WO2012168528A1 - Dispositivo de medida de la conductividad eléctrica de fluidos de pequeño caudal - Google Patents

Dispositivo de medida de la conductividad eléctrica de fluidos de pequeño caudal Download PDF

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measuring
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fluids
measuring device
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Inventor
Jose Ramon Diaz Sanchez
Gema Romero Moraleda
Jose María SABATER NAVARRO
Amparo Roca Gumbao
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Universidad Miguel Hernandez De Elche
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid

Definitions

  • the present invention consists of a device for measuring the electrical conductivity in fluids with a small pulsating flow and carried by vacuum in which the fluid is recirculated by an auxiliary circuit to obtain the measurement by means of inductive conductivity toroids.
  • the system performs the differential measurement for each gland, allowing the detection of mastitis by comparing the measurement between different glands of the same animal or its history.
  • the present invention relates to the field of automatic systems of measurement of electrical conductivity (EC) in food fluids.
  • the system is integrated into mechanical milking machines, and is optimized for use with ruminants.
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) b) Inducing an electromagnetic field in the fluid.
  • a voltage is applied to a toroid that performs the function of primary and measuring the voltage of the secondary toroid coil has a value proportional to the conductivity of the medium. It is a more complex method than the previous one, and requires more precise electronics, however, it does not need maintenance, since it has no wear on the electrodes and does not alter the properties of the fluid.
  • our invention presents solutions to improve the above difficulties.
  • the differentiating characteristics of our device refer to: 1) its ability to work with small flow fluids, 2) vacuum entrained and with pulsating flow, 3) in the presence of air, 4) to the use of a circuit auxiliary fluid recirculation that allows the stable measurement of electrical conductivity and 5) self-calibration of electrical conductivity sensors.
  • the invention ELECTRICAL CONDUCTIVITY MEASUREMENT DEVICE IN SMALL FLOW FLUIDS comprises a box that is inserted along the flow of the fluid (for example, a short milk tube of the milking kits) and containing a measuring chamber where toroids are located for measurement.
  • the box has internal channels and a shut-off valve system that allow it to be used in a pulsed flow carried by vacuum in the presence of air, as in the case of milking machines and robots.
  • the element (1) is the main body where the measuring toroids (2) are located, and inside which is the circuit where the fluid circulates.
  • the box (1) is closed by a "top cover” (3) that covers the entire face of the box (1) preventing the fluid from being poured outside.
  • the element (4) is a "shut-off valve” that regulates the passage of the fluid, from the cavity where the sensors are located, "measuring cavity” (5), to the outlet mouth (6) of the box. This valve (4) allows to adjust the filling of the measurement cavity (5), thus allowing the sensors (2) to remain constantly submerged, and thus obtain a measurement of the conductivity of the fluid with the greatest degree of renewal possible.
  • each measuring box will be located at the end of each short milk tube, just before the collector.
  • the milk enters the box (1) through the upper filling mouth (13) where it undergoes a fork, as indicated in figure 3.
  • the path on the left leads directly to the outlet (6) without suffering no type of measurement, while a proportional part of the milk is taken to the measurement cavity (5) where the sensors (2) are located.
  • the measurement cavity (5) In the lower part of the measuring cavity (5) there is a small diameter duct, "drain duct" (14), which directs the milk directly to the outlet (6), allowing the flow through the sensors (2) for its measurement and the renewal of the milk accumulated in the measurement cavity during milking.
  • the shut-off valve (4) At the end of this duct (14) is the shut-off valve (4) that allows controlling the amount of milk in the measuring cavity (5).
  • the valve (4) As the valve (4) is opened, the amount of milk that is in the measurement cavity (5) will be less, so its adjustment will depend on aspects such as the vacuum applied in the milking line and the flow of milk that is extracted from the animal, which can vary according to different factors (species, breed, farm, lactation state, ).
  • the milk must completely cover the sensors (2) for a correct measurement, in the same way it must be avoided that the milk is stagnant since it would always be obtaining values of the same sample.
  • the main consideration during the design of this element has been to prevent the entry of foam into the measuring cavity (5), so that the toroids (2) are in direct contact with the milk, avoiding erroneous measurements.
  • the wall (26) is placed that frontally breaks the inflow, reducing the formation of foam.
  • Another feature of the invention is the possibility of inserting a reference solid (27) into the toroids through the hole (28) made in the box (1).
  • the next step in the measurement of milk conductivity consists in the interpretation of the values obtained.
  • the electronic board (10) which receives the information of the sensors (2) that are in direct contact with the milk.
  • the circuit is fed through the connector (8) located on the lower cover (7), which in turn connects the output of the electronic circuit (10) with the PC in charge of capturing and interpreting said data through serial communication with the board electronics (10).
  • the complete system can be located in the short milk tubes of a mechanical milking system, through the inlets (13) and outlets (6). In this way, each system allows the reading of the conductivity in a single gland, being able to perform the comparative measurement of the EC of the glands and / or their history during lactation (day by day) for the early detection and in line of mastitis in ruminants.
  • Figure 1 General front view of the box.
  • Figure 4. Exploded view of the box and measuring electronics.
  • Figure 5. Box sealing channel to prevent fluid leakage.
  • the manufacture of the box (1) is carried out in ABS plastic, eliminating in the design the edges and corners of the interior, since in these areas there can be an accumulation of dirt or fat in the milk, preventing an effective cleaning. In the design the number of pieces has been reduced in order to avoid possible fluid leaks.
  • the inlet and outlet of the fluid is carried out by connecting 10 mm diameter inner tubes to the inlet (13) and outlet (6) pins as can be seen in Figure 5.
  • a sealing groove (15) has been added ) that surrounds the entire cavity of the box (1). The purpose of this slit is to contain a sealant (silicone or equivalent) that will join together by joining the box (1) and the top cover (3), preventing the outflow of milk to the outside.
  • the sealant used must be suitable for food use, avoiding contamination of the milk on contact with it.
  • the box (1) has a receptacle (9) at the bottom intended to house the electronic measurement circuit (10), thus reducing the amount of external hardware and wiring.
  • the hole contains a groove on both sides that serve as a guide (16) to introduce the circuit (10), as shown in Figure 6. This area is closed with the bottom cover (7), which contains an extension of the guide (16) that allows setting the circuit (10).
  • Figure 6 shows the hollow of the connect (17), necessary to house the rear part of the connector (8) together with the wiring.
  • the connection of the toroids (2) to the circuit (10) is made through a channel (18) that joins the circuit housing (9) with the measuring cavity (5), as shown in Figure 6.
  • This channel ( 18) It must be perfectly sealed to prevent milk from entering it through the circuit gap (9), which would cause a short circuit.
  • On the back of the box (1) there are two guides, (19) and (20), which allow it to be fixed to a 35mm Din Rail (12).
  • FIG. 8 shows in detail the shape of said valve.
  • the following components can be distinguished: a handle (21) which is the accessible part of the valve (4) on which it is acted to regulate the flow of milk; the housing for the silly rings (22 and 23) that prevent the outflow of the fluid; the shutter (24) whose mission is to regulate the flow of the fluid and the locking system (25) that prevents the shutter from moving from its position once the box is mounted.
  • the bottom cover (7) is also made of ABS plastic. This cover has several functions, on the one hand it closes the cockpit of the electronic circuit (9), preventing it (10) from getting out in the open. It also fixes the electronic circuit (10), using a guide (16), preventing it from moving inside its housing (9).
  • the power and data connector (8) are located on the cover. To facilitate the assembly of the connector (8) a nut housing has been created, thus reducing the space required for the connector and allowing its installation without the use of tools.
  • the material of the top cover (3) must be some kind of transparent methacrylate that allows you to see the inside of the box for two reasons: a) check the level of liquid in the measuring cavity, and b) check the dirt level of box.

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Abstract

Dispositivo de medida de la conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal La presente invención consiste en un dispositivo de medida, en línea, de la conductividad eléctrica en fluidos alimentarios, como el ordeño mecánico, que comprende una cámara de medición separada de la línea principal de flujo en el que se incorporan dos sensores toroidales que permiten una lectura correcta de la conductividad eléctrica.

Description

DISPOSITIVO DE MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN FLUIDOS DE PEQUEÑO CAUDAL.
La presente invención consiste en un dispositivo de medida de la conductividad eléctrica en fluidos con pequeño caudal pulsante y arrastrados por vacío en el que el fluido se recircula por un circuito auxiliar para obtener la medida mediante toroides de conductividad inductivos. Cuando el fluido es leche obtenida durante el ordeño de rumiantes, el sistema realiza la medida diferencial por cada glándula, permitiendo la detección de mastitis mediante la comparación de la medida entre las diferentes glándulas del mismo animal o su historial.
SECTOR TÉCNICO AL QUE SE REFIERE LA INVENCIÓN
El presente invento se refiere al campo de los sistemas automáticos de medida de la conductividad eléctrica (CE) en fluidos alimentarios. El sistema se integra dentro de las máquinas de ordeño mecánico, y está optimizado para su utilización con rumiantes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Existen básicamente dos métodos para medir la conductividad en un fluido: a) Usando electrodos, de forma que se aplica una tensión a los electrodos y en función de la corriente que circula por el fluido se tiene una medida de la resistividad y por tanto de la conductividad. Este sistema es sencillo, barato y preciso. Sin embargo, sólo es recomendable para su utilización para medidas en fluido estático. Además, se ensucia con facilidad (alto mantenimiento), y la corriente eléctrica circulante puede introducir cambios en la química del fluido.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) b) Induciendo un campo electromagnético en el fluido. Se le aplica una tensión a un toroide que realiza la función de primario y midiendo la tensión de la bobina del toroide secundario se tiene un valor proporcional a la conductividad del medio. Es un método más complejo que el anterior, y requiere de electrónica más precisa, sin embargo, no necesita mantenimiento, pues no tiene desgaste de los electrodos y no altera las propiedades del fluido.
Este segundo método ha sido utilizado en varios sistemas y aparatos de medida (patentes US 3989009, US 4220920, US 4740755, US 4771007, US 4793285, US 5077525, US 5302903, US 5664521 , US 6161502, US 6981466 ó EP0223536A2), sin embargo, todos ellos hacen referencia a medidas de fluidos en caudales mayores que los producidos por una ubre individual de un pequeño rumiante y muchas de ellas en régimen estático del fluido. La patente de referencia US 6378455 muestra un complejo dispositivo separador de flujo pensado para acoplarse en el tubo corto de una máquina de ordeño, y con un sistema multisensor que no incluye medida de conductividad eléctrica. En US 6981466 se presenta un sistema de cámara de muestra separada con medida de conductividad eléctrica, pero con la cámara separada de la línea principal del flujo del fluido y diseñado para grandes rumiantes.
Nuestra invención presenta soluciones para mejorar las anteriores dificultades. En concreto, las características diferenciadoras de nuestro dispositivo hacen referencia a: 1 ) su capacidad de trabajar con fluidos de pequeño caudal, 2) arrastrados por vacío y con caudal pulsante, 3) en presencia de aire, 4) a la utilización de un circuito auxiliar de recirculación del fluido que permite la medida estable de la conductividad eléctrica y 5) la auto-calibración de los sensores de conductividad eléctrica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención DISPOSITIVO DE MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN FLUIDOS DE PEQUEÑO CAUDAL comprende una caja que se inserta a lo largo del flujo del fluido (por ejemplo, un tubo corto de leche de los juegos de ordeño) y que contiene una cámara de medición donde se ubican los toroides para la medida. La caja tiene unos canales internos y un sistema de válvula de obturación que permiten utilizarla en un flujo pulsante arrastrado por vacío en presencia de aire, como sucede en el caso de las máquinas y robots de ordeño.
El elemento (1 ), "caja" de ahora en adelante, es el cuerpo principal donde se encuentran ubicados los toroides de medición (2), y en cuyo interior se encuentra el circuito donde circula el fluido. La caja (1 ) se encuentra cerrada mediante una "tapa superior" (3) que cubre toda la cara de la caja (1 ) impidiendo que el fluido se vierta al exterior. El elemento (4) es una "válvula de obturación" que regula el paso del fluido, desde la cavidad donde se encuentran los sensores, "cavidad de medida" (5), hasta la boca de salida (6) de la caja. Ésta válvula (4) permite ajusfar el llenado de la cavidad de medida (5), permitiendo así que los sensores (2) permanezcan sumergidos constantemente, y así obtener una medida de la conductividad del fluido con el mayor grado de renovación posible. En la parte inferior de la caja de medida se encuentra una segunda tapa, "tapa inferior" (7), que alberga el conector de alimentación y datos (8). Esta tapa cierra a su vez una cavidad (9) que presenta la caja (1 ) donde va ubicado el circuito electrónico (10), permitiendo su fijación y protección contra los agentes externos. Por último en la parte trasera de la caja se encuentra una "pestaña de fijación" (1 1 ), la cual permite, junto con las pestañas (19) y (20), la fijación de todo el conjunto a un carril Din de 35 mm (12), evitando así que la caja de sensores se mueva durante el ordeño. El funcionamiento de la invención es el siguiente: cada caja de medición irá ubicada al final de cada tubo corto de leche, justo antes del colector. La leche entra en la caja (1 ) por la boca superior de llenado (13) donde sufre una bifurcación, tal y como se indica en la figura 3. El camino de la izquierda lleva directamente hacia la boca de salida (6) sin sufrir ningún tipo de medida, mientras que una parte proporcional de la leche es conducida hasta la cavidad de medida (5) donde se encuentran los sensores (2). En la parte inferior de la cavidad de medida (5) se encuentra un conducto de pequeño diámetro, "conducto de desagüe" (14), que conduce la leche directamente hacia la boca de salida (6), permitiendo el flujo a través de los sensores (2) para su medida y la renovación de la leche acumulada en la cavidad de medida durante el ordeño. Al final de este conducto (14) se encuentra la válvula de obturación (4) que permite controlar la cantidad de leche que hay en la cavidad de medida (5). En resumen, conforme se abre la válvula (4) la cantidad de leche que se encuentra en la cavidad de medida (5) será menor, por lo que su ajuste dependerá de aspectos como el vacío aplicado en la línea de ordeño y el flujo de leche que se extrae del animal, el cual puede variar según diferentes factores (especie, raza, granja, estado de lactación, ... ). La leche ha de cubrir totalmente los sensores (2) para una correcta medida, del mismo modo se ha de evitar que la leche quede estancada ya que siempre se estaría obteniendo valores de la misma muestra. La principal consideración durante el diseño de este elemento ha sido evitar la entrada de espuma en el interior de la cavidad de medida (5), de manera que los toroides (2) se encuentren en contacto directo con la leche, evitando medidas erróneas. Debido al sistema de ordeño mediante flujo pulsante arrastrado por vacío en presencia de aire es inevitable la presencia de espuma a la entrada de la caja (1 ), por lo que el diseño se debe centrar en "romper" el flujo de forma que la cavidad de medida (5) se llene de manera estable. Para este cometido se coloca el muro (26) que rompe frontalmente el flujo de entrada, disminuyendo la formación de espuma. Otra característica de la invención es la posibilidad de insertar un sólido (27) de referencia en el interior de los toroides a través del orificio (28) practicado en la caja (1 ). Cuando la cavidad de medida (5) está vacía y el sólido (27) está insertado, la medida de los sensores es conocida, y por tanto el auto-calibrado de los sensores se puede efectuar automáticamente. Esto permite una corrección de las desviaciones que puedan ocurrir por la suciedad, grasa, u otras condiciones. El siguiente paso en la medida de la conductividad de la leche consiste en la interpretación de los valores obtenidos. En la parte inferior de la caja (1 ) se encuentra ubicada la placa electrónica (10), la cual recibe la información de los sensores (2) que se encuentran en contacto directo con la leche. El circuito se alimenta a través del conector (8) ubicado en la tapa inferior (7), que a su vez conecta la salida del circuito electrónico (10) con el PC encargado de capturar e interpretar dichos datos mediante una comunicación serie con la placa electrónica (10).
El sistema completo se puede ubicar en los tubos cortos de leche de un sistema mecánico de ordeño, mediante las bocas de entrada (13) y salida (6). De esta forma, cada sistema permite la lectura de la conductividad en una única glándula, pudiendo realizar la medida comparativa de la CE de las glándulas y/o su historial durante la lactación (día a día) para la detección temprana y en línea de mamitis en rumiantes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1. Vista general frontal de la caja.
Figura 2. Vista general trasera de la caja.
Figura 3. Recorrido del flujo de fluido por el interior de la caja.
Figura 4. Vista explosionada de la caja y de la electrónica de medición. Figura 5. Canal de sellado de la caja para evitar fugas de fluido.
Figura 6. Orificio para la ubicación de la electrónica de medición
Figura 7. Soportes para anclaje carril DIN.
Figura 8. Válvula-obturador con anillos toncos.
Leyenda de las figuras:
(1) Elemento caja
(2) toroides de medición
(3) tapa superior cubre-caja
(4) válvula-obturador
(5) cámara de medida
(6) salida del flujo del fluido
(7) tapa inferior
(8) conector de alimentación y datos
(9) cavidad para la ubicación de la electrónica
(10) circuito electrónico
(11) pestaña de fijación carril DIN
(12) carril DIN 35 mm
(13) entrada del flujo del fluido
(14) canal para vaciado de la cámara de medición
(15) acanaladura de sellado
(16) guías para soporte de la electrónica
(17) hueco del conector electrónico
(18) canal de conexión de los toroides
(19) pestaña para soporte del carril DIN
(20) pestaña para soporte del carril DIN
(21) empuñadura de la válvula
(22) anillo tórico
(23) anillo tórico
(24) obturador
(25) sistema de bloqueo del obturador
(26) rompe flujo para la disminución de la formación de espuma (27) pieza sólida de referencia para la auto-calibración de los toroides (28) orificio para la inserción del sólido de referencia
EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un modo de realización de la invención DISPOSITIVO DE MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN FLUIDOS DE PEQUEÑO CAUDAL en el que sus componentes se realizan de la siguiente forma:
La fabricación de la caja (1 ) se realiza en plástico ABS, eliminando en el diseño los bordes y esquinas del interior, ya que en estas zonas se puede producir una acumulación de suciedad o de grasa en la leche, impidiendo una limpieza eficaz. En el diseño se ha reducido el número de piezas con el fin de evitar posibles fugas del fluido. La entrada y salida del fluido se realiza mediante la conexión de tubos de 10 mm de diámetro interior a las espigas de entrada (13) y salida (6) como se puede observar en la figura 5. Se ha añadido una acanaladura de sellado (15) que rodea toda la cavidad de la caja (1 ). El fin de esta hendidura es contener un sellante (silicona o equivalente) que hará de junta al unir la caja (1 ) y la tapa superior (3), evitando la salida de leche al exterior. El sellante utilizado ha de ser apropiado para uso alimentario, evitando la contaminación de la leche al contacto con el mismo. La caja (1 ) dispone de un receptáculo (9) en el fondo destinado a albergar el circuito electrónico de medida (10), reduciéndose así la cantidad de hardware externo y cableado. El hueco contiene una ranura a ambos lados que sirven de guía (16) para introducir el circuito (10), como se muestra en la figura 6. Esta zona queda cerrada con la tapa inferior (7), la cual contiene una prolongación de la guía (16) que permite fijar el circuito (10). En la figura 6 se muestra el hueco del conectar (17), necesario para albergar la parte trasera del conector (8) junto con el cableado. La conexión de los toroides (2) al circuito (10) se hace mediante un canal (18) que une el alojamiento del circuito (9) con la cavidad de medida (5), como se aprecia en la figura 6. Este canal (18) ha de estar perfectamente sellado para evitar que la leche entre a través de él al hueco del circuito (9), lo que provocaría un cortocircuito. En la parte posterior de la caja (1 ) existen dos guías, (19) y (20), que permiten su fijación a un Carril Din de 35mm (12).
Para la fabricación de la válvula de obturación (4) ubicada en el frontal de la caja (1 ) se realiza también en plástico ABS. Esta válvula (4) de accionamiento manual interrumpe el paso de leche a medida que se gira en sentido horario. En la figura 8 se muestra en detalle la forma de dicha válvula. En ella se pueden distinguir los siguientes componentes: una empuñadura (21 ) que es la parte accesible de la válvula (4) sobre la que se actúa para regular el flujo de leche; el alojamiento para los anillos toncos (22 y 23) que evitan la salida del fluido; el obturador (24) cuya misión es regular el flujo del fluido y el sistema de bloqueo (25) que evita que el obturador se desplace de su posición una vez montada la caja.
La tapa inferior (7) se realiza también en plástico ABS. Esta tapa tiene varias funciones, por una parte cierra el habitáculo del circuito electrónico (9) evitando que éste (10) quede a la intemperie. También fija el circuito electrónico (10), mediante una guía (16), evitando que éste se mueva en el interior de su alojamiento (9). En la tapa se ubican el conector de alimentación y datos (8). Para facilitar el montaje del conector (8) se ha creado un alojamiento para la tuerca, de este modo se reduce el espacio necesario para el conector y permite su instalación sin el uso de herramientas. El material de la tapa superior (3) ha de ser algún tipo de metacrilato transparente que permita ver el interior de la caja por dos razones: a) controlar el nivel de líquido en la cavidad de medida, y b) revisar el nivel de suciedad de la caja.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Dispositivo de medida, en línea, de conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal caracterizado por disponer de una cámara de medición separada de la línea principal del flujo, que dispone de un sistema de llenado-vaciado continuo de forma que, durante su funcionamiento, la cámara se llena y permite, mediante dos sensores toroidales, una lectura correcta de la conductividad eléctrica, y se vacía, regenerando de forma continua el liquido de la cámara.
2. Dispositivo de medida, en línea, de conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal según la reivindicación anterior, caracterizado por disponer de un único orificio de entrada y uno de salida de forma que permite su ubicación en los tubos cortos de leche de un sistema de ordeño mecánico de rumiantes, de forma que cada sistema mide la conductividad eléctrica de una única glándula mamaria en tiempo real.
3. Dispositivo de medida, en línea, de conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal según la reivindicación 1 y 2, caracterizado por disponer de una válvula-obturador para regular el llenado y vaciado continuo de la cámara de medición cuando se trabaja con arrastre del fluido circulante de flujo pulsante arrastrado mediante vacío en presencia de aire.
4. Dispositivo de medida, en línea, de conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por tener un obstáculo en forma de pared a la entrada del fluido en el sistema que ofrece una gran pérdida de carga y minimiza la formación de espuma en el líquido que se acumula en la cámara de medición. Dispositivo de medida, en línea, de conductividad eléctrica en fluidos de pequeño caudal según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de un sistema de calibrado automático mediante un sólido de referencia que se introduce en los toroides y que evita errores de medida a largo plazo.
PCT/ES2012/070423 2011-06-08 2012-06-06 Dispositivo de medida de la conductividad eléctrica de fluidos de pequeño caudal WO2012168528A1 (es)

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