ES2892951T3 - Sensor resistivo y transmisor de nivel/temperatura de líquido - Google Patents
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Abstract
Un sensor de nivel de líquido (50) para medir la temperatura e indicar los niveles de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) en un recipiente (14), en el que el segundo líquido (16) se encuentra por encima del primer líquido (18), dicho sensor comprende: una sonda de líquido (10); una pluralidad de interruptores normalmente abiertos sensibles a la fuerza magnética (SW1...SW5) conectados a los respectivos de una pluralidad de resistencias (R1...R5) que están conectadas en serie eléctrica para formar una red de cadena de resistencias que tiene extremos primeros y opuestos, estando dichas pluralidades de resistencias conectadas en serie e interruptores normalmente abiertos situados dentro de dicha sonda y extendiéndose longitudinalmente a través de la misma; un primer flotador magnético (22) con un primer peso específico que rodea la sonda (10) y que se desliza a lo largo del primer nivel de líquido (NIVEL DE INTERFASE) cuando dicha sonda se sumerge en el primer y segundo líquido del recipiente; y un segundo flotador magnético (20) con un segundo peso específico que rodea la sonda (10), dicho segundo flotador magnético se encuentra por encima de dicho primer flotador magnético (22) y se desliza a lo largo de dicha sonda hasta el segundo nivel de líquido (NIVEL DE PRODUCTO) cuando dicha sonda se sumerge en el primer y segundo líquido del recipiente, dichos flotadores magnéticos primero y segundo (22, 20) cerrando los respectivos primero (SW3) y segundo (SW1) de dicha pluralidad de interruptores normalmente abiertos sensibles a la fuerza magnética (SW1...SW5) que se encuentran en proximidad a dichos flotadores magnéticos primero y segundo para crear así una primera trayectoria de corriente que se extiende desde un suministro de tensión (58) hasta el primer extremo de dicha red de cadena de resistencias conectada en serie y que pasa por dicho primer interruptor de respuesta a la fuerza magnética (SW3) y un primer número de dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) correspondiente a la altura del primer líquido y un segundo camino de corriente que se extiende desde dicho suministro de voltaje hasta el extremo opuesto de dicha red de cadena de resistencias conectadas en serie y que pasa por dicho segundo interruptor de respuesta a la fuerza magnética (SW1) y un segundo número de dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) correspondiente a la altura del segundo líquido por encima del primer líquido, donde la resistencia total de cada uno de dichos caminos de corriente primero y segundo es indicativa de los niveles de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) en el recipiente, caracterizado porque dicho sensor de nivel de líquido (50) comprende: un controlador de nivel de líquido (52) que incluye un microcontrolador (56), un multiplexor (64) y un convertidor analógico-digital (62), dicho multiplexor conectado entre dicho microcontrolador y dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) para habilitar selectivamente dicho primer y segundo caminos de corriente a través de dicho primer y segundo número de resistencias conectadas en serie, y dicho convertidor analógico-digital (62) conectado entre dicho multiplexor (64) y dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) y respondiendo a la resistencia total de cada uno de dicho primer y segundo número de resistencias conectadas en serie (R1 ...R5) cuando dichos caminos de corriente primero y segundo son habilitados por dicho multiplexor para proporcionar indicaciones de las alturas de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) dentro del recipiente (14); un sensor de temperatura situado en el interior de dicha sonda (10) para proporcionar una indicación de la temperatura del primer (18) o del segundo (16) líquido en el recipiente (14), dependiendo de la ubicación de dicho sensor de temperatura, incluyendo dicho sensor de temperatura un dispositivo de temperatura resistivo (72) conectado entre dicho multiplexor (64) y dicho convertidor analógico-digital (62) y que tiene una resistencia que varía con la temperatura, estando el convertidor analógico-digital (62) de dicho controlador de nivel de líquido (52) conectado a dicho dispositivo de temperatura resistivo para proporcionar una indicación de la resistencia del mismo y una temperatura correspondiente, y un transmisor de radiofrecuencia (66) conectado a dicho microcontrolador (56) para transmitir por una vía de comunicación inalámbrica indicaciones de las alturas de dichos niveles de líquido primero y segundo y de la temperatura a la que responde dicho dispositivo de temperatura resistivo (72).
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor resistivo y transmisor de nivel/temperatura de líquido
Antecedentes de la invención
1. Campo técnico
Esta invención se refiere a un sensor resistivo y transmisor de nivel/temperatura de líquidos que incluye circuitos de medición de impedancia de baja tensión y un controlador de nivel de líquidos para convertir tres valores de impedancia en indicaciones de la temperatura y los niveles de dos líquidos diferentes (por ejemplo, aceite y agua) que tienen dos densidades relativas ubicados dentro de un tanque de almacenamiento (por ejemplo, de aceite). Lo anterior se consigue, en parte, mediante una red de cadenas resistivas que se extiende de forma continua dentro de una sonda que se sumerge en los líquidos contenidos por el depósito.
2. Antecedentes de la técnica
Los sensores de nivel resistivos son bien conocidos para medir el nivel de un solo líquido como el aceite, el fluido químico o las aguas residuales en un recipiente de contención, como un tanque. Uno de estos sensores de nivel 1 se muestra en la FIG. 1 de los dibujos. El sensor de nivel 1 incluye una red de cadena resistiva que contiene un conjunto de resistencias conectadas en serie RES1...RES5 y un conjunto correspondiente de interruptores de láminas conectados en paralelo y normalmente abiertos RS1...RS5. El número de resistencias e interruptores mostrado en la FIG. 1 es a título ilustrativo, y los números reales dependerán de la longitud del sensor de nivel. La red resistiva se carga en una sonda cilíndrica hueca alargada 3. Un flotador magnético 5 con un imán en su interior rodea la sonda cilíndrica 3. La sonda 3 se sumerge en el líquido a medir, y el flotador 5 sube y baja por el exterior de la sonda en función del nivel del líquido en el recipiente de contención. La ubicación particular del flotador magnético 5 a lo largo de la sonda cilíndrica 3 provoca el cierre de uno de los interruptores de láminas normalmente abiertos adyacentes (por ejemplo, RS2), completando así un circuito entre la tensión de excitación de la red (Vs) y la salida de la red (Vout) a través de las resistencias de la red (por ejemplo, RES1 RES2).
La red de cadena resistiva del sensor de nivel de cadena resistiva 1 de la FIG. 1 funciona como divisor de tensión para indicar el nivel del líquido en el que se sumerge la sonda 3. La tensión de excitación Vs se suministra a la red y se mide la salida de tensión Vout. Sin embargo, el sensor de nivel 1 de la FIG. 1 sólo es capaz de indicar un único nivel de líquido calculando la relación de las tensiones de salida y de excitación.
Además, la impedancia de salida de la red de cadena resistiva del sensor de nivel 1 es muy alta e irregular. La impedancia de salida máxima es la mitad de la impedancia total de todas las resistencias RES 1...RES5 y los interruptores RS1...RS5. Una impedancia de salida tan alta disminuye la precisión, y la variante de la impedancia introduce errores no lineales en el cálculo del nivel. La entrada analógica típica del sensor de nivel 1 requiere una impedancia extremadamente alta para poder leer la tensión de salida de la red de la cadena resistiva. Además, la entrada analógica no admite un sensor de temperatura de precisión (por ejemplo, un dispositivo de temperatura resistivo) en los casos en los que es importante conocer la temperatura del líquido a medir.
Para algunas aplicaciones industriales, es muy deseable tener acceso a mediciones precisas de nivel de líquido y de temperatura. Es decir, sería ventajoso poder medir los niveles de dos líquidos diferentes que se encuentran uno encima del otro en un mismo tanque de almacenamiento, así como la temperatura en el fondo del tanque. También sería ventajoso poder llevar a cabo lo anterior mediante un sensor y transmisor de nivel de líquido resistivo que tome medidas de impedancia relativamente bajas y consuma relativamente poca energía en comparación con el sensor de nivel de cadena resistivo convencional descrito anteriormente.
Se llama la atención sobre CN 1 138 133 A que describe el instrumento de límite de nivel controlado magnéticamente que utiliza dos flotadores magnéticos con diferentes pesos específicos para detectar dos líquidos con diferentes pesos específicos o las características del líquido de aceite-agua que bajo la acción de los flotadores magnéticos, los contactos en el tubo de lengüeta seca dentro del tubo de protección se cierran o se abren para causar un cambio en la resistencia de salida del sensor, el flotador magnético A da la señal de altura de nivel, el flotador magnético B da la señal de espesor de aceite, y la señal de resistencia se transforma en voltaje para indicar la altura de nivel y el espesor de aceite. Dicho instrumento tiene las ventajas de una detección rápida y correcta, un pequeño error y una alta sensibilidad (2 cm).
Sumario de la invención
De acuerdo con la presente invención se proporciona un sensor de nivel de líquido, como se establece en la reivindicación independiente 1. Las realizaciones preferidas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.
En términos generales, se divulga un sensor resistivo y transmisor de nivel/temperatura de líquido para medir el nivel de dos líquidos diferentes (por ejemplo, aceite y agua) que tienen diferentes densidades relativas y que están almacenados en un tanque (por ejemplo, de aceite). También se puede calcular la temperatura del líquido en el
fondo del depósito. El sensor y el transmisor incluyen un sensor resistivo de temperatura de nivel de líquido y un controlador de nivel de líquido que están interconectados entre sí, de modo que las mediciones de nivel de líquido y de temperatura pueden recogerse con un consumo de energía relativamente bajo y transmitirse a un receptor remoto mediante transmisión inalámbrica.
El sensor resistivo y transmisor de nivel/temperatura de líquido incluye una sonda que se sumerge en los líquidos a medir dentro del tanque de almacenamiento. La parte superior del líquido superior del depósito se denomina nivel de líquido del producto, y la parte superior del líquido inferior (que se encuentra en la interfase de los líquidos superior e inferior) se denomina nivel de líquido de la interfase. Los flotadores magnéticos del producto y de la interfase, con diferentes densidades relativas, rodean y se deslizan hacia arriba y hacia abajo de la sonda. Una red de cadena resistiva continua que comprende una pluralidad de resistencias conectadas en serie y una pluralidad correspondiente de interruptores de láminas normalmente abiertos conectados en paralelo se carga en la sonda de manera que se extienda longitudinalmente a través de ella. El flotador de producto sube a lo largo de la sonda hasta el nivel de líquido de producto, y el flotador de interfase sube hasta el nivel de líquido de interfase. Los flotadores del producto y de la interfase cierran magnéticamente los respectivos interruptores de láminas normalmente abiertos de la red resistiva. La red de cadena resistiva se conecta a través de la parte superior de la sonda a un controlador de nivel de líquido. Cerca de la parte inferior de la sonda se encuentra un RTD (dispositivo resistivo de temperatura) de tres hilos de baja impedancia, de modo que su resistencia es indicativa de la temperatura.
Como detalle importante, la red de cadena resistiva a través de la sonda incluye bucles de impedancia de PRODUCTO e INTERFASE para medir los niveles de líquido de producto e interfase en el tanque. Cada uno de los lazos de impedancia del PRODUCTO y de la INTERFASE utiliza diferentes resistencias de la pluralidad de resistencias de la red resistiva, dependiendo de los niveles de líquido del producto y de la interfase, de las ubicaciones de los flotadores del producto y de la interfase a lo largo de la sonda, y del correspondiente par de interruptores de láminas que han sido cerrados por los flotadores. El flotador del producto siempre subirá a lo largo de la sonda para situarse por encima del flotador de la interfase. Por lo tanto, el bucle de impedancia del PRODUCTO a través de un primer número de resistencias conectadas en serie y el interruptor de láminas cerrado por el flotador del producto corre hacia abajo desde la parte superior de la red resistiva en la sonda. En este mismo sentido, el bucle de impedancia de INTERFASE a través de un segundo número de resistencias conectadas en serie y el interruptor de láminas cerrado por el flotador de la interfase corre hacia arriba desde la parte inferior de la red resistiva. El controlador de nivel de líquido calcula las resistencias de los lazos de impedancia del PRODUCTO y de la INTERFASE para proporcionar mediciones de los niveles de producto y de líquido dentro del tanque de almacenamiento.
El controlador de nivel de líquido al que se acopla la red de cadena resistiva de la sonda incluye un microcontrolador y una alimentación de bajo voltaje (por ejemplo, una batería de 2,7 a 3,6 VCC). El controlador de nivel de líquido tiene un convertidor analógico-digital frontal y un multiplexor de baja impedancia que son controlados por el microcontrolador. El controlador de nivel de líquido se interconecta con la red de cadena resistiva mediante el convertidor analógico-digital que realiza las mediciones de impedancia. El multiplexor funciona como un conmutador analógico para habilitar selectivamente cada uno de los lazos de impedancia del PRODUCTO, el lazo de impedancia de la INTERFASE y el dispositivo de temperatura del RTD para poder realizar las mediciones de impedancia. El controlador de nivel de líquido incluye preferentemente una interfaz de radio ISM, o similar, para implementar la transmisión inalámbrica de los datos de nivel de líquido y temperatura, aunque, en un ejemplo no cubierto por las reivindicaciones, también puede implementarse una transmisión por cable.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 muestra un sensor de nivel de líquido resistivo convencional para medir el nivel de un solo líquido;
La FIG. 2 es ilustrativa de una sonda de detección de nivel de líquido del sensor resistivo de nivel de líquido y temperatura de la presente invención para medir la temperatura y los niveles de dos líquidos diferentes situados uno encima del otro en un tanque de almacenamiento;
La FIG. 3 es una representación esquemática de una red de cadena resistiva que lleva la sonda de detección de nivel de líquido de la FIG. 2 y con un bucle de impedancia de la INTERFASE para medir el nivel del más bajo de los dos líquidos diferentes;
La FIG. 4 es una representación esquemática de la red de cadena resistiva de la FIG. 3 con un bucle de impedancia de PRODUCTO para medir el nivel del líquido superior;
La La FIG. 5 es un diagrama de bloques de un controlador de nivel de líquido que se interconecta con la red de cadena resistiva mostrada en las Fig. 3 y 4 para formar el sensor y transmisor de nivel de líquido y temperatura según una realización preferente de esta invención;
La FIG. 6 es un circuito esquemático de una interfaz analógica entre la red de cadena resistiva mostrada en las Fig. 3 y 4 y el controlador de nivel de líquido mostrado en la FIG. 5;
La FIG. 7 es un circuito esquemático para ilustrar la interconexión de la interfaz analógica de la FIG. 6 con un bucle de impedancia que tiene un dispositivo de temperatura resistivo de 3 hilos para medir la temperatura del líquido en la parte inferior de la sonda de detección de nivel de líquido de la FIG. 2;
La FIG. 8 es un circuito esquemático para ilustrar la interconexión de la interfaz analógica de la FIG. 6 con el bucle de impedancia de la INTERFASE de la FIG. 3;
La FIG. 9 es un circuito esquemático para ilustrar la interconexión de la interfaz analógica de la FIG. 6 con el bucle de impedancia del PRODUCTO de la FIG. 4; y
La FIG. 10 representa la red de cadenas resistivas de las Fig. 3 y 4 que se extienden longitudinalmente a través de la sonda de detección de nivel de líquido de la FIG. 2.
Descripción de la realización preferente
La FIG. 2 de los dibujos ilustra una sonda resistiva de detección de nivel de líquido 10 que es compatible con un controlador de nivel de líquido para formar el sensor y transmisor resistivo de nivel de líquido y temperatura (designado 50 en la FIG. 5) de la presente invención. La sonda 10 mostrada en la FIG. 2 incluye una varilla cilíndrica rígida (por ejemplo, de acero inoxidable) 12 que tiene una longitud de, por ejemplo, 6,4 m (21 pies) y una anchura de, por ejemplo, 15,875 mm (5/8 pulgadas). Alternativamente, la varilla 12 de la sonda 10 también puede estar fabricado con un material relativamente flexible como el PVDF (fluoruro de polivinilideno). La varilla 10 se sumerge en un tanque de almacenamiento 14 que contiene dos líquidos diferentes 16 y 18 que tienen diferentes densidades relativas. En el ejemplo de la FIG. 2, un volumen de aceite cubre un volumen de agua dentro del tanque 14. La parte superior del líquido superior 16 se denomina nivel de producto, y la parte superior del líquido inferior 18 (que se encuentra en la interfase entre los líquidos superior e inferior) se denomina nivel de interfase.
Un flotador de producto magnético 20 y un flotador de interfase magnético 22, que son similares al designado 5 en la FIG. 1, rodean la varilla 12 de la sonda 10 y están adaptados para deslizarse hacia arriba y hacia abajo en función de los niveles de producto e interfase de los líquidos superior e inferior 16 y 18. Cada flotador 20 y 22 lleva un imán (no mostrado) y tiene una densidad relativa para subir a uno de los niveles de producto o de interfase para cerrar correspondientemente un respectivo interruptor de láminas normalmente abierto que se encuentra en un tablero de red resistiva (mejor mostrado en la FIG. 10) que recorre longitudinalmente la varilla 12. Un espaciador de flotador 24 también rodea la varilla 12 para separar los flotadores de producto y de interfase 20 y 22 entre sí.
La varilla 12 de la sonda resistiva de detección de nivel de líquido 10 tiene un tapón de rosca 26 para acoplarse a un conector roscado del controlador de nivel de líquido 52 (de la FIG. 5). Debajo del tapón de rosca 26 se encuentra un accesorio de compresión ajustable 28 para ajustar la altura de la varilla 12 y para acoplarse a un casquillo reductor 30. El casquillo reductor 30 fija la varilla 12 a la parte superior del depósito 14 para que la sonda 10 pueda medir los niveles de líquido desde arriba hacia abajo. Un manguito catódico 32 rodea la parte inferior de la varilla 12 para evitar que los flotadores 20 y 22 se deslicen fuera de la varilla. Un pie halar 38 ancla la parte inferior de la varilla 12 al fondo del tanque 14. Un espaciador 36 (por ejemplo, de acero inoxidable) rodea la varilla y se sitúa entre el manguito y el pie halar 38.
Un sensor RTD (dispositivo de temperatura resistiva) 72 (mejor mostrado en la FIG. 7) se encuentra cerca de la parte inferior de la varilla 12 de la sonda 10. La resistencia del sensor RTD 72 varía con la temperatura.
Se proporcionan ahora detalles del sensor resistivo de nivel/temperatura de líquido y del transmisor (designado 50 en la FIG. 5) de esta invención que es capaz tanto de medir como de transmitir una indicación precisa de los niveles de líquido primero y segundo (producto e interfase) y de la temperatura dentro de un tanque de almacenamiento, como el designado 14 en la FIG. 2. El sensor y el transmisor 50 incluyen un sensor de nivel de líquido resistivo (designado 54 en las Fig. 3-5) y el mencionado controlador de nivel de líquido 52 de la FIG. 5. Como se muestra en las Fig. 3 y 4, el sensor resistivo de nivel de líquido 54 tiene un conjunto de elementos de detección dispuestos en una red de resistencias en cadena. Cada elemento de detección incluye un interruptor de láminas normalmente abierto y una resistencia (por ejemplo, de 20 ohmios). Los elementos de detección de la matriz están preferiblemente espaciados a 6,35 mm (0,25 pulgadas) o 12,7 mm (0,5 pulgadas) entre sí. De esta manera, el sensor de nivel de líquido 54 puede proporcionar una resolución de 6,35 mm o 12,7 mm (cuarto o media pulgada) de los niveles de líquido.
El sensor resistivo de nivel de líquido 54 del sensor resistivo de nivel/temperatura de líquido y transmisor 50 se carga en la sonda (designada 10 en la FIG. 2) para ser rodeado por la varilla cilíndrica 12 del mismo y sumergido en el contenido líquido del depósito 14. Se proporcionan tres bucles de impedancia para medir el nivel de líquido del producto, el nivel de líquido de la interfase y la temperatura dentro del tanque. Como se explicará más adelante al referirse a la FIG. 5, el sensor resistivo de nivel de líquido 54 está interconectado con el controlador de nivel de líquido 52 para que la información de medición de nivel de líquido y temperatura pueda ser comunicada al controlador.
Volviendo a las Fig. 3 y 4 de los dibujos, se explican ahora brevemente los lazos de impedancia 40 y 42 del sensor de nivel de líquido 54 para medir los niveles de líquido de la interfase y del producto dentro del tanque 14 mostrado en la FIG. 2. Cada uno de los lazos de impedancia 40 y 42 está acoplado al controlador de nivel de líquido 52 (de la FIG. 5) y habilitado selectivamente por un multiplexor analógico de baja impedancia (MUX) 64 del mismo. Como se ha descrito anteriormente, el sensor de nivel de líquido 54 (es decir, la red de resistencias en cadena) incluye un conjunto de elementos de detección, en el que cada elemento de detección tiene una de una pluralidad de resistencias conectadas en serie R1...R5 y una de una pluralidad correspondiente de interruptores de láminas normalmente abiertos conectados en paralelo SW1...SW5. Los bucles de impedancia 40 y 42 tienen un total de tres líneas de entrada y salida de corriente de bucle. Más particularmente, una línea de entrada de corriente (designada INTERFASE en las Fig. 3 y 4) se extiende desde el multiplexor 64 del controlador de nivel de líquido 52 hasta la última resistencia (es decir, la más baja) R5 de las resistencias conectadas en serie R1...R5. Otra línea de entrada de corriente (designada PRODUCT en las Fig. 3 y 4) se extiende desde el multiplexor 64 del controlador de nivel de líquido 52 hasta la primera (es decir, la más alta) resistencia R1 de las resistencias conectadas en serie R1...R5. Una línea de salida de corriente (designada COMÚN en las Fig. 3 y 4) se extiende desde una unión eléctrica común 44 de los interruptores de láminas conectados en paralelo SW1...SW5 a tierra.
Refiriéndose específicamente a la FIG. 3, se describe el bucle de impedancia de interfase 40 del sensor de nivel de líquido resistivo 54 para medir el nivel de interfase del líquido en el fondo del tanque. En este caso, una corriente de bucle viaja a lo largo de la línea de entrada INTERFASE, primero hacia la parte inferior del sensor resistivo de nivel de líquido 54, y luego hacia arriba hacia las resistencias conectadas en serie R1...R5. El flotador de interfase magnético 22 (de la FIG. 2) que se encuentra en la interfase entre los líquidos 16 y 18 en el tanque siempre se encuentra por debajo del flotador de producto 20 (también de la FIG. 2). El flotador magnético de interfase 22 tiene un valor de densidad relativa más alto que el flotador de producto 20, por lo que es ideal para medir el nivel de agua dentro de un tanque de almacenamiento de aceite. El interruptor de láminas normalmente abierto SW3 que se encuentra en la proximidad del flotador de interfase 22 está cerrado, y se crea una ruta de corriente de bucle de interfase a tierra por medio de las resistencias R5 R4 situadas debajo del flotador de interfase 22, el interruptor de láminas cerrado SW3 y la línea de salida COMÚN.
Refiriéndose ahora a la FIG. 4, se describe el bucle de impedancia de producto 42 del sensor resistivo de nivel de líquido 54 para medir el nivel de producto del líquido en la parte superior del depósito. En este caso, una corriente de bucle viaja a lo largo de la línea de entrada del PRODUCTO hacia abajo, hacia las resistencias R1...R5, para cerrar el interruptor de láminas normalmente abierto SW1 que se encuentra cerca del flotador magnético del producto 20. El flotador de producto 20 tiene un valor de densidad relativa más bajo que el del flotador de interfase 22, de modo que se eleva hasta la parte superior de los líquidos en el tanque y es ideal para medir el nivel de aceite. En consecuencia, se crea un camino de corriente de bucle de producto a tierra por medio de la resistencia R1 situada sobre el flotador de producto 20, el interruptor de láminas cerrado SW1, y la línea de salida COMÚN.
FIG. 5 de los dibujos muestra un diagrama de bloques del controlador de nivel de líquido 52 del sensor resistivo de nivel/temperatura de líquido y del transmisor 50 al que está acoplado el sensor resistivo de nivel de líquido 54 de las Fig. 3 y 4. El controlador 52 incluye un microcontrolador de ultra bajo consumo 56 (MCU) como, por ejemplo, la pieza N.° MSP430F5528 fabricada por Texas Instruments. El microcontrolador 56 es alimentado por una fuente de alimentación 58 de relativamente bajo voltaje (por ejemplo, una batería de litio de 2,7 a 3,6 voltios de CC). El sensor resistivo de nivel de líquido 54 se comunica con el microcontrolador 56 del controlador de nivel de líquido 52 a través de una interfaz 60. La interfaz 60 del controlador 52 contiene un convertidor analógico-digital (ADC) 62 y el ya mencionado multiplexor analógico (MUX) 64 que funciona como un conmutador analógico para habilitar selectivamente tres lazos de impedancia diferentes a partir de los cuales se realizan mediciones representativas del nivel de líquido de la interfase, del nivel de líquido del producto y de la temperatura dentro del tanque de almacenamiento. A modo de ejemplo, el convertidor analógico-digital 62 de la interfaz 60 que realiza las mediciones de baja impedancia a lo largo de los tres bucles de impedancia es un ADC Linear de 24 bits N.° de pieza LTC 2492IDE, y el conmutador multiplexor 64 que selecciona un bucle de impedancia concreto para su medición es un Exar N.° de pieza MAX 4734.
El controlador de nivel de líquido 52 también incluye una interfaz de radio ISM que proporciona un enlace de RF a una pasarela WIO y a un receptor remoto. Así, el controlador de nivel de líquido 52 mostrado en la FIG. 5 está adaptado para transmitir datos de nivel de líquido y de temperatura a través de una vía de transmisión inalámbrica. Sin embargo, en un ejemplo no cubierto por las reivindicaciones, el controlador 52 también puede transmitir datos a través de una ruta de transmisión por cable (no mostrada) en cuyo caso la interfaz de radio 66 puede ser eliminada. En este caso, el controlador 52 puede incluir una interfaz de datos en serie de 4-20 mA que es adecuada para la transmisión por cable. Para permitir la interfaz de usuario, el controlador 52 está provisto de una pantalla de cristal líquido (LCD) convencional como, por ejemplo, la pieza de ensamblaje electrónico n° DOGM162.
La FIG. 6 de los dibujos es un esquema del circuito frontal analógico de la interfaz del sensor de nivel 60 del controlador de nivel de líquido 52 de la FIG. 5 mediante el cual el controlador 52 se acopla al sensor resistivo de nivel de líquido 54 para completar el sensor resistivo de nivel/temperatura de líquido y el transmisor 50. En particular, se muestra la interconexión del convertidor analógico-digital 62 y el multiplexor 64 para poder habilitar los tres bucles de impedancia y medir la impedancia de los mismos y convertirlos en niveles de líquido de producto e interfase.
Refiriéndose a las Fig. 6 y 7 de los dibujos, se proporciona una descripción para realizar una medición de la temperatura en el fondo del tanque de almacenamiento de aceite (por ejemplo, el 14 de la FIG. 2). FIG. 7 es un esquema simplificado que muestra el convertidor analógico-digital (ADC) 62 de la FIG. 6 y una ruta de impedancia de bucle desde el ADC 62 a tierra. En este caso, se proporciona una indicación de la temperatura por medio de un dispositivo de temperatura resistivo (RTD) de baja impedancia de 3 hilos 72. A modo de ejemplo, el RTD 72 es un dispositivo resistivo PT-100 cuya resistencia, que varía con la temperatura, se encuentra en un rango de 18 ohmios a 390 ohmios y cuya impedancia de bucle está definida por los tres cables W1, W2 y W3 mostrados en la FIG. 7 y medido por el ADC 62. Como se ha indicado anteriormente al referirse a la FIG. 2, el RTD 72 está situado cerca de la parte inferior de la varilla 12 de la sonda de detección de nivel de líquido 10. Para eliminar la impedancia del multiplexor 64, se utiliza el canal 2 del ADC 62 para medir la impedancia del bucle RTD. El bucle RTD se habilita ajustando BS0# y BS#1 del multiplexor 64 a los niveles lógicos 1 y 0, respectivamente.
Refiriéndose a las Fig. 6 y 8 de los dibujos, se proporciona una descripción para realizar una medición del nivel de líquido de la interfase dentro del tanque (14 de la FIG. 2). FIG. 8 es un esquema simplificado que muestra el convertidor analógico-digital (ADC) 62 de la FIG. 6 y la trayectoria de la corriente (ILOOP) a través de la línea de corriente INTERFASE del bucle de impedancia de la interfase 40 del sensor de nivel de líquido resistivo 54. El bucle de impedancia de la interfase va desde el ADC 62, a través del sensor resistivo de nivel de líquido 54, y a tierra mediante el cual se calcula el nivel de líquido de la interfase. Como se ha descrito anteriormente al referirse a la FIG.
3, el flotador magnético de interfase 22 (que siempre se encuentra por debajo del flotador magnético de producto 20 en la interfase de los dos fluidos a medir) cierra un interruptor de láminas adyacente normalmente abierto SW4 de uno de los elementos de detección de la cadena de elementos de detección que forma el sensor resistivo de nivel de líquido 54.
El nivel de líquido de la interfase se mide utilizando dos canales (CH0 y CHI) del ADC 62 y convirtiendo la resistencia en una indicación de altura. Es decir, el nivel de líquido de la interfase se calcula midiendo la resistencia del bucle de impedancia de la interfase 40 que se habilita ajustando BS1# y BS0# (canal 2 del multiplexor analógico 64 de la FIG. 6) a los niveles lógicos 1 y 0, respectivamente. La entrada analógica al bucle de impedancia de la interfase 40 desde el ADC 62 incluye una resistencia de referencia RA y una resistencia limitadora de corriente conectada en serie RB. La tensión VCHo en el primer canal CH0 del ADC 62 se mide entre las resistencias conectadas en serie RA y RB. La tensión VCHi en el segundo canal CHI del ADC 62 se mide después de las resistencias conectadas en serie RA y RB.
Como se ha explicado anteriormente, la resistencia del bucle de impedancia de la interfase 40 (con respecto a la ubicación del flotador de la interfase 22) a lo largo de la trayectoria de la corriente de la interfase aumenta desde la parte inferior del bucle hacia la parte superior. El nivel de líquido de la interfase (designado como AlturaINTF) es calculado por el microcontrolador 56 del controlador de nivel de líquido 52 de la FIG. 5, como sigue:
Rintf - Ra x Vchi/(Vcho - Vchi),
y
AlturaiNTF = Sp x (Rintf/R-sw) Diferencia Altura,
donde la diferencia de altura (mostrada en la FIG. 10) es la distancia entre el fondo del tanque 14 y el interruptor de láminas más bajo SW5 en la cadena de resistencia del bucle de impedancia de la interfase 40, RSW es la resistencia media de un interruptor de láminas del bucle, y Sp es la resolución de la sonda (designada 10 en la FIG. 2) que, en el presente ejemplo, es de 6,35 mm (0,25 pulgadas) o de 12,7 mm (0,5 pulgadas), dependiendo de la separación de los interruptores de láminas SW1...SW5 entre sí.
Refiriéndose a las Fig. 6 y 9 de los dibujos, se proporciona una descripción para realizar una medición del nivel de líquido del producto dentro del tanque (14 de la FIG. 2). FIG. 9 es un esquema simplificado que muestra el ADC 62 de la FIG. 6 y la trayectoria de la corriente (Iloop) a través de la línea de corriente del PRODUCTO del bucle de impedancia 42 del sensor resistivo de nivel de líquido 54. El bucle de impedancia del producto va desde el ADC 62, a través del sensor resistivo de nivel de líquido 54, y a tierra mediante el cual se calcula el nivel de líquido del producto. Como se ha descrito anteriormente al referirse a la FIG. 4, el flotador magnético de producto 20 (que siempre se encuentra por encima del flotador magnético de interfase 22 en la parte superior de los dos fluidos a medir) cierra un interruptor de láminas adyacente normalmente abierto SW3 de uno de los elementos de detección de la cadena de elementos de detección que forma el sensor resistivo de nivel de líquido 54.
Al igual que el nivel de líquido de la interfase descrito al referirse a la FIG. 8, el nivel de líquido del producto de la FIG. 9 se mide utilizando los dos canales CH0 y CH1 del ADC 62. En este caso, sin embargo, el nivel de líquido del producto se calcula midiendo la resistencia del bucle de impedancia del producto 42 que se habilita ajustando BS1# y BSO# (canal 3 del multiplexor analógico 64 de la FIG. 6) a los niveles lógicos 1 y 1, respectivamente. Las tensiones VCH0 y VCH1 para calcular el nivel de líquido del producto se miden en los mismos puntos que los descritos en la FIG. 8 para medir el nivel de líquido de la interfase.
Como también se explicó anteriormente, la resistencia del bucle de impedancia del producto 40 (con respecto a la ubicación del flotador del producto 20) a lo largo de la trayectoria de la corriente del PRODUCTO aumenta desde la parte superior del bucle hacia la parte inferior. El nivel de líquido del producto (designado AlturaPROD) es calculado por el microcontrolador 56 del controlador de nivel de líquido 52 de la FIG. 5, como sigue:
RpROD = R-A X Vcffl/(VcHO " VcHl),
y
AlturapROD- Sp x (Rmax - R-prod/Rsw) Diferencia Altura,
donde los valores de Diferencia Altura, RSWy Sp son los mismos que los descritos anteriormente para calcular el nivel de líquido de la interfase, y RMAX (ilustrado en la FIG. 10) es la resistencia máxima de las resistencias conectadas en serie (es decir, Ri R2 ... R5) que son transportados por una sonda de detección 10 (de la FIG. 2) con una varilla 12 de longitud fija y conocida.
La FIG. 10 de los dibujos ilustra la red de cadenas resistivas del sensor resistivo de nivel de líquido 54 mostrado en las Fig. 3 y 4 de los dibujos para ser montado en una placa de circuito (no mostrada) y que se extiende longitudinalmente y completamente a través de la varilla 12 de la sonda resistiva de detección de nivel de líquido 10 de la FIG. 2. El número total de resistencias, la resistencia total de las mismas RMAX, y el correspondiente número de interruptores de láminas normalmente abiertos que forman el sensor resistivo de nivel de líquido 54 dependen de la longitud de la sonda 10 y de la resolución del sensor 54 (es decir, del espacio entre las resistencias). Como se explicó al referirse a las Fig. 3 y 4 y como se muestra en la FIG. 10, el nivel de líquido de la interfase se calcula utilizando la suma de las resistencias de un primer número de resistencias conectadas en serie (designadas RINT) medidas hacia arriba desde la parte inferior del sensor de nivel 54. El nivel de líquido del producto se calcula utilizando la suma de las resistencias de un segundo número de resistencias conectadas en serie (designadas Rprod) medidas hacia abajo desde la parte superior del sensor de nivel 54. El primer y segundo número de resistencias está determinado por las ubicaciones de las sondas de producto e interfase 20 y 22 a lo largo de la sonda 10.
Se puede apreciar que el sensor resistivo de nivel/temperatura de líquido y el transmisor 50 de esta invención incluyen circuitos de medición de impedancia de bajo voltaje y un controlador de nivel de líquido 52 (de la FIG. 5) que tiene un microcontrolador 56 para convertir tres valores de impedancia de bucle (ilustrados en las Fig. 7, 8 y 9) en indicaciones de la temperatura del líquido, el nivel del líquido de la interfase y el nivel del líquido del producto de un tanque que contiene dos líquidos diferentes con densidades relativas distintas. En particular, un multiplexor analógico de baja impedancia 64 del controlador 52 designa tres caminos de corriente distintos a través de un dispositivo de temperatura de resistencia de 3 hilos 72, un bucle resistivo de INTERFASE y un bucle resistivo de PRODUCTO. El sensor y el transmisor 50 son capaces de funcionar con una fuente de alimentación de batería de bajo voltaje para consumir ventajosamente menos energía que los sistemas convencionales de medición del nivel de líquido resistivo.
Claims (5)
1. Un sensor de nivel de líquido (50) para medir la temperatura e indicar los niveles de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) en un recipiente (14), en el que el segundo líquido (16) se encuentra por encima del primer líquido (18), dicho sensor comprende:
una sonda de líquido (10);
una pluralidad de interruptores normalmente abiertos sensibles a la fuerza magnética (SW1...SW5) conectados a los respectivos de una pluralidad de resistencias (R1...R5) que están conectadas en serie eléctrica para formar una red de cadena de resistencias que tiene extremos primeros y opuestos, estando dichas pluralidades de resistencias conectadas en serie e interruptores normalmente abiertos situados dentro de dicha sonda y extendiéndose longitudinalmente a través de la misma;
un primer flotador magnético (22) con un primer peso específico que rodea la sonda (10) y que se desliza a lo largo del primer nivel de líquido (NIVEL DE INTERFASE) cuando dicha sonda se sumerge en el primer y segundo líquido del recipiente; y
un segundo flotador magnético (20) con un segundo peso específico que rodea la sonda (10), dicho segundo flotador magnético se encuentra por encima de dicho primer flotador magnético (22) y se desliza a lo largo de dicha sonda hasta el segundo nivel de líquido (NIVEL DE PRODUCTO) cuando dicha sonda se sumerge en el primer y segundo líquido del recipiente,
dichos flotadores magnéticos primero y segundo (22, 20) cerrando los respectivos primero (SW3) y segundo (SW1) de dicha pluralidad de interruptores normalmente abiertos sensibles a la fuerza magnética (SW1...SW5) que se encuentran en proximidad a dichos flotadores magnéticos primero y segundo para crear así una primera trayectoria de corriente que se extiende desde un suministro de tensión (58) hasta el primer extremo de dicha red de cadena de resistencias conectada en serie y que pasa por dicho primer interruptor de respuesta a la fuerza magnética (SW3) y un primer número de dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) correspondiente a la altura del primer líquido y un segundo camino de corriente que se extiende desde dicho suministro de voltaje hasta el extremo opuesto de dicha red de cadena de resistencias conectadas en serie y que pasa por dicho segundo interruptor de respuesta a la fuerza magnética (SW1) y un segundo número de dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) correspondiente a la altura del segundo líquido por encima del primer líquido,
donde la resistencia total de cada uno de dichos caminos de corriente primero y segundo es indicativa de los niveles de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) en el recipiente,
caracterizado porque dicho sensor de nivel de líquido (50) comprende:
un controlador de nivel de líquido (52) que incluye un microcontrolador (56), un multiplexor (64) y un convertidor analógico-digital (62), dicho multiplexor conectado entre dicho microcontrolador y dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) para habilitar selectivamente dicho primer y segundo caminos de corriente a través de dicho primer y segundo número de resistencias conectadas en serie, y dicho convertidor analógico-digital (62) conectado entre dicho multiplexor (64) y dicha pluralidad de resistencias conectadas en serie (R1...R5) y respondiendo a la resistencia total de cada uno de dicho primer y segundo número de resistencias conectadas en serie (R1 ...R5) cuando dichos caminos de corriente primero y segundo son habilitados por dicho multiplexor para proporcionar indicaciones de las alturas de los líquidos primero (NIVEL DE INTERFASE) y segundo (NIVEL DE PRODUCTO) dentro del recipiente (14);
un sensor de temperatura situado en el interior de dicha sonda (10) para proporcionar una indicación de la temperatura del primer (18) o del segundo (16) líquido en el recipiente (14), dependiendo de la ubicación de dicho sensor de temperatura, incluyendo dicho sensor de temperatura un dispositivo de temperatura resistivo (72) conectado entre dicho multiplexor (64) y dicho convertidor analógico-digital (62) y que tiene una resistencia que varía con la temperatura, estando el convertidor analógico-digital (62) de dicho controlador de nivel de líquido (52) conectado a dicho dispositivo de temperatura resistivo para proporcionar una indicación de la resistencia del mismo y una temperatura correspondiente, y
un transmisor de radiofrecuencia (66) conectado a dicho microcontrolador (56) para transmitir por una vía de comunicación inalámbrica indicaciones de las alturas de dichos niveles de líquido primero y segundo y de la temperatura a la que responde dicho dispositivo de temperatura resistivo (72).
2. El sensor de nivel de líquido (50) según la reivindicación 1, en el que cada una de dichas vías de corriente primera y segunda está conectada desde una fuente de alimentación de CC de 2,5 voltios (Vcho) a la tierra eléctrica por medio de una línea de salida común (COMÚN).
3. El sensor de nivel de líquido (50) según la reivindicación 1, en el que el dispositivo resistivo de temperatura (72) de dicho sensor de temperatura está situado en una ruta de impedancia que es habilitada selectivamente por dicho multiplexor (64) y contiene tres hilos dispuestos en bucle y que tienen impedancias respectivas (Rloop) que son medidas por dicho convertidor analógico-digital (62) para proporcionar una indicación de la resistencia de dicho dispositivo resistivo de temperatura (72) y la temperatura del líquido situado en dicho recipiente (14).
4. El sensor de nivel de líquido (50) según la reivindicación 1, en el que dicho multiplexor (64) es un multiplexor analógico de baja impedancia.
5. El sensor de nivel de líquido (50) según la reivindicación 1, en el que dicho microcontrolador (56) es un dispositivo de baja potencia, y dicho suministro de voltaje (58) es una batería de litio que proporciona energía a dicho microcontrolador que se encuentra en un rango de 2,7 a 3,6 voltios de CC.
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