IT201800003588A1 - Cap for Dewar jars using ultrasonic sensors for monitoring the level of cryogenic liquids, and related cryogenic system - Google Patents

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Adriano Nardi
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Istituto Naz Di Geofisica E Vulcanologia Ingv
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Description

Tappo per vasi di Dewar utilizzante sensori a ultrasuoni per il monitoraggio del livello di liquidi criogenici, e relativo sistema criogenico Cap for Dewar jars using ultrasonic sensors for monitoring the level of cryogenic liquids, and related cryogenic system

[0001] La presente invenzione si pone nel campo dei sistemi di criogenia, in particolare dei vasi di Dewar e dei sistemi che li utilizzano. [0001] The present invention relates to the field of cryogenics systems, in particular of Dewar vessels and of the systems which use them.

[0002] Stato della tecnica [0002] State of the art

[0003] È noto ed oramai diffuso l’utilizzo di vasi di Dewar in sistemi di criogenia. [0003] The use of Dewar vessels in cryogenics systems is known and now widespread.

[0004] Facendo riferimento alla Fig. 1, un “vaso di Dewar” (o semplicemente “Dewar”) è un contenitore o serbatoio o bombola che mantiene il suo contenuto termicamente isolato dall'ambiente esterno grazie a un’intercapedine in cui è mantenuto il vuoto. Il vuoto è usato solo per l’isolamento termico. Il contenuto, liquido e/o solido, non è sotto vuoto. [0004] With reference to Fig. 1, a "Dewar jar" (or simply "Dewar") is a container or tank or cylinder that keeps its contents thermally isolated from the external environment thanks to a cavity in which it is kept the void. The vacuum is used only for thermal insulation. The content, liquid and / or solid, is not under vacuum.

[0005] I Dewar sono spesso usati per immagazzinare sostanze liquide che diventerebbero gassose alla temperatura ambiente, come azoto, elio, argon, anidride carbonica, ossigeno, ammoniaca. Per questi liquidi, il progressivo aumento di temperatura all'interno del contenitore può dar luogo ad ebollizione, perciò solitamente il contenitore non è pressurizzato ma dotato di un tappo semplicemente appoggiato alla sua imboccatura. Il tappo, detto anche “tappo di Dewar”, generalmente a forma di fungo realizzato in materiale isolante, è semplicemente appoggiato sull’imboccatura del vaso sotto la forza del suo stesso peso e alla minima pressione interna lascia sfiatare il gas che evapora. [0005] Dewar are often used to store liquid substances which would become gaseous at room temperature, such as nitrogen, helium, argon, carbon dioxide, oxygen, ammonia. For these liquids, the progressive increase in temperature inside the container can give rise to boiling, therefore usually the container is not pressurized but equipped with a cap simply resting on its mouth. The cap, also called "Dewar's cap", generally in the shape of a mushroom made of insulating material, is simply placed on the mouth of the jar under the force of its own weight and at the minimum internal pressure it lets the evaporating gas vent.

[0006] Il contenuto del Dewar quindi si riduce progressivamente di livello e questo rende necessario un continuo e sistematico monitoraggio, specialmente quando si tratta del serbatoio di un liquido criogenico che deve garantire la funzionalità di qualche dispositivo. In questo caso il livello va mantenuto sempre entro un determinato range per non scoprire i tubi di raffreddamento che si dipartono dal Dewar (non mostrati). [0006] The content of the Dewar therefore gradually decreases in level and this makes continuous and systematic monitoring necessary, especially when it comes to the tank of a cryogenic liquid which must guarantee the functionality of some device. In this case the level must always be kept within a certain range in order not to discover the cooling pipes that branch off from the Dewar (not shown).

[0007] Facendo riferimento alla Fig. 2, la misura del livello si può effettuare manualmente inserendo un’asta graduata 5 attraverso il collo del vaso di Dewar (Fig. 2 (c)), una volta rimosso il tappo 2. Il contatto dell’asta a temperatura ambiente con il liquido 4 a bassissima temperatura causa un’improvvisa ebollizione segnalando l’avvenuto contatto con il livello del liquido. Questo metodo manuale fornisce misure poco precise e riduce la durata di conservazione del contenuto del vaso, sia a causa delle perdite immediate per ebollizione 6 sia a causa dello sbalzo di temperatura nel microclima interno causato anche soltanto dall’apertura del tappo. Avviene infatti un risucchio di aria ambientale 3 all’interno del Dewar ogni qualvolta il lungo cilindro isolante del tappo viene sfilato dal collo del vaso, e poi di nuovo parte dell’atmosfera interna 3 sarà spinta fuori a mo’ di pistone quando, alla chiusura del tappo, il cilindro verrà reinserito nel collo (Fig. 2 (b)). [0007] Referring to Fig. 2, the level measurement can be carried out manually by inserting a graduated rod 5 through the neck of the Dewar jar (Fig. 2 (c)), once the cap 2 has been removed. The rod at room temperature with the liquid 4 at a very low temperature causes a sudden boil, signaling that it has come into contact with the liquid level. This manual method provides imprecise measurements and reduces the shelf life of the jar contents, both due to immediate losses due to boiling 6 and due to the temperature change in the internal microclimate caused even by the opening of the cap. In fact, there is a suction of ambient air 3 inside the Dewar every time the long insulating cylinder of the cap is removed from the neck of the vessel, and then again part of the internal atmosphere 3 will be pushed out like a piston when, on closing of the cap, the cylinder will be reinserted into the neck (Fig. 2 (b)).

[0008] L’alternativa all’asta graduata è sentita ma lungi dall’essere disponibile con una struttura semplice, affidabile ed efficace, oltre che economica. La sensoristica reperibile sul mercato, infatti, è per la maggior parte inadeguata alle bassissime temperature oppure presenta costi molto elevati. Di seguito una panoramica delle possibilità, suddivisa in tre tipologie di misura, con i relativi svantaggi. [0008] The alternative to the graduated auction is felt but far from being available with a simple, reliable and effective, as well as economic, structure. The sensors available on the market, in fact, are for the most part inadequate at very low temperatures or have very high costs. Below is an overview of the possibilities, divided into three types of measurement, with the relative disadvantages.

[0009] Per quanto riguarda le misure effettuate dall’esterno, l’involucro esterno del Dewar, tipicamente metallico, e la sua intercapedine a vuoto non consentono di effettuare sondaggi dall’esterno con misure di tipo capacitivo o a ultrasuoni. [0009] With regard to the measurements made from the outside, the outer casing of the Dewar, typically metallic, and its vacuum cavity do not allow to carry out probes from the outside with capacitive or ultrasonic measurements.

[0010] Circa le misure interne senza contatto, si nota che per definizione sono considerati liquidi criogenici quelli che hanno una temperatura di ebollizione inferiore a -73 °C. A queste temperature sia il liquido che il gas di evaporazione che satura l’interno del Dewar non consentono l’impiego delle comuni tecnologie elettroniche per la misura “contactless” delle distanze (tipo ultrasuoni o infrarossi) in cui sensori e/o l’elettronica devono necessariamente essere immersi almeno nel gas. Inoltre si incontrano altri svantaggi: i misuratori laser hanno un’alta precisione anche a grande distanza ma non consentono misure alla breve distanza richiesta (< 50 cm). I sensori radar, oltre al problema della distanza, possono trasmettere calore all’interno anche soltanto per conduzione termica attraverso l’antenna. Essi sono inoltre assai costosi. [0010] Regarding the internal measurements without contact, it is noted that by definition cryogenic liquids are considered to have a boiling temperature lower than -73 ° C. At these temperatures, both the liquid and the evaporation gas that saturates the interior of the Dewar do not allow the use of common electronic technologies for "contactless" distance measurement (such as ultrasound or infrared) in which sensors and / or electronics they must necessarily be immersed at least in the gas. In addition, there are other disadvantages: laser meters have high precision even at great distances but do not allow measurements at the required short distance (<50 cm). Radar sensors, in addition to the problem of distance, can transmit heat inside even if only by thermal conduction through the antenna. They are also very expensive.

[0011] Venendo alle misure interne a contatto diretto, l’alternativa che resta è la misura diretta con sonde ad immersione ma anche questo approccio richiede tecnologie ad hoc. Va considerato inoltre che un liquido di comune utilità come l’Azoto (usato nei test del prototipo in esame) essendo elettricamente isolante esclude perfino la possibilità d’impiego di resistenze ad immersione. Ciò che si trova attualmente sul mercato sono lunghi sensori ad immersione per bassissime temperature basati sulla variazione della capacità misurata tra due tubi immersi nel liquido (variazione nel dielettrico). Ciò è poco pratico in un tappo che deve essere aperto spesso. Altri tentativi basati sulla differenza di pressione hanno noti inconvenienti (ad es. perdita di liquido) dovuti alla minuscola sezione dei tubi. [0011] Coming to internal measurements in direct contact, the remaining alternative is direct measurement with immersion probes, but this approach also requires ad hoc technologies. It should also be considered that a liquid of common use such as nitrogen (used in the tests of the prototype under consideration), being electrically insulating, even excludes the possibility of using immersion resistors. What is currently on the market are long immersion sensors for very low temperatures based on the variation of the capacitance measured between two tubes immersed in the liquid (variation in the dielectric). This is impractical in a cap that has to be opened often. Other attempts based on the difference in pressure have known drawbacks (e.g. loss of liquid) due to the tiny cross-section of the tubes.

[0012] Altri sistemi della tecnica nota si basano su galleggianti. Il tipo più semplice è quello usato per monitorare i vasi in pressione (non i Dewar) dove è richiesta una minima escursione (tipo 1 cm) per segnalare semplicemente la perdita del livello standard. Alcuni dispositivi si basano sulla misura dell’escursione di un galleggiante con tecnologia realizzata ad hoc per bassissime temperature. I galleggianti dovrebbero essere costruiti in modo termicamente isolante, altrimenti conducono calore all’interno. I galleggianti hanno una escursione troppo piccola (tipo un lungo pulsante elettrico) oppure hanno un grande ingombro come un lungo cavo retrattile o un lungo tubo metallico. Nel caso di galleggianti a tubo rigido, come quelli a magnete permanente o il tipo magnetostrittivo, la struttura, che dovrebbe restare solidale al tappo, è ingombrante, delicata e costosa. Sono soluzioni poco pratiche per un tappo che deve essere aperto periodicamente per il rabbocco del liquido. Inoltre, sia i galleggianti magnetici sia i galleggianti magnetostrittivi non hanno un’escursione continua ma due intervalli di livello (massimo e minimo, con due galleggianti sulla stessa asta). In questo caso, essi non sono adatti a fare una previsione dell'autonomia del serbatoio che possa adattarsi in tempo reale, con misure continue, alle variazioni di temperatura ambientale. [0012] Other systems of the prior art are based on floats. The simplest type is the one used to monitor pressure vessels (not Dewar) where a minimum excursion (like 1 cm) is required to simply report the loss of the standard level. Some devices are based on the measurement of the excursion of a float with technology created specifically for very low temperatures. The floats should be built in a thermally insulating way, otherwise they conduct heat inside. The floats have too little excursion (such as a long electric button) or have a large footprint such as a long retractable cable or a long metal tube. In the case of rigid tube floats, such as those with permanent magnet or the magnetostrictive type, the structure, which should remain integral with the cap, is bulky, delicate and expensive. These are impractical solutions for a cap that must be opened periodically to top up the liquid. Furthermore, both magnetic floats and magnetostrictive floats do not have a continuous excursion but two level ranges (maximum and minimum, with two floats on the same rod). In this case, they are not suitable for making a prediction of the autonomy of the tank that can adapt in real time, with continuous measurements, to changes in ambient temperature.

[0013] È sentita l’esigenza di un tappo avente un integrato sensore di livello del contenuto di un contenitore generico, ed in particolare di un vaso di Dewar. [0013] The need is felt for a cap having an integrated level sensor for the contents of a generic container, and in particular of a Dewar jar.

[0014] A seguito del controllo del livello di liquido nel Dewar, nel caso di un livello troppo basso si deve procedere al rabbocco. [0014] Following the check of the liquid level in the Dewar, if the level is too low, it must be topped up.

[0015] Per il rabbocco del livello del liquido nel dewar si utilizzano comunemente dei recipienti in pressione dove il liquido si mantiene più a lungo, perché la chiusura è ermetica, la pressione impedisce l’ebollizione e il rivestimento è comunque isolato. Facendo riferimento alla Fig. 3, per il rabbocco manuale si usa una appendice o “becco” 14 applicata attraverso un tubo metallico coibentato 13 alla “testa spillatrice” 11 (comprendente una valvola manuale 12 ed un tappo 15) di una bombola 10 attraverso un giunto a vite. Tale appendice è realizzata con comune tubo di rame coibentato (tipicamente da 3/8 di pollice) ed è modellata secondo la forma e la lunghezza necessari all’utente per raggiungere l’imboccatura del Dewar. In un caso tipico una bombola può fornire liquido per più di due rabbocchi nell’arco di 10 o 15 giorni. In un mese dovranno alternarsi almeno due bombole. [0015] For topping up the level of the liquid in the dewar, pressure vessels are commonly used where the liquid is kept longer, because the closure is hermetic, the pressure prevents boiling and the coating is in any case insulated. Referring to Fig. 3, for manual topping up an appendix or "spout" 14 is used applied through an insulated metal tube 13 to the "tapping head" 11 (comprising a manual valve 12 and a cap 15) of a cylinder 10 through a screw joint. This appendix is made with a common insulated copper tube (typically 3/8 inch) and is modeled according to the shape and length necessary for the user to reach the mouth of the Dewar. In a typical case, a cylinder can provide liquid for more than two top-ups over a period of 10 or 15 days. At least two cylinders must alternate in a month.

[0016] Il rabbocco così realizzato presenta lo svantaggio di una continuativa presenza umana per quei Dewar che servono specifici scopi funzionali di raffreddamento. Inoltre, l’intero processo di monitoraggio del livello di riempimento risulta non efficiente, costoso e non garantisce la piena funzionalità del raffreddamento. [0016] The topping up in this way has the disadvantage of a continuous human presence for those Dewar that serve specific functional cooling purposes. Furthermore, the entire filling level monitoring process is inefficient, expensive and does not guarantee full cooling functionality.

[0017] È aggiuntivamente sentita l’esigenza di un sistema di rabbocco automatico di un contenitore, in particolare di un vaso di Dewar. A tale riguardo, anche usando un galleggiante a filo libero, non rigido, non si potrebbe implementare un rabbocco automatico, in quanto il travaso del liquido causerebbe l’agitazione della superficie del liquido impedendo la misura col galleggiante durante il rifornimento. Senza questa misura in tempo reale non è possibile richiudere la valvola al momento giusto e quindi effettuare un rabbocco automatico. [0017] The need is also felt for an automatic refilling system for a container, in particular for a Dewar jar. In this regard, even using a free-wire, non-rigid float, an automatic top-up could not be implemented, as the transfer of the liquid would cause agitation of the liquid surface, preventing the measurement with the float during refueling. Without this measurement in real time it is not possible to close the valve at the right time and therefore to carry out an automatic top-up.

[0018] Scopo e oggetto dell’invenzione [0018] Purpose and object of the invention

[0019] Scopo della presente invenzione è quello di fornire un tappo che risolva in tutto o in parte i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore. [0019] The object of the present invention is to provide a cap which solves all or part of the problems and overcomes the drawbacks of the prior art.

[0020] È ulteriore scopo della presente invenzione un sistema di rilascio di fluido dotato di sistema di rabbocco automatico, in particolare utilizzante il tappo di Dewar scopo della presente invenzione. [0020] A further object of the present invention is a fluid release system equipped with an automatic refilling system, in particular using the Dewar cap which is the object of the present invention.

[0021] È oggetto della presente invenzione un tappo secondo le allegate rivendicazioni. [0021] The object of the present invention is a cap according to the attached claims.

[0022] È ulteriore oggetto dell’invenzione un sistema di rilascio di fluido secondo le allegate rivendicazioni, in particolare un sistema di rilascio di un gas per criogenia. [0022] A further object of the invention is a fluid release system according to the attached claims, in particular a release system for a gas for cryogenics.

[0023] Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione dell’invenzione [0023] Detailed description of examples of implementation of the invention

[0024] Nel seguito, il trovato secondo la presente descrizione verrà illustrato in riferimento ad un sistema criogenico utilizzante un vaso di Dewar, ma è da intendersi che esso può essere applicato a qualsiasi sistema di rilascio di un fluido da un serbatoio, in qualsiasi campo applicativo. [0024] In the following, the invention according to the present description will be illustrated with reference to a cryogenic system using a Dewar vessel, but it should be understood that it can be applied to any system for releasing a fluid from a tank, in any field application.

[0025] Lista delle figure [0025] List of figures

[0026] L’invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: [0026] The invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to the drawings of the attached figures, in which:

- la figura 1 mostra un vaso di Dewar visto in sezione (a) e nel suo aspetto esteriore tridimensionale (b), in (b) è anche mostrato in basso il tappo di Dewar applicato al vaso come nella sezione (a); - figure 1 shows a Dewar vase seen in section (a) and in its three-dimensional external appearance (b), in (b) the Dewar cap applied to the vase is also shown below as in section (a);

- la figura 2 mostra in (a) un tipico tappo di Dewar appoggiato sul vaso di Dewar sotto la forza del suo stesso peso; in (b) la pressione interna del vaso di Dewar lo solleva lievemente consentendo la degassazione del liquido che evapora lentamente; in (c) la misura del livello del liquido nel vaso di Dewar tramite un’asta graduata, che causa l’improvvisa ebollizione del liquido a contatto disperdendo più velocemente il contenuto nell’ambiente esterno; - figure 2 shows in (a) a typical Dewar cap resting on the Dewar jar under the force of its own weight; in (b) the internal pressure of the Dewar vessel slightly raises it allowing the degassing of the liquid which evaporates slowly; in (c) the measurement of the level of the liquid in the Dewar vessel by means of a graduated rod, which causes the sudden boiling of the liquid on contact, dispersing the contents more quickly in the external environment;

- La figura 3 mostra una configurazione tradizionale per il rabbocco del vaso di Dewar, con una bombola in pressione per azoto liquido: la testa spillatrice consente di estrarre il liquido grazie alla pressione del suo stesso vapore (con lo stesso principio di una caffettiera). Un tubo coibentato è usato per versare il liquido nel collo del vaso di Dewar (non mostrato, in configurazione senza tappo) quando è necessario il rabbocco; - Figure 3 shows a traditional configuration for topping up the Dewar jar, with a pressurized cylinder for liquid nitrogen: the tapping head allows the liquid to be extracted thanks to the pressure of its own steam (with the same principle as a coffee maker). An insulated tube is used to pour liquid into the neck of the Dewar jar (not shown, in capless configuration) when topping up is required;

- la figura 4 mostra diversi tentativi effettuati dall’Inventore della presente descrizione per impiegare un sensore ad ultrasuoni in un tappo del Dewar: tutti risentono della bassa temperatura. Da sinistra: (a) sensore alla base del tappo; (b) sensore fuori dal tappo attraverso due canali aperti; (c) sensore diviso con capsule alla base ed elettronica fuori dal tappo; (d) sensore fuori dal tappo con canali riempiti di isolante termico; - Figure 4 shows several attempts made by the inventor of this description to use an ultrasonic sensor in a Dewar cap: all are affected by low temperature. From left: (a) sensor at the base of the cap; (b) sensor out of the cap through two open channels; (c) split sensor with capsules at the base and electronics outside the cap; (d) sensor outside the cap with channels filled with thermal insulation;

- la figura 5 mostra una forma di realizzazione del tappo secondo la presente descrizione, appoggiato al collo di un vaso di Dewar in modo aderente e avvolgente fungendo anche da base per una scatola di alloggiamento dell’elettronica di controllo; - la figura 6 mostra in (a) una vista dal basso ed in (b) una vista dall’alto di una forma di realizzazione del tappo secondo la presente descrizione; - Figure 5 shows an embodiment of the cap according to the present description, resting on the neck of a Dewar jar in an adherent and enveloping way, also acting as a base for a control electronics housing box; - Figure 6 shows in (a) a bottom view and in (b) a top view of an embodiment of the cap according to the present description;

- la figura 7 mostra una vista in sezione verticale del tappo secondo la presente descrizione; Figure 7 shows a vertical sectional view of the cap according to the present description;

- la figura 8 mostra uno schema di sistema di rabbocco automatico di un vaso di Dewar o di altro contenitore che utilizza un tappo di Dewar secondo una forma realizzativa della presente descrizione; Figure 8 shows a diagram of an automatic refilling system of a Dewar jar or other container which uses a Dewar cap according to an embodiment of the present description;

- la figura 9 mostra uno schema più dettagliato di sistema di rabbocco automatico di un vaso di Dewar o di altro contenitore che utilizza un tappo (di Dewar) secondo una differente forma realizzativa della presente descrizione; Figure 9 shows a more detailed diagram of an automatic refilling system for a Dewar jar or other container which uses a (Dewar) cap according to a different embodiment of the present description;

- la figura 10 mostra in (a) una vista dal basso ed in (b) una vista dall’alto di una forma di realizzazione del tappo secondo la presente descrizione utilizzato in Fig. 9; e - Figure 10 shows in (a) a bottom view and in (b) a top view of an embodiment of the cap according to the present description used in Fig. 9; And

- la figura 11 mostra una vista in sezione verticale del tappo secondo la presente descrizione utilizzato in Fig. 9. Figure 11 shows a vertical sectional view of the cap according to the present description used in Fig. 9.

[0027] Si specifica qui che elementi di forme di realizzazione differenti della presente descrizione possono essere combinati insieme per fornire ulteriori forme di realizzazione senza limiti rispettando il concetto tecnico dell’invenzione, come il tecnico medio del ramo intende senza problemi da quanto descritto. [0027] It is specified here that elements of different embodiments of the present description can be combined together to provide further embodiments without limits while respecting the technical concept of the invention, as the average person skilled in the art understands without problems from what has been described.

[0028] La presente descrizione inoltre fa riferimento alla tecnica nota per la sua implementazione, riguardo alle caratteristiche di dettaglio non descritte, come ad esempio elementi di minore importanza usualmente utilizzati nella tecnica nota in soluzioni dello stesso tipo. [0028] The present description also refers to the known art for its implementation, with regard to the detailed characteristics not described, such as for example less important elements usually used in the prior art in solutions of the same type.

[0029] Quando si introduce un elemento, si intende sempre che può essere “almeno uno” o “uno o più”. [0029] When introducing an element, it always means that it can be “at least one” or “one or more”.

[0030] Quando si elenca una lista di elementi o di caratteristiche in questa descrizione si intende che il trovato secondo l’invenzione “comprende” oppure alternativamente “è composto di” tali elementi, o ancora può comprendere singolarmente da soli gli elementi elencati. [0030] When a list of elements or characteristics is listed in this description, it is understood that the invention according to the invention "includes" or alternatively "is composed of" such elements, or it can individually comprise the listed elements.

[0031] Forme di realizzazione [0031] Embodiments

[0032] Nel seguito, verranno illustrati aspetti del trovato secondo la presente descrizione in riferimento a prototipi realizzati e a prove effettuate, ma è da intendersi che tali riferimenti non sono limitativi del dispositivo o sistema o processo descritto. [0032] In the following, aspects of the invention according to the present description will be illustrated with reference to prototypes made and tests carried out, but it is to be understood that such references are not limitative of the device or system or process described.

[0033] È stata svolta una sperimentazione preliminare su un Dewar contenente 40 litri di azoto, il liquido criogenico più comune perché inerte. La temperatura massima (punto di ebollizione) per l’azoto è di -195,82 °C. La temperatura del gas nel Dewar all’inizio del collo (sotto il tappo, bocca del collo) è risultata rimanere più o meno costante a -70 °C. [0033] A preliminary experiment was carried out on a Dewar containing 40 liters of nitrogen, the most common cryogenic liquid because it is inert. The maximum temperature (boiling point) for nitrogen is -195.82 ° C. The gas temperature in the Dewar at the beginning of the neck (under the cap, mouth of the neck) was found to remain more or less constant at -70 ° C.

[0034] Sono stati posizionati in vario modo dei sensori ad ultrasuoni, come ad esempio il sonar HC-SR04, tipicamente impiegato sui microcontrollori Arduino. I sensori oggi disponibili hanno range e precisione di misura idonei allo scopo ma lavorano solamente a temperatura ambiente. Talvolta gli stessi sensori vengono venduti dichiarando una temperatura minima di esercizio di -20 °C, che risulta essere insufficientemente bassa per gli scopi della soluzione secondo la presente descrizione. [0034] Ultrasonic sensors have been positioned in various ways, such as the sonar HC-SR04, typically used on Arduino microcontrollers. The sensors available today have measurement ranges and accuracy suitable for the purpose but only work at room temperature. Sometimes the same sensors are sold declaring a minimum operating temperature of -20 ° C, which is insufficiently low for the purposes of the solution according to the present description.

[0035] Facendo riferimento alla Fig. 4, i numerosi test eseguiti sul tappo Dewar 100, con sonar 120 simili di diversa fabbricazione, hanno dimostrato l’inefficacia di alcune soluzioni iniziali pensate dall’Inventore. [0035] Referring to Fig. 4, the numerous tests performed on the Dewar 100 cap, with similar 120 sonar of different manufacture, have shown the ineffectiveness of some initial solutions designed by the Inventor.

[0036] Una prima soluzione è consistita nel posizionare il sensore 120 e l’elettronica di rilevamento 110 entrambi alla base del tappo 100 come in Fig. 4 (a), ovvero all’estremità 102 che è l’estremità che si affaccia all’interno del contenitore verso il contenuto (ad esempio liquido). In questo caso, dopo 10 minuti circa la misura si blocca su un numero fisso. [0036] A first solution consisted in positioning the sensor 120 and the detection electronics 110 both at the base of the cap 100 as in Fig. 4 (a), or at the end 102 which is the end facing the inside of the container towards the contents (e.g. liquid). In this case, after about 10 minutes the measurement freezes on a fixed number.

[0037] Una seconda soluzione è consistita nel posizionare sensore 120 ed elettronica di rilevamento 110 del sensore 120 alla sommità 101 al tappo 100 come in Fig. 4(b), fuori dal collo del Dewar, praticando due canali 130 nel tappo isolante 100. In questo caso, i sensori si bloccano dopo circa 30 minuti. La sommità 101 è il lato opposto alla base o estremità 102, e si affaccia all’esterno del tappo di Dewar. Tra le due estremità 101 e 102 si sviluppa il tappo di Dewar, tipicamente lungo un asse che è anche un asse del collo del vaso di Dewar. [0037] A second solution consisted in positioning sensor 120 and detection electronics 110 of the sensor 120 at the top 101 of the cap 100 as in Fig. 4 (b), outside the neck of the Dewar, by making two channels 130 in the insulating cap 100. In this case, the sensors freeze after about 30 minutes. The top 101 is the opposite side to the base or end 102, and faces the outside of the Dewar cap. Between the two ends 101 and 102 develops the Dewar plug, typically along an axis which is also an axis of the neck of the Dewar jar.

[0038] Una terza soluzione è consistita invece nel separare le capsule a ultrasuoni 120 dall’elettronica di rilevamento 110, che contiene tra l’altro il cristallo oscillatore, in particolare posizionando le capsule 120 alla base 102 del tappo 100 e l’elettronica di rilevamento 110 appena fuori la sommità 101 del tappo 100. Il risultato in questo caso non cambia molto: entro 20 minuti la misura si blocca (perché il sensore 120 e/o l’elettronica 110 si abbassano in temperatura), se pur su un valore diverso da quelli delle precedenti soluzioni descritte. [0038] A third solution, on the other hand, consisted in separating the ultrasonic capsules 120 from the detection electronics 110, which contains, among other things, the oscillating crystal, in particular by positioning the capsules 120 at the base 102 of the cap 100 and the detection 110 just outside the top 101 of cap 100. The result in this case does not change much: within 20 minutes the measurement stops (because the sensor 120 and / or the electronics 110 drop in temperature), albeit on a value different from those of the previous solutions described.

[0039] Una quarta soluzione è consistita nell’effettuare misure con i sensori 120 e l’elettronica 110 all’esterno (in particolare a cavallo della linea di estremità 101 come illustrato) e riempiendo i canali di comunicazione 130 con un materiale isolante 135 al calore ma più trasmissivo per la radiazione acustica (ad es. lana di vetro). Tutti i tentativi sono falliti, e una spiegazione data è che proprio le caratteristiche che in genere rendono un materiale termicamente isolante lo rendono se non proprio fonoisolante almeno fonoassorbente. [0039] A fourth solution consisted in carrying out measurements with the sensors 120 and the electronics 110 outside (in particular across the end line 101 as illustrated) and filling the communication channels 130 with an insulating material 135 to heat but more transmissive for acoustic radiation (eg glass wool). All attempts have failed, and an explanation given is that precisely the characteristics that generally make a material thermally insulating make it sound insulating if not at least sound absorbing.

[0040] Occorre inoltre considerare che nelle soluzioni illustrate l’elettronica 110 può essere protetta adeguatamente mentre le capsule 120 che emettono il segnale ultrasonico devono necessariamente essere immerse nel gas ma hanno una meccanica di cui va preservata la rigidità facendo in modo che lavorino come se fossero a temperatura ambiente. [0040] It should also be considered that in the illustrated solutions the electronics 110 can be adequately protected while the capsules 120 which emit the ultrasonic signal must necessarily be immersed in the gas but have a mechanics whose rigidity must be preserved by ensuring that they work as if were at room temperature.

[0041] Un’altra spiegazione per i fallimenti di cui sopra è che il gas in pressione, dovendo fuoriuscire, attraversa i canali di comunicazione 130 con i sensori 120 e in ogni caso avvolge le loro membrane. Inoltre il tappo 100, appesantito da elettronica 110 e cavi (non mostrati) non può più svolgere la sua funzione di degassazione lenta sollevandosi leggermente e il gas a bassa temperatura tende ad attraversare i sensori 120 per poi fuoriuscire. [0041] Another explanation for the above failures is that the gas under pressure, having to escape, crosses the communication channels 130 with the sensors 120 and in any case envelops their membranes. Furthermore, the cap 100, weighed down by electronics 110 and cables (not shown), can no longer perform its slow degassing function by rising slightly and the low-temperature gas tends to pass through the sensors 120 and then escape.

[0042] Una soluzione a tali problemi incontrati in quanto preliminarmente sperimentato è stata quella di mantenere un microclima costante nei canali dei sensori creando un condotto di sfogo (di diametro ad esempio di 3 mm, ma anche superiore o preferibilmente inferiore) per il gas freddo con uno sfiato che lo libera ad un livello più basso dei sensori. Per livello qui si può intendere il livello relativo ad un piano perpendicolare al suddetto asse di sviluppo del tappo. [0042] A solution to these problems encountered as previously tested was that of maintaining a constant microclimate in the sensor channels by creating an exhaust duct (with a diameter of 3 mm, for example, but also higher or preferably lower) for the cold gas with a vent that releases it at a lower level than the sensors. By level here we can mean the level relative to a plane perpendicular to the aforementioned development axis of the cap.

[0043] Facendo riferimento alla Fig. 5, si descrive un primo aspetto di un tappo (ad es. di Dewar) 200 posizionato a chiudere il collo di un vaso (ad es. di Dewar) 300. [0043] With reference to Fig. 5, a first aspect of a stopper (e.g. of Dewar) 200 positioned to close the neck of a jar (e.g. of Dewar) 300 is described.

[0044] Il tappo di Dewar 200 secondo un aspetto della presente descrizione comprende un corpo 250 che include una porzione centrale preferibilmente allungata 251, configurata ed atta ad essere inserita nel collo 310 del vaso di Dewar 300, e due porzioni laterali 252 e 253 che si estendono oltre il collo 310 (linea limite 311) del vaso di Dewar 300. Questa estensione oltre il collo 310 è solo opzionale, ma è preferita in quanto migliora la tenuta stagna del tappo 200. The cap of Dewar 200 according to one aspect of the present description comprises a body 250 which includes a preferably elongated central portion 251, configured and adapted to be inserted into the neck 310 of the jar of Dewar 300, and two side portions 252 and 253 which extend beyond the neck 310 (limit line 311) of the jar of Dewar 300. This extension beyond the neck 310 is only optional, but is preferred as it improves the watertightness of the cap 200.

[0045] Come si vede dalla Fig. 5, nella parte centrale 251 sono presenti due canali. [0045] As can be seen from Fig. 5, in the central part 251 there are two channels.

[0046] Il primo canale 230 attraversa preferibilmente tutto il tappo 200 ed è chiuso all’estremità opposta a quella che entra nel collo 310 da un sensore 220 e dalla relativa elettronica di rilevamento. Il canale o condotto 230 può anche non attraversare tutto il tappo, purché sbocchi sull’estremità inferiore 254 del tappo 200. [0046] The first channel 230 preferably crosses the entire cap 200 and is closed at the opposite end to that which enters the package 310 by a sensor 220 and the relative detection electronics. The channel or duct 230 may not even cross the entire cap, as long as it outlets on the lower end 254 of the cap 200.

[0047] Un secondo canale 240 (o “canale di sfogo” o “canale di sfiato”), partendo dall’estremità inferiore 254 del tappo 200, curva in 241 (in maniera angolata o arcuata) per uscire lateralmente al tappo in 242 (sulla superficie esterna del tappo). Nulla impedisce, tuttavia, che il secondo canale 240 faccia un percorso differente sboccando in qualsiasi altro punto della superficie esterna del tappo 250, che sia però più basso rispetto alla sommità 201 del tappo. [0047] A second channel 240 (or "vent channel" or "vent channel"), starting from the lower end 254 of the cap 200, curved at 241 (angled or arched) to exit laterally to the cap at 242 ( on the external surface of the cap). However, nothing prevents the second channel 240 from making a different path opening in any other point of the external surface of the cap 250, which is however lower than the top 201 of the cap.

[0048] Dall’uscita del secondo canale 240 in 242 fuoriesce il gas 235 formatosi dal contenuto liquido 320 del vaso di Dewar 300. [0048] From the outlet of the second channel 240 in 242 the gas 235 formed by the liquid content 320 of the Dewar 300 jar comes out.

[0049] Pur funzionando con qualsiasi configurazione reciproca tra il primo 230 ed il secondo canale 240, prove di laboratorio hanno mostrato che il tappo di Dewar ha un comportamento ottimale con una distanza D1 tra lo sbocco laterale 242 e la sommità 201 del tappo 200 (o comunque un punto qualsiasi del sensore), opposta alla base 254, di almeno 3cm, preferibilmente di almeno 4cm, ancora più preferibilmente di almeno 6cm. La distanza effettiva D1 nel tappo può variare in funzione di una serie di parametri sulla sua struttura e composizione (ed anche ad esempio dipende dal livello del liquido nel vaso, perché la distanza effettiva dal pelo del liquido o del solido cambia), ma è comunque facilmente determinabile con una serie limitata di prove una volta nota la struttura sopra descritta. Inoltre è anche data una distanza verticale D2 tra lo sbocco laterale 242 e la bocca 312 del collo 310 del Dewar 300. Questa distanza può essere qualsiasi, preferibilmente minimizzata per non aumentare troppo l’altezza complessiva D del tappo rispetto al livello della bocca 312 del collo 310. While operating with any reciprocal configuration between the first 230 and the second channel 240, laboratory tests have shown that the Dewar cap has an optimal behavior with a distance D1 between the side outlet 242 and the top 201 of the cap 200 ( or in any case any point of the sensor), opposite the base 254, at least 3cm, preferably at least 4cm, even more preferably at least 6cm. The effective distance D1 in the cap can vary according to a series of parameters on its structure and composition (and also for example it depends on the level of the liquid in the jar, because the actual distance from the surface of the liquid or solid changes), but it is in any case easily determined with a limited series of tests once the structure described above is known. Furthermore, a vertical distance D2 is also given between the side outlet 242 and the mouth 312 of the neck 310 of the Dewar 300. This distance can be any, preferably minimized in order not to increase too much the overall height D of the cap with respect to the level of the mouth 312 of the neck 310.

[0050] Con la struttura di tappo di Dewar appena descritta, il gas di azoto (o altro liquido criogenico) 320 è reso più pesante dell’aria dalla sua bassissima temperatura e in queste condizioni trabocca dallo sfiato 240,241,242 per ricadere in basso (gas 325) e sostanzialmente non penetra ulteriormente nei condotti 230 riservati agli ultrasuoni (non c’è sostanzialmente più flusso nel condotto 230 che può essere anche fornito come serie di condotti). Il tappo può essere quindi reso aderente ed “avvolgente” rispetto al collo del vaso di Dewar, in modo da avere la stabilità necessaria per fungere da supporto e contenitore di tutta la tecnologia accessoria (ad esempio l’elettronica di controllo 210), mentre la circolazione del gas è necessariamente forzata nell’apposito condotto 240 a causa della mancanza di altre uscite. [0050] With the Dewar plug structure just described, the nitrogen gas (or other cryogenic liquid) 320 is made heavier than air by its very low temperature and under these conditions it overflows from the vent 240,241,242 to fall back down (gas 325 ) and substantially does not penetrate further into the conduits 230 reserved for ultrasounds (there is substantially no more flow in the conduit 230 which can also be provided as a series of conduits). The cap can therefore be made adherent and "enveloping" with respect to the neck of the Dewar jar, in order to have the stability necessary to act as a support and container for all the accessory technology (for example the control electronics 210), while the gas circulation is necessarily forced in the special conduit 240 due to the lack of other outlets.

[0051] Il diametro del condotto di sfiato 240 può convenientemente essere paragonabile all’area interstiziale di un tappo originario. In sostituzione di un tappo originario dal diametro di 6 cm, è stato verificato sperimentalmente che un condotto di sfiato di 2-4 mm di diametro (ad esempio un diametro medio) mantiene immutato il tasso di evaporazione dell’azoto liquido (tipicamente circa 4 cm al giorno) senza accumulare pressione. [0051] The diameter of the vent duct 240 can conveniently be comparable to the interstitial area of an original cap. In place of an original cap with a diameter of 6 cm, it has been experimentally verified that a vent duct with a diameter of 2-4 mm (for example an average diameter) keeps the evaporation rate of liquid nitrogen unchanged (typically about 4 cm per day) without building up pressure.

[0052] Facendo riferimento alla Fig. 6 (a) è mostrata una vista dal basso del tappo di Dewar 200 secondo un aspetto della presente descrizione, con i fori del primo 230 e del secondo canale 240. Si vede anche la rientranza ad anello 255 che si appoggia sul bordo superiore 312 del collo 310 del vaso di Dewar 300. In Fig. 6 (b) si vedono gli sbocchi superiori dei due canali 230 (nel caso specifico di sensore con emettitore separato dal ricevitore). In Fig. 7 è illustrata una sezione verticale del tappo, ovvero lungo un piano passante per l’asse del condotto 230. Referring to Fig. 6 (a) a bottom view of the cap of Dewar 200 according to one aspect of the present description is shown, with the holes of the first 230 and of the second channel 240. Also seen is the ring recess 255 which rests on the upper edge 312 of the neck 310 of the Dewar jar 300. In Fig. 6 (b) the upper outlets of the two channels 230 are seen (in the specific case of a sensor with an emitter separated from the receiver). Fig. 7 shows a vertical section of the cap, ie along a plane passing through the axis of the duct 230.

[0053] In tutte le forme realizzative, il sensore 220 è un qualsiasi sensore di distanza, ad esempio un sensore a tempo di volo, come ad esempio un sensore ad infrarossi o laser o ad ultrasuoni. In all embodiments, the sensor 220 is any distance sensor, for example a time-of-flight sensor, such as for example an infrared or laser or ultrasonic sensor.

[0054] La soluzione descritta per il tappo è particolarmente adatta a supportare un impianto di rabbocco automatico secondo la presente descrizione. [0054] The solution described for the cap is particularly suitable for supporting an automatic refilling system according to the present description.

[0055] Facendo riferimento alla Fig. 8, è illustrato un impianto automatico di rabbocco 400 che include una servo-valvola 410 installata su un tubo di rabbocco 430 e connessa da un lato ad uno o più serbatoi di liquido S1, S2, e dall’altra parte ad una unità di controllo 420 della servovalvola 410 connessa al sensore 220. Il tubo di rabbocco 430 passa attraverso il tappo 200 attraversando un suo canale 260. In questo modo, il tappo 200 non avrà più bisogno di essere aperto e si potrà tenere sotto controllo il livello di riempimento 321 del vaso di Dewar 300, con conseguente vantaggio in termini di presenza umana e di sicurezza dei dispositivi raffreddati. [0055] With reference to Fig. 8, an automatic refilling system 400 is illustrated which includes a servo valve 410 installed on a refilling pipe 430 and connected on one side to one or more liquid reservoirs S1, S2, and from the other part to a control unit 420 of the servovalve 410 connected to the sensor 220. The top-up tube 430 passes through the cap 200 passing through its channel 260. In this way, the cap 200 will no longer need to be opened and it will be possible to keep under control the filling level 321 of the Dewar 300 jar, with consequent advantage in terms of human presence and safety of the cooled devices.

[0056] La Fig. 9 illustra l’intero impianto di controllo di livello e rabbocco automatico del vaso di Dewar in maniera più dettagliata secondo un aspetto della presente descrizione. [0056] Fig. 9 illustrates the entire level control system and automatic refilling of the Dewar vessel in more detail according to an aspect of the present description.

[0057] Rispetto al sistema della Fig. 8 è illustrato anche il vaso di Dewar 300, una servovalvola 410 che è connessa ad una unità di controllo 420 integrata nell’elettronica 210 del sensore 220. La connessione è fornita ad esempio attraverso il conduttore 411 che attraversa in particolare una copertura 270 (opzionale) della parte superiore del tappo 200 in modo da proteggere l’elettronica 210 ed il sensore 220. Secondo un aspetto della presente descrizione, la servovalvola 410 può anche essere costituita integralmente con una unità di controllo al di fuori della copertura 270. Il tubo di rame 430 è connesso alla servo-valvola 410 attraverso un sistema a giunti idraulici 435. La servo-valvola, dall’altro lato, è stavolta connessa a dei connettori applicati su tre serbatoi S1, S2, S3. Questa connessione è complessivamente indicata con il riferimento 440. Secondo un aspetto della presente descrizione, è possibile fornire una valvola manuale per lo sfogo della pressione nel punto più basso dell’impianto 440, in modo da facilitare la sostituzione del vaso di Dewar 310 senza dover necessariamente scollegare il sistema a giunti idraulici 435. [0057] With respect to the system of Fig. 8, the vessel of Dewar 300 is also illustrated, a servovalve 410 which is connected to a control unit 420 integrated in the electronics 210 of the sensor 220. The connection is provided for example through the conductor 411 which in particular passes through a cover 270 (optional) of the upper part of the cap 200 so as to protect the electronics 210 and the sensor 220. According to an aspect of the present description, the servovalve 410 can also be integrally constituted with a control unit at outside the cover 270. The copper pipe 430 is connected to the servo-valve 410 through a system of hydraulic joints 435. The servo-valve, on the other side, is this time connected to connectors applied on three tanks S1, S2, S3. This connection is generally indicated with the reference 440. According to an aspect of the present description, it is possible to provide a manual valve for releasing the pressure in the lowest point of the system 440, so as to facilitate the replacement of the Dewar 310 vessel without having to necessarily disconnect the hydraulic coupling system 435.

[0058] I tre serbatoi S1, S2, S3 possono essere collegati in parallelo come un unico contenitore. Quando il sensore 220 rileva un livello critico inferiore del liquido, la centralina di controllo (ad es. Arduino) può aprire l’elettrovalvola 410 lasciando versare il liquido presente nei serbatoi nel vaso di Dewar 300. Quando il sensore 220 rileva un livello critico superiore del liquido, la centralina 420 può chiudere l’elettrovalvola 410 terminando il rifornimento del vaso di Dewar 300. I contenitori in pressione S1, S2, S3 possono essere scollegati per essere riempiti periodicamente. Per questa automazione, la variante necessaria alla forma del tappo rispetto alle altre forme realizzative è un ulteriore foro passante 260. Il tappo 200 stesso fornisce l’isolamento alla sezione di tubo 430 che lo attraversa. La presenza del foro passante 260 può rendere necessario variare la posizione dei condotti 230 (è preferibile che siano centrati ma possono essere spostati in modo più o meno significativo). Si nota qui che il condotto di rabbocco 260 può attraversare il tappo in senso assiale partendo dall’estremità esterna 201 oppure può iniziare lateralmente (secondo una variante non mostrata) e sboccare sull’estremità di inserimento 254. [0058] The three tanks S1, S2, S3 can be connected in parallel as a single container. When the sensor 220 detects a lower critical level of the liquid, the control unit (eg Arduino) can open the solenoid valve 410 letting the liquid present in the tanks pour into the Dewar 300 vessel. When the sensor 220 detects a higher critical level of the liquid, the control unit 420 can close the solenoid valve 410 ending the supply of the Dewar 300 vessel. The pressure vessels S1, S2, S3 can be disconnected to be filled periodically. For this automation, the variant necessary to the shape of the cap with respect to the other embodiments is an additional through hole 260. The cap 200 itself provides insulation to the section of pipe 430 that passes through it. The presence of the through hole 260 may make it necessary to vary the position of the ducts 230 (it is preferable that they are centered but they can be moved more or less significantly). It is noted here that the filling duct 260 can cross the cap axially starting from the external end 201 or it can start laterally (according to a variant not shown) and open on the insertion end 254.

[0059] Gli Inventori hanno realizzato tra l’altro un prototipo in polistirene estruso. Questo materiale ha un isolamento termico equivalente al polistirolo espanso del tappo originale del Dewar ma si presta meglio ad essere lavorato e levigato con strumenti da taglio (tornio, taglierino, carta vetrata, mole per multiutensili elettrici). In generale, si può utilizzare un qualsiasi isolante. [0059] The inventors have created, among other things, a prototype in extruded polystyrene. This material has a thermal insulation equivalent to the expanded polystyrene of the original Dewar cap but is better suited to be worked and sanded with cutting tools (lathe, cutter, sandpaper, grinding wheels for power tools). In general, any insulator can be used.

[0060] Facendo riferimento alle Figg. 10-11, il profilo del tappo secondo la forma di realizzazione che si sta descrivendo è stato modellato secondo una forma di realizzazione preferita con l’aggiunta appunto del foro passante 260 per il tubo di rabbocco 430. Il progetto del prototipo è stato dimensionato per un sensore a ultrasuoni modello HC-SR04 su un vaso di Dewar da 30 litri della ORTEC con diametro interno al collo di circa 6 cm (per la precisione si è trattato del serbatoio di liquido criogenico di uno spettrometro di massa). [0060] Referring to Figs. 10-11, the profile of the cap according to the embodiment that is being described has been modeled according to a preferred embodiment with the addition of the through hole 260 for the filler tube 430. The design of the prototype has been sized to an ultrasonic sensor model HC-SR04 on an ORTEC 30 liter Dewar jar with an internal diameter of about 6 cm at the neck (to be precise it was the cryogenic liquid tank of a mass spectrometer).

[0061] Esempi di sensori che si potrebbero impiegare con questo tappo sono di seguito elencati: [0061] Examples of sensors that could be used with this cap are listed below:

- HC-SR04 ultrasuoni; - HC-SR04 ultrasound;

- JSN-SR04T ultrasuoni impermeabile; - JSN-SR04T ultrasonic waterproof;

- GP2Y0A21YK0F infrarossi ; - infrared GP2Y0A21YK0F;

- KY-032 infrarossi ; e - KY-032 infrared; And

- LIDAR-Lite laser. - LIDAR-Lite laser.

[0062] I sensori a ultrasuoni che si sono usati nelle prove sperimentali sono dei sensori tradizionali che adottano una coppia di capsule identiche per svolgere separatamente le due funzioni di emettitore e di ricevitore. Naturalmente si può usare anche una sola capsula per svolgere alternativamente le due funzioni. In quel caso semplicemente il tappo avrà un unico condotto 230. La caratteristica del dislivello rispetto al condotto di sfogo può rimanere, preferibilmente, invariata. [0062] The ultrasonic sensors used in the experimental tests are traditional sensors which adopt a pair of identical capsules to perform the two functions of emitter and receiver separately. Of course, even a single capsule can be used to perform the two functions alternately. In that case the plug will simply have a single duct 230. The characteristic of the difference in height with respect to the vent duct can preferably remain unchanged.

[0063] Il tappo costruito in questo modo consente il perfetto funzionamento del sensore a ultrasuoni, che è stato ad esempio collegato ad una unità di controllo Arduino Yun opportunamente programmata e corredata anche di una termocoppia e un altoparlante. Questo dispositivo è in grado di misurare nel range richiesto (19-40 cm) il livello del liquido con una stabilità di misura di /- 1 mm. La misura è continua e la centralina di controllo può fornire una serie di allarmi acustici per suggerire la necessità del rabbocco al raggiungimento del livello di attenzione, intimare l’urgenza di rabbocco in prossimità di un livello limite o dare l’allarme qualora non fosse stato effettuato il rabbocco entro un termine/limite di sicurezza. Inoltre, attraverso la consolle di Arduino (non mostrata), si possono rendere disponibili in rete tutti i dati e la previsione di autonomia a chiunque dispone dei relativi diritti di accesso all’informazione. Gli stessi dati possono essere resi disponibili sul Web. [0063] The cap constructed in this way allows the perfect operation of the ultrasonic sensor, which has for example been connected to a suitably programmed Arduino Yun control unit and also equipped with a thermocouple and a loudspeaker. This device is able to measure in the required range (19-40 cm) the liquid level with a measurement stability of / - 1 mm. The measurement is continuous and the control unit can provide a series of acoustic alarms to suggest the need for topping up when the level of attention is reached, to give an urgent need to top up near a limit level or to give the alarm if it has not been topping up within a safety deadline / limit. In addition, through the Arduino console (not shown), all the data and the autonomy forecast can be made available on the network to anyone who has the relative access rights to the information. The same data can be made available on the web.

[0064] Vantaggi dell’invenzione [0064] Advantages of the invention

[0065] L’invenzione ha il vantaggio di permettere l’impiego di sensori a tempo di volo, ad esempio ultrasonici, infrarossi, laser, per effettuare la misura del livello di riempimento di un vaso di Dewar o di altro contenitore generico di liquido e/o solido ad un costo irrisorio rispetto alle soluzioni sul mercato che impiegano sonde ad immersione. Essa inoltre è dotata di maggiore semplicità e praticità rispetto alla tecnica nota, non occupando spazio all’interno del vaso di Dewar. [0065] The invention has the advantage of allowing the use of time-of-flight sensors, for example ultrasonic, infrared, laser, to measure the filling level of a Dewar vessel or other generic container of liquid and / or solid at a negligible cost compared to solutions on the market that use immersion probes. It is also equipped with greater simplicity and practicality than the known technique, since it does not occupy space inside the Dewar vase.

[0066] Rispetto ad un’asta graduata, la misura senza contatto, senza necessità di aprire il tappo, quindi in modalità massimamente conservativa nei confronti del contenuto del vaso. [0066] Compared to a graduated rod, the measurement without contact, without the need to open the cap, therefore in a maximally conservative manner with regard to the contents of the jar.

[0067] Sempre rispetto alle sonde ad immersione, l’uso del tappo secondo la presente descrizione ha poi il vantaggio di poter fornire misure medie più stabili anche durante il rabbocco del liquido (cosa difficilmente ottenibile con galleggianti o condensatori). [0067] Again with respect to immersion probes, the use of the cap according to the present description then has the advantage of being able to provide more stable average measurements even during liquid refilling (which is difficult to obtain with floats or condensers).

[0068] L’impiego di questo tappo è reso possibile secondo la presente descrizione in un sistema di fornitura di liquido/gas, ad esempio in un sistema di raffreddamento ad azoto liquido, compreso il periodico rabbocco del serbatoio (tramite servo-valvola) ed una eventuale richiesta via rete di rifornimento del liquido/gas al fornitore. In questo caso non si tratterebbe più di un sistema di monitoraggio/allarme ma di un’automazione grazie alla quale non è più richiesta l’assistenza umana se non per il rifornimento periodico, tipicamente mensile, della scorta di liquido/gas. [0068] The use of this cap is made possible according to the present description in a liquid / gas supply system, for example in a liquid nitrogen cooling system, including periodic refilling of the tank (by means of a servo valve) and a possible request via the network to supply the liquid / gas to the supplier. In this case it would no longer be a monitoring / alarm system but an automation thanks to which human assistance is no longer required except for the periodic replenishment, typically monthly, of the liquid / gas supply.

[0069] In definitiva, rispetto a qualunque altra soluzione costruita appositamente per applicazioni a bassissima temperatura, il trovato della presente descrizione consente di ottenere un risultato migliore ad un costo significativamente più basso grazie all’impiego di sensori che sono già oggi diffusi (per temperature fino a -20 °C). Il trovato offre inoltre la prospettiva di poter impiegare altre tecnologie a basso costo, come i microcontrollori della serie Arduino, per un’illimitata gamma di sviluppi che vanno dal monitoraggio remoto ad ogni possibile tipo di allarme o avviso di manutenzione, dall’acustico, all’avviso via SMS o e-mail, fino ad arrivare all’automazione totale della manutenzione ordinaria dell’impianto. Ovviamente anche sensori e controllori di maggiore complessità e qualità possono essere utilizzati secondo la presente descrizione. [0069] Ultimately, with respect to any other solution built specifically for very low temperature applications, the invention of the present description allows a better result to be obtained at a significantly lower cost thanks to the use of sensors which are already widespread today (for temperatures up to -20 ° C). The invention also offers the prospect of being able to use other low-cost technologies, such as the microcontrollers of the Arduino series, for an unlimited range of developments ranging from remote monitoring to any possible type of alarm or maintenance notice, from acoustic to '' notification via SMS or e-mail, up to the total automation of the routine maintenance of the system. Obviously, even sensors and controllers of greater complexity and quality can be used according to the present description.

[0070] Tra i vantaggi del tappo secondo la presente descrizione rispetto ad un tappo tradizionale vi sono: [0070] Among the advantages of the cap according to the present description compared to a traditional cap there are:

- l’isolamento termico e la tenuta del gas, quindi il tasso di evaporazione del liquido/solido, possono non cambiare rispetto al tipico tappo da Dewar o altro tappo; - the thermal insulation and gas tightness, therefore the evaporation rate of the liquid / solid, may not change compared to the typical Dewar cap or other cap;

- il costo medio può non cambiare rispetto al tipico tappo di Dewar o altro tappo; - the average cost may not change compared to the typical Dewar cap or other cap;

- viene preservato il funzionamento di comuni sensori di misura a distanza (ad es. a ultrasuoni) consentendone l’impiego nell’ambiente del Dewar; - the operation of common remote measurement sensors (eg ultrasound) is preserved, allowing their use in the Dewar environment;

- il fatto di poter effettuare misure del livello del liquido criogenico con tecnologie a basso costo per applicazioni che vanno dal monitoraggio/allarme al rabbocco automatizzato. - the fact of being able to measure the cryogenic liquid level with low-cost technologies for applications ranging from monitoring / alarm to automated refilling.

[0071] Il tappo secondo la presente descrizione, in particolare ad ultrasuoni, può effettuare misure di precisione millimetrica o submillimetrica e può fornire da remoto al manutentore dell’impianto una previsione degli interventi da effettuare nei tempi e nei modi necessari per mantenere la sicurezza del sistema. [0071] The cap according to the present description, in particular ultrasonic, can perform measurements of millimeter or submillimetric precision and can remotely provide the maintenance technician of the system with a forecast of the interventions to be carried out in the times and in the manner necessary to maintain the safety of the system.

[0072] Considerando che la costosa apparecchiatura scientifica alla quale è dedicato un impianto criogenico rischia di rompersi qualora venisse a mancare il raffreddamento, e che il tasso di evaporazione del vaso di Dewar varia con la temperatura esterna, prima della soluzione secondo la presente descrizione era necessario che un operatore sul posto controllasse il livello con l’asta graduata quasi ogni giorno. Tramite la soluzione della presente descrizione, è necessario solo un controllo remoto saltuario per conoscere il giorno e l’ora in cui l’operatore dovrà intervenire sul posto. [0072] Considering that the expensive scientific equipment to which a cryogenic plant is dedicated risks breaking if there is no cooling, and that the evaporation rate of the Dewar vessel varies with the external temperature, prior to the solution according to the present description it was It was necessary for an operator on site to check the level with the graduated rod almost every day. Through the solution of this description, only an occasional remote control is required to know the day and time when the operator will have to intervene on site.

[0073] In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. [0073] In the foregoing the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, such as defined by the attached claims.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI 1) Tappo (200) di contenitore (300) per una sostanza liquida e/o solida (320), comprendente: - un corpo (250) con: - un’estremità di inserimento (251), inseribile, in uso, in un collo (310) di detto contenitore (300) presentante una bocca (312) che definisce un’apertura del contenitore (300); - un’estremità esterna (201), opposta a detta estremità di inserimento (251); e - una superficie laterale che si estende tra detta estremità di inserimento (251) e detta estremità esterna (201); il tappo (200) essendo caratterizzato dal fatto che: - comprende un sensore di distanza (220); - il sensore di distanza (220) è configurato per misurare una distanza tra lo stesso sensore di distanza (220) ed un livello (321) di detta sostanza liquida e/o solida (320); - il sensore di distanza (220) è inserito in almeno un condotto di rilevamento (230) che attraversa in tutto o in parte il tappo (200) e sbocca, in uso, nel contenitore (300) attraverso detta estremità di inserimento (251); e - comprende un condotto di sfogo (240) di un gas generato da detta sostanza liquida e/o solida (320), differente da detto condotto di rilevamento (230) che ha una prima estremità di sbocco su detta estremità di inserimento (251) ed una seconda estremità di sbocco (242) su detta superficie laterale, la seconda estremità di sbocco (242) essendo ad un livello intermedio tra detta estremità di inserimento (251) e detta estremità esterna (201) misurato in modo sostanzialmente parallelo ad un asse passante per detto condotto di rilevamento (230). CLAIMS 1) Cap (200) of container (300) for a liquid and / or solid substance (320), comprising: - a body (250) with: - an insertion end (251), which can be inserted, in use, in a neck (310) of said container (300) having a mouth (312) which defines an opening of the container (300); - an external end (201), opposite to said insertion end (251); And - a lateral surface extending between said insertion end (251) and said outer end (201); the cap (200) being characterized in that: - includes a distance sensor (220); - the distance sensor (220) is configured to measure a distance between the same distance sensor (220) and a level (321) of said liquid and / or solid substance (320); - the distance sensor (220) is inserted in at least one detection duct (230) which passes through the cap (200) in whole or in part and flows, in use, into the container (300) through said insertion end (251) ; And - comprises a vent duct (240) for a gas generated by said liquid and / or solid substance (320), different from said detection duct (230) which has a first outlet end on said insertion end (251) and a second outlet end (242) on said lateral surface, the second outlet end (242) being at an intermediate level between said insertion end (251) and said outer end (201) measured substantially parallel to a through axis for said detection duct (230). 2) Tappo (200) secondo la rivendicazione 1, in cui una distanza D1 tra detta estremità esterna (201) e detta seconda estremità di sbocco (242) è di almeno 3 cm. 2) Cap (200) according to claim 1, wherein a distance D1 between said outer end (201) and said second outlet end (242) is at least 3 cm. 3) Tappo secondo la rivendicazione 2, in cui la distanza D1 è almeno 4 cm. 3) Cap according to claim 2, wherein the distance D1 is at least 4 cm. 4) Tappo secondo la rivendicazione 3, in cui la distanza D1 è almeno 6 cm. 4) Cap according to claim 3, wherein the distance D1 is at least 6 cm. 5) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui è compreso ulteriormente un condotto di rabbocco (260) che attraversa il tappo (200) ed è configurato per l’inserimento di un tubo di rabbocco (430) di detto contenitore (300). 5) Cap according to one or more of claims 1 to 4, which further comprises a refilling duct (260) which passes through the cap (200) and is configured for the insertion of a refilling tube (430) of said container (300). 6) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto sensore di distanza (200) comprende un primo elemento o “capsula” di invio di un segnale ed un secondo elemento o “capsula” di ricezione di un segnale, rispettivamente inseriti in due condotti di rilevamento (230). 6) Cap according to one or more of claims 1 to 5, wherein said distance sensor (200) comprises a first element or "capsule" for sending a signal and a second element or "capsule" for receiving a signal, respectively inserted in two detection ducts (230). 7) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto sensore di distanza comprende o è costituito da un sensore ad ultrasuoni. 7) Cap according to one or more of claims 1 to 6, wherein said distance sensor comprises or consists of an ultrasonic sensor. 8) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui il secondo condotto (240) ha un diametro medio compreso tra 2 e 4 mm. 8) Cap according to one or more of claims 1 to 7, wherein the second duct (240) has an average diameter of between 2 and 4 mm. 9) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui sulla estremità esterna (201) è montata una copertura (270) per la protezione del sensore (220). 9) Cap according to one or more of claims 1 to 8, in which a cover (270) for the protection of the sensor (220) is mounted on the outer end (201). 10) Tappo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il tappo (200) è configurato per chiudere un vaso di Dewar. 10) Cap according to one or more of claims 1 to 8, wherein the cap (200) is configured to close a Dewar jar. 11) Sistema (400) di fornitura di un liquido e/o un gas, comprendente: - un vaso (300) avente un collo (310) con una bocca (312) e contenente una sostanza liquida e/o gassosa (320); - un tappo (200) configurato per chiudere detta bocca (312); in cui il tappo è il tappo (200) definito secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 10. 11) System (400) for the supply of a liquid and / or a gas, comprising: - a vessel (300) having a neck (310) with a mouth (312) and containing a liquid and / or gaseous substance (320); - a plug (200) configured to close said mouth (312); wherein the cap is the cap (200) defined according to one or more of claims 1 to 10. 12) Sistema (400) secondo la rivendicazione 11, in cui sono compresi ulteriormente: - uno o più serbatoi di rabbocco (S1, S2, S3) contenenti lo stesso liquido e/o lo stesso gas presente nel vaso (300) e fluidicamente connessi attraverso tubazioni (430) a detto vaso (300) attraverso il tappo (200); - una servo-valvola (410) installata su dette tubazioni (430) e configurata per iniziare o interrompere un flusso di fluido da detti uno o più serbatoi di rabbocco (S1, S2, S3) a detto vaso (300); - una unità di controllo (420) connessa a detta servo-valvola (410) e a detto sensore di distanza (220); in cui l’unità di controllo (420) è configurata per comandare l’apertura o la chiusura della servo-valvola (410) in funzione della distanza del liquido e/o gas rilevata da detto sensore di distanza (220), ed in cui detto tappo (200) comprende un condotto di rabbocco (260) attraverso cui è inserita una estremità di dette tubazioni (430). 12) System (400) according to claim 11, further comprising: - one or more refilling tanks (S1, S2, S3) containing the same liquid and / or the same gas present in the vessel (300) and fluidically connected through pipes (430) to said vessel (300) through the cap (200) ; - a servo-valve (410) installed on said pipes (430) and configured to start or stop a flow of fluid from said one or more filling tanks (S1, S2, S3) to said vessel (300); - a control unit (420) connected to said servo valve (410) and to said distance sensor (220); in which the control unit (420) is configured to command the opening or closing of the servo valve (410) as a function of the distance of the liquid and / or gas detected by said distance sensor (220), and in which said plug (200) comprises a refilling duct (260) through which one end of said pipes (430) is inserted. 13) Sistema (400) secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui il liquido è azoto e il vaso è un vaso di Dewar, il sistema fornendo gas di azoto per il raffreddamento di un oggetto o dispositivo. System (400) according to claim 11 or 12, wherein the liquid is nitrogen and the vessel is a Dewar vessel, the system supplying nitrogen gas for cooling an object or device.
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