ITAN20120140A1 - Dispositivo e procedimento per misurare la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido - Google Patents

Description

DISPOSITIVO E PROCEDIMENTO PER MISURARE LA CONCENTRAZIONE DI

ALMENO UN CONTAMINANTE PRESENTE IN UN FLUIDO

Si descrive qui di seguito un dispositivo ed un procedimento per misurare la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido.

È noto che misurando le proprietà ottiche di un fluido à ̈ possibile misurare, in maniera indiretta, le qualità di un fluido.

In particolare, misurando le proprietà ottiche di un fluido à ̈ possibile misurare, in maniera indiretta, la composizione chimico-fisica di un fluido.

I dispositivi ottici per monitorare la qualità dei fluidi trovano utilizzo dei settori più svariati.

Ad esempio à ̈ noto misurare le proprietà ottiche di un olio industriale per conoscere la concentrazione di contaminanti e quindi qualità dell’olio stesso.

Ai fini della presente descrizione il termine olio industriale comprende tutti gli olii a base idrocarburica (opportunamente miscelati con una serie di additivi) compresi gli olii per la lubrificazione dei motori endotermici e gli olii idraulici per i circuiti oleodinamici e per i dispositivi idraulici.

Ai fini della presente descrizione il termine olio industriale comprende anche gli olii a base sintetica ( ad esempio: Poliglicoli, Ciclopentani Multipialchilati, Polialfaolefine, Esteri sintetici, Siliconi, Perfluoropolieteri e Polifenileteri).

Gli olii industriali tendono a degradare col tempo con conseguente riduzione del potere lubrificante. Il degrado degli olii industriali à ̈ causato, principalmente, da fenomeni di ossidazione dovuti alla presenza di aria disciolta nell'olio e al riscaldamento subito dall’olio durante il funzionamento del macchinario che utilizza l’olio stesso.

I processi di ossidazione degli oli sono favoriti dalla presenza, nell’olio, di catalizzatori quali tracce d’acqua e di particelle metalliche.

Le particelle metalliche presenti nell’olio (particelle di materiali paramagnetici come il ferro o diamagnetici come l’alluminio) sono note anche come “contaminanti duri†perché favoriscono fenomeni di usura degli organi lubrificati.

Nel caso dei motori endotermici gli olii tendono a degradare anche per il progressivo accumulo di particelle carboniose dovute ad incombusti del motore.

L’ossidazione dell'olio genera prodotti noti come “contaminanti soffici†o “morchie†.

Le morchie sono sostanze appiccicose che tendono a depositarsi sulle superfici metalliche, catturando le polveri metalliche presenti nell’olio.

I depositi delle morchie provocando problemi quali: fenomeni di usura degli organi in movimento, malfunzionamento delle valvole, intasamento dei filtri, difficoltà di avviamento dei motori endotermici e riduzione dell'efficienza degli scambiatori di calore.

È da notare le morchie, a causa della loro ridotta granulometria, non possono essere eliminate in maniera efficace con i tradizionali sistemi di filtrazione.

Si deve inoltre sottolineare che i depositi delle morchie, una volta che si sono creati, possono essere rimossi solo mediante costosi flussaggi con oli detergenti.

Si pone quindi la necessità di monitorare la qualità dell’olio industriale per prevenire guasti e malfunzionamenti ai macchinari.

Per ridurre i rischi di guasti e malfunzionamenti à ̈ possibile monitorare, fuori linea, le condizioni dell’olio di un macchinario ricorrendo ad analisi di laboratorio.

Ad esempio US 5,309,213 (Desjardins) descrive un dispositivo per misurare, fuori linea, l’assorbanza di un campione di olio industriale e per ricavare, da tale misura, la concentrazione dei residui carboniosi presenti nel campione analizzato.

Le analisi di laboratorio sono operazioni laboriose che richiedono personale affidabile per garantire, in maniera sistematica, il prelievo ed il controllo dell’olio.

Le morchie hanno una granulometria inferire a 1 Î1⁄4m e sono difficilmente rilevabili dai comuni rilevatori di particelle.

Sono noti anche dispositivi per misurare, in tempo reale, la qualità di un olio industriale.

US 7,450,235 (Said) divulga un dispositivo che comprende un corpo trasparente (ad esempio vetro) avente un foro passante destinato ad essere attraversato da un flusso d’olio.

Il corpo trasparente comprende una prima guida d’onda, accoppiata ad una sorgente luminosa (ad esempio un LED), per illuminare il fluido che attraversa il foro con un fascio di luce trasversale alla direzione di sviluppo del foro stesso.

Il corpo trasparente comprende inoltre una seconda guida d’onda, accoppiata ad un sensore, per ricevere la radiazione emergente dal fluido illuminato e misurarne l’intensità.

In una possibile forma di realizzazione le due guide d’onda sono disposte in modo tale che l’intensità luminosa misurata dal sensore sia indicativa dell’assorbanza del fluido monitorato.

I dispositivi della tecnica nota presentano svariati inconvenienti che ne limitano la diffusione.

Ad esempio, i costi di realizzazione dei dispositivi per monitorare in tempo reale le condizioni degli olii rimangono molto alti.

Di fatto la soluzione ancora preferita per prevenire rischi di guasti dovuti ai contaminanti presenti nell’olio rimane quella di una periodica sostituzione dell’olio, senza conoscerne le reali condizioni, per mantenere le parti meccaniche in movimento sempre in perfetto stato di conservazione.

Per altro non di rado il personale addetto all’utilizzo dei macchinari tende a dimenticarsi di effettuare il cambio dell’olio alle scadenze prestabilite, oppure esegue la sostituzione dell’olio anche quando non vi à ̈ una reale necessità.

È auspicabile poter conoscere in tempo reale il livello di degrado dell’olio delle macchine in modo tale da prevenire in maniera efficiente ogni problema causato dal degrado dello stesso.

Scopo degli inventori à ̈ quello di risolvere, almeno in parte, i problemi della tecnica nota e, in particolare, i problemi sopra indicati.

Detto compito viene risolto mediante un dispositivo conforme al dettato della rivendicazione 1. Ulteriori vantaggi possono essere ottenuti mediante le caratteristiche supplementari delle rivendicazioni dipendenti.

Alcune possibili forme di realizzazione del dispositivo saranno descritte qui di seguito con riferimento alle tavole di disegno allegate in cui:

- la figura 1 à ̈ una vista schematica di un corpo monolitico, nell’esempio un elemento sostanzialmente e/o genericamente piastriforme, comprendente un foro passante per il passaggio di un fluido e una pluralità di guide d’onda, tale elemento piastriforme à ̈ parte di un dispositivo per monitorare la presenza di contaminanti in un fluido, ad esempio un olio industriale;

- la figura 1A differisce dalla figura 1 per il fatto che l’elemento piastriforme anziché essere un corpo monolitico à ̈ ottenuto accoppiando due corpi;

- la figura 2 à ̈ una vista schematica di una forma di realizzazione alternativa dell’elemento sostanzialmente e/o genericamente piastriforme di figura 1;

- la figura 3 à ̈ una vista in esploso di un dispositivo per misurare contaminanti in un fluido che comprende l’elemento piastriforme di figura 1 o 2;

- la figura 4 mostra lo stesso dispositivo di figura 3 quando assemblato;

- la figura 5 Ã ̈ una vista schematica di una ulteriore forma di realizzazione del corpo piastriforme; - la figura 6 Ã ̈ una vista schematica di un corpo piastriforme in sezione;

- la figura 7 sono quattro diagrammi che mostrano come varia la trasmittanza (l’inverso dell’assorbanza) di un olio industriale ad uno spessore costante di 2 mm, in funzione della frequenza della radiazione elettromagnetica e del tempo di lavoro dell’olio (e quindi della concentrazione dei contaminanti presenti nell’olio);

- la figura 8 à ̈ un ingrandimento di un particolare dell’elemento piastriforme di figura 1; e - la figura 9 à ̈ un ingrandimento di un particolare dell’elemento piastriforme di figura 2.

Con riferimento alla numerazione utilizzata nelle tavole di disegno allegate il numero 1 indica, nel suo complesso, un dispositivo per misurare la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido in movimento.

In una possibile forma di utilizzo dell’invenzione il dispositivo monitora il contenuto di morchie presenti in un olio industriale.

Il dispositivo 1 comprende un generatore di radiazione elettromagnetica (non mostrato) per generare, in maniera simultanea od alternata, n ≥2 fasci di radiazione elettromagnetica incidente 2.1,…, 2.n, aventi n diverse lunghezza d’onda λ1, .. λn .

In una possibile forma di realizzazione il generatore di radiazione elettromagnetica comprende due Led che operano a frequenze diverse λ1, λ2.

Vi à ̈ poi un corpo in materiale trasparente 3, 3a, 3b , ad esempio un corpo con struttura monolitica 3, avente una pluralità di facce esterne 3.1, 3.2, …3.n ed una cavità 4, con asse di sviluppo X e una parete laterale 41 per il passaggio di un fluido da monitorare.

Nelle forme di realizzazione di figura 1, 1A e 2 la parete laterale 41 ha forma sostanzialmente cilindrica.

Nella forma di realizzazione di figura 1A il corpo in materiale trasparente comprende due metà 3a, 3b accoppiate fra loro.

Indicativamente la cavità 4 ha una sezione trasversale compresa fra 0,5 e 1 mm<2>.

Per materiale trasparente si intende un materiale con una trasmittanza T, misurata alle lunghezze d’onda utilizzate dal dispositivo, pari ad almeno 0,9.

In una possibile forma di realizzazione il corpo 3 Ã ̈ realizzato in vetro.

Sono previste prime guide d’onda 51;51a, 51b che collegano almeno una delle facce esterne 3.1, 3.2, …3.n del corpo 3 con una o più prime porzioni 42; 42a, 42b della parete 41 della cavità 4.

Le prime guide d’onda 51;51a, 51b sono atte a convogliare, in maniera simultanea o alternata (negli esempi illustrati in maniera simultanea), n ≥2 fasci di radiazione incidente 2.1,.., 2.n verso almeno una prima porzione 42; 42a, 42b della parete 41 della cavità 4.

Sono altresì previste seconde guide d’onda 61; 61a, 61b che collegano una o più seconde porzioni 43; 43 a, 43b, …43k della parete 41 della cavità 4 con almeno delle facce esterne 3.1, 3.2, …3.n del corpo 3.

Le seconde guide d’onda 61; 61a, 62b collegano una o più seconde porzioni 43; 43 a, 43b, …43k della parete 41 della cavità 4 con almeno una delle facce esterne 3.1, 3.2, …3.n del corpo 3.

Le seconde guide d’onda sono atte a ricevere, in maniera simultanea od alternata (negli esempi illustrati in maniera simultanea), per ogni lunghezza d’onda λ1, .. λ n un fascio di radiazione 7.1, ..7.n trasmesso direttamente attraverso la cavità 4.

Le prime e le seconde guide d’onda possono avere una sezione genericamente e/o sostanzialmente circolare con un diametro compreso fra 20 e 600 Î1⁄4m.

Sono previsti sensori di radiazione elettromagnetica (non mostrati) per misurare selettivamente l’assorbanza D1, ..,Dn del fluido che attraversa la cavità 4, 4a, 4b per ognuna delle n diverse lunghezza d’onda λ1, .. λ n.

Le prime e le seconde guide d’onda 51;51a, 51b e 62; 61a, 62b sono guide d’onda integrate nel corpo 3 realizzate modificando localmente l’indice di rifrazione del materiale utilizzando un laser ad impulsi (femtolaser).

La tecnologia di fabbricazione basata su irraggiamento con laser a femtosecondi à ̈ di particolare interesse in quanto consente processi di lavorazione semplici e flessibili, evitando la necessità di ricorrere all’uso di processi litografici e di camere bianche, riducendo così i costi di investimento iniziali e la quantità di agenti chimici rilasciati nell’ambiente.

La tecnologia femtolaser può essere utilizzata anche per creare la cavità 4.

Nella forma di realizzazione illustrata le prime guide d’onda 51;51a, 51b sono collegate otticamente ai generatori di radiazione elettromagnetica (emettitori) per mezzo di un primo accoppiatore di fibre ottico 55 .

Analogamente le seconde guide d’onda 61; 61a, 61b sono collegate otticamente ai sensori di radiazione elettromagnetica per mezzo di un secondo accoppiatore di fibre ottiche 65.

Questa soluzione non à ̈ vincolante; in una forma di realizzazione alternativa, non mostrata, i sensori e gli emettitori poggiano direttamente sulle pareti laterali del corpo 3 in corrispondenza delle estremità delle varie guide d’onda.

Sono poi previsti mezzi per misurare la differenza di assorbanza ΔD fra la prima lunghezza d’onda λ1 e la rimanente o le rimanenti lunghezze d’onda λ2 adoperate (ad esempio uno spettrofotometro).

In una possibile forma di realizzazione (figura 5), la cavità 4 del corpo 3 ha una sezione genericamente quadrangolare, o comunque comprende due pareti piane parallele 411, 412.

In questa ulteriore forma di realizzazione le prime guida d’onda 51a, 51b sono atte a creare simultaneamente, all’interno della cavità 4, n fasci di radiazione incidente 2.1, .., 2.n aventi n diverse lunghezze d’onda, paralleli e distinti fra loro e sostanzialmente e/o generalmente ortogonali alle pareti piane parallele 411, 412.

Le seconde guide d’onda 61a, 61b sono atte a ricevere n fasci di radiazioni elettromagnetiche 7.1, .., 7.n trasmessi direttamente dalle prime guide d’onda 51a, 51b.

In una possibile forma di realizzazione (figura 1, figura 1A e figura 8) le prime guide d’onda 51 comprendono una guida d’onda ramificata 51 atta a convogliare, all’interno della cavità 4, n fasci di radiazione 7.1, …7.n coassiali fra loro.

In una ulteriore forma di realizzazione (figura 2, figura 5 e figura 9) il numero di frequenze n utilizzate à ̈ pari a 2 e le prime guida d’onda 51a, 51b sono atte a trasmettere, all’interno della cavità 4, due fasci di radiazione 2.1, 2.2 sostanzialmente e/o generalmente ortogonali fra loro.

Di conseguenza le seconde guide d’onda 61a, 61b sono atte a ricevere due fasci di radiazioni elettromagnetiche 7.1, 7.2 sostanzialmente e/o generalmente ortogonali fra loro e provenienti dalle prime guide d’onda 51a, 51b.

Nelle forme di realizzazione illustrate sono utilizzate due frequenze d’onda λ1 e λ2.

I valori delle frequenze d’onda utilizzate dipendono dal liquido da monitorare e dal contaminante che si desidera rilevare.

Ad esempio volendo monitorare le morchie degli olii industriali λ1 à ̈ compreso fra 660 e 680 nm, e λ2 à ̈ compreso fra 400 e 425 nm.

Nelle forme di realizzazione mostrate nelle figure 1, 1A e 2 le vi sono terze guide d’onda 62, 62..62 atte a ricevere fasci di radiazione trasmessi per diffusione (nell’esempio illustrato diffusione in avanti) attraverso la cavità 4.

Questa caratteristica consente di utilizzare il dispositivo per analizzare anche altre caratteristiche chimico/fisiche del fluido che attraversa la cavità 4.

In una possibile forma di realizzazione (figure 3 e 4) il corpo 3 à ̈ trattenuto da una coppia di piastre 131, 132 di fissaggio aventi un foro 151, 152 in corrispondenza della cavità 4 del corpo 3.

La cavità 4 à ̈ collegata ad un circuito idraulico (non mostrato) per mezzo di raccordi 141, 142; tra le piastre 131, 132 e il corpo 3 sono interposte guarnizioni 161, 162 per impedire perdite durante lo scorrimento del flusso da monitorare all’interno della cavità 4.

I dispositivi descritti ed illustrati permettono quindi di eseguire un procedimento per misurale la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido che scorre in una cavità 4 comprendente i passi di misurare:

a) l’assorbanza D1 in corrispondenza di una prima lunghezza d’onda λ1, sostanzialmente e/o generalmente poco sensibile alla concentrazione del contaminante che si desidera rilevare; b) l’assorbanza D2 in corrispondenza di almeno una seconda lunghezza d’onda λ2, in cui la sensibilità alla concentrazione del contaminante à ̈ maggiore (idealmente massima) rispetto a quella della prima lunghezza d’onda λ1;

c) misurare la differenza di assorbanza ΔD fra la prima lunghezza d’onda λ1 e la seconda lunghezza d’onda λ2.

Nel caso degli olii industriali si nota che la crescita della concentrazione dei contaminanti influenza poca l’assorbanza D per lunghezze d’onda superiori ai 650 nm mentre ha una forte influenza per le lunghezze d’onda comprese fra i 400 nm e i 450 nm.

In concreto un controllo in tempo reale del livello di contaminazione degli olii industriali può ridurre il consumo di olii industriali del 30%, con una notevole riduzione dei costi di smaltimento degli olii e dell’impatto ambientale legato al trattamento degli olii contaminati stessi.

Claims (8)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo (1) per misurare la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido in movimento, comprendente a) generatori di radiazione elettromagnetica per generare, in maniera simultanea od alternata, n ≥2 fasci di radiazione elettromagnetica incidente (2.1,…, 2.n), aventi n diverse lunghezza d’onda λ1, .. λn ; b) un corpo in materiale trasparente (3), avente una pluralità di facce esterne (3.1, 3.2, …3.n) ed una cavità (4), con asse di sviluppo (X) e una parete laterale (41), per il passaggio di un fluido da monitorare, detto corpo (3) comprendendo: b1) prime guide d’onda (51;51a, 51b) che collegano almeno una di dette facce esterne (3.1, 3.2, …3.n) di detto corpo (3) con una o più prime porzioni (42; 42a, 42b) della parete (41) di detta cavità (4), dette prime guide d’onda essendo collegate otticamente a detti generatori di radiazione elettromagnetica, dette prime guide d’onda (51;51a, 51b) essendo atte a convogliare, in maniera simultanea o alternata, n ≥2 fasci di radiazione incidente (2.1,.., 2.n) verso almeno una prima porzione (42; 42a, 42b) della parete (41) di detta cavità (4); b2) seconde guide d’onda (61; 61a, 61b), che collegano una o più seconde porzioni (43; 43a, 43b) della parete (41) di detta cavità (4) con almeno una di dette facce esterne (3.1, 3.2, …3.n) di detto corpo (3), dette seconde guide d’onda (61; 61a, 61b) essendo atte a ricevere, in maniera simultanea od alternata, per ogni lunghezza d’onda λ1, .. λn, un fascio di radiazione (7.1, ..7.n) trasmesso direttamente attraverso detta cavità (4); c) sensori di radiazione elettromagnetica per misurare selettivamente l’assorbanza (D1, ..,Dn) di un fluido che attraversa detta cavità (4, 4a, 4b) in corrispondenza di dette n diverse lunghezza d’onda λ1, .. λn, detti sensori di radiazione elettromagnetica essendo collegati otticamente a dette seconde guide d’onda (61; 61a, 61b); d) mezzi per misurare la differenza di assorbanza (ΔD) fra la prima lunghezza d’onda λ1 e la rimanente o le rimanenti lunghezze d’onda λ2 adoperate.
2. 2. Dispositivo (1), secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui - detta cavità (4) comprende due pareti piane parallele (411, 412), ed in cui - dette prime guida d’onda (51a, 51b) sono atte a creare simultaneamente, all’interno di detta cavità (4), n fasci di radiazione incidente (2.1, .., 2.n) aventi n diverse lunghezze d’onda, paralleli e distinti fra loro ed ortogonali a dette pareti piane parallele (411, 412); - dette seconde guide d’onda (61a, 62b) sono atte a ricevere n fasci di radiazioni elettromagnetiche (7.1, .., 7.n) trasmessi direttamente da dette prime guide d’onda (51a, 51b).
3. 3. Dispositivo (1), secondo la rivendicazione 1, in cui dette prime guide d’onda (51a ,51b) comprendono una guida d’onda ramificata atta a convogliare , all’interno di detta cavità (4), n fasci di radiazione (7.1, …7.n) coassiali fra loro.
4. 4. Dispositivo (1), secondo la rivendicazione 1, in cui - n =2 ed in cui - dette prime guida d’onda (51a, 51b) sono atte a trasmettere, all’interno di detta cavità (4), due fasci di radiazione sostanzialmente e/o generalmente ortogonali fra loro, ed in cui - dette seconde guide d’onda (61a, 62b) sono atte a ricevere due fasci di radiazioni elettromagnetiche (7.1, 7.2) sostanzialmente e/o generalmente ortogonali fra loro e provenienti da dette prime guide d’onda (51a, 51b).
5. 5. Dispositivo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui n=2 e λ1 à ̈ compreso fra 660 e 680 nm, ed in cui λ2 à ̈ compreso fra 400 e 425 nm.
6. 6. Dispositivo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui sono presenti terze guide d’onda (62, 62..62) atte a ricevere fasci di radiazione trasmessi per diffusione attraverso detta cavità (4).
7. 7. Procedimento per misurale la concentrazione di almeno un contaminante presente in un fluido che scorre in una cavità (4) comprendente i passi di misurare: a) l’assorbanza (D1) in corrispondenza di una prima lunghezza d’onda λ1, sostanzialmente e/o generalmente poco sensibile alla concentrazione di detto almeno un contaminante; b) l’assorbanza (D2) in corrispondenza di almeno una seconda lunghezza d’onda λ2, in cui la sensibilità alla concentrazione di detto almeno un contaminante à ̈ maggiore rispetto a detta prima lunghezza d’onda λ1; c) misurare la differenza di assorbanza (ΔD) fra detta prima lunghezza d’onda λ1 e detta almeno seconda lunghezza d’onda λ2.
8. 8. Procedimento, secondo la rivendicazione 7, in cui detto fluido à ̈ olio a base idrocarburica o a base sintetica, ed in cui λ1 à ̈ compreso fra 660 e 680 nm, ed in cui λ2 à ̈ compreso fra 400 e 425 nm.