ES2247084T3 - Valvula inalambrica intrinsicamente segura. - Google Patents
Valvula inalambrica intrinsicamente segura.Info
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Abstract
Sistema de válvula en un sistema de gestión de productos químicos para controlar el flujo de un producto químico volátil que comprende un transmisor remoto (14) generando dicho transmisor una señal de activación de la válvula (24); un receptor (28) generando dicho receptor una señal de elemento piezoeléctrico en respuesta a la señal de activación; un conjunto que incluye un elemento piezo (38), generando dicho conjunto una señal piloto en respuesta a la señal del elemento piezo; una válvula piloto (36), dejando pasar dicha válvula piloto una presión de aire piloto en respuesta a la señal piloto; una válvula principal (44) generando dicha válvula principal una presión de aire de trabajo en respuesta a la presión de aire piloto; un accionador giratorio neumático (16) sensible a la presión de aire de trabajo; y una válvula de flujo de fluido (18) para controlar el flujo del producto químico volátil desde un primer lado (20) hasta un segundo lado (22), siendo dicha válvula de flujo de fluido desplazada por el accionador giratorio neumático.
Description
Válvula inalámbrica intrínsicamente segura.
La presente invención se refiere generalmente a
válvulas intrínsicamente seguras y, más particularmente, a válvulas
que utilizan un elemento piezoeléctrico que funciona utilizando la
mínima energía eléctrica.
Muchas industrias utilizan y/o fabrican productos
químicos inflamables. Dichas industrias deben prestar un cuidado
especial para evitar la ignición de dichos productos químicos con el
fin de evitar incendios o explosiones. Los sistemas de gestión de
productos químicos requieren una consideración significativa hacia
la reducción del potencial para la ignición de dichos productos
químicos. Los sistemas de gestión de productos químicos están
diseñados típicamente de manera que se reduzcan el arco y las
chispas que a menudo resultan de la conexión y la desconexión de
circuitos eléctricos. Actualmente, dichos sistemas de gestión de
productos químicos utilizan cableados y elementos de conmutación que
presentan un coste elevado, con el fin de conseguir dicho
objetivo.
Un ejemplo particular de dicho sistema de gestión
de productos químicos utiliza válvulas solenoide con el fin de
desplazar un elemento de válvula para controlar el flujo de los
productos químicos inflamables. Se puede hallar un ejemplo de la
técnica anterior en el documento US nº 5.706.852. Los sistemas
actuales utilizan aplicaciones de chispa reducida que presentan un
coste elevado. Dichas aplicaciones incluyen cableado así como
conmutadores sin chispa cuyos precios resultan elevados debido al
recubrimiento significativo del cableado y al sellado de los
conmutadores. A pesar de que dichos conmutadores típicamente
funcionan a un nivel de voltaje de señal en lugar de funcionar a
niveles de voltaje de trabajo más elevados, la menor chispa en un
ambiente altamente inflamable puede presentar situaciones
extremadamente peligrosas.
Así, existe una necesidad de proporcionar una
válvula intrínsicamente segura que reduzca el coste general de las
válvulas en un sistema de gestión de productos químicos.
De acuerdo con las enseñanzas de la presente
invención, se da a conocer un sistema de válvula que utiliza un
elemento de bajo voltaje, como un elemento piezoeléctrico, para
activar una válvula de fluido de manera que se utilice una cantidad
de energía eléctrica mínima. Dicho elemento piezoeléctrico activa
una válvula de presión piloto que permite que un fluido de control
pase a una válvula de control principal. El fluido de control
provoca que la válvula de control principal active un accionador
giratorio neumático que a su vez acciona la válvula de flujo de
fluido. Se utiliza un conjunto de conmutación para activar el
elemento piezoeléctrico. Dicho conjunto de conmutación puede incluir
varios tipos de dispositivos de conmutación como por ejemplo,
dispositivos de conmutación RF, dispositivos de conmutación ópticos,
dispositivos de conmutación infrarrojos y dispositivos de
conmutación de bajo voltaje eléctrico, para permitir el control de
la válvula desde una situación remota.
Para una comprensión más completa de la
invención, de sus objetivos y sus ventajas, se hace referencia a la
siguiente especificación y a los dibujos adjuntos.
Los dibujos, que forman una parte integrada a la
especificación, se deberán leer en conjunción con la misma, y se
utilizan números de referencia iguales para designar componentes
idénticos en las distintas vistas.
La Figura 1 es un diagrama de bloques esquemático
de una válvula intrínsicamente segura que se activa por medio de una
señal RF, según una forma de realización de la presente
invención;
la Figura 2 es un diagrama de bloques esquemático
de una válvula intrínsicamente segura que se activa por medio de una
señal óptica, según otra forma de realización de la presente
invención;
la Figura 3 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación para un conjunto de válvula que utiliza
un dispositivo de conmutación óptico, según otra forma de
realización de la presente invención;
la Figura 4 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación para un conjunto de válvula que utiliza
un dispositivo de conmutación óptico, según otra forma de
realización de la presente invención;
la figura 5 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación para un conjunto de válvula que utiliza
un dispositivo de conmutación óptico, según otra forma de
realización de la presente invención;
la figura 6 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación para un conjunto de válvula que utiliza
un dispositivo de conmutación de optoacoplador, según otra forma de
realización de la presente invención; y
la Figura 7 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación para un conjunto de válvula que utiliza
un dispositivo de conmutación por infrarrojos, según otra forma de
realización de la presente invención.
La Figura 1 es una vista en planta de un sistema
de válvula intrínsicamente segura 10 según la invención. El sistema
de válvula 10 incluye un conjunto de activación de válvula 12, un
transmisor 14, un elemento de trabajo 16 y una válvula de fluido 18.
Dicho transmisor 14 transmite una señal 24 desde la antena 26 que se
recibe en una antena 30 asociada al conjunto de válvula 12. En esta
forma de realización, la señal 24 es una señal RF, pero tal como se
explicará con mayor detalle más adelante, se pueden utilizar otras
señales, como señales ópticas, señales de infrarrojos y señales de
bajo voltaje. La señal 24 puede estar codificada por el transmisor
14, de modo que únicamente funciona un conjunto de válvula
particular 12 en respuesta a dicha señal 24. Así, se puede dirigir
el conjunto de válvula 12 para distinguir un conjunto de válvula
particular 12 de otros conjuntos de válvula. Cuando el conjunto de
válvula 12 recibe la señal 24, activa el elemento de trabajo 16, que
abre o cierra la válvula de fluido 18 dependiendo de su estado
normal. La válvula 18 controla el flujo de productos químicos entre
un primer lado 20 y un segundo lado 22. La válvula 18 puede ser
cualquier tipo de accionador que funcione a bajo voltaje.
Especialmente, la válvula 18 puede ser cualquier dispositivo de
accionamiento que se pueda beneficiar del sistema descrito en el
presente documento.
El receptor 28 incluye un detector 30 que detecta
la señal 24 de la antena 30. Una batería 32 proporciona energía
eléctrica al receptor 28. Dicho receptor 28 incluye un conmutador
sin contactos 34 que responde a la señal 24 de la antena 30. Si el
transmisor 14 codifica la señal 24, dicho conmutador sin contactos
34 sólo responde si el receptor 28 es el receptor al que se
dirige.
El receptor 28, a través del conmutador sin
contactos 34, envía una señal eléctrica a una válvula piloto 36.
Dicha válvula piloto 36 incluye un conjunto de conmutación
piezoeléctrico 38 acoplado a un cuerpo de válvula 40 de la válvula
36. Dicho conjunto de conmutación 38 incluye un elemento
piezoeléctrico cuya configuración estructural cambia en respuesta a
un voltaje, tal como ya se conoce en la técnica. El elemento
piezoeléctrico puede ser cualquier elemento piezoeléctrico adecuado
para el objetivo descrito en la presente memoria. En formas de
realización alternativas, el elemento piezoeléctrico puede ser otro
tipo de elemento de bajo voltaje adecuado para el objetivo descrito
en el presente documento, como los que utilizan tecnología de
flexión de elemento, como elementos de cerámica. La válvula 36 es
una válvula de dos posiciones que suministra aire de entrada a una
presión piloto a una línea piloto 42. El conjunto 38 incluye un
deflector (que no se muestra) que se desvía después de la aplicación
de un voltaje. El desvío del deflector abre un pequeño orificio para
permitir que se aplique el aire a una presión piloto a la línea
piloto 42, que a su vez se aplica a una bobina o a una válvula de
resorte 44. Preferentemente, la válvula piloto 36 está realizada
como una válvula disponible comercialmente.
La válvula principal 44 controla la aplicación de
aire de entrada y salida hacia el elemento de trabajo 16. En
particular, después de la aplicación de la presión piloto desde la
línea piloto 42, la válvula principal 44 aplica aire de entrada para
desplazar el elemento de trabajo 16. Dicho elemento de trabajo 16
puede estar formado como un accionador giratorio neumático para la
válvula 18. De acuerdo con esto, la válvula 18 puede estar realizada
como una válvula de mariposa de manera que el desplazamiento del
elemento de trabajo 16 abra y cierre dicha válvula 18. Después de
retirar la señal eléctrica de salida por el receptor 28, la válvula
piloto 36 corta el suministro de la presión piloto a la línea piloto
42. Esto a su vez desplaza la válvula principal 44 a una posición
desactivada, que desplaza el elemento de trabajo 16 a su posición
inicial, cerrando así la válvula 18.
La Figura 2 muestra un sistema de válvula
intrínsicamente segura 50 según otra forma de realización de la
presente invención. El sistema de válvula 50 está dispuesto de forma
similar al sistema de válvula 10, y se utilizan números de
referencia iguales para designar elementos iguales. Dichos elementos
iguales no se describirán haciendo referencia a la Figura 2, ya que
funcionan tal como se describe haciendo referencia a la Figura
1.
La técnica de accionamiento para poner en
funcionamiento la válvula piloto 36 presenta un interés particular
en el sistema 50. En particular, un sistema de accionamiento óptico
52 sustituye el transmisor 14 y el receptor 28 del sistema 10. El
sistema 52 incluye un conmutador de fibra óptica 54 que emite una
señal óptica en un cable de fibra óptica 56. Dicho cable de fibra 56
óptica aplica la señal óptica a un detector de fibra óptica 58.
Dicho detector de fibra óptica 58 convierte dicha señal óptica
proveniente del conmutador 54 a un voltaje para accionar el conjunto
38 de la válvula piloto 36. El detector de fibra óptica 58 emite la
señal eléctrica en los conductores 60.
Las formas de realización descritas anteriormente
ofrecen varias ventajas. En los sistemas convencionales, cuando un
conmutador de funcionamiento se encuentra situado en un lugar remoto
de la válvula a accionar, se debe prever un conductor eléctrico
entre el conmutador y la válvula. El cableado de dichos conductores
eléctricos puede resultar caro tanto en lo que respecta a tiempo
como en lo que respecta a materiales, ya que los sistemas de
seguridad intrínseca requieren cableados a prueba de explosión. Sin
embargo, el objeto de la invención elimina la necesidad de cablear
conductores eléctricos debido a que el transmisor 14 y el receptor
28 únicamente necesitan comunicarse de forma electromagnética sin
estar conectados directamente por medio de conductores eléctricos.
Así, el objeto de la invención proporciona un ahorro de costes
significativo.
Además, al utilizar un elemento piezoeléctrico y
la válvula piloto 36 se elimina la posibilidad de que se produzca un
arco eléctrico debido a la conexión y desconexión del conmutador
eléctrico. Sólo se necesita una cantidad mínima de energía eléctrica
para accionar la válvula piloto 36, proporcionando así un sistema de
válvula intrínsicamente seguro. Asimismo, debido a que el receptor
28 y el conjunto 38 sólo precisan una cantidad de energía mínima, la
batería 32 proporciona una vida de batería sustancial para accionar
el sistema de válvula 10 durante un periodo de tiempo prolongado.
Con respecto a la Figura 2, se puede eliminar la batería 32 debido a
que la señal óptica proporciona voltaje suficiente para accionar el
conjunto 38.
La Figura 3 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación de válvula 70 que puede sustituir
algunos dispositivos de conmutación de los sistemas de válvula 10 y
50, tal como se pondrá de manifiesto a partir de la siguiente
explicación. Particularmente, el sistema de conmutación de válvula
70 puede sustituir el transmisor 14 y el receptor 28 en el sistema
10, y puede sustituir el conmutador óptico 54 y el detector de fibra
óptica 58 en el sistema 50. La válvula piloto 36, la válvula
principal 44, el elemento de trabajo 16 y la válvula de fluido 18
funcionarán tal como se ha explicado anteriormente. El sistema 70
incluye un cuadro de control 72 que controla el elemento
piezoeléctrico del conjunto 38.
La válvula 18 se abre o se cierra, dependiendo de
su posición normal, por medio de una señal óptica procedente de una
fuente de luz 74. Dicha fuente de luz 74 puede ser cualquier fuente
de luz activada selectivamente, adecuada para el objetivo descrito
en el presente documento. La señal óptica generada por la fuente de
luz 74 se propaga en fibras ópticas 76 dispuestas en un conjunto de
fibras 78. La luz emitida desde los extremos de las fibras 76
opuestos a la fuente 74 se recibe en una pluralidad de células
solares 80 dispuestas en un banco de células 82. Dichas células
solares 80 convierten la energía óptica en una señal eléctrica que
se proporciona en la línea 84. La señal eléctrica en la línea 84 se
amplifica por medio de un circuito convertidor CC-CC
86 para amplificar el nivel de señal apropiado para cada aplicación
en particular. En esta forma de realización, el circuito convertidor
CC-CC 86 amplifica el nivel de señal a 7,5 voltios.
El circuito convertidor 86 se muestra a título de ejemplo no
limitativo de forma que se puede utilizar cualquier circuito
amplificador adecuado para el objetivo descrito en la presente
memoria. A continuación se envía la señal eléctrica amplificada de
la línea 84 al cuadro de control 72 que activa el elemento
piezoeléctrico para conmutar la válvula piloto 36 del modo que se ha
explicado anteriormente. Las células solares 80, el circuito
convertidor 86 y el cuadro de control 72 podrían estar en la parte
interna del conjunto 38.
La Figura 4 es un diagrama de bloques esquemático
de un conjunto de conmutación de válvula 92 que es una variación del
conjunto de conmutación 70 descrito anteriormente. El conjunto de
conmutación 92 acciona un cuadro de control 94 para controlar el
elemento piezoeléctrico en el interior del conjunto 38. En esta
forma de realización, se utiliza una señal de 1,2 voltios para
controlar el elemento piezoeléctrico. El sistema 92 tiene una
aplicación particular cuando una única fuente de luz acciona muchos
conjuntos de válvula de bajo voltaje, y se utiliza una señal óptica
de baja energía separada para controlar independientemente cada una
de las válvulas separadas.
En esta forma de realización una fuente de luz 96
proporciona una señal óptica en una pluralidad de fibras ópticas 98
y 100, donde la fibra óptica 98 acciona el cuadro de control 94 y el
cable de fibra óptica 100 acciona otro conjunto de conmutación de
válvula (no representado). La fuente de luz 76 puede ser cualquier
fuente de luz capaz de proporcionar señales ópticas a una pluralidad
de conjuntos de conmutación según se ha explicado en la presente
memoria. La fuente de luz 76 controla dos conjuntos de conmutación
de válvula separados en esta forma de realización, pero tal como
podrán apreciar los expertos en la materia, se pueden prever más
fibras ópticas conectadas a la fuente de luz 96 para controlar más
conjuntos de conmutación de válvula. La fuente de luz 96 se mantiene
accionada, de modo que la energía óptica se encuentra disponible
continuamente para cualquiera de los distintos conjuntos de
conmutación de válvula que en cualquier momento puedan precisar
energía óptica.
La señal óptica en el cable de fibra 98 que se
emite desde un extremo del cable 98 opuesto a la fuente 90 se recibe
en una pluralidad de células solares 104 dispuestas en un banco de
células solares 106. Dichas células solares 104 convierten la
energía lumínica en energía eléctrica en la línea 108. Se dispone un
fotodiodo 110 en la línea eléctrica 108 y se acciona cuando recibe
una señal óptica. Cuando se va a activar la válvula 18, se activa un
transmisor de fibra 112, como un LED, para proporcionar una señal
óptica en un cable de fibra óptica 114. El fotodiodo 110 recibe la
luz desde un extremo del cable 114 opuesto al transmisor 112 y se
acciona de manera que la señal eléctrica generada por las células
solares 104 activa el cuadro de control 94. Dicho cuadro de control
94 a su vez activa el elemento piezoeléctrico en el conjunto 38 para
controlar la válvula piloto 36 tal como se ha indicado
anteriormente. Las células solares 104, el fotodiodo 110 y el cuadro
de control 94 se pueden disponer en la parte interna del conjunto
38.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques
esquemático de otro sistema de conmutación de válvula 120 para
activar la válvula 18 del modo que se ha indicado anteriormente. El
sistema 120 incluye un cuadro de control 122 que funciona con una
señal a 1,2 voltios para activar el elemento piezoeléctrico en el
conjunto 38. El sistema de conmutación 120 incluye un circuito
transmisor óptico 124 que incluye un conmutador manual 126, una
fuente de voltaje CC 128, por ejemplo una fuente de 9 voltios CC, y
un transmisor de fibra 130 como un LED. Cuando el conmutador 126 se
cierra, el voltaje proporcionado por la fuente 128 hace que el
transmisor 130 transmita luz por un cable de fibra óptica 132.
El sistema 120 incluye además un conjunto de
conmutación 136 que incluye una fuente de voltaje CC 138, como una
fuente de voltaje a 1,5 CC, y un fotodiodo 140. Cuando el fotodiodo
140 recibe luz procedente de un extremo del cable óptico 132 opuesto
al transmisor 130, se acciona, lo que provoca que el voltaje CC de
la fuente 138 active el cuadro de control 122. Tal como se ha
indicado anteriormente, el cuadro de control 122 acciona el elemento
piezoeléctrico en el conjunto 38 que controla la válvula piloto 36.
El conjunto de conmutación 136 y el cuadro de control 122 se pueden
disponer en la parte interna del conjunto 38.
De acuerdo con otra aplicación de bajo voltaje,
la Figura 6 muestra un diagrama de bloques esquemático de un sistema
de conmutación de válvula 144 provisto de un cuadro de control 146
que es el mismo que el cuadro de control 122, y de un conjunto de
conmutación 148 similar al conjunto de conmutación 136. Dicho
conjunto de conmutación 148 incluye una fuente de voltaje CC 150 y
un optoacoplador 152 que sustituye al fotodiodo 140. Dicho
optoacoplador 152 recibe una señal de bajo voltaje procedente de una
fuente de voltaje adecuada 154 que hace que dicho optoacoplador 152
dirija y active el cuadro de control 146.
La Figura 7 es un diagrama de bloques esquemático
de un sistema de conmutación de válvula 158 que incluye un cuadro de
control 160 que es el mismo que los cuadros de control 122 y 146
descritos anteriormente, y un conjunto de conmutación 162 que es
similar a los conjuntos de conmutación 136 y 148. Dicho conjunto de
conmutación 162 incluye una fuente de voltaje CC 164, un condensador
166 y una fuente de infrarrojos 168. Se aplica una señal de bajo
voltaje a la fuente de infrarrojos 168 que hace que dicho
condensador 166 dirija y, así, active el cuadro de control 160.
A pesar de que la presente invención se ha
descrito en su forma preferida, se entenderá que existen numerosas
aplicaciones y puestas en práctica para la misma. De acuerdo con
esto, se puede someter la invención a modificaciones y cambios sin
apartarse del alcance de la misma tal como se establece en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Sistema de válvula en un sistema de gestión de
productos químicos para controlar el flujo de un producto químico
volátil que comprende
un transmisor remoto (14) generando dicho
transmisor una señal de activación de la válvula (24);
un receptor (28) generando dicho receptor una
señal de elemento piezoeléctrico en respuesta a la señal de
activación;
un conjunto que incluye un elemento piezo (38),
generando dicho conjunto una señal piloto en respuesta a la señal
del elemento piezo;
una válvula piloto (36), dejando pasar dicha
válvula piloto una presión de aire piloto en respuesta a la señal
piloto;
una válvula principal (44) generando dicha
válvula principal una presión de aire de trabajo en respuesta a la
presión de aire piloto;
un accionador giratorio neumático (16) sensible a
la presión de aire de trabajo; y una válvula de flujo de fluido (18)
para controlar el flujo del producto químico volátil desde un primer
lado (20) hasta un segundo lado (22), siendo dicha válvula de flujo
de fluido desplazada por el accionador giratorio neumático.
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el receptor (28) es parte de un circuito
de conmutación (92) que incluye además un fotodiodo (110) y el
transmisor remoto es un transmisor óptico (112), estando dicho
fotodiodo dispuesto en una línea eléctrica (108) entre por lo menos
una célula solar (104) y el elemento piezo (38), siendo dicho
fotodiodo sensible a una señal óptica que actúa como la señal de
activación de la válvula procedente del transmisor óptico, estando
dicho fotodiodo dirigido en respuesta a la señal óptica para
permitir que la señal del fotodiodo active el elemento piezo
(38).
3. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transmisor es un transmisor RF (14),
la señal de activación de válvula es una señal RF (24) y el receptor
es un receptor RF (28).
4. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transmisor remoto incluye un
transmisor óptico (130), una fuente de voltaje CC (128) y un
conmutador manual (126), activándose dicho conmutador manual para
hacer que la fuente de voltaje CC active el transmisor óptico y
genere la señal de activación de la válvula.
5. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transmisor es un transmisor óptico
(112), la señal de activación es una señal óptica, y el receptor es
un detector óptico (110).
6. Sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque el detector óptico se selecciona de
entre el grupo constituido por fotodiodos (110) y células solares
(104).
7. Sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque el transmisor (112) se selecciona de
entre el grupo constituido por dispositivos de infrarrojos,
dispositivos LED y fuentes de luz.
8. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transmisor es un circuito transmisor
óptico que incluye un dispositivo óptico (152) y una fuente de
energía CC (150), emitiendo dicha fuente de energía CC la señal de
activación de la válvula y dejando pasar dicho dispositivo óptico la
señal de activación de la válvula en respuesta a una señal del
transmisor.
9. Sistema según la reivindicación 8,
caracterizado porque el dispositivo óptico es un fotodiodo
(110, 140) y la señal de transmisión es una señal óptica.
10. Sistema según la reivindicación 8
caracterizado porque el dispositivo óptico es un
optoacoplador (152) y la señal de conmutación es una señal de bajo
voltaje.
11. Sistema según la reivindicación 8,
caracterizado porque el dispositivo óptico es un dispositivo
de infrarrojos (168) y la conmutación es una señal de bajo
voltaje.
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