IT201600094878A1 - Sistema e metodo di monitoraggio del livello di liquido all'interno di una caldaia, in particolare per un generatore di vapore - Google Patents

Description

“SISTEMA E METODO DI MONITORAGGIO DEL LIVELLO DI LIQUIDO ALL'INTERNO DI UNA CALDAIA, IN PARTICOLARE PER UN GENERATORE DI VAPORE”

La presente invenzione è relativa ad un sistema e ad un metodo di monitoraggio del livello di liquido all’interno di una caldaia; in particolare, la presente invenzione trova vantaggiosa, ma non esclusiva, applicazione per un generatore di vapore di un locale adibito a bagno turco (cosiddetto “Hammam”), cui la descrizione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.

Come noto, un locale adibito a bagno turco deve essere mantenuto a temperatura e umidità sufficientemente elevate e controllate; la temperatura e l’umidità vengono mantenute a valori desiderati controllando l’accensione e lo spegnimento di un generatore di vapore comunicante con tale locale.

Il generatore di vapore è dotato di una caldaia contenente liquido, generalmente acqua, che viene riscaldato per portarlo in ebollizione e causare così la generazione del vapore che può quindi essere erogato all’interno del locale.

Il livello del liquido nella caldaia viene rilevato tramite un sensore di livello disposto all’interno della caldaia stessa.

Il sensore di livello è generalmente costituito da un’asta metallica inserita nella caldaia; un’unità elettronica accoppiata elettricamente al sensore è in grado di determinare quando il livello del liquido contatta l’estremità dell’asta, determinando in tal modo il raggiungimento del livello desiderato del liquido all’interno della caldaia stessa. In particolare, in seguito alle diminuzioni del livello, periodicamente causate dalla generazione di vapore, può essere opportunamente introdotto nuovo liquido all’interno della caldaia fino a ripristinare il livello desiderato.

Nelle soluzioni note, il rilevamento del livello del liquido è dunque sostanzialmente di tipo binario, ovvero assimilabile ad un interruttore on/off, l’unità di controllo ricevendo infatti un’informazione assimilabile ad uno ‘0’ o ad un ‘1’ logici, a seconda che il livello di liquido non abbia raggiunto, rispettivamente abbia raggiunto, il livello desiderato.

La presente Richiedente ha constatato che tale soluzione non consente di ottenere un funzionamento ottimale, né consente di massimizzare la vita operativa del sistema.

In particolare, vi sono numerose situazioni in cui il suddetto rilevamento “binario” del livello del liquido nella caldaia può risultare non corretto, comportando in tal modo un funzionamento non ottimale della caldaia e del relativo generatore di vapore, e, con il passare del tempo, una diminuzione della vita operativa.

A titolo di esempio, a causa dell’invecchiamento della caldaia, si può verificare un accumulo di materiale, ad esempio calcio, sull’estremità dell’asta del sensore di livello, che può causare una errata determinazione del livello del liquido nella caldaia stessa. Come ulteriore esempio, la fase di ebollizione del liquido, finalizzata alla generazione di vapore, comporta un aumento della turbolenza del liquido nella caldaia, che in caso di presenza di calcio può comportare la presenza di bolle lattescenti all’interno della caldaia, in particolare nel caso in cui la stessa caldaia sia azionata per un lungo periodo senza risciacquo; tali bolle possono contattare l’asta di livello ed anche in questo caso inficiare la determinazione del livello.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, ed in particolare quello di fornire una soluzione migliorata per il monitoraggio del livello di liquido in una caldaia, in particolare per un generatore di vapore.

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un sistema ed un metodo di monitoraggio del livello di liquido, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra uno schema di massima di un locale a temperatura e umidità controllate e di un associato generatore di vapore;

- la figura 2 mostra schematicamente una caldaia del generatore di vapore di figura 1, con evidenziato un relativo sensore di livello;

- la figura 3 mostra uno schema elettrico equivalente di massima del sensore di livello e di una associata unità di controllo elettronica;

- le figure 4-6 mostrano diagrammi di flusso relativi ad operazioni di monitoraggio di livello svolte dall’unità di controllo della caldaia; e

- la figura 7 è un diagramma relativo a grandezze elettriche associate all’unità di controllo.

Nella figura 1, con 1 è schematicamente indicato un locale climatizzato, in particolare un locale riscaldato, adibito, ad esempio, a bagno turco.

La temperatura e l’umidità all’interno del locale 1 vengono controllate mediante un generatore termico, in particolare un generatore di vapore 3.

Il generatore di vapore 3 include: una caldaia 4; un’unità di controllo 5, dotata di un microcontrollore, un microprocessore o un’analoga unità di elaborazione, che ne gestisce il funzionamento sulla base di algoritmi implementati da istruzioni software memorizzate in una relativa memoria non volatile; ed elementi riscaldatori 6, ad esempio elettro-resistenze, accoppiati alla caldaia 4 per provvedere a riscaldare il liquido contenuto al suo interno, opportunamente pilotati dall’unità di controllo 5. Il vapore generato dall’ebollizione del liquido nella caldaia 4 viene convogliato all’interno del locale 1, mediante opportuni condotti di convogliamento 7, illustrati schematicamente.

Come mostrato in figura 2, all’interno della caldaia 4 è installato un sensore di livello 10, elettricamente accoppiato all’unità di controllo 5.

Il sensore di livello 10 comprende un’asta metallica disposta verticalmente in corrispondenza di una porzione superiore 11 di un involucro 12 della caldaia 4 (opposta ad una base 13 della stessa caldaia 4).

In corrispondenza della base 13 sono presenti: un condotto di ingresso 14, selettivamente accoppiato in maniera fluidica con l’interno della caldaia 4 tramite una elettrovalvola di carico (non mostrata), per consentire l’introduzione di liquido (causando pertanto il riempimento della caldaia 4, a partire dalla base 13 verso la porzione superiore 11); ed un condotto di uscita 15, selettivamente accoppiato in maniera fluidica con l’interno della caldaia 4 tramite una rispettiva elettrovalvola di scarico (non mostrata), per consentire l’estrazione del liquido contenuto nella stessa caldaia 4.

In particolare, l’asta del sensore di livello 10 è collegata elettricamente all’unità di controllo 5 (e ad una relativa scheda elettronica, qui non illustrata, su cui è installato il microprocessore, o l’analoga unità di elaborazione) mediante un cavo elettrico 16; inoltre, un terminale di riferimento di massa (gnd) della suddetta unità di controllo 5 è collegato all’involucro 12 della caldaia 4.

Facendo anche riferimento allo schema elettrico equivalente di figura 3, l’unità di controllo 5 è configurata in modo da inviare un opportuno segnale di polarizzazione P verso il sensore di livello 10, ad esempio un segnale del tipo ad onda quadra modulato in ampiezza di impulso (PWM); la presenza di liquido tra l’asta del sensore di livello 10 e l’involucro 12 determina una resistenza elettrica variabile, in funzione del livello del liquido stesso all’interno della caldaia 4.

Tale resistenza variabile è indicata con R1 nello schema elettrico equivalente di figura 3, ed è collegata tra il terminale di riferimento di massa gnd ed un nodo di lettura Nr, definito dall’asta del sensore di livello 10 (qui non illustrato).

In particolare, quando non è presente liquido in corrispondenza dell’asta del sensore di livello 10, tale resistenza R1 presenta un valore elevato, ed il valore della stessa resistenza R1 decresce in presenza del liquido tra la stessa asta e l’involucro 12 della caldaia 4, progressivamente al crescere del livello dello stesso liquido.

Secondo un aspetto della presente soluzione, l’unità di controllo 5 è accoppiata al nodo di lettura Nr, e dunque all’asta del sensore di livello 10, tramite un elemento resistore 17, la cui resistenza R2 è modificabile dalla stessa unità di controllo 4, ad esempio tramite un multiplexer 18.

Come illustrato nella stessa figura 3, l’unità di controllo 5 presenta un ingresso di lettura elettricamente accoppiato al suddetto nodo di lettura Nr, in modo da ricevere un segnale di lettura S (corrispondente nell’esempio alla tensione sul nodo di lettura Nr, ovvero sul resistore con resistenza R1) il cui valore di ampiezza (o inviluppo) è indicativo del livello del liquido all’interno della caldaia 4.

In particolare, l’unità di controllo 5 è dotata di uno stadio di conversione analogico/digitale A/D (non illustrato) in corrispondenza del suddetto ingresso di lettura, in modo da effettuare una conversione del segnale di lettura S in un corrispondente segnale digitale, che viene opportunamente campionato ed elaborato.

In uso, l’assenza di liquido in corrispondenza dell’asta del sensore di livello 10, comporta un aumento del valore della resistenza R1 fino ad un valore ideale di circuito aperto. Per effetto del partitore resistivo costituito dalle resistenze R1 e R2, la progressiva crescita del segnale di lettura S è quindi indicativa dell’abbassamento del livello del liquido tra la stessa asta e l’involucro 12 della caldaia 4 (ad un’ampiezza elevata del segnale di lettura S corrisponde infatti l’assenza di liquido in corrispondenza dell’asta del sensore di livello 10). Viceversa, la presenza di liquido in corrispondenza dell’asta del sensore di livello 10, comporta una diminuzione del valore della resistenza R1 fino ad un valore ideale di cortocircuito verso massa. La progressiva diminuzione dello stesso segnale di lettura S è dunque indicativa dell’innalzamento del livello del liquido (ad un’ampiezza ridotta del segnale di lettura S corrisponde infatti la presenza di liquido in corrispondenza dell’asta del sensore di livello 10).

In un esempio non limitativo (a cui si farà riferimento in seguito), l’unità di controllo 5 può convenientemente effettuare un’inversione della logica del segnale S, in modo tale che un valore alto di tale segnale corrisponda alla presenza del liquido a livello, e viceversa un valore basso di tale segnale corrisponda all’assenza del liquido.

Secondo un aspetto della presente soluzione, l’unità di controllo 5 è configurata in modo da acquisire e campionare (per una successiva analisi) almeno un primo ed un secondo segnale di livello, associati rispettivamente ad un primo valore, “basso”, della resistenza R2 dell’elemento resistore 17 e ad un secondo valore, “alto” della stessa resistenza R2 (maggiore rispetto al valore “basso”). A titolo puramente esemplificativo, il primo valore “basso” della resistenza R2 può essere pari a 2 kΩ ed il secondo valore “alto” della resistenza R2 può essere pari a 47 kΩ.

Ad esempio, l’unità di controllo 5 effettua, ad ogni intervallo di misura Tc (che può essere pari a 100 ms), due misure del segnale di lettura S, in corrispondenza dei due valori della resistenza R2, ottenendo in tal modo i rispettivi valori campionati del primo e del secondo segnale di livello.

In maniera che risulterà evidente, l’utilizzo del primo valore di resistenza permette di sfruttare in maniera sostanzialmente continua l’intera dinamica della conversione A/D effettuata dallo stadio di ingresso dell’unità di controllo 5, così da ottenere un primo segnale di livello S1, rappresentativo del livello del liquido all’interno della caldaia 4, che fornisce un dato sia quantitativo che qualitativo della presenza del liquido in corrispondenza del sensore di livello 10 (tale primo segnale di livello S1 può essere considerato fornire un valore continuo, o sostanzialmente analogico, LA del livello).

L’utilizzo del secondo valore di resistenza consente invece di ottenere un secondo segnale di livello S2, che fornisce una rappresentazione della variazione del livello più “discretizzata” rispetto al primo segnale di livello S1 (tale secondo segnale di livello S2 può essere dunque considerato fornire un valore discretizzato LD del livello).

In altre parole, il primo segnale di livello S1 segue in maniera più “fine” la variazione del livello, sfruttando un numero maggiore, sostanzialmente continuo, di livelli di quantizzazione del campionamento A/D, rispetto al secondo segnale di livello S2, che segue in maniera meno fine la stessa variazione di livello, sfruttando un numero minore, discreto, di livelli di quantizzazione.

Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, l’unità di controllo 5 è configurata per analizzare l’andamento temporale, la modalità di variazione, del segnale di lettura S al fine di attuare opportune azioni volte ad ottimizzare il funzionamento e la durata operativa della caldaia 4 e dell’associato generatore di vapore 3; in particolare, l’unità di controllo 5 è configurata per implementare opportuni algoritmi di analisi (di tipo quantitativo e qualitativo) dell’andamento del livello, sulla base dell’analisi del primo e/o del secondo segnale di livello S1, S2 e/o sulla base dell’analisi congiunta degli stessi primo e secondo segnale di livello S1, S2.

Verranno ora descritti alcuni dei possibili algoritmi che possono essere implementati dall’unità di controllo 5 per l’analisi ed il monitoraggio del livello del liquido nella caldaia 4.

Un primo algoritmo prevede il riconoscimento di una condizione di caldaia “piena” o “a livello”, ovvero di una condizione in cui il livello di liquido nella caldaia 4 ha raggiunto il valore desiderato (ad esempio, corrispondente all’estremità dell’asta del sensore di livello 10).

In generale, secondo tale primo algoritmo, la caldaia 4 viene considerata a livello, se il valore del segnale di lettura (in particolare, il valore discretizzato LD del secondo segnale di livello S2) si mantiene al di sopra di un valore di soglia TH_LEVEL per un intervallo temporale prefissato, ad esempio pari a 1 s.

La caldaia viene considerata non a livello, se il valore del segnale di lettura S si trova al di sotto di un rispettivo valore di soglia per un intervallo temporale prefissato, ad esempio anch’esso pari a 1 s.

Il valore di soglia TH_LEVEL, all’accensione (“power on”) del sistema, viene impostato ad un valore di default.

Il suddetto primo algoritmo prevede che, durante un primo riempimento della caldaia 4, il valore di soglia TH_LEVEL venga modificato in base all’effettivo valore del segnale di lettura S, in modo da essere rappresentativo del reale comportamento della caldaia e compensare così possibili variazioni nella lettura del livello dovute ad esempio all’invecchiamento della caldaia stessa e/o ad eventuali accumuli di materiale (ad esempio calcio) al suo interno.

In dettaglio, e con riferimento alla figura 4, un possibile algoritmo per la suddetta modifica del valore di soglia TH_LEVEL prevede l’analisi congiunta del valore analogico LAe del valore discretizzato LDdel primo e, rispettivamente, del secondo segnale di livello S1, S2.

In seguito all’avvio iniziale del generatore di vapore 3, fase 20, che determina il riempimento della caldaia 4, viene impostato un valore di default per un valore massimo MaxVal, fase 21.

Quindi, dopo aver verificato, fase 22, che l’elettrovalvola (EV) di carico sia azionata (ovvero, che sia effettivamente in corso l’introduzione di liquido nella caldaia 4), si eseguono le seguenti verifiche, fase 23:

l’attuale valore analogico LAi (ovvero, il valore campionato del primo segnale di livello S1 in corrispondenza del passo corrente i dell’algoritmo) è maggiore di una soglia minima TH_min;

la differenza tra l’attuale valore discretizzato LDi ed il precedente valore discretizzato LDi-1è maggiore di un valore minimo ∆_min; e

la differenza tra l’attuale valore discretizzato LDie l’attuale valore analogico LAi è maggiore del suddetto valore minimo ∆_min.

L’insieme di tali condizioni è sostanzialmente indicativo del raggiungimento, da parte del liquido, dell’asta del sensore di livello 10 (raggiungimento che determina infatti un incremento repentino e sostanziale del valore discretizzato LD, avente infatti una variazione più brusca, ed un incremento minore del segnale analogico LA, avente infatti una variazione più fine).

Quando le suddette condizioni risultano verificate, il valore massimo MaxVal viene preliminarmente posto uguale all’attuale valore discretizzato LDie contestualmente viene azzerato un contatore Cnt, fase 24.

Successivamente, fintanto che l’elettrovalvola di carico risulta azionata (verifica eseguita nella fase 25), e fintanto che l’attuale valore discretizzato LDi risulta maggiore o uguale del valore massimo MaxVal (verifica eseguita nella fase 26), il contatore Cnt viene incrementato, fase 27.

Il raggiungimento, da parte del contatore Cnt, di un valore massimo di conteggio (Cnt_Max), verifica eseguita nella fase 28, è indicativo del fatto che il liquido ha raggiunto un livello di caldaia piena che differisce da quello di default.

Pertanto, fase 29, il valore di soglia TH_LEVEL viene aggiornato al nuovo valore del livello, rappresentato dal suddetto valore massimo MaxVal.

Si noti che alla fase 29 si arriva anche qualora: in corrispondenza della fase 22, si determina che l’elettrovalvola di carico non è attiva (in tal caso, il valore massimo non viene modificato rispetto al valore di default).

Inoltre, nel caso in cui, in corrispondenza della fase 25, l’elettrovalvola di carico non risulti attiva, oppure, in corrispondenza della fase 26, il segnale discreto LDirisulti inferiore al valore massimo MaxVal, l’algoritmo passa ad una fase 30, in cui il valore massimo MaxVal viene reimpostato al valore di default; dopodiché, dalla fase 30, si passa nuovamente alla suddetta fase 29.

Viene ora descritto un secondo algoritmo implementato dall’unità di controllo 5 per il riconoscimento dell’ebollizione del liquido all’interno della caldaia 4, al fine di apportare opportune azioni correttive per ottimizzare il funzionamento della caldaia 4 e dell’associato generatore di vapore 3.

Tale algoritmo è basato sull’analisi dell’andamento del segnale di lettura S, in particolare sull’analisi qualitativa dell’andamento della derivata del primo segnale di livello S1 (ovvero sulla variazione rispetto al tempo del valore analogico LA).

Come sarà descritto anche nel seguito, si indica con DA il segno (positivo o negativo) della suddetta derivata del secondo segnale di livello S2, che rappresenta dunque un incremento, o, rispettivamente un decremento, del livello del liquido all’interno della caldaia 4.

Si noti che l’utilizzo del primo segnale di livello S1 per questo algoritmo consente vantaggiosamente di ottenere una maggiore precisione nell’analisi dell’andamento del livello.

Come indicato in precedenza, il liquido all’interno della caldaia 4 viene riscaldato sino a raggiungere la temperatura di ebollizione, producendo così vapore. Durante la fase di riscaldamento, il liquido accumula energia termica e ciò comporta una dilatazione, con un conseguente aumento del livello.

Una volta iniziata l’ebollizione, l’unità di controllo 5, mediante l’analisi del segnale di lettura S (in particolare, del valore analogico LA) è in grado di rilevare la maggior turbolenza del liquido all’interno della caldaia 4 e la progressiva diminuzione del livello del liquido stesso.

Il riconoscimento dell’ebollizione permette ad esempio di prevenire/ridurre eventuali fuoriuscite del liquido dai condotti di convogliamento 7 del vapore nel locale 1: a tal fine, l’apertura dell’elettrovalvola di scarico per un certo intervallo temporale (ad esempio pari a 2 s) permette di ridurre opportunamente il livello del liquido, senza tuttavia inficiare il funzionamento del generatore di vapore 3, ad esempio senza causare danni alle relative elettroresistenze.

In generale, il suddetto secondo algoritmo analizza l’andamento del valore analogico LA dopo la ricarica iniziale della caldaia 4, cercando prima un aumento del livello dovuto alla dilatazione termica del liquido, e successivamente un suo abbassamento dovuto all’ebollizione, che può essere così identificata.

In dettaglio, e con riferimento alla figura 5, in una fase iniziale 31, si verifica dapprima che la caldaia 4 sia piena (ad esempio, mediante il primo algoritmo discusso in precedenza) e che il generatore di vapore 3 sia attivo; inoltre, si azzera un contatore Cnt.

Quindi, fase 32, si verifica che non siano presenti fattori esterni che possano inficiare il rilevamento dell’ebollizione, tra cui l’apertura dell’elettrovalvola di carico, l’apertura dell’elettrovalvola di scarico, l’accensione/spegnimento delle elettro-resistenze. Nel caso si verifichi la presenza di uno o più di tali fattori esterni, il secondo algoritmo termina, indicando l’impossibilità di determinare l’ebollizione, fase 33.

In caso contrario, il secondo algoritmo procede con la fase 34, in cui si verifica se il segno della derivata DA sia positivo (condizione indicativa della crescita del livello del liquido nella caldaia 4).

Nel caso in cui la verifica sia negativa, l’algoritmo torna alla precedente fase 32; altrimenti, l’algoritmo passa ad una successiva fase 35, in cui il contatore Cnt viene incrementato.

Si verifica quindi, fase 36, se il suddetto contatore Cnt ha raggiunto un valore massimo Cnt_max_1 (un cui valore è indicativo di un intervallo temporale desiderato per la durata della verifica della fase di crescita del livello).

Appena il contatore Cnt risulta maggiore o uguale al valore massimo Cnt_max_1, l’algoritmo passa alla fase 37, in cui, in maniera del tutta analoga alla fase 32, si verifica che non siano presenti fattori esterni che possano inficiare il rilevamento dell’ebollizione.

Nel caso in cui la suddetta verifica non evidenzi fattori esterni, in una successiva fase 38 l’algoritmo attende che il segno della derivata DAdiventi negativa (condizione indicativa della decrescita del livello del liquido nella caldaia 4); non appena tale condizione risulta verificata, si passa alla fase 39, in cui si identifica una condizione di ebollizione.

L’unità di controllo 5 può a questo punto attivare opportune azioni per evitare malfunzionamenti, evitare danni o errate determinazioni di livello, ad esempio aprendo per un tempo prefissato l’elettrovalvola di scarico, andando in tal modo a diminuire il livello del liquido all’interno della caldaia 4.

Viene ora descritto un ulteriore algoritmo che può essere implementato dall’unità di controllo 5, in generale per controllare il mantenimento ottimale del livello del liquido nella caldaia 4 e per la gestione di eventuali anomalie che si verifichino durante il funzionamento del generatore di vapore 3, in modo da apportare azioni correttive che consentano di ottimizzare il funzionamento e massimizzare la vita operativa.

Tali azioni correttive possono includere ad esempio l’avvio di meccanismi automatici di pulizia della caldaia 4, oppure l’esecuzione di una o più ricariche forzate di liquido, nonostante il sensore di livello 10 possa risultare ancora impegnato (ovvero, bagnato dal liquido), a causa di un’anomalia di funzionamento.

In generale, tale algoritmo si basa nuovamente sull’analisi dell’andamento del segnale di lettura S, in particolare sull’andamento del valore analogico LA, ancora più in particolare sull’andamento della variazione temporale di tale valore analogico LA(ovvero della derivata DAdel primo segnale di livello S1).

Come precedentemente indicato, a regime, il normale funzionamento della caldaia 4 prevede cicli di perdita di livello dovuti all’ebollizione seguiti da un ripristino del livello stesso tramite l’ingresso di liquido mediante apertura della elettrovalvola di carico.

Durata la vita operativa del generatore di vapore 3, possono verificarsi numerosi fattori che possono inficiare una corretta misura di livello, tra cui: l’invecchiamento del sistema; accumuli di calcio sull’asta del sensore di livello 10; presenza di bolle lattescenti all’interno della caldaia 4 dovute ad una concentrazione elevata di calcio nel liquido utilizzato all’interno della caldaia stessa. Quest’ultimo fenomeno è aggravato nel caso di numerose ore di utilizzo senza un risciacquo completo della caldaia 4, e tende a cortocircuitare l’asta del sensore di livello 10 con l’involucro 12 della caldaia 4, di fatto “accecando” la lettura del livello.

Con riferimento alla figura 6, tale ulteriore algoritmo parte dalla determinazione, fase 40, di una condizione operativa in cui si sia ripristinato un desiderato livello di liquido all’interno della caldaia 4.

Nella fase 41, si verifica quindi la presenza di uno o più fattori esterni che possano determinare una variazione del livello, tra cui l’apertura dell’elettrovalvola di carico, l’apertura dell’elettrovalvola di scarico, l’accensione/spegnimento di una o più delle elettroresistenze.

Nel caso si verifichi la presenza di uno o più di tali fattori esterni, l’algoritmo procede, fase 42, con la determinazione di quale sia l’andamento previsto per il livello del liquido, conseguente all’evento che è stato determinato.

Ad esempio, nel caso in cui si sia determinata l’apertura dell’elettrovalvola di carico, o l’accensione di una o più delle elettro-resistenze, l’algoritmo attende una successiva fase di innalzamento del livello; al contrario, nel caso in cui si sia determinata l’apertura dell’elettrovalvola di scarico, l’algoritmo attende una successiva fase di decrescita del livello.

A seconda di quale fase (crescita o decrescita) sia stata determinata, l’algoritmo procede quindi con la verifica dell’effettiva presenza di una crescita del livello del liquido nella caldaia 4, fase 43, o di una decrescita dello stesso livello 44.

Tali verifiche possono prevedere, in maniera analoga a quanto discusso in precedenza, un’analisi dell’andamento crescente, rispettivamente decrescente, della derivata DA.

Nel caso in cui tali verifiche non abbiano successo, l’algoritmo ritorna alla precedente fase 41.

Nel caso in cui nella fase 43 la verifica della crescita del livello sia positiva, l’algoritmo passa alla fase 44, per la verifica della successiva fase di decrescita del livello del liquido (come richiesto da un corretto funzionamento del generatore di vapore 3).

Se la fase di decrescita del livello è correttamente verificata, dalla fase 44 si passa alla successiva fase 45, in cui si verifica che non siano presenti fattori esterni che possano inficiare il prosieguo dell’algoritmo (tra cui, nuovamente, l’apertura dell’elettrovalvola di carico, l’apertura dell’elettrovalvola di scarico, l’accensione/spegnimento delle elettro-resistenze).

Nel caso si verifichi la presenza di uno o più di tali fattori esterni, l’algoritmo ritorna alla fase 41.

Altrimenti, l’algoritmo procede con la ricerca di una anomalia di funzionamento.

In particolare, nella successiva fase 46, l’algoritmo verifica la presenza di un andamento positivo della derivata (DA> 0), indicativo di una crescita del livello del liquido.

Tale crescita, contraria allo stato operativo previsto dal generatore di vapore 3 è indicativa di un’anomalia, in particolare di un’anomalia di funzionamento del sensore di livello 10.

A questo punto, l’algoritmo procede alla fase 47, in cui si incrementa un contatore Cnt, e quindi alla fase 48, in cui si verifica se il contatore Cnt ha raggiunto un valore massimo di conteggio Cnt_Max_2.

Nel caso in cui la verifica non sia positiva, l’algoritmo ritorna alla fase 45; la presunta anomalia non si è infatti rivelata tale, dato che la durata dell’anomalo andamento crescente della derivata è risultata inferiore ad un intervallo temporale di soglia (ad esempio pari a 10 s) definito dal valore massimo di conteggio Cnt_Max_2.

Al contrario, se il contatore Cnt supera il suddetto valore massimo di conteggio Cnt_Max_2, l’algoritmo passa alla fase 49, per l’esecuzione di opportune azioni correttive per rispondere a quella che si è in effetti verificata essere una reale anomalia di funzionamento.

Ad esempio, tali azioni correttive possono includere l’esecuzione di uno o più impulsi di ricarica forzati per incrementare il livello del liquido nella caldaia 4, nonostante l’indicazione (errata) da parte del sensore di livello 10.

Viene ora descritto, facendo anche riferimento alla figura 7, un ulteriore aspetto di una possibile implementazione della presente soluzione, che prevede un opportuno andamento del segnale di polarizzazione P generato dall’unità di elaborazione 5 per eccitare il sensore di livello 10, ed inoltre un opportuno campionamento del primo e del secondo segnale di livello S1, S2 (per ottenere il valore analogico LA ed il valore discretizzato LD).

Il segnale di polarizzazione P è in questo caso un segnale ad onda quadra con impulsi di tensione di ampiezza compresa tra –Vcc/2 e Vcc/2 (dove Vccè una tensione di alimentazione di valore opportuno, ad esempio pari a 5 V), frequenza fPWM, ad esempio pari a 500 Hz, e duty cycle pari al 50%.

Durante il funzionamento del generatore di vapore 3, l’unità di controllo 5 effettua periodicamente, ad ogni intervallo di lettura Tc(ad esempio pari a 100 ms), due letture analogiche del livello del liquido, utilizzando, in un primo sotto-intervallo TCA, il primo valore della resistenza R2 (per la lettura del valore analogico LA), ed in un secondo sotto-intervallo TCB(con TCA=TCB=Tc/2) il secondo valore della resistenza R2 (per la lettura del valore discretizzato LD).

Viene ora descritta, con riferimento alla suddetta figura 7, l’acquisizione del generico valore del segnale di livello Sxcorrispondente all’utilizzo della resistenza (essendo infatti equivalente la lettura del valore campionato analogico o discretizzato LA, LD).

Si indicano con:

il numero di letture analogico/digitali consecutive durante un semiperiodo del segnale di livello Sx;

il periodo di campionamento per le letture analogico/digitali consecutive durante un semiperiodo del segnale di livello Sx;

l’intervallo di attesa per l’avvio delle letture analogico/digitali dopo un fronte (salita/discesa) del segnale di livello Sx in modo da garantire una maggior accuratezza della misura effettuata;

il valore ottenuto da una singolo campionamento del segnale di livello Sx;

il valore mediato tramite media aritmetica su campionamenti effettuati durante un semiperiodo del segnale di livello Sx:

Si indicano inoltre con:

il numero di acquisizioni consecutive di valori essendo un numero dispari in quanto la lettura dell’inviluppo del segnale di livello di Sx è una lettura differenziale tra due valori consecutivi:

il valore di livello mediato ottenuto tramite media aritmetica su letture differenziali

I valori di livello mediati popolano un buffer di appoggio nella memoria non volatile associata all’unità di controllo 5 di ampiezza BUFFER_SIZE_X. Su tali valori viene effettuata una media mobile degli ultimi BUFFER_SIZE_X valori ottenendo così il valore del segnale di livello ad un determinato istante di analisi:

Ad esempio, il valore dell’ampiezza BUFFER_SIZE_A per il valore analogico LA può essere pari a 128; mentre il valore dell’ampiezza BUFFER_SIZE_D per il valore discretizzato LD può essere pari a 4.

Per determinare l’andamento del livello, si esaminano i valori analogici LA successivi del primo segnale di livello S1. In particolare, viene calcolata la derivata di tale segnale in un dato intervallo temporale.

A tal fine, si considera un ulteriore buffer circolare di appoggio nella memoria non volatile dell’unità di controllo 5, avente dimensione n1, dove vengono memorizzati corrispondenti consecutivi valori analogici LA (in maniera che risulterà evidente, il valore della dimensione n1è un multiplo di due).

Viene quindi determinato il segnale segno della derivata (a tempo discreto) del primo segnale di livello S1, ovvero:

dove:

Come precedentemente indicato, tale derivata DA fornisce un’indicazione sull’andamento di crescita, o decrescita, del livello del liquido nella caldaia 4.

I vantaggi della soluzione proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

Si sottolinea in ogni caso come tale soluzione fornisca un’analisi sia quantitativa che qualitativa del livello del liquido all’interno della caldaia, consentendo di controllare in maniera più accurata il relativo funzionamento.

In particolare, la lettura del livello di liquido non risente così dei fenomeni di invecchiamento che possono verificarsi all’interno della caldaia, ad esempio accumulo di calcio o altri residui o formazione di bolle lattescenti, né di possibili malfunzionamenti, ad esempio delle relative elettro-resistenze.

La soluzione descritta contribuisce inoltre al riconoscimento di tali eventuali fenomeni di invecchiamento o malfunzionamenti, così da porvi prontamente rimedio.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, si sottolinea nuovamente che potrebbe essere vantaggioso l’utilizzo di ulteriori segnali di livello e la loro analisi congiunta per determinare l’andamento del livello del liquido nella caldaia, utilizzando ulteriori valori per la resistenza R2 dell’elemento resistore 17, ottenuti mediante il multiplexer 18 (in generale, può essere utilizzato un numero n desiderato di segnali di livello).

Inoltre, si evidenzia che la soluzione proposta può trovare vantaggiosa applicazione anche in diversi contesti di utilizzo (differenti dunque dall’utilizzo per un generatore di vapore di un bagno turco), in cui sia comunque richiesto di monitorare in maniera accurata il livello di liquido all’interno di una caldaia.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di monitoraggio del livello di liquido all’interno di una caldaia (4), comprendente: un sensore di livello (10) disposto all’interno della caldaia (4), atto a fornire un segnale di lettura (S) indicativo del livello di liquido; ed un’unità di controllo (5), operativamente accoppiata al sensore di livello (10) in modo da ricevere detto segnale di lettura (S), caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (5) è configurata in modo da eseguire almeno un algoritmo di analisi dell’andamento di detto segnale di lettura (S) e del corrispondente andamento di detto livello di liquido, per determinare, in funzione di detta analisi, azioni di controllo per controllare il funzionamento di detta caldaia.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta analisi eseguita dall’unità di controllo (5) comprende un’analisi qualitativa della modalità di variazione di detto segnale di lettura (S).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta analisi eseguita dall’unità di controllo (5) comprende un’analisi di una derivata temporale di detto segnale di lettura (S).
4. 4. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo (5) è accoppiata elettricamente a detto sensore di livello (10) mediante un elemento resistore (17) con valore di resistenza (R2) regolabile tra un numero di valori, includente almeno un primo valore ed un secondo valore, maggiore di detto primo valore; detta unità di controllo (5) essendo configurata in modo da acquisire detto segnale di lettura (S) in corrispondenza almeno di detto primo valore di detto elemento resistore (17) per determinare un primo segnale di livello (S1), ed in corrispondenza di detto secondo valore di detto elemento resistore (17) per determinare un secondo segnale di livello (S2); ed in cui detta analisi eseguita dall’unità di controllo (5) comprende l’analisi separata e/o congiunta di detti primo (S1) e secondo (S2) segnale di livello.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui detta unità di controllo (5) comprende uno stadio di ingresso di conversione analogico/digitale, avente una dinamica di conversione ed atto a ricevere detto segnale di lettura (S) per generare detto primo segnale di livello (S1) avente valori distribuiti in maniera continua su detta dinamica di conversione, e detto secondo segnale di livello (S2) avente valori distribuiti in maniera discretizzata su detta dinamica di conversione.
6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo (5) è configurata in modo da determinare, in funzione di detta analisi, azioni di ottimizzazione del funzionamento di detta caldaia (4), finalizzate a prevenire guasti e/o malfunzionamenti; ed in cui detta unità di controllo (5) è configurata in modo da eseguire uno o più tra: un algoritmo di riconoscimento di una condizione di caldaia piena; un algoritmo di riconoscimento di una condizione di ebollizione di detto liquido all’interno della caldaia (4); ed un algoritmo di riconoscimento di una condizione di funzionamento anomalo di detta caldaia (4).
7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’algoritmo di analisi eseguito da detta unità di controllo (5) comprende il riconoscimento di una condizione di caldaia piena, nel caso in cui un valore di detto segnale di lettura (S) risulta maggiore di un valore di soglia (TH_LEVEL) per un intervallo temporale di durata prefissata; detta algoritmo di analisi comprendendo inoltre la determinazione, in corrispondenza di un riempimento preliminare di detta caldaia (4), di detto valore di soglia (TH_LEVEL) come un livello massimo effettivamente raggiunto da detto liquido in seguito a detto riempimento preliminare.
8. 8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’algoritmo di analisi eseguito da detta unità di controllo (5) comprende il riconoscimento di una condizione di ebollizione di detto liquido all’interno di detta caldaia (4), mediante la determinazione di una variazione positiva di detto segnale di lettura (S), indicativa di un aumento del livello di liquido, seguita da una variazione negativa di detto segnale di lettura (S), indicativa di un abbassamento del livello di liquido.
9. 9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’algoritmo di analisi eseguito da detta unità di controllo (5) comprende mettere in relazione la variazione effettiva di detto livello di liquido con una variazione prevista in base a parametri operativi di detta caldaia (4), al fine di verificare un’eventuale condizione di funzionamento anomalo.
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo (5) è configurata in modo da polarizzare detto sensore di livello (10) con un segnale di polarizzazione (P) ad onda quadra in modulazione di larghezza di impulso, ed in cui detto segnale di lettura (S) è anch’esso un segnale ad onda quadra, funzione di detto segnale di polarizzazione (P).
11. 11. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta caldaia (4) è associata operativamente ad un generatore di vapore (3) per un locale riscaldato (1) adibito a bagno turco.
12. 12. Metodo di monitoraggio del livello di liquido all’interno di una caldaia (4), comprendente: acquisire un segnale di lettura (S), indicativo del livello di liquido, da un sensore di livello (10) disposto all’interno della caldaia (4), caratterizzato dal fatto di eseguire almeno un algoritmo di analisi dell’andamento di detto segnale di lettura (S) e del corrispondente andamento di detto livello di liquido, per determinare, in funzione di detta analisi, azioni di controllo per controllare il funzionamento di detta caldaia (4).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui eseguire detto algoritmo di analisi comprende eseguire un’analisi qualitativa della variazione temporale di detto segnale di lettura (S).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 12 o 13, comprendente determinare, in funzione di detto segnale di lettura (S), un numero di segnali di livello includente almeno un primo segnale di livello (S1), fornente una prima rappresentazione di detta variazione di livello, ed almeno un secondo segnale di livello (S2), fornente una seconda rappresentazione di detta variazione di livello; ed in cui eseguire detto algoritmo di analisi comprende effettuare l’analisi separata e/o congiunta di detti almeno primo (S1) e secondo (S2) segnale di livello.
15. 15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-14, comprendente determinare, in funzione del risultato di detto algoritmo di analisi, azioni di ottimizzazione del funzionamento di detta caldaia (4), finalizzate a prevenire guasti e/o malfunzionamenti; in cui eseguire almeno un algoritmo di analisi comprende uno o più tra: eseguire un algoritmo per il riconoscimento di una condizione di caldaia piena; eseguire un algoritmo per il riconoscimento di una condizione di ebollizione di detto liquido all’interno di detta caldaia (4); ed eseguire un algoritmo per il riconoscimento di un funzionamento anomalo di detta caldaia.