IT201600112087A1 - Valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e relativo sensore ottico di gradi brix. - Google Patents

Valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e relativo sensore ottico di gradi brix.

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IT201600112087A1
IT201600112087A1 IT102016000112087A IT201600112087A IT201600112087A1 IT 201600112087 A1 IT201600112087 A1 IT 201600112087A1 IT 102016000112087 A IT102016000112087 A IT 102016000112087A IT 201600112087 A IT201600112087 A IT 201600112087A IT 201600112087 A1 IT201600112087 A1 IT 201600112087A1
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fluids
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IT102016000112087A
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Diego Andreis
Francesco Butera
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Dolphin Fluidics S R L
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Description

VALVOLA PER IL DOSAGGIO E LA MISCELAZIONE DI FLUIDI E
RELATIVO SENSORE OTTICO DI GRADI BRIX
La presente invenzione si riferisce in generale a una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e, in particolare, a un dispositivo ottico di misura per il controllo del rapporto di miscelazione di due fluidi (che costituiscono ad esempio i cosiddetti soft drink, vale a dire miscele di sciroppo e acqua gassata) integrato in una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi.
Nella preparazione di un soft drink attraverso la miscelazione di sciroppo e acqua, la tecnica rifrattometrica per la misura di concentrazione di zucchero espressa in gradi Brix è ampiamente adottata. La qualità finale di un soft drink è infatti fortemente dipendente dal rapporto fra sciroppo e acqua.
La misura dei gradi Brix si effettua notoriamente con un rifrattometro ottico. Un esempio di dispositivo ottico per la rilevazione dei gradi Brix è descritto nel documento CN 204495708 U. In questo dispositivo è previsto un prisma le cui facce inclinate sono utilizzate come specchio (riflessione totale) per indirizzare il fascio di misura. Il dispositivo comprende inoltre ulteriori elementi ottici, costituiti da lenti. Il rivelatore è costituito da un sensore di immagine ed è infine previsto un sistema di pulizia del dispositivo ottico. Il dispositivo ottico descritto nel documento CN 204495708 U risulta pertanto complesso e prevede una metodologia di misura differente rispetto a quella del sensore secondo la presente invenzione.
Un altro esempio di dispositivo ottico per la rilevazione dei gradi Brix è descritto nel documento EP 1050753 A2. Questo dispositivo ottico viene espressamente utilizzato per la misura dei gradi Brix nel controllo del rapporto di miscelazione dei soft drink. Tuttavia, il layout del dispositivo ottico descritto nel documento EP 1050753 A2 differisce da quello del sensore secondo la presente invenzione, così come differiscono i rispettivi componenti.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi, tipicamente con almeno due canali indipendenti, che abbia la capacità di governare in maniera autonoma i rapporti di miscelazione tra almeno due diversi fluidi basandosi su una lettura ottica dei gradi Brix del fluido miscelato, usando un rispettivo sensore direttamente integrato nella valvola stessa. Il sensore è provvisto delle seguenti caratteristiche:
- misura attraverso la tecnica dell’angolo critico di riflessione. Questa metodologia di misura permette un elevato livello di miniaturizzazione e integrazione, oltre che una economicità del sensore, senza compromettere eccessivamente l’accuratezza;
- misura e conseguente retroazione direttamente nel processo “in linea” e in tempo reale. L’integrazione di sensore e valvola nella stessa elettronica di misura e controllo permette una elevata velocità di lettura e tempi di risposta minimi;
- il sensore ottico lavora in assenza di lenti, in quanto sfrutta una guida d’onda ottica direttamente ricavata in un unico elemento che forma anche un involucro di contatto e di confinamento del fluido miscelato;
- la guida d’onda ottica e il sistema di alloggiamento del componente emettitore e del componente ricevitore è realizzato in un unico elemento ricavabile da stampaggio a iniezione, al fine di garantirne la miniaturizzazione e l’economicità senza inficiare la precisione della misura, oltre che la ripetibilità; - la geometria della guida d’onda ottica, che è anche parte integrante del corpo fluidico, è stata opportunamente studiata al fine di garantire un flusso laminare che non preveda zone di ristagno di fluido o di gas contenuto nel fluido (come ad esempio CO2per le bevande carbonate) che possano compromettere l’affidabilità e la ripetibilità della misura.
Il suddetto scopo secondo la presente invenzione viene raggiunto realizzando una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e un relativo sensore ottico di gradi Brix come esposti nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.
In generale, il rapporto di miscelazione può essere controllato in base alla misura di concentrazione di una sostanza in un fluido, da cui dipende l’indice di rifrazione della miscela formatasi. Sulla base di tale rapporto, misurato dal sensore ottico della valvola secondo la presente invenzione, si potrà regolare ad anello chiuso la portata dei due canali della valvola, in modo da regolare la concentrazione della miscela. Tale controllo è particolarmente richiesto sia in ambito “beverage”, dove è necessario mantenere determinati rapporti tra sciroppo e acqua per preparare in maniera corretta le bevande, sia in altri ambiti, come ad esempio quello medicale, dove è necessario dosare dei farmaci o delle sostanze in soluzioni fisiologiche mantenendo i rapporti in maniera molto precisa. La valvola secondo la presente invenzione è quindi destinata in particolare alla preparazione di soft drink, senza però limitare per questo l’utilizzo della valvola stessa in altri ambiti.
Il sensore ottico della valvola secondo la presente invenzione si propone di individuare la qualità finale di un soft drink attraverso una misura in linea e in tempo reale dei gradi Brix all’uscita della valvola stessa, in presenza o meno di bolle dovute alla gassatura dell’acqua. La valvola secondo la presente invenzione permette inoltre, sempre attraverso la misura in linea dei gradi Brix, di individuare quale tipo di bevanda si sta preparando, potendo distinguere attraverso il segnale del sensore la tipologia di miscela di sciroppo e acqua in preparazione. Per cui, ad esempio, si potrà capire se si sta preparando una bevanda al gusto cola o un’aranciata, nonché di quale specifica marca sia lo sciroppo in uso. Questo dato potrà essere utilizzato non solo per ottimizzare la qualità della bevanda, ma anche come segnale antifrode o come dato statistico ai fini commerciali e di marketing.
La valvola secondo la presente invenzione è provvista in particolare di un raccordo che unisce le due uscite dei due canali in un unico canale dove è posto il sensore ottico di gradi Brix. Il sensore è configurato per inviare un segnale di misura e di controllo a una unità elettronica di controllo che, con opportuna elaborazione di tale segnale di misura e di controllo, andrà a pilotare l’attuatore della valvola in modo da comandare proporzionalmente la portata dei due canali e, quindi, regolare il rapporto di miscelazione sulla base della bevanda voluta. Il segnale di misura e di controllo inviato dal sensore, inoltre, è reso disponibile dall’unità elettronica di controllo verso l’esterno e potrà essere trasmesso in modalità via cavo o wireless a un qualsiasi sistema di raccolta dati, in locale o remoto.
Le caratteristiche e i vantaggi di una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e di un relativo sensore ottico di gradi Brix secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:
la figura 1 mostra l’angolo critico di riflessione totale interna in corrispondenza dell’interfaccia tra un solido e un liquido aventi indice di rifrazione n1e n2, in cui n1> n2;
la figura 2 è una vista schematica del dispositivo ottico di misura della presente invenzione, configurato per operare secondo la metodologia di misura della riflessione parziale per incidenza normale in corrispondenza dell’interfaccia solido-liquido;
la figura 3 è una vista schematica del dispositivo ottico di misura della presente invenzione, configurato per operare secondo la metodologia di misura dell’angolo critico di riflessione totale interna; la figura 4 è un grafico che mostra le curve di riflettività per incidenza normale in corrispondenza dell’interfaccia tra un fluido (soft drink) e un materiale polimerico per diverse tipologie di materiali polimerici;
le figure da 5 a 8 mostrano rispettivi grafici dei coefficienti di riflettività in corrispondenza dell’interfaccia tra i materiali polimerici considerati e il fluido nelle due condizioni di miscelazione agli estremi dell’intervallo di interesse, per due diversi stati di polarizzazione della luce, in cui gli stati p e s corrispondono rispettivamente alla luce parallela e ortogonale al piano di incidenza;
la figura 9 è un grafico che mostra le curve di angolo critico in funzione dell’indice di rifrazione per diverse tipologie di materiali polimerici;
le figure 10A e 10B mostrano le caratteristiche di dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda e dalla temperatura per un determinato materiale polimerico (COC);
la figura 11 è una vista schematica della valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e del relativo sensore ottico di gradi Brix secondo la presente invenzione;
la figura 12 è una vista in prospettiva della cella di misura del sensore ottico di gradi Brix secondo la presente invenzione;
la figura 13 è un grafico che mostra la misura dei gradi Brix in un soft drink in funzione del rapporto di miscelazione, in cui i due fluidi miscelati sono costituiti da uno sciroppo di cola e da acqua gassata; la figura 14 è un grafico che mostra la misura dei gradi Brix in una pluralità di bevande commerciali in funzione della percentuale di diluizione;
la figura 15 è una vista in trasparenza del sensore ottico di gradi Brix secondo la presente invenzione;
la figura 16 è una vista in sezione del sensore ottico di figura 15;
la figura 17 è una vista in dettaglio di un componente del sensore ottico di figura 15; e
la figura 18 è una vista in alzata laterale del componente di figura 17.
Con riferimento alle figure, viene mostrata una valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi secondo la presente invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento 10. La valvola 10 comprende almeno un primo condotto di ingresso 12 per almeno un primo fluido da miscelare, che può essere costituito ad esempio da uno sciroppo. La valvola 10 comprende inoltre almeno un secondo condotto di ingresso 14 per almeno un secondo fluido da miscelare, che può essere costituito ad esempio da acqua gassata o liscia.
Il primo condotto di ingresso 12 e il secondo condotto di ingresso 14 sono provvisti di almeno un attuatore (non mostrato) configurato per regolare le portate del primo fluido da miscelare e del secondo fluido da miscelare che fluiscono rispettivamente nel primo condotto di ingresso 12 e nel secondo condotto di ingresso 14.
La valvola 10 comprende una doppia camera 16 di controllo dei flussi. A valle della doppia camera 16 di controllo dei flussi è disposto almeno un condotto di miscelazione 18 dove sono posti in comunicazione di fluido i flussi dei rispettivi primo condotto di ingresso 12 e secondo condotto di ingresso 14. In particolare, la valvola 10 è provvista di due condotti di miscelazione 18 e di un raccordo che unisce le due uscite di tali due condotti di miscelazione 18 in un unico canale dove è posto il sensore ottico 20 di gradi Brix.
Il sensore ottico 20 è configurato per inviare un segnale di misura e di controllo a una unità elettronica di controllo 22 che, con opportuna elaborazione di tale segnale di misura e di controllo, pilota l’attuatore della valvola 10 in modo da comandare proporzionalmente le portate di fluido che fluiscono rispettivamente nel primo condotto di ingresso 12 e nel secondo condotto di ingresso 14 e, quindi, regolare il rapporto di miscelazione del primo fluido e del secondo fluido sulla base della bevanda voluta. L’unità elettronica di controllo 22 può essere provvista di un sistema di comunicazione, via cavo o wireless, predisposto per rendere disponibile verso l’esterno il segnale di misura e di controllo inviato dal sensore ottico 20.
Ai fini della presente invenzione sono state analizzate due possibili metodologie per la misura, tramite il sensore ottico 20, dell’indice di rifrazione della miscela del primo fluido e del secondo fluido. Una prima metodologia è legata essenzialmente all’intensità di un segnale ottico riflesso per incidenza normale all’interfaccia solido-liquido. La seconda metodologia è legata alla posizione angolare del fascio rilevato attorno all’angolo critico di riflessione totale interna all’interfaccia solidoliquido. Sono stati anche considerati quattro diversi materiali plastici compatibili con applicazioni ottiche. Dall’analisi delle simulazioni si è dedotto che la misura dell’angolo critico è preferibile rispetto alla misura per incidenza normale per tre ragioni principali:
- perché consente la normalizzazione del segnale ottico rispetto alle variazioni di intensità della sorgente di tale segnale con uno schema di semplice implementazione;
- perché le caratteristiche di sensibilità del sensore ottico 20 si possono ottimizzare agendo su parametri geometrici della metodologia di misura;
- a parità di segnale ottico emesso dalla sorgente, l’intensità di segnale utile per la misura è più elevata.
Considerando che la valvola miscelatrice 10 in cui si prevede di integrare il sensore ottico 20 di misura della qualità del soft drink è preferibilmente realizzata in materiale plastico, è possibile utilizzare le caratteristiche di propagazione della luce in corrispondenza dell’interfaccia tra i due mezzi, vale a dire il materiale plastico con indice di rifrazione noto e il soft drink con indice di rifrazione oggetto della misura, per determinare la concentrazione di zucchero in soluzione. In figura 1 sono indicati gli effetti della propagazione all’interfaccia tra due mezzi con indice di rifrazione n1e n2, in cui n1> n2. Nel caso specifico si ha:
n1= nplastica= 1,57;
n2= nsoftdrink= 1,35.
Esiste quindi un angolo di incidenza all’interfaccia per cui si verifica il fenomeno di riflessione totale interna (angolo critico ϴ), che può essere sfruttato per valutare la variazione di intensità della luce riflessa in una determinata posizione, in funzione della variazione di indice di rifrazione n2(figura 1). In realtà, anche il coefficiente di riflessione per incidenza normale all’interfaccia fornisce una misura di n2, il che potrebbe tradursi in una forma realizzativa molto semplice del sensore ottico 20 della valvola 10 secondo la presente invenzione, anche se probabilmente con minore risoluzione, oppure in uno strumento per la valutazione di eventuali effetti di invecchiamento del materiale plastico della valvola 10 stessa.
La scelta della metodologia di misura da implementare nella realizzazione del sensore ottico 20 dipende, oltre che ovviamente dal rispetto delle specifiche di misura, anche da altri fattori, come ad esempio:
- semplicità realizzativa e costo a regime;
- compatibilità con gli ingombri della valvola miscelatrice 10;
- integrabilità delle parti ottiche nello stampo dell’involucro 24 del sensore ottico 20.
Il sensore ottico 20 è infatti realizzato sotto forma di un involucro 24 sul quale sono ricavate delle superfici di ingresso/uscita del segnale ottico, come mostrato ad esempio nello schema di figura 3 e come verrà meglio specificato nel seguito. L’involucro 24 è provvisto di un condotto di ingresso 26 per la miscela del primo fluido e del secondo fluido in uscita dalla valvola 10, nonché di un condotto di uscita 28 per la miscela del primo fluido e del secondo fluido in uscita dal sensore ottico 20. La presenza di condotti di ingresso 26 e di uscita 28 della miscela di fluidi permette di effettuare l’analisi sul fluido in movimento. Ovviamente il sensore ottico 20 potrà essere parte integrante della valvola miscelatrice 10.
Come mostrato in figura 15, tra il condotto di ingresso 26 della miscela di fluidi e il condotto di uscita 28 della miscela di fluidi è interposta una camera di misura 30 attraversata dal flusso di tale miscela di fluidi. Nel dettaglio, la camera di misura 30 è provvista di una porzione passiva, costituita da una tubazione 32 che mette in comunicazione il condotto di ingresso 26 della miscela di fluidi e il condotto di uscita 28 della miscela di fluidi, e di una porzione attiva, comprendente un prisma ottico di misura 34, un dispositivo emettitore 36 del segnale ottico e un dispositivo ricevitore 38 del segnale ottico.
Il prisma ottico di misura 34 ha la funzione di guida dell’onda del segnale ottico emesso dal dispositivo emettitore 36 e ricevuto dal dispositivo ricevitore 38. Il prisma ottico di misura 34 è reso solidale a una superficie 40 che si affaccia sulla tubazione 32 e che costituisce l’interfaccia solidoliquido, in cui il mezzo solido consiste in un materiale polimerico o vetroso con cui è fabbricata la superficie 40 stessa, mentre il mezzo liquido consiste nella miscela di fluidi per la quale si intendono misurare i gradi Brix.
La porzione attiva della camera di misura 30 comprende inoltre una scheda elettronica 42 di condizionamento del segnale ottico, direttamente interfacciata con l’unità elettronica di controllo 22 della valvola 10. Tra la porzione attiva e la porzione passiva della camera di misura 30 e, più precisamente, tra la tubazione 32 e la superficie 40 di interfaccia solido-liquido è interposta una guarnizione 44 che garantisce la tenuta tra tale porzione attiva e tale porzione passiva della camera di misura 30.
Dalla vista in sezione di figura 16 si evince come la porzione attiva della camera di misura 30, che comprende il prisma ottico di misura 34 e gli alloggiamenti delle parti otticamente attive, vale a dire il dispositivo emettitore 36 e il dispositivo ricevitore 38, sia formata in un solo pezzo che costituisce anche parte della porzione passiva della camera di misura 30, vale a dire la tubazione 32 entro la quale fluisce la miscela di fluidi. Sempre dalla vista in sezione di figura 16 si evince come la tubazione 32 abbia una forma in sezione longitudinale sostanzialmente a V, con il vertice della V posto in corrispondenza della superficie 40 di interfaccia solido-liquido. Questa conformazione obliqua della tubazione 32 rispetto alla superficie 40 posta a contatto con la miscela di fluidi evita la formazione di zone di ristagno di fluido, nonché sacche di formazione di bolle di gas, che possono inficiare la qualità della misura.
Le figure 17 e 18 mostrano in dettaglio il componente che integra le funzioni di prisma ottico di misura 34, o guida d’onda ottica, superficie 40 di interfaccia solido-liquido e fori 46 di alloggiamento del dispositivo emettitore 36 e del dispositivo ricevitore 38. La specifica geometria del prisma ottico di misura 34 e i relativi angoli costruttivi, illustrati in figura 18, sono stati ottimizzati al fine di sfruttare la massima risoluzione possibile nell’intorno dell’angolo critico di interesse e in relazione al design miniaturizzato dell’intero sensore ottico 20.
Nel seguito verrà riportato un confronto tra i calcoli eseguiti con diversi materiali per la parte ottica del sensore 20, considerando due metodologie ottiche di misura:
- misura della riflessione parziale per incidenza normale alla superficie 40 di interfaccia solidoliquido (polimero-fluido, vedere figura 2);
- misura dell’angolo critico di riflessione totale interna (figura 3).
Si noti che la prima è essenzialmente una misura di intensità, mentre la seconda è una misura di posizione angolare. Questa seconda metodologia di misura presenta alcuni vantaggi, tra cui una maggiore semplicità di normalizzazione del segnale ottico rispetto alle variazioni di intensità del dispositivo emettitore 36, grazie a un più agevole posizionamento dei componenti, e la possibilità di agire sui parametri geometrici del sensore ottico 20 per ottimizzarne le prestazioni (maggiore è la distanza di misura, migliore è la sensibilità angolare).
Per la parte ottica del sensore 20 vengono considerati cinque possibili materiali, tra cui quattro materiali polimerici, che hanno caratteristiche ottiche compatibili con le esigenze di misura, allo scopo di dimensionare il sensore 20 stesso e valutarne le prestazioni in funzione dell’indice di rifrazione:
- PMMA: acronimo di polimetilmetacrilato, polimero noto anche come Plexiglas (ad esempio Lucite Diakon<®>), ideale per la produzione di fibre ottiche per le sue eccellenti caratteristiche di trasmissione, con indice di rifrazione n = 1,49;
- COC: acronimo di copolimero di olefine ciclico o “cyclic olefin copolymer”, prodotto da Mitsui Chemicals (APEL<TM>) e utilizzato per la fabbricazione di dispositivi ottici, con indice di rifrazione n = 1,54;
- PC: acronimo di policarbonato, polimero disponibile in diverse varianti (ad esempio LEXAN<TM>), anch’esso utilizzato per la fabbricazione di dispositivi ottici, con indice di rifrazione n = 1,58;
- PSU: acronimo di polisolfone, materiale trasparente ad alta resistenza, prodotto da Solvay con il nome commerciale di UDEL<®>, con indice di rifrazione n = 1,63;
- vetro.
Si considerano nel seguito le due diverse metodologie di misura sopra citate: incidenza normale e incidenza angolata rispetto alla superficie 40 di interfaccia solido-liquido. La misura del coefficiente di riflessione per incidenza normale alla superficie 40 di interfaccia solido-liquido (polimero-fluido) è la più semplice delle metodologie ottiche di misura. In questa metodologia di misura si utilizza una superficie di separazione tra il polimero e il fluido per misurare la variazione di intensità riflessa in corrispondenza della rispettiva interfaccia e, da questa, risalire a una misura dell’indice di rifrazione del fluido.
Dal raffronto tra le curve di figura 4 si nota che un maggiore salto dell’indice di rifrazione tra il polimero e la soluzione di zucchero favorisce la misura. Infatti, sia la riflettività media per incidenza normale alla superficie 40 di interfaccia solido-liquido, sia la sua variazione con l’indice di rifrazione del soft drink sono maggiori nel caso del PSU e decrescono via via per PC, COC e PMMA. Tuttavia, la riflettività per incidenza normale è piuttosto bassa. Nel caso migliore del PSU va circa da 0,8% a 0,9%, considerando la variazione dell’indice di rifrazione del soft drink per l’intero campo di interesse da 7 a 15 gradi Brix, avendo quindi a disposizione una frazione molto piccola del segnale ottico incidente per effettuare la misura. Questo comporta, a fronte di una semplicità realizzativa che potrebbe apparire vantaggiosa, una difficoltà oggettiva nell’effettuare una misura con la risoluzione richiesta, che si mantenga stabile nel tempo e sia per quanto possibile immune a disturbi ambientali, deterioramento dei materiali, del dispositivo emettitore 36 del segnale ottico e così via. Come precedentemente menzionato, infatti, la risoluzione di misura richiesta prevede di dover valutare variazioni dell’indice di rifrazione pari a n = 0,00014 attorno a un valore nominale di tale indice di rifrazione n pari a circa 1,35. Rilevare variazioni di concentrazione del 5% (0,5 gradi Brix) significa dunque valutare variazioni dell’indice di rifrazione sulla quarta o quinta cifra decimale, vale a dire misurare variazioni di riflettività dell’ordine di 1/10000.
Altro aspetto non trascurabile riguarda il disturbo provocato dalla luce trasmessa in corrispondenza della superficie 40 di interfaccia solido-liquido e rifratta dal fluido. Questa luce coincide con la quasi totalità del segnale ottico emesso dal dispositivo emettitore 36, che può essere diffuso dal fluido o riflesso dalle pareti della camera di misura 30 del sensore ottico 20 e, soprattutto, dall’interfaccia fluido-aria in corrispondenza delle bolle. Un aspetto interessante legato a questa tipologia di misura riguarda il fatto che la sua semplicità realizzativa consente di implementare una misura dell’indice di rifrazione del polimero in corrispondenza dell’interfaccia aria-solido (riflettività di circa il 4,5%) per tenere conto di eventuali fenomeni di invecchiamento.
Nella misura dell’angolo critico di riflessione totale interna il salto dell’indice di rifrazione tra polimero e liquido determina una dipendenza dall’angolo di incidenza del coefficiente di riflessione all’interfaccia. Tanto più l’incidenza è radente alla superficie 40, tanto più alta è la percentuale di luce riflessa. Se l’indice di rifrazione del solido è maggiore di quello del liquido, esiste un angolo di incidenza limite (angolo critico) oltre il quale si ha una riflessione totale. Nelle figure dalla 5 alla 8 sono rappresentati i grafici dei coefficienti di riflettività all’interfaccia 40 tra i materiali polimerici considerati e il fluido nelle due condizioni di miscelazione agli estremi dell’intervallo di interesse, per due diversi stati di polarizzazione della luce, in cui gli stati p e s corrispondono rispettivamente alla luce parallela e ortogonale al piano di incidenza. La luce incidente sul dispositivo ricevitore 38 del sensore ottico 20 è costituita da una combinazione dei due stati. Si noti che la variazione dell’angolo critico (distanza tra le due coppie di curve) è funzione sia dell’indice di rifrazione del mezzo oggetto di misura, sia di quello della parte ottica del sensore 20. In particolare, al crescere dell’indice di rifrazione del polimero diminuiscono sia l’angolo critico (fascio incidente che risulta meno radente alla superficie 40), sia la sensibilità del sensore ottico 20 (distanza tra le curve corrispondenti agli estremi dell’intervallo di interesse).
In figura 9 è esplicitata questa dipendenza lineare per tutti i materiali considerati. Contrariamente a quanto valeva per la misura di intensità di luce riflessa per incidenza normale, per la quale il maggior indice di rifrazione del PSU appare vantaggioso, qui si nota che materiali con indice di rifrazione inferiore risultano più efficaci in una misura di angolo critico. La variazione di angolo critico (e quindi la sensibilità del sensore ottico 20) è infatti maggiore per il materiale con indice di rifrazione minore: quasi 1,3 gradi Brix per il PMMA contro circa 0,8 gradi Brix per il PSU. Sebbene la differenza riscontrata non sia tale da impedire l’utilizzo dei materiali con indice di rifrazione più alto, questa valutazione costituisce un criterio di progetto che fa propendere verso polimeri a più basso indice di rifrazione, a meno che la scelta non sia condizionata da altre ragioni come disponibilità, costo, lavorabilità del materiale, caratteristiche di invecchiamento, ecc.
La misura dell’angolo critico rappresenta la metodologia classica di misura dell’indice di rifrazione implementata nei rifrattometri commerciali. Essa consiste nel valutare l’angolo oltre il quale l’intensità emessa da una sorgente ottica risulta riflessa totalmente verso il rivelatore. Si possono quindi individuare due zone facilmente riconoscibili, illuminate in modo molto differente (alta intensità – bassa intensità) nella regione di confine attorno all’angolo critico di riflessione totale interna. Identificando l’angolo critico alle condizioni nominali di utilizzo della valvola 10 (valore nominale di concentrazione a temperatura media di esercizio) si possono pertanto individuare le direzioni principali lungo le quali posizionare il dispositivo emettitore 36 e il dispositivo ricevitore 38 del sensore ottico 20 per effettuare la misura di interesse. Risulta conveniente realizzare un prototipo in cui la superficie di ingresso e la superficie di uscita della luce dal materiale plastico siano ortogonali a queste direzioni, per minimizzare l’influenza della rifrazione alla superficie aria-solido e considerare invece solamente l’effetto in corrispondenza della superficie 40 di interfaccia solido-liquido.
Una caratteristica rilevante di questo tipo di misura, che la fa preferire a tutte le altre, è che l’angolo critico dipende solamente dal materiale e non è influenzato da errori angolari di posizionamento del dispositivo emettitore 36 o del dispositivo ricevitore 38 del segnale ottico. La misura può anche essere resa immune da eventuali fluttuazioni di intensità del segnale ottico incidente e da fenomeni di degenerazione del dispositivo emettitore 36.
Indipendentemente dalla metodologia di misura, tale misura è comunque influenzata da effetti termici, dovuti alla dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione del materiale. Nelle figure 10A e 10B sono rappresentate a titolo di esempio le caratteristiche di dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda e dalla temperatura per il COC. Una dipendenza simile vale anche per gli altri materiali e presumibilmente anche per la soluzione di zucchero, ma il fluido non risulta essere caratterizzato otticamente con questo livello di dettaglio, il che impone di affidarsi a dati sperimentali.
La dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda è piuttosto debole e la scelta della lunghezza d’onda operativa è dettata pertanto da altri fattori, quali la reperibilità del dispositivo emettitore 36, la sensibilità del dispositivo ricevitore 38 il costo e la semplicità d’uso (la luce visibile consente un più facile allineamento dei componenti rispetto alla radiazione infrarossa oltre i 700 nm). La dipendenza dalla temperatura può invece essere tale da giustificare una compensazione dell’effetto. Si nota infatti dal grafico relativo alla lunghezza d’onda di 656,3 nm (figura 10B) che una variazione di temperatura dell’ordine di 10°C comporta una variazione d’indice sulla terza cifra decimale, ovvero superiore alla risoluzione di misura che si vuole ottenere, ma va considerato che l’erogazione della bevanda avviene generalmente a temperatura controllata.
Sulla base dei dati sperimentali sopra esposti si è realizzato un sensore ottico 20 provvisto di una parte ottica fabbricata in polimetilmetacrilato (PMMA) e configurata per operare secondo la metodologia di misura dell’angolo critico di riflessione totale interna, vale a dire con una soluzione di misura di tipo angolare come quella schematizzata in figura 3. Il layout del sensore ottico 20, ottimizzato per i vari materiali polimerici presi in considerazione, prevede che le facce angolate di input-output del segnale ottico formino un angolo compreso tra 40° e 80° rispetto alla parete dell’involucro 24. Il prisma ottico di misura 34 può anche avere funzione di guida d’onda, in modo da portare il segnale ottico dal dispositivo emettitore verso il dispositivo ricevitore 38, entrambi fisicamente alloggiati su un unico piano della scheda elettronica 42 di condizionamento del segnale ottico stesso. Le facce angolate di inputoutput del segnale ottico devono avere una qualità ottica sufficiente alla trasmissione di tale segnale ottico senza effetti significativi di diffusione e distorsione. Le dimensioni dell’involucro 24 devono inoltre consentire un facile posizionamento e regolazione dell’allineamento del dispositivo emettitore 36 e del dispositivo ricevitore 38.
La presenza dei condotti di ingresso 26 e di uscita 28 della miscela di fluidi controllata dalla valvola miscelatrice 10 consente di effettuare misure in presenza di flusso. Questo aspetto è determinante per valutare l’effettiva possibilità di mediare le misure sia spazialmente, sia temporalmente per minimizzare il disturbo provocato da bolle e turbolenza. Il sensore ottico 20 è operativamente collegato con l’unità elettronica di controllo 22, che è in grado di pilotare il dispositivo emettitore 36 del segnale ottico ed è provvista di uscite analogiche per la lettura del segnale di misura e di controllo.
Il sensore ottico 20 è stato sottoposto a prove dinamiche con diverse miscele. Una prima prova è stata effettuata con una miscela costituita da acqua gassata addizionata con uno sciroppo di cola, dosato a intervalli successivi di 1 ml alla volta in 500 ml di acqua. La prova è stata ripetuta diverse volte per valutare gli elementi di disturbo. Già al primo tentativo si è notato che l’effetto di media spaziale e temporale, ottenuto grazie al flusso della miscela, rende sostanzialmente irrilevante la presenza delle bolle, il che è assolutamente positivo in funzione dell’applicazione del sensore ottico 20 su una valvola 10 di erogazione di una bevanda. Si è notata anche una leggera dipendenza della misura dalla temperatura e dalla velocità di alimentazione della miscela e si è anche constatato che il valore misurato con la miscela di acqua e sciroppo di cola, alla concentrazione nominale (circa 4,1%), non corrisponde a quello rilevato con un altro tipo di sciroppo di cola, denotando una dipendenza della misura dal tipo di bevanda.
I risultati delle prove sono stati soddisfacenti, come evidenziato dai grafici delle figure 13 e 14. La regolarità delle curve e il basso livello di rumore del segnale consentono una risoluzione di misura di concentrazione di sciroppo in acqua migliore di 1 ml/l. In particolare, attorno alla concentrazione nominale il sensore ottico 20 mostra una sensibilità di circa 3mV/ml, come mostra la curva di figura 13.
Poiché si è notata una differenza del valore misurato con bevande basate su due differenti tipi di sciroppo di cola, è stato effettuato un confronto delle caratteristiche ottenute con prodotti commerciali diversi, partendo dalla bevanda pura e diluendola gradualmente con acqua gassata, scostandosi di poco dalla concentrazione nominale. I grafici di figura 14 mostrano che, a parità di concentrazione e limitatamente ai prodotti testati, la misura di indice di rifrazione consente di distinguere la bevanda all’erogatore.
Si è così visto che la valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e il relativo sensore ottico di gradi Brix secondo la presente invenzione realizzano gli scopi in precedenza evidenziati.
La valvola per il dosaggio e la miscelazione di fluidi e il relativo sensore ottico di gradi Brix della presente invenzione così concepiti sono suscettibili in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.
L’ambito di tutela dell’invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.
Barzanò & Zanardo Milano S.p.A.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Valvola (10) per il dosaggio e la miscelazione di fluidi comprendente: - almeno un primo condotto di ingresso (12) per almeno un primo fluido da miscelare; - almeno un secondo condotto di ingresso (14) per almeno un secondo fluido da miscelare; - una doppia camera (16) di controllo dei flussi posta in comunicazione di fluido con il primo condotto di ingresso (12) e il secondo condotto di ingresso (14); - almeno un attuatore configurato per regolare le portate del primo fluido da miscelare e del secondo fluido da miscelare che fluiscono rispettivamente nel primo condotto di ingresso (12) e nel secondo condotto di ingresso (14); - almeno un condotto di miscelazione (18) della miscela di fluidi, posto a valle della doppia camera (16) di controllo dei flussi; - una unità elettronica di controllo (22) della valvola (10); e - un sensore ottico (20) di gradi Brix, posto sul condotto di miscelazione (18) della miscela di fluidi e operativamente collegato all’unità elettronica di controllo (22), detto sensore ottico (20) essendo configurato per inviare un segnale di misura e di controllo a detta unità elettronica di controllo (22) per pilotare detto attuatore in modo da comandare proporzionalmente le portate di fluido che fluiscono rispettivamente nel primo condotto di ingresso (12) e nel secondo condotto di ingresso (14) e, quindi, regolare il rapporto di miscelazione del primo fluido e del secondo fluido, in cui il sensore ottico (20) è realizzato sotto forma di un involucro (24) provvisto di un condotto di ingresso (26) per la miscela del primo fluido e del secondo fluido in uscita dalla valvola (10), nonché di un condotto di uscita (28) per la miscela del primo fluido e del secondo fluido in uscita dal sensore ottico (20), e in cui tra il condotto di ingresso (26) del sensore ottico (20) e il condotto di uscita (28) del sensore ottico (20) è interposta una camera di misura (30) provvista di una pluralità di componenti ottici (34, 36, 38) predisposti per effettuare la lettura ottica dei gradi Brix direttamente sul flusso della miscela di fluidi che attraversa detta camera di misura (30).
  2. 2. Valvola (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere due condotti di miscelazione (18) e un raccordo che unisce le due uscite di detti due condotti di miscelazione (18) in un unico canale, detto sensore ottico (20) essendo posto su detto canale.
  3. 3. Valvola (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che la camera di misura (30) è provvista di una porzione passiva, costituita da una tubazione (32) che mette in comunicazione il condotto di ingresso (26) della miscela di fluidi e il condotto di uscita (28) della miscela di fluidi, e di una porzione attiva, comprendente un prisma ottico di misura (34), un dispositivo emettitore (36) di un segnale ottico e un dispositivo ricevitore (38) del segnale ottico, in cui detto prisma ottico di misura (34) effettua la guida dell’onda del segnale ottico emesso dal dispositivo emettitore (36) e ricevuto dal dispositivo ricevitore (38).
  4. 4. Valvola (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che la porzione attiva della camera di misura (30) comprende rispettivi alloggiamenti del dispositivo emettitore (36) e del dispositivo ricevitore (38) ed è formata in un solo pezzo che costituisce anche parte della porzione passiva della camera di misura (30), vale a dire la tubazione (32) entro la quale fluisce la miscela di fluidi.
  5. 5. Valvola (10) secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzata dal fatto che il prisma ottico di misura (34) è reso solidale a una superficie (40) che si affaccia sulla tubazione (32) e che costituisce l’interfaccia tra un mezzo solido e un mezzo liquido, in cui il mezzo solido consiste in un materiale polimerico o vetroso con cui è fabbricata detta superficie (40), mentre il mezzo liquido consiste nella miscela di fluidi per la quale si intendono misurare i gradi Brix.
  6. 6. Valvola (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto materiale è scelto nel gruppo costituito da: - polimetilmetacrilato (PMMA); - copolimero di olefine ciclico (COC); - policarbonato (PC); - polisolfone (PSU); - vetro.
  7. 7. Valvola (10) secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzata dal fatto che la tubazione (32) ha una forma in sezione longitudinale sostanzialmente a V, con il vertice della V posto in corrispondenza della superficie (40) di interfaccia solido-liquido, la conformazione obliqua della tubazione (32) rispetto a detta superficie (40) evitando la formazione di zone di ristagno di fluido che possono inficiare la qualità della misura.
  8. 8. Valvola (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, caratterizzata dal fatto che tra la porzione attiva e la porzione passiva della camera di misura (30) e, più precisamente, tra la tubazione (32) e la superficie (40) di interfaccia solido-liquido è interposta una guarnizione (44) che effettua la tenuta tra detta porzione attiva e detta porzione passiva della camera di misura (30).
  9. 9. Valvola (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 8, caratterizzata dal fatto che la porzione attiva della camera di misura (30) comprende inoltre una scheda elettronica (42) di condizionamento del segnale ottico, direttamente interfacciata con l’unità elettronica di controllo (22) della valvola (10).
  10. 10. Valvola (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che l’unità elettronica di controllo (22) è provvista di un sistema di comunicazione, via cavo o wireless, predisposto per rendere disponibile verso l’esterno il segnale di misura e di controllo inviato dal sensore ottico (20). Barzanò & Zanardo Milano S.p.A.
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