SI26349A

SI26349A - Postopek za merjenje različnih parametrov fluida in naprava za izvedbo postopka

Info

Publication number: SI26349A
Application number: SI202200054A
Authority: SI
Inventors: Jurij Tratnik; Leon Škapin; Primož LEMUT; Aljaž Blatnik; Matjaž Vidmar; Boštjan Batagelj; Luka Zmrzlak; Luka Podbregar
Original assignee: Instrumentation Technologies, D.O.O.
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-10-30
Also published as: WO2023199126A1

Abstract

Predlagani izum se nanaša na postopek za merjenje različnih parametrov fluida in naprava za izvedbo postopka, kot na primer merjenje prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila. Naprava za izvedbo postopka obsega notranjo, merilno enoto (8), ki je razporejena v osrednji cevi (6) v končnem območju, gledano v smeri (A) toka, vsakokratne membrane (1) in neposredno pred veznim cevastim nastavkom (4), in zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto (9), ki je razporejena neposredno na zunanjem obodu visokotlačne cevi (2) in v območju neposredno nad omenjeno notranjo, merilno enoto (8), pri čemer se omenjena notranja, merilna enota (8) napaja z energijo kot tudi komunicira z omenjeno zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto (9) na osnovi brezžičnega sodelovanja.

Description

POSTOPEK ZA MERJENJE RAZLIČNIH PARAMETROV FLUIDA IN NAPRAVA ZA IZVEDBO POSTOPKA

[0001] Predlagani izum se nanaša na postopek za merjenje različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila, in na napravo za izvedbo omenjenega postopka.

[0002] Iz dokumenta US 2014180610 je znana podobna rešitev, ki predlaga uporabo baterijsko napajanega tipala prevodnosti, kar omejuje življenjsko dobo naprave in zahteva dokaj pogosto servisiranje oz. menjavo baterij. Poleg tega uporaba baterije pogojuje tudi velikost vezja in s tem celotnega tipala.

[0003] Dalje je v dokumentu US 2011114561 razkrita rešitev, kjer se za napajanje uporablja generator (rotor), ki je vstavljen v osrednjo cev membrane in ga poganja tok fluida. Omenjena rešitev za svoje delovanje potrebuje konstanten pretok in tako omogoča delovanje samo v tekočem fluidu z zadostnim pretokom.

[0004] Še dalje je iz dokumenta EP 1937386 znana rešitev, ki predlaga uporabo brezžične WLAN komunikacije za prenos izmerjenih podatkov, kar zahteva veliko zalogo energije, kot sta baterija ali drugi načini žičnega napajanja.

[0005] Še dalje je iz dokumenta EP 2471591 znana rešitev, ki predlaga prenos podatkov s pomočjo antene, vstavljene med membrano za reverzno osmozo in notranjo steno visokotlačne cevi, ki deluje na principu elektromagnetnega valovanja.

[0006] Naloga predlaganega izuma je ustvariti napravo za merjenje v realnem času različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila.

[0007] Dalje je naloga predlaganega izuma ustvariti nov postopek za merjenje v realnem času različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila.

[0008] Zastavljena naloga je po predlaganem izumu rešena z značilnostmi, podanimi v značilnostnem delu 1. patentnega zahtevka. Podrobnosti izuma so razkrite v pripadajočih podzahtevkih.

[0009] Izum je v nadaljevanju podrobneje predstavljen na osnovi neomejujočega izvedbenega primera in s sklicevanjem na priložene skice, kjer kaže sl. 1 v baterijo razporejen niz cevi za razsoljevanje fluida, sl. 2 eno izmed omenjenih cevi iz baterije s sl. 1 v vzdolžnem prerezu, sl. 3 merilno napravo po izumu, sl. 4 shematski prikaz merilne enote, in sl. 5 shematski prikaz komunikacijsko-obdelovalne enote.

[0010] Postopek za merjenje različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih je v nadaljevanju opisan na neomejujočem izvedbenem primeru postopka za razsoljevanje vode s pomočjo polprepustnih membran 1, ki po principu reverzne osmoze iz vode, to je topila, odstranjujejo sol, to je topljenec. Seveda je povsem očitno, da postopek in naprava po izumu nista omejena zgolj na razsoljevanje vode, temveč se ju lahko uporablja tudi pri drugih postopkih, na primer pri ločevanju vode iz mleka in podobno. Omenjene membrane 1 so tipično valjastih oblik, niz več enakih membran 1 pa je zaporedno vstavljen v vsakokratno visokotlačno cev 2, pri čemer je niz cevi 2 razporejen v cevno baterijo 3 (na sl. 1 prikazano s črta-pikčasto črto). Vsakokratni sosednji membrani 1 iz omenjenega niza membran sta medsebojno razstavljivo povezani s pomočjo veznega cevastega nastavka 4. Na vhod 5 vsakokratne visokotlačne cevi 2 se dovaja slano vodo, ki tekom postopka potuje v smeri puščice A skozi vse membrane 1. Razsoljena (permeatna) voda, ki pronica skozi membrane 1, se steka v osrednjo permeatno cev 6, preostali koncentrat slane vode pa se izloči na izhodu 7 iz vsakokratne visokotlačne cevi 2. Prevodnost permeatne vode se meri v območju izstopnega konca vsakokratne membrane 1 oz. v območju spoja s sosednjo membrano 1.

[0011] Po prvi membrani 1 iz niza zaporednih membran 1 v vsakokratni cevi 2 je voda najbolj razsoljena, prevodnost je nizka, po zadnji membrani 1 iz niza zaporednih membran 1 v vsakokratni cevi 2 je voda najmanj razsoljena, prevodnost nekoliko naraste. Kadar prevodnost vode na vsaj enem od tipal različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, ne ustreza vnaprej predvidenemu območju, pomeni, da je vsaj ena omenjena membrana 1 v okvari in da razsoljena voda v osrednji cevi 6 ne ustreza več kvalitativnim zahtevam. Omenjeno vsaj eno tipalo, na katerem je izmerjena presežna vrednost neposredno določi, katera od membran 1 v cevi 2 je okvarjena.

[0012] Naprava za merjenje v realnem času različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega po izumu obsega notranjo, merilno enoto 8, in zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9. Omenjena notranja enota 8 naprave po izumu je razporejena v osrednji cevi 6 v končnem območju, gledano v smeri A toka, vsakokratne membrane 1 in neposredno pred omenjenim veznim cevastim nastavkom 4. Omenjena zunanja enota 9 naprave po izumu je razporejena neposredno na visokotlačni cevi 2 in v območju neposredno nad omenjeno notranjo enoto 8. Bistvo predlaganega izuma leži v tem, da se omenjena notranja, merilna enota 8 napaja z energijo kot tudi komunicira z omenjeno zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 na osnovi brezžičnega sodelovanja.

[0013] Po predlaganem izumu je lahko predvideno, da je zadnja izmed vseh omenjenih enot 8, gledano v smeri A toka, lahko nameščena tudi znotraj izstopne cevi, vendar ne več v območju zadnje membrane 1 oz. visokotlačne cevi 2.

[0014] Omenjeno notranjo, kot tulka zasnovano merilno enoto 8 naprave po izumu se da tesno vstaviti v notranjost osrednje cevi 6, in obsega vsaj eno merilno elektrodo 10; 10’, ki je v neposrednem stiku s fluidom, katerega parametre se meri, in notranji induktivni element 11, na primer tuljavo, ki je tesno razporejen okoli zunanjega oboda omenjene, kot tulka zasnovane merilne enote 8, in je izoliran od fluida, katerega parametre se meri. Omenjena notranja enota 8 dalje obsega procesor 12, ki je preko vzbujalnega vezja 13 povezan s prvo merilno elektrodo 10 in ki ustvarja sinusni signal na omenjeni prvi merilni elektrodi 10, analogno-digitalni pretvornik 14 za sprejem analognega signala, zajetega na drugi merilni elektrodi 10', in pretvorbo omenjenega analognega signala v digitalen signal, ki je primeren za digitalno obdelavo in prenos, ter vsaj eno tipalo 15, na primer tipalo temperature, pretoka, tlaka, pH vrednosti in podobno, za merjenje vsaj enega parametra fluida, v katerega je vstavljena omenjena vsaj ena elektroda 10; 10'. Omenjeni notranji induktivni element 11 je preko napajalnega modula 16 in komunikacijskega modula 17 povezan s procesorjem 12, pri čemer ta povezava omogoča napajanje z energijo kot tudi rušenje resonančnih pogojev oz. frekvence omenjene notranje enote 8 s pomočjo zunanje, komunikacijskoobdelovalne enote 9. Dalje omenjena povezava omogoča prenos podatkov v omenjeno zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 naprave po izumu.

[0015] Kot že omenjeno, je omenjena notranja, merilna enota 8 naprave po izumu vstavljena v osrednjo cev 6, pri čemer je v celoti obdana s fluidom, katerega parametre se meri, na primer plinom, paro, tekočino. V neposrednem galvanskem stiku s fluidom, katerega parametre se meri, je samo omenjena vsaj ena merilna elektroda 10; 10’, medtem ko so ostale elektronske komponente omenjene merilne enote 8 nepredušno izolirane od omenjenega fluida.

[0016] V prvem koraku postopka po izumu se vklopi napajanje omenjene zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote 9, katera na osnovi brezžičnega sodelovanja, konkretno na osnovi induktivne sklopitve enot 8; 9, zbudi omenjeno merilno enoto 8, ki tedaj prične z meritvijo prevodnosti fluida, s katerim je v neposrednem stiku vsaj ena omenjena elektroda 10; 10'. Tako pridobljene izmerjene podatke omenjena merilna enota 8 na osnovi brezžičnega sodelovanja posreduje omenjeni zunanji, komunikacijsko-obdelovalni enoti 9 naprave po izumu, ki omenjene pridobljene izmerjene podatke obdela in posreduje naprej.

[0017] Vsakokratna notranja, merilna enota 8 naprave po izumu ima svojo pripadajočo zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 naprave, ki skupaj tvorita induktivni sklop, pri čemer omenjeno brezžično sodelovanje poteka obojestransko.

[0018] Omenjena zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota 9 naprave po izumu obsega procesor 18, ki je preko vzbujalnega vezja 19 povezan z zunanjim induktivnim elementom 20, na primer tuljavo, za omenjeno brezžično sodelovanje z omenjeno notranjo, merilno enoto 8 naprave po izumu, pri čemer je omenjeni zunanji induktivni element 20 preko prvega komunikacijskega modula 21 povratno povezan z omenjenim procesorjem 18. Dalje je omenjeni zunanji induktivni element 20 predviden za brezžično sodelovanje z omenjeno zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 naprave po izumu. Še dalje je predvideno, da zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota 9 naprave po izumu obsega drugi komunikacijski modul 22 za sprejem z notranjo, merilno enoto 8 izmerjenih in pridobljenih podatkov, ki jih je obdelal procesor 18, za prenos s procesorjem 18 obdelanih podatkov do podatkovnega vozlišča 23 in za posredovanje ukazov od podatkovnega vozlišča 23 nazaj do procesorja 18.

[0019] Omenjena zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota 9 naprave po izumu, ki se jo z energijo napaja preko vhodnega napajalnega mesta 24, ni v stiku s fluidom, katerega parametre se meri, in je tipično razporejena na zunanjem obodu visokotlačne cevi 2 tako, da omenjena enota 9 na način prstana obdaja visokotlačno cev 2 in je, gledano v prečni ravnini glede na potek cevi 2, razporejena v območju neposredno nad oz. okoli notranje, merilne enote 8 naprave po izumu. Glavne naloge zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote 9 so, da na zahtevo podatkovnega vozlišča 23 na osnovi induktivne sklopitve aktivira notranjo, merilno enoto 8 naprave, sprejme podatke, ki jih je pridobila notranja, merilna enota 8, jih obdela in obdelane podatke posreduje podatkovnemu vozlišču 23. Zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 se napaja z energijo, na primer žično ali baterijsko, in komunicira, na primer preko protokola RS485 ali CAN, s podatkovnim vozliščem 23, ki upravlja celotno baterijo 3 visokotlačnih cevi 2. Podatkovno vozlišče 23 deluje kot upravljalnik baterije 3 visokotlačnih cevi 2, na katerega so povezane vse merilne naprave po izumu. Podatkovno vozlišče 23 v odvisnosti od prednastavljenega časa vklaplja izbrane merilne naprave v bateriji, na primer na način, da se sočasno ne vklopita dve istoležni merilni napravi, s čimer se prepreči interferenco med sosednjimi napravami.

[0020] Po vzpostavitvi stabilne napajalne električne napetosti v notranji, merilni enoti 8 naprave le-ta samodejno izvede meritev vsaj enega parametra fluida, na primer prevodnosti, temperature, pretoka, Ph vrednosti in podobnega. V odvisnosti od nastavljenega časovnega obdobja ali od trenutne zahteve komunikacijsko-obdelovalna enota 9 naprave po izumu z aktiviranjem zunanjega induktivnega elementa 20 pri določeni frekvenci, na primer 133 kHz, sproži brezžično napajanje notranje, merilne enote 8 naprave. Za karseda velik prenos moči med komunikacijsko-obdelovalno enoto in notranjo, merilno enoto 8 naprave po izumu, skrbi vzbujalno vezje 19 komunikacijsko-obdelovalne enote 9, ki na osnovi primerjave faze med vzbujalnim signalom zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote 9 in signalom na zunanjem induktivnem elementu 20, sekvenčno uglasi nihajni krog in s tem zagotovi resonančno vzbujanje notranjega induktivnega elementa 11 notranje, merilne enote 8 naprave. Meritev se prične z vzbujanjem sinusnega signala na prvi elektrodi 10, kar zaradi prevodnosti fluida povzroči odziv na drugi elektrodi 10’, na kateri se odčita signal. Razlika med amplitudo in fazo generiranega signala na prvi elektrodi 10 ter amplitudo in fazo izmerjenega signala na drugi elektrodi 10', ki nastane kot posledica kompleksne upornosti, to je impedance, fluida pove, kakšna je prevodnost fluida v katerem se nahajata elektrodi 10;10'. Poleg meritve prevodnosti fluida se sočasno izvaja tudi meritev temperature fluida. Končni podatek o prevodnosti fluida se preračuna na prevodnost fluida pri 25 °C.

[0021] Dalje se izmerjene podatke zapakira v podatkovni paket, ki ga notranja, merilna enota 8 s pomočjo omenjenega induktivnega sodelovanja enot 8; 9 pošlje komunikacijsko-obdelovalni enoti 9. Komunikacija med notranjo, merilno enoto 8 in komunikacijsko-obdelovalno enoto 9 naprave poteka s pomočjo rušenja resonančnih pogojev v oz. s pomočjo razglaševanja notranje, merilne enote 8 naprave. Pri tem zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota 9 omenjeno rušenje resonančnih pogojev zazna kot odstopanje faze oz. fazno modulacijo ali kot nihanje toka na zunanji, merilni enoti 9, kar ima za posledico ustrezno dekodiranje omenjenih podatkov. Brezžično napajanje z energijo notranje, merilne enote 8 s pomočjo omenjenega induktivnega sodelovanja enot 8; 9 se prekine po uspešnem sprejemu izmerjenih podatkov ali po določenem pretečenem času.

Claims

Patentni zahtevki

1. Postopek za merjenje različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila, kjer je niz več enakih membran zaporedno vstavljen v visokotlačno cev, pri čemer sta vsakokratni sosednji membrani iz omenjenega niza membran v visokotlačni cevi medsebojno razstavljivo povezani s pomočjo veznega cevastega nastavka, značilen po tem, da obsega naslednje korake:

a) vklop napajanja zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote (9);

b) aktiviranje notranje, merilne enote (8), ki je razporejena v osrednji cevi (6) v končnem območju vsakokratne membrane (1), gledano v smeri (A) toka, s pomočjo zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote (9), ki je razporejena neposredno na zunanjem obodu visokotlačne cevi (2) in v območju neposredno nad omenjeno notranjo, merilno enoto (8), na osnovi brezžičnega sodelovanja;

c) meritev prevodnosti fluida, s pomočjo notranje, merilne enote (8), s katerim je v neposrednem stiku vsaj ena omenjena elektroda (10; 10’);

d) posredovanje na osnovi brezžičnega sodelovanja v prejšnjem koraku pridobljenih izmerjenih podatkov omenjeni zunanji, komunikacijskoobdelovalni enoti (9);

e) obdelava omenjenih pridobljenih izmerjenih podatkov v omenjeni zunanji, komunikacijsko-obdelovalni enoti (9) in posredovanje le-teh podatkovnemu vozlišču (23).
2. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da je tako energijsko kot tudi obojestransko komunikacijsko sodelovanje notranje, merilne enote (8) z zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto (9) predvideno kot brezžično sodelovanje.
3. Postopek po zahtevku 1 in 2, značilen po tem, da je omenjeno brezžično sodelovanje zasnovano kot induktivna povezava, konkretno na osnovi induktivne sklopitve omenjenih enot (8; 9).
4. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da komunikacija med notranjo, merilno enoto (8) in komunikacijsko-obdelovalno enoto (9) poteka s pomočjo rušenja resonančnih pogojev v notranji, merilni enoti (8), pri čemer zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota (9) omenjeno rušenje resonančnih pogojev zazna bodisi kot odstopanje faze oz. fazno modulacijo ali kot spremembe vrednosti električnega toka na zunanjem induktivnem elementu (20).
5. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da komunikacijsko-obdelovalna enota (9) na osnovi primerjave faze med vzbujalnim signalom zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote (9) in signalom na zunanjem induktivnem elementu (20), sekvenčno uglasi nihajni krog, s čimer zagotovi resonančno vzbujanje notranjega induktivnega elementa (11) notranje, merilne enote (8) in s tem maksimalen prenos energije od zunanje, komunikacijsko-obdelovalne enote (9) v notranjo, merilno enoto (8).
6. Naprava za merjenje različnih parametrov, kot na primer prevodnosti, temperature, Ph vrednosti, pretoka, tlaka in podobnega, pri fluidih s pomočjo polprepustnih membran, ki po principu reverzne osmoze ločujejo topljenec od topila, kjer je niz več enakih membran zaporedno vstavljen v visokotlačno cev, pri čemer sta vsakokratni sosednji membrani iz omenjenega niza membran v visokotlačni cevi medsebojno razstavljivo povezani s pomočjo veznega cevastega nastavka v osrednji cevi, značilna po tem, da obsega notranjo, merilno enoto (8), ki je razporejena v osrednji cevi (6) v končnem območju, gledano v smeri (A) toka, vsakokratne membrane (1) in neposredno pred veznim cevastim nastavkom (4), in zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto (9), ki je razporejena neposredno na zunanjem obodu visokotlačne cevi (2) in v območju neposredno nad omenjeno notranjo, merilno enoto (8), pri čemer se omenjena notranja, merilna enota (8) napaja z energijo kot tudi komunicira z omenjeno zunanjo, komunikacijskoobdelovalno enoto (9) na osnovi brezžične komunikacije.
7. Naprava po zahtevku 6, značilna po tem, da je zadnja izmed vseh omenjenih enot (8), gledano v smeri (A) toka, lahko nameščena tudi znotraj izstopne cevi, vendar ne več v območju zadnje membrane (1) oz. visokotlačne cevi (2).
8. Naprava po zahtevku 6 do 7, značilna po tem, da je omenjeno brezžično sodelovanje zasnovano kot induktivna povezava, konkretno na osnovi induktivne sklopitve omenjenih enot (8; 9).
9. Naprava po zahtevku 6 do 8, značilna po tem, da je omenjena notranja, kot tulka zasnovana merilna enota (8) tesno vstavljena v notranjost osrednje cevi (6), in obsega vsaj eno merilno elektrodo (10; 10'), ki je v neposrednem stiku s fluidom, katerega parametre se meri, in notranji induktivni element (11), ki je tesno razporejen okoli zunanjega oboda omenjene notranje, kot tulka zasnovane merilne enote (8), ter je izoliran od fluida, katerega parametre se meri.
10. Naprava po enem od zahtevkov 6 do 9, značilna po tem, da je omenjena zunanja, komunikacijsko-obdelovalna enota (9) na način prstana razporejena po zunanjem obodu visokotlačne cevi (2) in je, gledano v prečni ravnini glede na potek cevi (2), razporejena v območju neposredno nad oz. okoli notranje, merilne enote (8).
11. Naprava po enem od zahtevkov 6 do 10, značilna po tem, da se zunanjo, komunikacijsko-obdelovalno enoto (9) napaja z energijo, na primer žično ali baterijsko, in je komunikacijsko povezana, na primer preko protokola RS485 ali CAN, s podatkovnim vozliščem (23).