Procedimiento y dispositivo para la medición del volumen de objetos de materiales higroscópicos de geometría compleja mediante sistema neumático.

Un procedimiento y un dispositivo para la medición del volumen de objetos de materiales higroscópicos con geometría compleja mediante sistema neumático.

El dispositivo comprende un sistema de dos cámaras con transductores de presión absoluta incorporados, una en la que se alojará el objeto a medir y otra en la que se acumula aire comprimido. La alimentación de aire comprimido al sistema pasa previamente por un sistema de limpieza. La presión del aire incorporado es controlada mediante un limitador de presión. La medición del volumen del objeto se realiza en base al volumen de las dos cámaras y a la medición de las presiones que se alcanzan en las mismas durante el ciclo de medición, al poner en presión una de ellas y después abrir la llave de paso que las comunica. El proceso resulta aplicable a materiales higroscópicos de geometría compleja, como madera, péllets, piensos granulados o suelos.

Procedimiento y dispositivo para la medición del volumen de objetos de materiales higroscópicos de geometría compleja mediante sistema neumático.

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCiÓN

La presente invención es de aplicación en los sectores: de la industria forestal para la medición del volumen de piezas de madera, virutas, cortezas o serrines con distintos contenidos de humedad; de los biocombustibles sólidos para la medición de volumen de biocombustibles densificados, astillas o carbón vegetal; de la agricultura para la determinación del volumen en granos o piensos; y de la investigación agraria y forestal para determinar el volumen de rocas, suelos y tejidos vegetales con distintos contenidos de humedad.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La densidad de un material es una propiedad física muy importante, para cuya determinación se hace imprescindible la medición de su volumen. Para materiales que presentan higroscopicidad -definiéndose 15 esta como la propiedad para absorber humedad en su seno, pudiendo o no variar su volumen en este proceso-, como por ejemplo la madera, se suele emplear la relación entre el volumen a un cierto contenido de humedad y el peso seco a 105°C. Este parámetro se define como densidad básica cuando el volumen es medido al máximo contenido de humedad, y es muy importante para la industria forestal y para estudios de productividad de biomasa o relativos al medio natural [A.J. Panshin, C de Zeeuw.;

Textbook ofwood technology, 4th Edition (1980) 722 pp; K. Senelwa, R.E.H. Sims.; Biomass Bioenerg. 17 (1999) 127-140; H.C. Muller-Landau.; Biotropica 36 (2004) 20-32; B. Klasnja, S. Kopitovic, S. Orlovic.; Biomass Bioenerg. 23 (2002) 427-432].

La medición del volumen en objetos de geometría compleja se suele abordar mediante su inmersión en agua y determinación del volumen de líquido desalojado por el objeto a medir, según el principio de 25 Arquímedes. Este procedimiento también es el habitual cuando el objeto a medir presenta higroscopicidad, como por ejemplo la madera, [P.O. Olesen.; For. Tree Improv. 3, (1971) 1-23]. Para este último caso, se ha descrito un dispositivo, denominado xilómetro, para la determinación del volumen de trozas grandes de madera [A. Martin.; For. Sci. 30 (1984) 41-50; D.R. Phillips, MA Taras.; For. Prod. Jour. 10 (1984) 37-42; Diccionario Forestal. Soco Esp. Ciencias Forest. (2005) 1314 pp], donde el volumen de agua desplazado por la pieza de madera sumergida es medido en una escala graduada. En este caso es necesario efectuar una medición rápida, de forma que la absorción de agua por parte del material se pueda considerar como insignificante, y por lo tanto al material como impermeable.

Sin embargo, cuando no se puede permitir que el material adquiera humedad en el proceso de medición de su volumen, son necesarios tratamientos adicionales cuando se quiere emplear el método del 35 desplazamiento de agua. Estos tratamientos consisten en la saturación por completo en agua cuando el volumen que interesa medir es el que ocurre con el máximo contenido de humedad [1. Usta.; Teknoloji.; 12 (2001) 11-18], o el tratamiento del material para que no absorba agua cuando el volumen interesa ser medido a humedades inferiores a las máximas que puede alcanzar el material. En este último caso se suele recurrir al recubrimiento de su superficie con materiales impermeabilizantes -como por ejemplo parafina-, o al congelado [R. Makipaa, T. Linkosalo.; Silva Fenn. 45 (2011) 1135-1142], siendo este último método especialmente sensible a sobreestimaciones del volumen.

Otro problema de esta metodología es la forma mediante la que se consigue la inmersión por completo del objeto a medir cuando éste presenta una densidad menor que la del agua. Cuando el objeto a medir consta de una única pieza se suelen emplear agujas, a las que se les supone un volumen insignificante 45 con respecto al objeto a medir [R. Nygard, B. Elfving.; Ann. For. Sci. 57 (2000) 143-153; J. Ilic, D. Boland,

M. McDonald, G. Downes, P. Blakemore.; National carbon accounting system. Tech. Rep. 18 (2000) 234 pp], pero cuando el material es granular -como por ejemplo astillas-, este sistema no es efectivo.

Los principales problemas de estas metodologías son: baja precisión en la medición, condicionada por la escala del nivel que marque la altura de agua desplazada por el objeto sumergido; el elevado consumo de agua cuando es necesario efectuar muchas mediciones, lo cual puede ser solventado mediante un sistema de filtrado y almacenamiento del agua utilizada que permita su reciclado; necesidad de instrumentos y procedimientos específicos para asegurar la inmersión completa del objeto a medir cuando éste presenta una densidad menor que la del agua y/o es un material granular; dependiendo del objeto a medir, el análisis puede ser destructivo; necesidad de pretratamiento del objeto a medir cuando el material que lo constituye presenta higroscopicidad, lo que complica la medición en materiales granulares, como por ejemplo astillas, pélets, suelos u otros elementos.

En el documento EP O 434 207 A2 se describe un dispositivo y un procedimiento que soluciona parte de los problemas descritos para la metodología de inmersión en agua, pero presenta sin embargo una serie 10 de condicionantes que limitan su aplicación práctica. Algunos de estos problemas son: necesita el empleo de gases distintos del aire para la medición, como por ejemplo el helio; no hay control sobre la temperatura de funcionamiento del dispositivo, lo cual repercute en el comportamiento ideal del gas empleado para la medición y por lo tanto en la precisión de la medida del volumen, el ciclo de medición provoca que exista flujo de aire desde la cámara de medida hacia la cámara de expansión, suponiendo 15 deposición de materiales finos del objeto a medir en esta parte del dispositivo, lo cual es corregido en parte mediante un sistema que asegura un flujo progresivo y controlado de gas entre la cámara de medida y la cámara de expansión, pero provoca tiempos de medición prolongados que pueden suponer la evaporación de agua en la superficie del material del objeto a medir, y por lo tanto perturbaciones en la medición de la presión; y por último, el procedimiento teórico que permite la medición del volumen del 20 objeto a medir en base a las presiones que se alcanzan en las cámaras de medida y de expansión no tiene en cuenta el número de moles de gas que hay contenido en la cámara de expansión ni el volumen ocupado por el elemento de cierre de la válvula que los comunica. Otro problema de este tipo de dispositivos con volumen constante en la cámara de medida es que la precisión que se alcanza en la medición de la presión puede no ser la óptima, al no ocupar la muestra una proporción elevada de la cámara de medida [S. Tamari, A. Aguilar-Chávez.; Simposio de Metrología (2004) 1-6].

Teniendo el conocimiento de estos problemas, los inventores han desarrollado un dispositivo y un procedimiento que permite la medición del volumen en objetos de materiales higroscópicos de geometría compleja mediante un sistema neumático que evita el empleo de agua y gases distintos del aire. El dispositivo tiene por nombre xilómetro neumático, y permite medir el volumen de materiales granulares.

La práctica de la presente invención presenta las siguientes ventajas con respecto a los dispositivos y procedimientos ya conocidos: mayor control sobre la precisión de la medición, al permitir aumentar el factor de llenado de la cámara de medida mediante sólidos de materiales incompresibles de volumen conocido mientras se mantiene invariable el volumen útil de la cámara de medida; no consume agua ni helio debido a un sistema de secado y limpieza del aire ambiental que permite su uso en la medición; no se ve afectada por cambios de temperatura entre las distintas partes del dispositivo, pues el sistema de limpieza asegura flujo de aire a temperatura constante, que será siempre igual a la temperatura ambiente de funcionamiento; el diseño permite un rápido equilibrado de las presiones en las dos cámaras que lo forman en el momento de la expansión, lo que permite reducir el tiempo de medición y por lo tanto el error cometido en la medición de muestras con elevado contenido en humedad cuya evaporación pudiera afectar a la medición de la presión; el diseño garantiza que no se producen deposiciones de finos en el aparato entre dos ciclos de medición, al existir presión positiva que expulsa a los mismos entre dos ciclos de medición; el procedimiento teórico para la determinación del volumen en base a las presiones medidas en el aparato en el ciclo de medición tiene en cuenta el número de moles contenido en la cámara de menor presión antes de la expansión del aire desde la cámara de mayor presión,...

1. Un procedimiento para la medición de volumen en materiales higroscópicos de geometría compleja mediante sistema neumático, que comprende las siguientes etapas: a) alojamiento del objeto de material higroscópico de geometría compleja (1) en la cámara de medida (2) ,

b) cierre hermético de la cámara de medida (2) ,

c) medición y registro de la presión (Po) con el transductor de presión absoluta (3) en la cámara de medida (2) con las llaves de paso (4) y (5) cerradas,

d) incorporación de aire en el calderín (6) mediante la apertura de la llave de paso (7) y cierre de la misma cuando se alcance la presión de trabajo,

e) medición y registro de la presión (P1) en el calderín (6) con el transductor de presión absoluta (8) con las llaves de paso (5) y (7) cerradas,

f) apertura de la llave de paso (5) que comunica la cámara de medida (2) y el calderín (6) ,

g) medición y registro de la presión de equilibrio (P2) en la cámara de medida (2) y el calderín (6) con el transductor de presión absoluta (8) ,

h) determinación del volumen del objeto a medir (1) , caracterizado porque el volumen del objeto a medir (p -p ) . V + (p -p ) . V -P .V

(v) es determinado en base a la expresión V = 1 2 1 o 2 2 2 11, donde P1 es la Po -P2 presión medida según la reivindicación 1, apartado e) , P2 es la presión medida según la reivindicación 1, apartado g) , Po es la presión medida según la reivindicación 1, apartado c) , V1 es el volumen útil del calderín (6) con las llaves de paso (5) y (6) cerradas, V2 es el volumen útil de la cámara de medida (2) con 20 las llaves de paso (4) y (5) cerradas y considerando el recipiente interior (9) , y VII es el volumen que desplaza el mecanismo de la llave de paso (5) en su apertura y cierre en la tubería que conecta la cámara de medida (2) con el calderín (6) .

i) cierre de la llave de paso (5) ,

j) despresurización de la cámara de medida (2) mediante la llave de paso (4) que la comunica con el exterior,

k) apertura de la cámara de medida (2) y retirada del recipiente (9) que contiene al objeto a medir (1) .

1) purga de los vapores de humedad del objeto sobre el que se efectúa la medición (1) previo a la realización de las medidas de presión descritas en las etapas c) , e) y g) .

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el apartado a) , está caracterizado porque el objeto a medir (1) es depositado en un recipiente interior (9) a la cámara de medida (2) , de diámetro menor que la cámara de medida.

3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el apartado d) , está caracterizado porque el 35 aire incorporado al calderín (6) ha de ir libre de humedad, aceite o partículas.

4. El procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el apartado d) , está caracterizado por que el secador de aire por enfriamiento (17) que procesa el aire incorporado al calderín (6) eleva la temperatura del aire hasta la temperatura de operación en laboratorio.

5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el apartado g) , está caracterizado porque el mecanismo de cierre de la llave de paso (5) ha de ser macizo ..

6. Un dispositivo para la medición de volumen mediante sistema neumático en materiales higroscópicos de geometría compleja, caracterizado por los siguientes elementos:

a) una cámara de medida hermética (2) de volumen conocido V2 con las llaves de paso (4) y (5) cerradas,

donde la cámara de medida (2) lleva incorporado: un transductor de presión absoluta (3) para la medición de la presión (Po) una vez se ha introducido el objeto a medir y cerrado la cámara de medida (2) , un recipiente interior (9) para alojar el objeto a medir (1) , y un sistema de eliminación de líquidos (13) .

b) un calderín (6) para el almacenamiento de aire a presión de volumen conocido V1 con las llaves de paso (5) y (7) cerradas, donde el calderín (6) lleva incorporado un transductor de presión absoluta (8) para 10 la medición de las presiones P1 y P2, Y un sistema de eliminación de líquidos (14) .

c) una tubería de conexión entre la cámara de medida (2) y el calderín (6) , con una llave de paso (5) que controla el paso de aire, donde el mecanismo de apertura y cierre de la llave de paso (5) ha de ser macizo, y donde el volumen de aire que desplaza la llave de paso (5) en su apertura y cierre tenga un volumen conocido VI/.

d) un sistema regulador de presión (10) de carga del calderín (6) , situado fuera de éste en una posición inmediatamente anterior a la llave de paso (7) con respecto al compresor (11) ,

e) un sistema de eliminación de aceite, humedad y sólidos (12) en el aire incorporado al calderín (6) , situado entre el compresor (11) Y el sistema regulador de presión en el calderín (10) ,

f) un compresor (11) .

7. El dispositivo, según la reivindicación 6, en el que el apartado c) , está caracterizado porque el sistema de cierre de la llave de paso (5) no permite la acumulación de aire en su seno en el procedimiento de apertura y cierre, y porque el punto de inserción con la cámara de medida es no superior a y, . de la altura del recipiente interior (9) .

8. El dispositivo, según la reivindicación 6, en el que el apartado d) , está caracterizado por que consta de una válvula reguladora de presión (15) y una válvula antirretorno calibrada (16) .

9. El dispositivo, según la reivindicación 6, en el que el apartado e) , está caracterizado porque consta de un purgador automático con filtro (18) , y de un secador de aire por enfriamiento (17) .

10. El dispositivo según la reivindicación 6; en el que el apartado e) , está caracterizado porque el

aire incorporado al calderín (6) está a la misma temperatura que la que se encuentra todo el equipo 35 temperatura de trabajo en laboratorio-.

Fig. 1

Fig.2

.....

Fig.3

P'1

Fig.4

Fig.5