ITGE20130123A1 - Metodo per determinare la densita' di fluidi e dispositivo per la sua attuazione - Google Patents

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:

“Metodo per determinare la densità di fluidi e dispositivo per la sua attuazione ”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce, da un punto di vista generale, ad un metodo per determinare la densità di fluidi, in particolare fluidi circolanti all’interno di tubi, condotte e simili.

L’invenzione è indicata soprattutto per applicazioni industriali nelle quali sono coinvolti fluidi torbidi, quali quelli derivanti dalle attività di estrazione mineraria, dal trattamento di fanghi, dalle costruzioni civili e quant’altro.

In tali applicazioni si svolgono infatti dei processi lavorativi dove occorre controllare la densità di fluidi acquosi nei quali sono disperse particelle di sabbia, minerale, terra o simili; per esempio è questo il caso che si verifica durante la estrazione dei minerali, quando si deve separare il minerale d’interesse (es. carbone, rame ecc.) da quello di scarto. Il materiale estrattivo, dopo essere stato frantumato in particelle di granulometria prefissata, viene lavato con acqua e le particelle disperse nella massa acquosa devono poi essere separate; a tal fine, rilevando la densità del fluido durante il processo si riesce a verificare il grado di separazione raggiunto ed eventualmente apportare le correzioni del caso (es. variare la portata d’acqua o del minerale) in retroazione.

Per questo scopo è noto utilizzare dei misuratori di densità nucleari.

Questi ultimi comprendono una sorgente di radiazioni disposta su un lato di un condotto dove fluisce il liquido di cui si deve misurare la densità, ed un rilevatore di radiazioni disposto dal lato opposto: la quantità di radiazioni rilevate dipende dalla schermatura offerta dal liquido nel condotto.

Il misuratore viene calibrato usando un gas o un liquido avente densità nota, mentre la densità dei fluidi è calcolata sulla base di relazioni fisico-matematiche (eq. Beer-Lambert o altre); pertanto, irradiando con raggi gamma un tubo dove passa il fluido si misura la quantità di radiazione ricevuta e si determina, in base alle relazioni anzidette, la densità del fluido (è solo il caso di aggiungere come i misuratori di questo tipo sono associati ad elaboratori, computer o simili mezzi idonei ad eseguire i calcoli necessari per stabilire la densità).

In alternativa si possono utilizzare radiazioni di neutroni e misurare la densità sulla base della energia dei neutroni di rientro dispersi a causa dell’idrogeno; infatti l’idrogeno presenta la caratteristica di rallentare i neutroni e pertanto il sensore può calcolare la densità di idrogeno presente in un una massa fluida.

In generale i sistemi di misurazione della densità di tipo nucleare qui sommariamente menzionati, sono molto precisi e quindi soddisfacenti dal punto di vista delle prestazioni; tuttavia essi presentano alcune controindicazioni importanti.

La prima è legata alla presenza di radiazioni: è infatti evidente che nei siti produttivi dove devono essere eseguite le misurazioni di densità, occorre prendere delle precauzioni speciali per poter operare in sicurezza con queste tecniche.

Pertanto sia gli apparati nucleari che le zone degli impianti dove essi sono installati devono essere in qualche modo schermati contro le radiazioni: ciò comporta inevitabilmente un aumento dei costi e delle procedure di sicurezza durante il ciclo produttivo; per esempio si dovranno predisporre degli ambienti appositi dove installare le apparecchiature di misurazione della densità, ai quali solo le persone autorizzate potranno accedere.

Ulteriormente, per l’utilizzo delle apparecchiature bisognerà istruire personale specializzato ed anche questo incide negativamente sui costi.

Peraltro, la precisione degli strumenti di misura nucleari deve essere periodicamente registrata per via del decadimento delle proprietà radioattive dei materiali (di solito sotto forma di isotopi) quali il cesio, il radio, l’americio, il berillio ed altri materiali utilizzati per queste applicazioni, così che anche sotto il profilo delle prestazioni le soluzioni note possono presentare dei limiti.

Questo quadro negativo è inoltre acuito dal fatto che i luoghi dove vengono installati i dispositivi misuratori di densità, sono di solito impianti minerari, cave estrattive, cantieri e similari, vale a dire ambienti esposti agli agenti atmosferici e che frequentemente si trovano in siti geografici con condizioni climatiche piuttosto difficili (molto caldo d’estate e molto freddo d’inverno).

Per le applicazioni più sopra delineate sarebbe quindi auspicabile poter eseguire le misure di densità senza le controindicazioni dovute all’impiego di strumenti di tipo nucleare: il problema tecnico che si pone alla base della presente invenzione è pertanto quello di mettere a disposizione un metodo per la misurazione della densità di fluidi, in particolare fluidi presenti in tubi, condotti e simili, con caratteristiche di struttura e funzionamento tali da superare gli inconvenienti esposti con riferimento allo stato della tecnica.

L’idea di soluzione di tale problema è quella di eseguire rilevazioni della densità di un fluido, sfruttando l’effetto della gravità: ciò permette di evitare l’applicazione di radiazioni eliminando quindi alla radice tutte le controindicazioni connesse a questa tecnica, di cui si è detto sopra.

Le fasi attuative del metodo secondo l’invenzione sono enunciate specificamente nelle rivendicazioni annesse a questa descrizione; il presente trovato comprende inoltre un dispositivo per attuare il metodo anzidetto, le cui caratteristiche sono anch’esse enunciate specificamente nelle rivendicazioni.

L’invenzione nel suo complesso, con gli aspetti strutturali e funzionali, gli effetti che ne risultano ed i vantaggi conseguiti, risulteranno maggiormente dalla descrizione che viene di seguito riportata di un suo esempio preferito e non limitativo di realizzazione, mostrato nei disegni allegati in cui:

- fig.1 mostra una vista in prospettiva di un dispositivo in accordo con l’invenzione;

- fig.2 mostra una vista laterale del dispositivo di fig.1;

- fig.3 è una vista in sezione lungo la linea III-III di fig.2;

- fig.4 è un particolare del dispositivo di fig.1;

- fig. 5 mostrano una vista laterale di una variante del dispositivo misuratore delle figure precedenti;

- fig.6 e 7 mostrano rispettive viste in sezione lungo le linee VI-VI e VII-VII di fig.5. Con riferimento ai disegni, in essi con 1 è indicato complessivamente un dispositivo misuratore della densità in accordo con la presente invenzione.

Come si vede, il dispositivo 1 comprende un tubo 2 disposto preferibilmente inclinato su una struttura di supporto la quale comprende un longherone 3 orizzontale appoggiato su delle colonne o cavalletti 4; ovviamente la struttura di supporto del tubo 2 potrà essere anche differente rispetto a quella mostrata, in funzione dell’impianto in cui è installato il dispositivo misuratore 1.

Si potranno avere pertanto altri elementi di sostegno diversi dai cavalletti (es. colonne, staffe sospese dall’alto ecc.) e più in generale, qualunque struttura in grado di svolgere le funzioni che risulteranno meglio dal prosieguo potranno essere utilizzate per l’invenzione. In questo esempio il tubo 2 è fissato ad una traversa 5 collegata al longherone 3 da una coppia di piastre 6 laterali.

In accordo con una forma preferita dell’invenzione, alle estremità del tubo 2 sono presenti degli inserti tubolari 9 in gomma o di tipo tubolare corrugato, per il suo collegamento con l’impianto nel quale è installato il dispositivo 1 in modo da consentire movimenti relativi tra il tubo 2 e i condotti adiacenti dell’impianto; a tal fine gli inserti 9 possono essere dotati di flange 10 di collegamento, come mostrato nei disegni.

Nella parte posteriore il tubo 2 è collegato al longherone 3 mediante un tirante 12 la cui estremità superiore è associata ad una cella di carico 13, posta sul longherone 3.

La cella di carico13 permette quindi di rilevare la tensione del tirante 12 determinata dal peso del tubo 2 e delle sue variazioni nel tempo.

A tale scopo la cella 13 invia i dati da essa rilevati, sotto forma di segnali elettrici, ad una unità di controllo 15 (es. un elaboratore elettronico tipo PC, PLC o altro) alla quale è collegata in maniera di per sé nota.

L’unità di controllo 15 elabora i dati rilevati ed in accordo con una forma di realizzazione preferita, mostra su uno schermo 16 il valore attuale della densità del fluido che passa in quel momento nel tubo 2.

L’unità di controllo 15 è inoltre collegata alla rete elettrica per la sua alimentazione, ed a mezzi di regolazione del flusso di fluido passante nel tubo 2, quali valvole, pompe, filtri ecc.

In particolare l’unità di controllo è programmabile per operare secondo il seguente procedimento.

Con la cella di carico 13 si eseguono delle rilevazioni del peso del tubo 2 sia a vuoto, che in presenza al suo interno di fluidi aventi una densità prefissata; ad esempio, nel caso tipico di applicazioni per la separazione dinamica di materiali con separatori a mezzo denso (quali quelli realizzati dalla odierna richiedente ed oggetto di alcune domande di brevetto) oppure con separatori a ciclone, decantatori e simili, si varia la densità del fluido aggiungendo una sospensione acquosa di magnetite e/o ferrosilicio finemente macinati (tipicamente < 100 micron per separazione statica e < 50 micron per la separazione dinamica come in questo caso: questi minerali sono facilmente recuperabili nell’ambito del funzionamento dell’impianto con sistemi di recupero elettromagnetici e possono quindi essere riutilizzati per nuovi cicli operativi.

Operando una variazione di densità secondo queste modalità e con quantitativi aggiunti prefissati di magnetite e/o ferrosilicio, si ottiene una tabella oppure una curva di riferimento che riporta differenti valori del peso del tubo 2, a seconda della densità del fluido presente al suo interno.

Pertanto, quando si deve misurare la densità di un fluido del quale non sono note le caratteristiche fisiche, l’unità di controllo 15 è in grado stabilirne la densità in funzione del peso del tubo 2 rilevato dalla cella di carico 13, elaborando il valore del peso sulla base dei dati della tabella o della curva di riferimento memorizzata al suo interno.

In accordo con una possibile forma realizzativa, l’elaborazione condotta dalla unità di controllo 15 è il risultato di una interpolazione dei dati di riferimento, con una tolleranza di errore inferiore a ± 1%; indicativamente, nel caso di un fluido dove sono in sospensione particelle solide aventi peso specifico (cioè densità moltiplicata per l’accelerazione di gravità) 4,5 e concentrazione pari al 60 % in peso, la concentrazione misurata varierebbe da un minimo di 59,3 % ad un massimo di 60,7 %.

Ovviamente si potranno avere più tabelle o curve di riferimento in funzione dei diversi fluidi, in quanto questi ultimi hanno densità che varia a seconda del tipo di materiale in sospensione (magnetite, ferrosilicio o altro).

Occorre comunque osservare che la determinazione della densità può essere fatta in tempo reale ed in modo continuativo, facendo in modo che la cella di carico trasmetta i segnali di forza rilevati alla unità di controllo, ad intervalli di tempo più o meno ravvicinati (secondi o frazioni di secondo) a seconda delle esigenze.

In questo contesto si deve poi sottolineare l’importanza del ruolo assunto dagli inserti tubolari 9 in gomma posti alle estremità del tubo 2; essi infatti rendono minimo l’effetto del collegamento del tubo 2 con il resto dell’impianto nel quale è inserito il dispositivo 1, assorbendo eventuali vibrazioni, deformazioni e sollecitazioni in genere, trasmesse al tubo. Ciò rende quindi le rilevazioni della cella di carico 13 precise in quanto non falsate da errori che potrebbero essere dovuti a fattori esterni; si pensi per esempio al caso delle dilatazioni termiche differenziali dei tubi causate dalle variazioni di temperatura tra stagioni estive ed invernali, che in alcuni luoghi possono raggiungere svariate decine di gradi centigradi.

Un ulteriore aspetto vantaggioso del dispositivo dell’invenzione è connesso alla inclinazione del tubo 2, la quale permette il deflusso del liquido al suo interno anche quando si interrompe il pompaggio del fluido.

Infatti quando l’impianto nel quale è installato il dispositivo 1 viene fermato per un qualunque motivo (es. alla fine di un ciclo di lavoro oppure per manutenzione o altro) e si interrompe quindi il pompaggio del liquido, quest’ultimo rifluisce verso il basso per via della pendenza del tubo 2 favorendone lo svuotamento.

L’inclinazione può essere di un angolo di 10-20° rispetto all’orizzontale: ciò evita che il materiale in sospensione nel liquido si depositi sul fondo del tubo 2, come invece potrebbe accadere qualora il tubo fosse disposto orizzontalmente.

Da quanto finora esposto è dunque possibile comprendere come il dispositivo misuratore 1 risolva il problema tecnico che è alla base dell’invenzione.

Infatti esso è un dispositivo che non fa uso di strumentazione nucleare come quelle note nella tecnica; a tal fine sfrutta l’effetto della gravità e del peso del tubo e del liquido al suo interno, per stabilirne la densità; questa è di fatto un parametro che viene valutato indirettamente, vale a dire che il parametro misurato è la rilevazione di forza fatta dalla cella di carico 13, la quale viene quindi elaborata come spiegato sopra per fornire una indicazione della densità del fluido, che è il parametro che interessa.

Il dispositivo così concepito risulta semplice da realizzare ed affidabile nel funzionamento, in quanto i suoi componenti sono tutti commercialmente disponibili, a partire dalla cella di carico alla unità di controllo, e possono essere utilizzati in condizioni ambientali difficili come quelle delle applicazioni nei settore minerario o estrattivo cui esso è destinato.

Naturalmente sono possibili varianti del dispositivo 1 secondo l’invenzione rispetto all’esempio considerato.

Ricordando infatti quanto sopra accennato circa la struttura di supporto del tubo con il longherone 3 ed i cavalletti 4, si potranno avere soluzioni assai differenti nelle quali, per esempio, il tubo venga sostenuto con travature, impalcature e simili; ciò che conta è comunque che il tubo 2 venga supportato in modo da poter rilevare in modo efficace il peso.

A tale riguardo si deve osservare come anche la soluzione mostrata nei disegni è vantaggiosa perché permette di amplificare l’effetto delle variazioni di peso complessivo dovute a corrispondenti variazioni di densità del fluido, in quanto la cella di carico13 si trova distanziata dalla parte anteriore del tubo che appoggia sulla traversa 5.

In questo modo quando si verifica una variazione del peso complessivo, il corpo del tubo compie una leggera rotazione rispetto alla traversa di sostegno 5; lo spostamento del tubo 2 connesso a tale rotazione è tanto maggiore quanto più grande è la distanza della cella dal centro di rotazione, che si può fare coincidere all’incirca con la traversa 5.

In pratica, se θ è l’angolo di inclinazione del tubo 2 (di solito nell’ordine 10-30 °) e R è la distanza tra l’asse di rotazione, che si può assumere coincidente con la traversa 5, e il punto in cui il tirante 12 associato alla cella 13 è collegato al tubo 2, si può dire che lo spostamento ΔS di tale punto per una rotazione di un angolo Δθ risulta: ΔS = Δθ x R; pertanto, più grande è R maggiore è lo spostamento ΔS (a parità di rotazione Δθ) e, quindi, la sollecitazione che viene trasmessa alla cella di carico 13 dal tirante 12.

Di conseguenza, in accordo con una possibile variante realizzativa del trovato, il dispositivo 1 è predisposto per il montaggio della cella di carico 13 in più posizioni lungo il longherone 3; in questo modo si possono eseguire delle rilevazioni in punti differenti del tubo 2 aventi rispettive distanze R dalla traversa 5.

Ciò permette di adattare il dispositivo misuratore dell’invenzione alle varie applicazioni che si possono verificare nella realtà pratica; infatti la lunghezza del tubo 2 può variare da un impianto all’altro anche in modo significativo, così come pure il suo diametro e di conseguenza anche il suo peso; ne discende che per adattare il funzionamento della cella di carico 13 alle diverse situazioni, può essere conveniente montarla in una posizione diversa a seconda delle situazioni.

E’ peraltro comprensibile che per rilevare le variazioni di peso del tubo 2 esso potrebbe appoggiare su una cella di carico sottostante, invece che la cella 13 essere in alto e collegata al tubo da un tirante 12; in tal caso è evidente che la cella non sarà più sul longherone 3 ma dovrà essere a sua volta appoggiata su una base di supporto.

Un’altra possibile variante dell’invenzione è mostrata nelle figure 5, 6 e 7, nelle quali è mostrata secondo diversi punti vista, di lato, in sezioni orizzontale e verticale; nelle figure gli elementi strutturalmente e/o funzionalmente equivalenti a quelli già visti sono indicati con gli stessi riferimenti numerici, contraddistinti con un apice.

Come si può facilmente notare, in questo caso il tubo 2’ del dispositivo 1’ non è più rettilineo, bensì curvo; vantaggiosamente il tubo è configurato a “U” e permette quindi di avere l’ingresso e l’uscita del liquido disposti da una stessa parte rispetto alla struttura di supporto, la quale comprende un longherone 3’, dei cavalletti 4’ preferibilmente irrigiditi da una traversa 5’.

Sotto la cella di carico 13’, intorno ai due rami della forma a “U” del tubo è avvolta una fascetta o reggetta 18’ alla quale è collegato un tirante 12’, similmente a quanto visto prima: questa fascetta rende solidali i due rami della forma a “U” del tubo, permettendo quindi di rilevare il loro peso complessivo. Per il resto questa variante corrisponde all’esempio precedente, in quanto comprende anch’essa una unità di controllo alla quale è collegata la cella di carico 13’ e che effettua l’elaborazione dei dati ricevuti per stabilire la densità del fluido.

E’ comprendibile come questa soluzione sia vantaggiosa per vari motivi; il primo è che in questo modo è possibile effettuare delle misure di densità con riferimento al peso dell’intero tubo 2 a “U”, tra i due inserti tubolari 9’. Questo permette di effettuare delle misure di densità su tutto il fluido presente nel tubo e non in uno solo dei due rami, che potrebbero portare a degli errori dovuti a delle differenze intrinseche: per esempio nel ramo ascendente o in quello discendente con riferimento al flusso del liquido, si potrebbero accumulare dei depositi che alterano in qualche modo le misure di densità qualora fossero eseguite in uno solo dei due rami.

Un secondo vantaggio derivante dalla forma a “U” del tubo è quello che l’ingresso e l’uscita del dispositivo 1’ si trovano dalla stessa parte: il dispositivo risulta quindi compatto e può trovare vantaggiosa applicazione in impianti già esistenti. Si pensi infatti al caso in cui non sia possibile, per mancanza di spazio o altro, inserire un tubo come quello di fig.1 lungo una conduttura già esistente.

La soluzione con il tubo curvo può essere installata come una specie di by-pass laterale alla conduttura principale, alla quale è raccordato tramite le flange 10’ e gli inserti 9’.

Tutte queste varianti rientrano comunque nell’ambito delle seguenti rivendicazioni.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per determinare la densità di un fluido in un condotto (2) comprendente le fasi: i) misurare il peso del condotto (2) a vuoto; ii) effettuare una pluralità di misurazioni del peso del condotto (2) con all’interno rispettivi fluidi aventi densità note; iii) rilevare le variazioni di peso del condotto (2) nel quale passa un fluido di densità ignota; iv) determinare la densità ignota del fluido sulla base di quella dei fluidi con densità nota di cui alla fase ii).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente una fase per stabilire una correlazione tra il peso del condotto (2) e la densità nota di un rispettivo fluido al suo interno.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la correlazione comprende tabelle e/o grafici, relativi a valori di riferimento del peso del condotto (2) e della densità del fluido al suo interno.
4. 4. Metodo per la separazione di sostanze disperse in sospensione in un fluido, caratterizzato dal fatto per comprendere una fase di determinare la densità del fluido secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti e di correggere la separazione in funzione della densità determinata.
5. 5. Dispositivo per l’attuazione del metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente un condotto (2; 2’), una struttura (3, 4, 5; 3’, 4’, 5’) di supporto del condotto, mezzi (12, 13; 12’, 13’) per la rilevazione delle variazioni del peso del condotto (2; 2’), mezzi (15, 16; 15’, 16’) per determinare la densità di un fluido passante nel condotto (2; 2’) in funzione delle variazioni di peso rilevate.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui il condotto (2; 2’) è supportato in modo da poter oscillare in seguito a variazioni di peso.
7. 7. Dispositivo secondo le rivendicazioni 5 o 6, in cui i mezzi (12, 13; 12’, 13’) per la rilevazione delle variazioni del peso sono disposti a distanza (R; R’) prefissata da un asse di rotazione (5; 5’) rispetto al quale il condotto (2; 2’) è oscillante.
8. 8. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni 5, 6 o 7, in cui i mezzi (12, 13; 12’, 13’) per la rilevazione delle variazioni di peso comprendono una cella di carico (13; 13’) operativamente collegata ad una unità di controllo (15; 15’) del dispositivo.
9. 9. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui il condotto (2; 2’) è disposto inclinato rispetto ad una linea orizzontale.
10. 10. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 5 a 9, in cui il condotto (2; 2’) comprende alle estremità degli inserti (9; 9’) di collegamento con altri condotti, che consentono movimenti relativi tra di essi.
11. 11) Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 5 a 10, in cui il condotto (2; 2’) è rettilineo o curvo.