PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA MEDIR LA TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS.

Procedimiento para medir la tensión superficial de líquidos según el principio de presión de burbujas,

en el cual con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas definido se capta un parámetro de burbujas en una punta capilar (1) inmergida en el líquido y a partir de ahí se calcula la tensión superficial (σ), caracterizado por el hecho de que se mide el tiempo o la vida de una burbuja (t life) entre el nivel mínimo de presión (ρmin) y el máximo de presión (ρmax) con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas (m1) definido y resultando de esto un aumento de presión definido (dp/dt) de una burbuja (2), calculando la tensión superficial a partir de esto

Procedimiento y dispositivo para medir la tensión superficial de líquidos.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para medir la tensión superficial de líquidos según el principio de presión de burbujas, en el cual con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico del gas definido se detecta un parámetro de burbujas en una punta capilar sumergida en el líquido y a partir de esto se calcula la tensión superficial.

La tensión superficial σ indica el trabajo que debe ser realizado, para aumentar una superficie en la superficie límite líquida gaseosa en un determinado importe. Aquella por consiguiente da por ejemplo una aclaración sobre la concentración y la eficacia de agentes tensioactivos en líquidos, por ejemplo para el control de calidad de tintes o aguas en procesos de lavado y de limpieza.

En el principio de presión de burbujas, un gas o una mezcla de gas, normalmente aire, se introduce a presión en un tubo capilar conectado a un sistema neumático, en un líquido a analizar y se mide la presión interior ρ de la burbuja que se forma en el tubo capilar.

En el procedimiento de la presión máxima de burbuja se mide la presión máxima de la burbuja ρ_max. La presión hidrostática ρ_h que actúa sobre la burbuja se calcula a partir de la profundidad de inmersión h_E del tubo capilar que debe ser detectada o ajustada de manera laboriosa, y de la densidad del líquido. La tensión superficial σ se calcula entonces con el radio del tubo capilar r_Cap en una primera alimentación según:

En un procedimiento derivado de esto, de la presión diferencial en un tubo capilar (DE 197 55 291 C1, DE 203 18 463 U1), la tensión superficial dinámica σ se calcula aprovechando la correlación K entre la tensión superficial σ y la presión diferencial Δρ entre la presión interior máxima ρ_max y la presión interior mínima ρ_min de la burbuja:

A causa del mismo efecto de la presión hidrostática sobre ρ_min y ρ_max la medición contrariamente al procedimiento de la presión máxima de burbuja permanece independiente de la profundidad de inmersión del capilar.

En líquidos con contenido tensioactivo, el valor medido de la tensión superficial σ depende de la vida de la superficie expansiva, porque con el aumento de la vida de la burbuja pueden acumularse en aumento los tensioactivos en una superficie de burbuja nuevamente formada. El principio de presión de burbuja registra por consiguiente una tensión superficial dinámica, por lo cual un valor medido siempre debe ser indicado en relación con el tiempo de formación de la burbuja o vida de la burbuja t_life correspondiente, bajo lo cual además ha de entenderse el tiempo entre la presión mínima y la presión máxima de la burbuja.

Los procedimientos de presión de burbuja conocidos miden la presión máxima de la burbuja o la presión diferencial en un tubo capilar, con una frecuencia de burbuja definida o una vida de las burbujas de gas salientes que deben ser reguladas siempre de nuevo posteriormente conforme a la tensión superficial que cambia dinámicamente (DE 197 55 291 C1). Para ello se precisa una bomba de aire controlable o una válvula que controla la corriente de aire.

Para poder medir con precisión la tensión superficial, el sensor de presión utilizado debe tener una alta precisión de medición en comparación con otras aplicaciones.

Los sensores de presión que satisfacen estos requisitos, deben ser por ejemplo compensados en la temperatura y calibrados y son por eso el componente más caro de un sistema de medición.

Las alternativas para la transformación de la presión de burbuja en una señal eléctrica son los convertidores de presión sonora, tales como micrófonos de condensadores, de bobinas de inmersión, de cristal, de carbón así como discos piezoeléctricos (EP 0 760 472 B1, DE 196 36 644 C1). De esta manera se mide según EP 0 760 472 B1 con un convertidor de presión sonora económico la primera derivación de la señal de presión según el tiempo y por la sucesiva integración se mide la presión de la burbuja y a partir de esto se determina la tensión superficial. Las diferencias de medición que surgen por la influencia de la temperatura ambiente, la humedad del aire, la dependencia de la frecuencia de los micrófonos en el comportamiento de transmisión así como por la deriva durante una medición, son inevitables. Los convertidores de presión sonora no satisfacen los requisitos de precisión de una medición de presión sin medidas adicionales.

De la DE 43 03 133 A1 es conocido que en caso de haber corrientes de aire suficientemente constantes, la frecuencia de burbujas medida de las burbujas que se forman en un tubo capilar está correlacionada con la tensión superficial. Con el descenso de la tensión superficial sube la frecuencia de burbujas. El recíproco de la frecuencia de burbujas, es decir el período de burbujas, se compone de la vida de la burbujas y el llamado tiempo inefectivo de las burbujas (DE 203 18 463 U1). El tiempo inefectivo de la burbuja indica el tiempo entre la presión máxima, después de cuya duración de pasada revienta la burbuja y se infla, y el arranque de la burbuja. Ya unas corrientes escasas en el líquido o vibraciones mecánicas influyen en el arranque casual de la burbuja y producen por ello elevadas diferencias de medición durante la medición de la tensión superficial debido a la frecuencia de burbujas. La precisión de medición resultante no es suficiente por ejemplo para la captación de la concentración del detergente en el campo de la limpieza textil.

La patente DE 197 55 291 C1 describe un procedimiento para medir la tensión superficial de líquidos, en el cual se mide la presión máxima de las burbujas. La patente DE 43 03 133 A1 mide para ello la frecuencia de burbujas.

La patente EP 1 464 948 A1 describe un dispositivo para medir la tensión superficial de líquidos. En este caso se hace referencia solamente en general a un sensor de presión y un accionamiento para la bomba.

Hasta el momento actual no es conocida una solución económica y competitiva en el campo de limpieza textil y de vajilla, particularmente en el sector de menaje, con la cual pueda ser medida con suficiente precisión la tensión superficial para una detección de la concentración del detergente o lavavajillas y sobre esta base una dosificación automática de estos.

La invención se basa en la tarea de indicar un procedimiento y un dispositivo para medir dinámicamente la tensión superficial de un líquido, que provee unos resultados de medición suficientemente precisos con un coste comparativamente escaso en sensores para la mayoría de aplicaciones, partiendo de la dependencia de la vida de la burbuja de la tensión superficial con un flujo de masa de gas o de un caudal volumétrico de gas definido.

La tarea es solucionada según la invención mediante las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 11. Perfeccionamientos ventajosos en este sentido indican las reivindicaciones acompañantes.

El procedimiento según la invención se basa en la dependencia de la vida de las burbujas t_life de la tensión superficial σ con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas definido introducido en un volumen sistémico.

Al formarse una burbuja al extremo del tubo capilar, la presión diferencial entre la presión mínima y la presión máxima en la burbuja se correlaciona con la tensión superficial σ. Si se introduce un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas definido, para habitualmente un flujo de masa de aire o caudal volumétrico de aire, en el volumen del sistema neumático, fluye en este independientemente de la tensión superficial σ en el mismo período siempre el mismo flujo de masa de gas o el mismo caudal volumétrico de gas. Con esto, la vida de las burbujas depende igualmente de la tensión superficial σ, porque en caso de una tensión superficial σ más reducida se produce una presión más baja en la burbuja y por consecuencia hasta el logro de la presión...

1. Procedimiento para medir la tensión superficial de líquidos según el principio de presión de burbujas, en el cual con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas definido se capta un parámetro de burbujas en una punta capilar (1) inmergida en el líquido y a partir de ahí se calcula la tensión superficial (σ), caracterizado por el hecho de que se mide el tiempo o la vida de una burbuja (t_life) entre el nivel mínimo de presión (ρ_min) y el máximo de presión (ρ_max) con un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas (m₁) definido y resultando de esto un aumento de presión definido (dp/dt) de una burbuja (2), calculando la tensión superficial a partir de esto.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la vida de la burbuja (t_life) se mide con ayuda de un sensor de presión (14) que detecta cronológicamente y emite señales de los estados de mínima presión (ρ_min) y de máxima presión (ρ_max) en una burbuja (2).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el sensor de presión (14) convierte las señales de mínima presión (ρ_min) y máxima presión (ρ_max) en señales de tensión (u(t)).

4. Procedimiento según la reivindicación 2 o 3, caracterizado por el hecho de que en lugar del sensor de presión (14) sirve un convertidor de presión sonora tal como un micrófono de condensador, de bobinas de inmersión, de cristal, de carbón y un disco piezoeléctrico.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que para la generación de un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas (m₁) definido sirve una bomba de diafragma (15) con un estrangulador (16) conectado posteriormente.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que entre la bomba de diafragma (15) y el estrangulador (16) sirve un volumen tampón (17) para aplanar el flujo de masa de gas o un caudal volumétrico del gas (m₁) definido.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que para generar un flujo de masa de gas o un caudal volumétrico de gas (m₁) definido sirve un depósito de gas bajo presión preferiblemente recargable con un estrangulador (16) conectado posteriormente.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el sensor de tensión superficial es calibrado en agua con la temperatura conocida y por lo tanto con la tensión superficial (σ) conocida, midiendo la vida de la burbuja (t_life) y calculando a partir de ello el flujo de masa de gas o el caudal volumétrico de gas (m₁).

9. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que un proceso de medición o de calibración comienza con la puesta en servicio de la bomba (15) y después de un tiempo definido, en el cual se ha desarrollado una presión suficientemente constante en el volumen tampón (17), se capta la vida de la burbuja (t_life).

10. Utilización de un sensor de tensión superficial con un procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en una lavadora, en el cual se calibra el sensor de tensión superficial en el momento de afluencia de agua, y estando parado el tambor de la lavadora en procesos de medición y de calibrado.

11. Dispositivo para medir la tensión superficial de líquidos, con un procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por una estructura compacta, que presenta un cuerpo básico (19), en el cual están formados una conexión para un tubo capilar (1) así como un espacio de volumen sistémico (3), un estrangulador (16), un espacio para el volumen tampón (17), un espacio para la bomba (20) y válvulas de bomba con insertos para compuertas de válvula (21), y el tubo capilar (1) mismo, un convertidor (4) piezoeléctrico que cierra el espacio de volumen sistémico (3), compuertas de válvula (21), una tapa (22) para cerrar el volumen tampón (17) y otro convertidor piezoeléctrico (4) como accionamiento para una bomba de aire (15), estando prevista una unidad electrónica (18) concebida de tal manera que calcule la tensión superficial a partir de valores medidos para el aumento de presión de una burbuja conforme al procedimiento según la reivindicación 1.