Método y dispositivo para mediciones de conductividad inductiva de un medio fluido.

Método para medir inductivamente la conductividad eléctrica de un medio fluido con un sensor,

que comprendeuna bobina de excitación (L1) para aplicar una corriente de excitación al medio fluido y una bobina de inducción (L2)para recibir una corriente inducida generada por la corriente de excitación a través del medio fluido, comprendiendodicho método las siguientes etapas:

- aplicar a la bobina de excitación (L1) una corriente de excitación alterna;

- medir la corriente inducida para proporcionar una señal de medición correspondiente a la corriente inducida;

- suministrar la señal de medición a un proceso de muestreo y retención para producir una señal de salida, en dondeel proceso de muestreo y retención mantiene la señal de medición en un valor sustancialmente constante durante unperíodo de tiempo de retención (H), el cual está sincronizado con la corriente de excitación alterna y configuradosuficientemente largo como para obtener una señal sustancialmente estable y una señal que no se veasustancialmente afectada por efectos introducidos por el cambio de dirección de la corriente alterna o por lastransiciones dependientes del tiempo de la señal de medición y/o que la duración del período de tiempo de retención(H) sea aproximadamente más largo que un cuarto del período de tiempo de la corriente alterna;

- proporcionar la señal de salida para calcular la conductividad del medio fluido.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/005077.

Solicitante: METTLER-TOLEDO AG.

Inventor/es: WANG,CHANGLIN, WANG,FENGJIN, WANG,XIAOKAI, AMMANN,JÜRGEN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01N27/02 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › investigando la impedancia.

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Método y dispositivo para mediciones de conductividad inductiva de un medio fluido.

Fragmento de la descripción:

Método y dispositivo para mediciones de conductividad inductiva de un medio fluido La presente invención implica un método y un dispositivo para medir electromagnética o inductivamente la conductividad eléctrica de un medio fluido, en particular un líquido o una solución. Ésta pertenece al campo técnico de los instrumentos de medición.

La conductividad eléctrica de un líquido es un importante parámetro de análisis en electroquímica. Su medición tiene una amplia aplicación en sectores tales como la industria química, metalurgia, biología, medicina, prueba de cristalización, conservación del agua, recursos energéticos, etc. Los métodos de medición de la conductividad pueden dividirse en dos grupos: de tipo contacto y de tipo sin contacto.

Una medición de tipo sin contacto aplica el principio de la inducción electromagnética y por lo tanto se conoce también como método de medición electromagnética de la conductividad o método de medición inductiva de la conductividad. Puesto que no existe ningún contacto entre la parte conductora del componente de la medición y el líquido medido, los sensores de este tipo tienen la ventaja de una buena solidez, resistencia a la corrosión, ninguna polarización y larga vida de servicio. Ha existido un largo historial en cuanto al desarrollo puesto que el principio básico de la medición electromagnética de la conductividad de un líquido fue inventado y aplicado en la práctica.

Por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 2.542.057 de M. J. Rellis abrió la teoría básica al público en 1951. El sensor conforme a esta referencia emplea un par de núcleos toroidales coaxiales que están cubiertos por un material protector de la corrosión y eléctricamente aislante. El orificio interno de los 2 núcleos toroidales permite una trayectoria de corriente a través del líquido. De acuerdo con el principio de inducción electromagnética, cuando se envía una corriente alterna a través de la bobina de excitación, se genera un flujo magnético alterno en el núcleo toroidal de excitación, el cual genera a su vez una corriente de inducción a través del bucle en el líquido medido. Esta corriente de inducción generada en el bucle se presenta en sí misma como un bucle de corriente que atraviesa tanto el núcleo toroidal de excitación como el núcleo toroidal de captación. El bucle de corriente genera un flujo magnético alterno en el núcleo toroidal, el cual genera en la bobina de inducción una corriente inducida, la cual produce a su vez una tensión eléctrica inducida en la bobina de inducción.

Puesto que la corriente de inducción del líquido está relacionada con su conductividad, la corriente inducida y la tensión inducida de la bobina de inducción (tensión en circuito abierto) es proporcional a la corriente a través del líquido. De ese modo, la conductividad del líquido puede ser deducida de la medición de la corriente inducida o de la tensión inducida. La conductividad G del líquido se calcula a partir de la fórmula G = C/R, donde C es la constante de la célula detectora y R es la resistencia equivalente del bucle a través del líquido. Con anterioridad, la tensión de excitación era normalmente una onda seno de AC, y la tensión inducida de la bobina de inducción se medía mediante un método de equilibrio de puente eléctrico, que tenía las desventajas de una baja precisión y un bajo nivel de automatización. En la actualidad, debido al desarrollo de modernas tecnologías electrónicas, este método se utiliza en raras ocasiones.

El método de medición de la tensión de inducción es relativamente simple y se sigue usando todavía. Por ejemplo, de acuerdo con el método que fue introducido en la publicación “Medidor Inductivo de Conductividad y Concentración”, Chemical Automation and Meters, 1997 24 (1) : 56-58, la corriente de inducción del líquido está

relacionada con su conductividad. La corriente inducida o la tensión inducida (tensión en circuito abierto) de la bobina de inducción es proporcional a la corriente a través del líquido. Con ello, la conductividad del líquido puede ser deducida de la medición de la corriente inducida o de la tensión inducida de la bobina de inducción. Pero en este método, la tensión inducida de la bobina de inducción no sólo está relacionada con la conductividad del líquido sino también con la inductancia de la bobina de excitación, lo cual afecta negativamente a la linealidad de la medición. También, la permeabilidad magnética del núcleo toroidal se ve afectada por la temperatura y por otros factores, lo que provoca un cambio dependiente de la temperatura de la inductancia de la bobina de excitación y tiene un efecto negativo sobre la precisión de la medición.

Para incrementar la precisión de las mediciones, la patente de EE.UU. nº 5.455.513 A1 de Falmouh Scientific 1995

propone un sistema que emplea un método de compensación de corriente, también conocido como método de corriente cero. Con ello, la corriente inducida de la bobina de inducción se equilibra mediante una compensación adicional de tal modo que la corriente de compensación se substrae de la corriente de inducción para producircorriente cero y una tensión cero correspondiente. Éste es un método de precisión relativamente alta, puesto que cuando la tensión en el terminal de medición de la bobina de inducción es cero, la corriente inducida en la bobina de inducción es proporcional a la conductividad del líquido. Sin embargo, este método es relativamente complicado y costoso, debido a que incluye las etapas de preamplificación, amplificación de filtro sintonizado, detección en fase, integración, multiplicación de conmutación y amplificación adicional para generar la corriente de compensación apropiada. Además, para cambiar el rango de medición, normalmente es necesario cambiar los parámetros de todos los componentes involucrados. También, para la etapa de integración mencionada con anterioridad, se requiere un 65 condensador de alta calidad de integración, y por lo tanto de coste elevado.

Se conoce un medidor de conductividad de tipo inducción, que comprende un circuito de muestreo y retención, por medio del documento US 5767682.

En vista de las desventajas mencionadas con anterioridad de los dispositivos existentes para la medición electromagnética e inductiva de la conductividad de un líquido, la presente invención tiene el objetivo de subsanar los inconvenientes de la técnica anterior, en particular para proporcionar un método de medición simple y de alta precisión y un dispositivo de medición correspondiente. Un objetivo adicional consiste en mejorar la adaptabilidad a diferentes rangos de medición.

La solución técnica se proporciona mediante un método de medición y un dispositivo de medición, los cuales comprenden las características descritas en las reivindicaciones independientes. Realizaciones adicionales de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes adicionales.

La presente invención divulga un método para medir inductivamente la conductividad eléctrica de un medio fluido con un sensor, que comprende una bobina de excitación para aplicar una corriente de excitación al medio fluido y una bobina de inducción para recibir una corriente inducida generada por la corriente de excitación a través del medio fluido, comprendiendo dicho método las etapas de:

- aplicar a la bobina de excitación una corriente de excitación alterna,

- medir la corriente inducida para proporcionar una señal de medición correspondiente a la corriente inducida;

- proporcionar la señal de medición a un proceso de rastreo y retención para producir la señal de salida, en el que el proceso de muestreo y retención mantiene la señal de medición a un valor sustancialmente constante durante un

período de tiempo de retención (H) , el cual está sincronizado con la corriente de excitación alterna y configurado con suficiente longitud como para obtener una señal sustancialmente estable y/o una señal que no se vea sustancialmente afectada por los efectos introducidos por el cambio de dirección de la corriente alterna o por las transiciones dependientes del tiempo de la señal de medición, y/o que la duración del período de tiempo de retención (H) es aproximadamente más largo que un cuarto del período de tiempo de la corriente alterna;

- proporcionar la señal de salida para calcular la conductividad del medio fluido.

Con este método, se consiguen mediciones de alta precisión suprimiendo efectos perturbadores, que afectan negativamente a la medición o a la linealidad de la medición de conductividad. Además, el uso de un proceso de muestreo y retención permite la construcción... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para medir inductivamente la conductividad eléctrica de un medio fluido con un sensor, que comprende una bobina de excitación (L1) para aplicar una corriente de excitación al medio fluido y una bobina de inducción (L2) 5 para recibir una corriente inducida generada por la corriente de excitación a través del medio fluido, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:

- aplicar a la bobina de excitación (L1) una corriente de excitación alterna;

- medir la corriente inducida para proporcionar una señal de medición correspondiente a la corriente inducida;

- suministrar la señal de medición a un proceso de muestreo y retención para producir una señal de salida, en donde el proceso de muestreo y retención mantiene la señal de medición en un valor sustancialmente constante durante un período de tiempo de retención (H) , el cual está sincronizado con la corriente de excitación alterna y configurado

suficientemente largo como para obtener una señal sustancialmente estable y una señal que no se vea sustancialmente afectada por efectos introducidos por el cambio de dirección de la corriente alterna o por las transiciones dependientes del tiempo de la señal de medición y/o que la duración del período de tiempo de retención (H) sea aproximadamente más largo que un cuarto del período de tiempo de la corriente alterna;

- proporcionar la señal de salida para calcular la conductividad del medio fluido.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la corriente de excitación y/o la señal de medición es sustancialmente constante durante un período de tiempo sustancial, que en particular es sustancialmente una señal de onda cuadrada.

2.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el inicio del período de tiempo de retención (H) es aproximadamente coincidente con el, en particular ligeramente anterior al, instante del cambio de dirección de la corriente de excitación alterna.

4. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque con anterioridad a proporcionar la señal de medición al proceso de muestreo y retención, es convertida de una tensión y/o una señal digital y/o una señal rectificada, en particular alternando entre una adición y una substracción de la señal de medición digitalizada o invirtiendo el signo de la señal de medición digitalizada.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la señal rectificada es rectificada síncronamente en relación a la corriente de excitación para proporcionar al proceso de muestreo y retención una señal de medición síncrona rectificada.

6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el período de tiempo de retención (H) es sincronizado por medio de una señal de temporización, que se proporciona por medio de una fuente de corriente de excitación alterna o por medio de una unidad de control, la cual controla la fuente de corriente de excitación alterna.

7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, cuyo método se lleva a cabo por inmersión 45 de un sensor en el líquido, en el que el sensor comprende al menos dos núcleos toroidales, uno de los cuales porta una bobina de excitación y el otro porta una bobina de inducción, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:

- generar una tensión alterna de onda cuadrada para alimentar la bobina de excitación;

- captar la corriente de la bobina de inducción;

- convertir la corriente en una tensión;

- desmodular síncronamente la forma de onda de la tensión;

- emplear un circuito de muestreo y retención para evitar el tiempo de transición de la forma de onda desmodulada;

- realizar una conversión A/D sobre la salida del circuito de muestreo y retención; y

- calcular la conductividad del líquido de acuerdo con el resultado de la conversión A/D.

8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la tensión en el terminal de la salida de la bobina de inducción es sustancialmente cero.

6.

9. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la etapa de calcular la conductividad G del líquido se realiza de acuerdo con:

V

G= C/R, siendo R = 5

I7N2

en donde C es la contante de la célula detectora, V5 es la tensión de excitación, N es el número de espiras del arrollamiento de la bobina, y R es la resistencia equivalente del bucle a través del líquido.

10. Método de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la resistencia equivalente R del bucle a través del líquido (6) se corrige como:

V5 kx (RL1 + RL2) R =

IN N

donde RL1 es la Resistencia de DC de la bobina de excitación y del cable de conexión, RL2 es la resistencia de DC de la bobina de inducción y del cable de conexión; k es un coeficiente integral con un valor de 1 a 1, 4. En una de las realizaciones, el coeficiente integral k se toma como aproximadamente 1, 2.

11. Dispositivo de medición para medir inductivamente la conductividad eléctrica de un medio fluido, conectable a un sensor, que comprende una bobina de excitación (L1) para aplicar una corriente de excitación alterna al medio fluido y una bobina de inducción (L2) para recibir una corriente inducida generada por la corriente de excitación a través del medio fluido, comprendiendo dicho dispositivo de medición un circuito (8) de entrada, el cual es conectable a la bobina de inducción (L2) y el cual proporciona una señal de medición que corresponde a la corriente inducida, caracterizado porque dicho dispositivo de medición comprende un circuito (11, 12) de muestreo y retención con una primera entrada conectada al circuito (8) de entrada para recibir la señal de medición, y con una segunda entrada para recibir una señal de temporización que corresponde a la corriente de excitación, en donde el circuito (11, 12) de muestreo y retención es operable para mantener la señal de medición en un valor sustancialmente constante durante un período de tiempo de retención (H) , que es sincronizado con la señal de temporización y que está configurado lo suficientemente largo como para obtener una señal sustancialmente estable y una señal que no se vea sustancialmente afectada por los efectos introducidos por el cambio de dirección de la corriente alterna o por transiciones dependientes del tiempo de la señal de medición y/o porque la duración del período de tiempo de retención (H) es aproximadamente más larga que un cuarto del período de tiempo de la corriente alterna.

12. Dispositivo de medición de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el circuito (8) de entrada está conectado al circuito (11, 12) de muestreo y retención a través de un Convertidor Analógico/Digital (13a) y/o de un circuito (10) de rectificación, en particular un circuito (10) de rectificación síncrona para proporcionar al circuito (11, 12) de muestreo y retención la señal de medición, respectivamente como tensión y/o como una señal digitalizada y/o rectificada y/o rectificada síncrona.

13. Dispositivo de medición de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el dispositivo de medición comprende una fuente de corriente, la cual está conectada a la bobina de excitación (L1) para aplicar la corriente de excitación alterna, y la cual está conectada al circuito (11, 12) de muestreo y retención para transmitir, en particular recibir o enviar, la señal de temporización.

14. Sistema de medición que comprende un dispositivo de medición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 y que comprende además un sensor de conductividad inductivo, el cual está conectado operativamente al circuito (8) de entrada, en el que el sensor está sumergido en el medio fluido, en particular en un líquido o una solución, y/o en el que cada bobina (L1, L2) del sensor es portada por un núcleo toroidal, en particular un anillo de ferrita o un anillo magnético.


 

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