MX2013000025A - Estructura de electrodo de capacitancia para medir humedad. - Google Patents
Estructura de electrodo de capacitancia para medir humedad.Info
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Abstract
Un dispositivo (1) para medir la humedad de materiales que fluyen en forma de granulados líquidos o gaseosos secos, o en forma de polvos en al menos un conducto colocado al menos parcialmente a lo largo de un eje equis (X-X) a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, que comprende: -al menos un capacitor (Cx) donde el material del cual tiene que ser medida la humedad fluye, caracterizado porque el capacitor (CX) comprende -al menos dos anillos metálicos (3) montados coaxialmente al eje X-X y adyacentes a una pared interna del conducto a través del cual el material del cual tiene que ser medida la humedad fluye; -al menos un elemento dieléctrico (5) que tiene: una constante dieléctrico sustancialmente lineal con el cambio de la temperatura, y una expansión térmica menor de a = 27 x 106/°C.
Description
ESTRUCTURA DE ELECTRODO DE CAPACITANCIA PARA MEDIR HUMEDAD
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se relaciona con la medición industrial de humedad y particularmente, un dispositivo para medir humedad de productos procesados en tratamientos industriales.
Los aparatos para medir humedad son instrumentos adaptados para medir la humedad presente en una gran cantidad de muestras de sustancias y tienen numerosas aplicaciones, siendo usados en efecto en las industrias alimentaria, química y farmacéutica.
Existen diferentes tipos de aparatos para medir humedad.
WO8903527, por ejemplo, describe un instrumento electrónico portátil para medir humedad que comprende una sonda capacitiva y un circuito correspondiente que reúne el coeficiente dieléctrico de un material sondeado para obtener una señal correspondiente al contenido de humedad. La sonda comprende además una sonda de temperatura que reúne la temperatura del material sondeado y el circuito parece adaptado para proporcionar la compensación de temperatura para la señal obtenida para el contenido de humedad .
Por otro lado, la US4736156 describe un aparato para medir "en linea" la constante dieléctrica o porcentaje de humedad de un material, como el "tabaco" que se mueve dentro de las paredes del tubo o conducto. Es usada una diferencia capacitiva como medida.
El aparato está comprendido de un dispositivo con cuatro electrodos, con dos de los electrodos fuera de las paredes del tubo o conducto y dos de los electrodos conectados dentro de las paredes del tubo o conducto. Los dos electrodos internos son conectados por interruptores a los dos electrodos externos respectivamente, de tal manera que la primera y segunda capacitancia sea revelada en las terminales de salida del dispositivo de electrodos sobre la base de las posiciones de los interruptores. Las terminales de salida del dispositivo de electrodos se conectan a un oscilador que produce una señal de salida que indica la frecuencia de oscilación que es proporcional a la capacitancia medida en las terminales de dispositivo de electrodos. La señal de salida del oscilador es conectada a un microprocesador usado para calcular un valor proporcional al cambio de la capacitancia del dispositivo de electrodos cuando se han cerrado los interruptores. Este valor puede ser usado para determinar la constante dieléctrica o el porcentaje de humedad del material dentro del conducto.
La solicitante notó primero que en algunos dispositivos conocidos la medición de humedad no ocurre en linea durante el proceso de fabricación, sino por muestreo y medición subsecuente.
Un método similar es muy complicado, requiere mucho tiempo y la medición puede no ser confiable debido a numerosos elementos causados por un muestreo incorrecto.
En esos casos, la Solicitante observó además que el muestreo no es muy representativo de la producción en progreso debido a que los sistemas de laboratorio podrían muestrear únicamente unos cuantos gramos y en algunos procesos de fabricación no es posible tomar una muestra en el punto específico de interés, por ejemplo en los silos o secadores en un ambiente con nitrógeno.
La Solicitante también observó que en sistemas conocidos donde la medición ocurre en línea, los dispositivos de medición tienen una estructura compleja que es difícil el flujo de material en su interior y en consecuencia la medición de la humedad del material.
La Solicitante observó además que la estructura compleja de los sistemas de medición donde la medición ocurre en línea evitaría su fácil instalación e integración en el proceso de tratamiento y/o fabricación.
La Solicitante encontró que los problemas mencionados anteriormente podrían ser superados con un dispositivo para medir la humedad de materiales que fluyan en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos, o en forma de polvos adaptados para detectar los cambios de capacitancia de un capacitor que comprende la pluralidad de anillos donde el material el porcentaje de agua tiene que ser medido fluye.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
Por lo tanto, en un primer aspecto la invención se relaciona con un dispositivo para medir humedad de materiales que fluyan en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos, o en forma de polvos en al menos un conducto colocado al menos parcialmente a lo largo de un eje (X - X) a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, comprende:
- al menos un capacitor Cx donde el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, caracterizado porque el capacitor comprende:
al menos tres anillos metálicos montados coaxialmente al eje X - X y adyacentes a una pared interna del conducto a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye;
- al menos un elemento dieléctrico que tiene:
una constante dieléctrica sustancialmente lineal con el cambio de temperatura, y
una expansión térmica menor de a = 27 x 10~6/°C.
La presente invención, en el aspecto anterior, puede presentar al menos una de las características preferidas descritas aquí posteriormente.
Preferiblemente, al menos uno de los elementos dieléctricos comprende al menos un anillo de material dieléctrico que tiene una dimensión que corresponde sustancialmente a la dimensión de al menos tres anillos metálicos .
De manera conveniente, una superficie radialmente interna de los anillos metálicos se colocan sustancialmente alineada con la pared interna del conducto a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye .
Preferiblemente, el dieléctrico tiene una característica higroscópica baja.
Convenientemente, de acuerdo con una modalidad, el capacitor Cx comprende cuatro anillos de material dieléctrico y tres anillos metálicos interpuestos entre los cuatro anillos de material dieléctrico.
Además, el dispositivo para medir la humedad tiene al menos una unidad para compensar la expansión térmica de al menos un elemento dieléctrico.
Preferiblemente, la unidad de compensación comprende al menos un medio elástico y al menos un detector, colocado entre al menos un anillo de material dieléctrico y un borde para soportar el capacitor.
Para proporcionar una medición correcta en línea de la humedad, debido a que la constante dieléctrica del agua cambia a medida que cambia la temperatura, el dispositivo para medir la humedad comprende al menos una sonda de temperatura.
Preferiblemente, la sonda de temperatura es un detector RTD.
De manera ventajosa el capacitor es insertado en un circuito de puente.
De manera conveniente el circuito de puente comprende al menos una primera y segunda línea de energía eléctrica conectadas en paralelo, comprendiendo la primera línea al menos dos resistencias (Rl; R2) y comprendiendo la segunda línea al menos una resistencia de referencia (RX) y al menos el capacitor (Cx) .
Preferiblemente, el circuito de puentes se conecta a un oscilador adaptado para aplicar una señal sinusoidal variable determinada al circuito del puente para medir los cambios de capacitancia del capacitor.
De manera conveniente, el elemento dieléctrico es realizado sustancialmente en PTFE.
De manera alternativa, el elemento dieléctrico es realizado de manera sustancial en material de cerámica.
Además, las paredes internas del capacitor Cx son selladas herméticamente.
Esto hace el dispositivo capaz de operar en ambiente de nitrógeno también.
Las características y ventajas adicionales de la invención serán más evidentes a partir de la descripción detallada de algunas modalidades preferidas, pero no de manera exclusiva, de un dispositivo para medir humedad de materiales que fluyan en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos, o en forma de polvos de acuerdo con la presente invención .
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Está descripción será explicada aquí posteriormente con referencia a las figuras 1 a 4 anexas, proporcionadas para propósitos de ilustración únicamente, y por lo tanto no limitantes, donde:
La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de una primera modalidad del dispositivo de medición de acuerdo con la presente invención;
La figura 2 es una vista del despiece parcial, esquemática, del dispositivo de la figura 1;
La figura 3 es una vista esquemática de una modalidad del circuito de puente del dispositivo de medición de acuerdo con la presente invención; y
La figura 4 es una vista parcialmente en corte esquemática, de la unidad de compensación del dispositivo de medición de acuerdo con la presente invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Refiriéndose a las figuras 1-2, un dispositivo para medir la humedad en linea en procesos donde materiales que fluyen en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos son tratados, o en forma de polvos de acuerdo con la presente invención, es identificado con el número 1.
El dispositivo 1 está adaptado para su colocación en al menos un conducto no mostrado en estas fiquras, colocado al menos parcialmente a lo largo de un eje (X -X) , a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye.
El dispositivo 1 en la modalidad mostrada en las figuras 1 y 2 está provisto con al menos un capacitor (Cx) que comprende:
al menos tres anillos metálicos 3, cada uno provisto con su propia terminal 4 para una conexión eléctrica; y
al menos un elemento dieléctrico 5.
En una modalidad mostrada en las figuras 1 y 2 al menos un elemento dieléctrico 5 es representado por un anillo 6 de material dieléctrico que tiene sustancialmente la . misma forma y dimensión de los anillos metálicos 3 interpuestos entre los tres anillos metálicos.
De acuerdo con un aspecto ventajoso de la presente invención, para que la capacitancia del capacitor Cx sea constante tanto como sea posible independientemente de la humedad que fluya hacia el conducto, el material dieléctrico del que el elemento dieléctrico 5 está compuesto, está provisto con una constante dieléctrica sustancialmente lineal cuando cambia la temperatura tiene una expansión térmica baja cuando cambia la temperatura.
Preferiblemente, el material dieléctrico del cual está compuesto el elemento dieléctrico 5 tiene un coeficiente de expansión térmica lineal menor de a = 27 x 10"6/°C.
Preferiblemente, el material dieléctrico del cual está compuesto el elemento dieléctrico 5 tiene una constante dieléctrica mayor o igual a 1.
Además, el material dieléctrico del cual está compuesto el elemento dieléctrico 5 y tiene características higroscópicas bajas y baja porosidad.
Preferiblemente, el material dieléctrico del cual está compuesto el elemento dieléctrico 5 tiene una porosidad menor de 70 nm, preferiblemente menor de 30 nm, por ejemplo igual a 20 nm, posiblemente tendiente a cero.
Además, las paredes internas del capacitor Cx están herméticamente selladas.
El elemento dieléctrico 5 puede ser realizado de manera sustancial en material de cerámica o sustancialmente en PTFE.
La Solicitante encontró que los materiales anteriores tienen un comportamiento lineal o polinomial simple y por lo tanto únicamente es necesaria poca corrección o software para mantener el valor calculado de capacitancia del capacitor del dispositivo para medir humedad .
La Solicitante encontró además que es recomendable usar el PTFE para temperaturas de proceso menores de 50°C, mientras que se prefiere usar materiales de cerámica para temperaturas de proceso mayores de 50°C.
Para permitir que sea medida la humedad del material, preferiblemente en forma de gránulos, que fluyan a través del conducto, los anillos metálicos 3 del dispositivo 1 son anillos montados coaxialmente al eje X -X que tengan una sección sustancialmente circunferencial.
De manera alternativa, los anillos metálicos 3 pueden presentar una sección diferente, por ejemplo cuadrada, elíptica y/o estrellada, sin caer fuera del alcance de protección de la presente invención.
Los anillos metálicos 3 del mismo dispositivo tienen preferiblemente la misma forma y dimensión.
Igualmente, como se mencionó anteriormente, el elemento dieléctrico 5 está compuesto de anillos 6 de material dieléctrico provisto con las características mencionadas anteriormente, teniendo los anillos en la sección sustancialmente circular también y un diámetro que corresponda sustancialmente al diámetro de los anillos metálicos 3.
En detalle, en la modalidad mostrada en estas figuras, los anillos metálicos 3 están compuestos de una chapa metálica delgada cerrada para formar un anillo.
Preferiblemente, la chapa metálica tiene una altura H comprendida entre 3 mm y 25 mm, incluida en los extremos .
Además, la chapa metálica puede tener un espesor s comprendido entre 0.7 mm y 5 mm, incluido los extremos.
Para cubrir los anillos metálicos 3, cada anillo dieléctrico tiene un asiento interno 7 anular adaptado para alojar al menos parcialmente un anillo metálico 3.
Los asientos anulares 7 de dos anillos 6 del material dieléctrico adyacentes en la dirección X - X alojan de manera sustancialmente completa un anillo metálico 3.
De manera ventajosa, para adaptar el dispositivo de medición 1 a diferentes conductos, el dispositivo 1 de acuerdo con la presente invención presenta una estructura modular que permite que sea agregado el anillo metálico 3 y anillos del material dieléctrico 6.
Para ese objetivo, cada anillo de material dieléctrico 6 se tiene en la dirección axial X - X en la superficie plana superior sustancialmente anular 8 y una segunda superficie inferior 9 que corresponde sustancialmente a la primera en forma y dimensión y separada en está en la dirección axial X - X una medida igual a la altura del anillo 6 de material dieléctrico 3.
Con el dispositivo de medición 1 montado, a la superficie plana superior 8 de un anillo de material dieléctrico 6 se empalma sobre la superficie plana inferior 9 el anillo del material dieléctrico 6 adyacente en la dirección axial X - X.
De manera ventajosa, el dispositivo se monta en un conducto donde el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, de modo que al menos tres anillos metálicos 3 estén adyacentes a una pared interna del conducto .
En detalle, la superficie radialmente interna 11 de los anillos metálicos 3 es colocada de manera sustancialmente alineada en la dirección axial X - X con la pared interna del conducto, no mostrada en la figura 2.
Preferiblemente, la superficie radialmente interna 11 de los anillos metálicos 3 es colocada de manera sustancialmente alineada en la dirección axial X - X con la pared interna del conducto de modo que la pared interna 11 de los anillos metálicos 3 y la pared interna del conducto (no mostrada en esta figura) se nivelen de manera sustancial.
Preferiblemente, también la superficie radialmente interna 12 de los anillos del material dieléctrico 6 se coloca sustancialmente alineada en la dirección axial X - X con la pared interna del conducto, no mostrado en la figura 2.
Preferiblemente, la superficie radialmente interna 12 de los anillos metálicos 3 se coloca sustancialmente alineada la dirección axial X - X con la pared interna del conducto de modo que la pared interna de los anillos del material dieléctrico 6 y la pared interna del conducto estén sustancialmente alineadas.
En la modalidad preferida mostrada en las figuras 1 y 2, en el dispositivo 1 está compuesto de cinco anillos metálicos 3 y seis anillos de material dieléctrico 6, estando en cada anillo metálico 3 interpuesto entre dos anillos metálicos 3.
Los anillos metálicos 3 y los anillos de material dieléctrico 6 son montados por dos bordes anulares de restricción 14 y tornillos de montaje convenientes 13, dos en la modalidad mostrada en las figuras 2 y 3, separados angularmente a lo largo del perímetro del anillo.
Para compensar la expansión térmica eventual, el dispositivo 1 para medir la humedad comprende al menos una unidad 15 para compensar la expansión térmica.
Preferiblemente, tiene al menos una unidad de compensación 15 para el tornillo de montaje 13.
En la modalidad mostrada en la figura 3, la unidad de compensación 15 está compuesta de al menos un medio elástico 16 y al menos un detector 17.
Los medios elásticos 16, representados por un resorte helicoidal 18 que opera por compresión, se insertan sobre un tornillo de montaje 13 y un extremo del mismo y se colocan entre al menos un anillo de material dieléctrico 6 y un borde anular 14.
El detector 17 proporciona información de un procesador de control para corregir la constante dieléctrica detectada del paso de material del cual la humedad tiene que ser medida como función de la expansión térmica detectada.
Debido a que la temperatura es muy importante en el principio de operación del dispositivo 1, debido a que la constante dieléctrica cambia a medida que cambia la temperatura, el dispositivo de acuerdo con la presente invención tiene al menos una sonda de temperatura, no mostrada en la figura, adaptada para detectar la temperatura de proceso y enviar una señal a un procesador de control, no mostrada, para corregir la constante dieléctrica y posteriormente la humedad detectada.
Preferiblemente, la sonda de temperatura es un detector RTD, normalmente disponible en el mercado.
De acuerdo con un segundo aspecto particularmente ventajoso, el capacitor es insertado en un circuito de puente 29.
Un ejemplo de ese circuito de puente 29 es representado esquemáticamente en la figura 4 donde puede observarse que el circuito de puente 29 tiene al menos una primera 20 y una segunda 21 linea de alimentación eléctrica conectadas en paralelo.
La primera linea 20 comprende al menos dos resistencias Rl; R2 conectadas en serie, mientras que la segunda linea comprende al menos una resistencia de referencia RX conectada en serie al capacitor Cx.
Preferiblemente, el circuito de puente 29 se conecta en paralelo a un osciloscopio 19 adaptado para aplicar una señal sinusoidal variable determinada a circuitos de puente 29 para medir los cambios de capacitancia del capacitor Cx.
El dispositivo para medir la humedad de acuerdo con la presente invención puede medir el cambio de capacitancia del capacitor, relativamente a un valor de referencia, de un material, en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos, o en forma de polvos, que fluye en su interior. En detalle, los cambios de capacitancia del capacitor Cx de un material que fluya dentro de los anillos metálicos 3 y los anillos 6 de material dieléctrico, en relación a un valor de referencia.
El valor de referencia es el valor de capacitancia proporcionado por el mismo material completamente seco que fluya en el dispositivo, y es función de la constante dieléctrica del material completamente seco.
Después de la primera medición con el material completamente seco es posible llevar a cabo directamente la medición en línea de la humedad, la cual será función de los cambios de capacitancia del capacitor Cx.
El cambio de capacitancia del capacitor Cx cambia a medida que la constante dieléctrica del material que fluya en el interior del capacitor cambie con relación al valor de la constante dieléctrica del mismo material completamente seco.
Particularmente, además de otras consideraciones como por ejemplo la temperatura del material y la posible expansión térmica, la constante dieléctrica cambia a medida que cambia el número de dipolos de agua comprendidos en el material que fluya en el capacitor Cx.
Entonces, a través del cambio de capacitancia del capacitor Cx con relación a un valor de referencia y un procesamiento apropiado por un procesador de control, no mostrado, es posible medir el porcentaje de humedad del material que fluya a través del capacitor en si.
La presente invención ha sido descrita refiriéndose a algunas modalidades. En las modalidades aquí representadas con detalle pueden efectuarse varias modificaciones, permaneciendo aún dentro del alcance de protección de la invención, definida por las siguientes reivindicaciones .
Claims (15)
1. Un dispositivo para medir la humedad de materiales que fluyen en forma de gránulos secos, líquidos o gaseosos, o en forma de polvos en al menos un conducto colocado al menos parcialmente a lo largo del eje (X - X) a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, comprende: - al menos un capacitor (Cx) donde el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye, caracterizado porque el capacitor (Cx) comprende: al menos dos anillos metálicos montados coaxialmente al eje (X - X) y adyacentes una pared interna del conducto a través del cual el material del cual la humedad tiene que ser medida fluye; - al menos un elemento dieléctrico que tiene: una constante dieléctrica sustancialmente lineal con el cambio de temperatura, y una expansión térmica menor de a = 27 x 10~6/°C.
2. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un elemento dieléctrico comprende al menos un anillo de material dieléctrico.
3. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque una superficie radialmente interna de los electrodos se coloca sustancialmente alineada con la pared interna de al menos un conducto.
4. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque tiene una estructura modular .
5. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento dieléctrico tiene características de baja higroscopicidad .
6. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el capacitor (Cx) comprenda cuatro anillos del material dieléctrico y tres anillos metálicos interpuestos entre los cuatro anillos de material dieléctrico.
7. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende al menos una unidad para compensar la expansión térmica del material dieléctrico .
8. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la unidad de compensación comprende al menos un medio elástico y al menos un detector .colocado entre al menos un anillo de material dieléctrico y un borde para soportar el capacitor (Cx) .
9. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende al menos una sonda de temperatura.
10. El dispositivo para medir humedad de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el capacitor (Cx) es insertado en un circuito de puente.
11. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 10 caracterizado porque el circuito de puente comprende al menos una primera y una segunda linea de energía eléctrica conectadas en paralelo, comprendiendo la primera línea al menos dos resistencias (Rl; R2) y comprendiendo la segunda línea al menos una resistencia de referencia (RX) y al menos el capacitor (Cx) .
12. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 10 o 11, caracterizado porque el circuito de puente que conecta a un oscilador adaptado para aplicar una señal sinuosidad variable al circuito de puente para medir cambios de capacitancia del capacitor (Cx) .
13. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un elemento dieléctrico está compuesto sustancialmente de PTFE.
14. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento dieléctrico está sustancialmente compuesto de material de cerámica.
15. El dispositivo para medir humedad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las paredes internas del capacitor (Cx) están selladas herméticamente .
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