la conductividad electrica como para la sujecion mecanica. Este tipo de montaje presenta ciertas ventajas, como por ejemplo un factor de forma mas pequeno, pero tambien tiene como resultado una disposicion mas fragil debido a la conexion de soldadura directa entre los componentes y la placa PCB y la ausencia de un alojamiento protector, tal como
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presentan tfpicamente los encapsulados de montaje con patillas. Por lo tanto, en la presente forma de realizacion, la placa PCB 320 se soporta con firmeza en el alojamiento para protegerla de golpes, vibraciones, fluidos y contaminantes exteriores.
El montaje de la placa PCB 320 es tal, que esta separada del alojamiento 312 de la sonda por varias capas interiores diferentes. Dichas capas se combinan conjuntamente para proteger la placa PCB en el alojamiento, y estan dispuestas de forma especial para dar a la placa PCB 320 un cierto nivel de resistencia a la tension termica. En la figura 3B se muestra una vista en seccion transversal de la sonda tomada a lo largo de la lfnea de seccion 3B- 3B de la figura 3A. La placa PCB 320 se muestra en el centro del alojamiento 312 y esta cubierta por una capa de material protector 324 que, en la presente forma de realizacion, es silicona. Dicha capa se puede verter sobre la estructura ensamblada de la placa PCB como un liquido viscoso que, a continuacion, se endurece y protege los componentes al mismo tiempo que proporciona un revestimiento conformado suficiente como para satisfacer diversas normas reguladoras cuando la sonda se utiliza junto con lfquidos peligrosos.
Alrededor de la placa PCB recubierta de silicona se preve un tubo 326 que es lo suficientemente rfgido como para mantener su forma bajo una presion exterior reducida. El tubo 326 presenta un diametro interior que se selecciona en relacion con el tamano de la placa PCB de modo que la placa PCB encaje a presion con el tubo 326. El tubo 326 forma una sola pieza con un soporte de prisma 325 (Figura 3A) en el que el prisma 314, la fuente de luz 316 y el fotodetector 318 estan montados de una manera similar a la descrita anteriormente con respecto a la figura 2.
En la presente forma de realizacion, el tubo 326 y el soporte de prisma 325 comprenden una unica pieza de nitrilo negro. De este modo, la placa PCB 320 se emplaza dentro del tubo 326 y la fuente de luz 316 y el fotodetector 318 se extienden desde la placa PCB 320 al soporte de prisma 325.
En una forma de realizacion, el tubo y la placa PCB presentan un tamano el uno con respecto a la otra de manera que la placa presente un ajuste de interferencia holgado con el tubo. En otra forma de realizacion, la superficie interior del tubo presenta ranuras que reciben los bordes de la placa y, de este modo, retienen la placa en una posicion y orientacion predeterminadas dentro del tubo. Esta ultima forma de realizacion simplifica la alineacion de la placa con el tubo de modo que la fuente de luz y el fotodetector se ensamblen de forma adecuada en los orificios previstos en el soporte de prisma 325. Este es un aspecto que resulta particularmente util cuando el tubo es un material opaco, ya que facilita la alineacion adecuada de la placa PCB 320 en el tubo 326. Tal como se muestra en la figura 3A, una capa 327 de material de encapsulado tambien puede estar emplazada adjunta al soporte de prisma que colabora en el aislamiento del interior de la sonda del entorno exterior. La parte de la sonda que se extiende mas alla de la capa de material de encapsulado 327 esta circundada por un protector de prisma que evita los danos al prisma ademas de permitir que el fluido haga contacto con la superficie del prisma. En el extremo opuesto del tubo 326, tambien se puede usar una junta 331 para cerrar el extremo del tubo. Dicha junta puede ser, por ejemplo, un solido o un liquido endurecibles.
Tal como se muestra en la figura 3B, la anchura de la propia placa PCB es la dimension radial maxima del conjunto de placa PCB cuando esta emplazada en el tubo 326. Por lo tanto, aunque los bordes de la placa PCB 320 pueden hacer contacto con una superficie interior del tubo 326, se preve una holgura de aire 328 en cada lado de la placa PCB entre los componentes recubiertos de silicona y la superficie interior del tubo. Estas holguras de aire 328 se crean debido a la rigidez del tubo 326 que le permite mantener su forma durante el montaje de la sonda. Una vez que la placa PCB 320 esta emplazada en el tubo 326, dicho tubo se sella.
De este modo, los cables electricos 322 se extienden por la junta 331 en un extremo y la fuente de luz y el fotodetector se extienden en el soporte de prisma 326 en el otro extremo. El tubo sellado se dispone a continuacion dentro de la alojamiento 312 y el espacio entre el tubo y la alojamiento se llena con un material de encapsulado 330, como por ejemplo un epoxi de curado con endurecido. Esto asegura el tubo 326 con respecto a la alojamiento 312, evitando que se mueva dentro del alojamiento. El material de encapsulado tambien se puede seleccionar para proteger el tubo de contaminantes externos, vibracion y choque.
Se ha observado que la formacion de holguras de aire 328 en el cuerpo de la sonda evita danos a los componentes en la placa PCB que de otro modo se podrian provocar debido a la tension fisica inducida por la expansion termica de componentes en la sonda. En particular, las holguras de aire 328 proporcionan una separacion entre los componentes electricos de la placa PCB 320 y el tubo 326. De este modo, la expansion termica y la contraccion de la capa protectora 324 y/o del tubo 326 y el material de encapsulado 330 no crean tension fisica en los componentes del circuito. Por el contrario, si la capa protectora que rodea los componentes electricos estuviera directamente adyacente a o en contacto directo con un material circundante, como un compuesto de encapsulado, la expansion y la contraccion termica de los materiales solidos en la sonda podrian dar lugar a una tension fisica en los componentes del circuito lo que conducirfa al fallo de los mismos. Dado que las sondas de sobrellenado, como las que se describen en la presente forma de realizacion, estan concebidas para su uso en un amplio rango de temperaturas (tanto como un cambio de temperatura de cien grados Celsius), la presente invencion proporciona una sonda de sobrellenado que evita tensiones termicas que de otro modo podrian conducir a un fallo de la sonda.
La presente forma de realizacion utiliza un tubo para alojar la placa PCB de una manera que proporcione holguras alrededor de los componentes del circuito. Sin embargo, los expertos en la tecnica reconoceran que se puede utilizar una variedad de tecnicas diferentes para proporcionar dichas holguras. El efecto del tubo es proporcionar un aislamiento ffsico entre materiales solidos en el cuerpo de la sonda que, de no estar de este modo aislados, podrfan 5 crear tensiones ffsicas en los componentes del circuito debido a las correspondientes expansiones y contracciones termicas. Otros medios de prever dicho aislamiento se consideran anticipados mediante el principio de la presente invencion. Ademas, aunque las holguras se denominan en el presente documento como "holguras de aire", la invencion se refiere a cualquier holgura que este libre de material solido. Dicha holgura puede estar ocupada por gases diferentes al aire, o incluso por ciertos fluidos que presenten caracterfsticas termicas adecuadas.
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Aunque se ha mostrado y se ha descrito la presente invencion con respecto a una forma de realizacion a tftulo de ejemplo de la misma, los expertos en la tecnica reconoceran que se pueden llevar a cabo varios cambios en la forma y el detalle sin apartarse del alcance de la invencion tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Sonda de nivel de fluido (310), que comprende:un alojamiento cilmdrico (312) que comprende un metal ligero y que presenta un primer diametro exterior y un primer diametro interior;un tubo (326) dispuesto en el interior del alojamiento cilmdrico (312) y coaxial con el mismo, presentando el tubo un segundo diametro exterior y un segundo diametro interior, siendo el segundo diametro exterior inferior al primer diametro interior del alojamiento cilmdrico y definiendo un espacio anular entre el segundo diametro exterior del tubo y el primer diametro interior del alojamiento, yuna placa de circuito impreso (320), que presenta una pluralidad de componentes de circuito previstos sobre una superficie de la placa de circuito impreso para procesar una senal de salida de un fotodetector, estando la placa de circuito impreso dispuesta en el tubo y encajada a presion en el tubo, presentando la placa de circuito impreso un primer espesor, una primera anchura y una primera longitud,en el que la placa de circuito impreso define un primer espacio interior entre el tubo y un primer lado de la placa de circuito impreso y define un segundo espacio interior entre el tubo y un segundo lado de la placa de circuito impreso,en el que cada uno de entre el primer y segundo espacios interiores esta libre de material solido, caracterizado por queel tubo (326) forma una sola pieza con un soporte de prisma (325) dispuesto en un extremo del tubo y que comprende una region vaciada parcial para recibir un prisma (314), yen el que el tubo (326) no esta en contacto con el alojamiento (312), yen el que el espacio anular entre el tubo (326) y el alojamiento cilmdrico (312) se llena con un material de encapsulado (330) para evitar que el tubo se mueva dentro del alojamiento.
- 2. Sonda segun la reivindicacion 1, en la que el soporte de prisma (325) ademas comprende un primer orificio para recibir una fuente de luz (316) y un segundo orificio para recibir un fotodetector (318).
- 3. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que ademas comprende: una fuente de luz (316) configurada para generar una senal de luz;un fotodetector (318) configurado para detectar dicha senal de luz y generar la senal de salida en respuesta a la misma; yun prisma (314) que presenta unas superficies orientadas para recibir la senal de luz de manera que dicha senal de luz sea reflejada hacia el fotodetector cuando ningun fluido este en contacto con las superficies del prisma o la senal de luz salga del prisma sin llegar al fotodetector cuando un fluido este en contacto con las superficies de prisma.
- 4. Sonda segun la reivindicacion 1, que ademas comprende:una primera ranura interior a lo largo de una parte interior del tubo (326), presentando dicha primera ranura interior un tamano aproximadamente igual al primer espesor de la placa de circuito impreso (320),en la que un primer borde de la placa de circuito impreso esta posicionado en la primera ranura.
- 5. Sonda segun la reivindicacion 4, que ademas comprende:una segunda ranura interior a lo largo de una parte interior del tubo (326), presentando dicha segunda ranura un tamano aproximadamente igual al primer grosor de la placa de circuito impreso (320),en la que un segundo borde de la placa de circuito impreso esta posicionado en la segunda ranura.
- 6. Sonda segun la reivindicacion 5, en la que:la primera y segunda ranuras estan previstas en el tubo (326) de manera que la placa de circuito impreso (320) se posicione en una orientacion predeterminada con respecto al soporte de prisma (325).
- 7. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que ademas comprende:una capa de recubrimiento protector dispuesta sobre dicho uno o mas componentes de circuito dispuestos sobre la 5 placa de circuito impreso.
- 8. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que:cada uno de entre el primer y segundo espacios interiores presenta un tamano suficiente para evitar el contacto 10 entre los componentes del circuito o la capa de recubrimiento protector y la superficie interior del tubo debido a la expansion termica de una o mas partes de la sonda en un intervalo de temperaturas de funcionamiento predeterminado.
- 9. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que ademas comprende:15una primera y segunda juntas situadas respectivamente, en el primer y segundo extremos del tubo para sellar la placa de circuito impreso dentro del tubo.
- 10. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el tubo y el soporte de prisma comprenden una 20 unica pieza de nitrilo negro.
- 11. Sonda segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que el material de encapsulado (330) es un epoxi de curado con endurecido.
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