IT9020033A1 - Procedimento ed apparecchiatura per misurare quantita' di gas disperse in un liquido - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

"PROCEDIMENTO ED APPARECCHIATURA PER MISURARE QUANTITÀ' DI GAS DISPERSE IN UN LIQUIDO"

RIASSUNTO

Un procedimento ed una apparecchiatura per misurare quantità di gas disperse in un liquido, in particolare aria di nucleazione in un componente poliuretanico contenuto in un serbatoio sotto pressione. Secondo l’invenzione si preleva un campione del liquido mantenendolo alla pressione del serbatoio, si comprime detto campione di liquido fino a raggiungere un valore di pressione prefissato e si determina la quantità di gas disperso, riferita alla pressione atmosferica, in funzione della differenza di volume causata dalla compressione, mediante un adatto algoritmo di calcolo.

DESCRIZIONE

La presente invenzione è diretta ad un procedimento nonché ad un’apparecchiatura per misurare quantità di gas disperse in un liquido sotto pressione, in particolare per calcolare la percentuale di aria di nucleazione presente in un componente poliuretanico destinato ad essere utilizzato in teste di miscelazione e simili.

La presenza di aria di nucleazione nei componenti liquidi normalmente impiegati nella preparazione di miscele poliuretaniche, ad esempio nel poliolo, si rende necessaria per risolvere alcuni problemi di stampaggio; inoltre tale aria agisce come nucleo di inizio della reazione chimica tra i componenti poliuretanici dopo che questi sono stati opportunamente miscelati tra loro. Pertanto, durante la preparazione dei componenti poliuretanici, prima della loro miscelazione, si deve provvedere a disperdere in essi una certa quantità di gas o di aria di nucleazione, mantenendo e controllando la percentuale di gas disciolto ad un valore prefissato.

Attualmente il calcolo delle quantità di gas di nucleazione disperse o disciolte in un componente poliuretanico sotto pressione, in condizioni di sovrasaturazìone viene effettuato mediante vari sistemi empirici che non assicurano un corretta misura della percentuale di gas di nucleazione presente nel componente.

Un primo sistema noto prevede di misurare la quantità di gas dispersa in un liquido, in funzione della densità del liquido stesso misurata mediante un adatto galleggiante la cui posizione nel liquido determina il contenuto percentuale di aria disciolto. Questo sistema è molto impreciso in quanto non tiene conto della pressione alla quale la misura viene effettuata che in parte influenza la densità del liquido stesso.

Un secondo sistema noto ad esempio da un precedente brevetto italiano N. 1.161.944 della stessa richiedente, prevede di prelevare una certa quantità di liquido da un serbatoio in pressione e di farla espandere in un cilindro di misura calcolando la percentuale di gas disciolto in funzione della pressione del gas presente nel cilindro al termine dell'espansione. Poiché il gas di nucleazione disciolto in un componente poliuretanico liquido si trova normalmente in condizione di sovrasaturazione, tale sistema si adatta bene per liquidi con basse percentuali di gas mantenuti a pressioni relativamente basse; inoltre il sistema viene influenzato negativamente da altri liquidi aventi differenti tensioni di vapore che con la loro presenza possono alterare il dato misurato.

Esiste un altro sistema che prevede di prelevare un campione di liquido e di lasciarlo espandere a pressione atmosferica misurando la percentuale di gas disciolto in funzione del livello raggiunto al termine dell'espansione. Anche questo sistema risulta impreciso e presenta limiti in quanto durante l'espansione si libera del gas che fuoriesce e si disperde; pertanto, il volume alla fine misurato non è comprensivo di tutta l’aria o di tutto il gas che realmente all'inizio era disciolto o contenuto nel 1iquido.

Compito della presente invenzione è di fornire un procedimento ed una apparecchiatura per misurare quantità di gas disperse in un liquido, atti ad operare sotto pressione, tali da ovviare agli inconvenienti dei sistemi noti precedentemente citati.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un procedimento ed una apparecchiatura come sopra riferito, che consentano di effettuare misure molto accurate e ripetibili, che non sono influenzate da variazioni della pressione del liquido da controllare o dalla presenza in questo di altri liquidi aventi tensioni di vapore differenti, e tale da non causare alcuna alterazione del dato misurato.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire una apparecchiatura per misurare quantità di gas di nucleazione disciolto in un componente poliuretanico, che oltre a fornire una continua indicazione della percentuale dì gas disciolto, ne consente un controllo automatico, intervenendo di volta in volta per ripristinare il valore del gas di nucleazione nel serbatoio di stoccaggio.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione ed il modo di operare del1’apparecchiatura, verranno descritti qui di seguito con riferimento al disegno allegato.

Come mostrato, l’apparecchiatura comprende un cilindro di campionamento 10, detto anche cilindro cieco, internamente al quale si muove liberamente un pistone 11; un lato 12a di detto cilindro è collegato tramite una linea 13 ad un serbatoio 14 dì stoccaggio sotto pressione di un liquido da controllare, ad esemplo di un componente poliuretanico nel quale è disciolto in condizione di sovrasaturazione un gas, quale aria di nucleazione per una miscela poliuretanica. Poiché occorre garantire il ricambio del liquido, ad ogni misurazione, è necessario che la linea 13 sia abbastanza corta in modo che il volume di liquido che rimane in essa sia comparativamente piccolo, ad esempio il 10 - 15% del volume di liquido campionato. Il serbatolo 14 è collegato inoltre ad una sorgente 16 di aria in pressione attraverso una valvola 17 che al1’occorrenza può essere comandata per alimentare aria o gas in pressione nel serbatoio 14, ripristinando la percentuale di gas disciolto, ove occorra.

Con 18 nel disegno è stata indicata una seconda valvola azionabile automaticamente nel condotto 13 di collegamento tra il cilindro di misura 10 ed il serbatoio 14 per intercettare il passaggio del fluido e per consentire la compressione del liquido nel cilindro 10 durante la misurazione. Con 19 è stato indicato un trasduttore di pressione per leggere la pressione del liquido nel serbatoio 14.

L'altro lato 12b del cilindro di misura 10 è collegato, tramite un condotto 20 ad una centralina idraulica di comando 21 controllata da un’unità di controllo e di calcolo CU. Nell’esempio mostrato, con 22 è stato inoltre indicato un secondo pressostato sulla linea 20 atto a fornire un segnale indicativo del valore di compressione del campione di liquido nella camera sul lato 12a del cilindro, data la proporzionalità esistente tra le pressioni nelle due camere sui due lati 12a e 12b del cilindro 10.

Più in particolare la camera 12b del cilindro di misura è collegabile attraverso un distributore 23, alla mandata di una pompa 24, o direttamente al serbatoio 25 della centralina contenente un fluido idraulico per l'azionamento del cilindro 10. La linea 20 di alimentazione del fluido idraulico alla camera 12b del cilindro di misura è inoltre collegata al serbatoio 25 attraverso un condotto derivato 26 comprendente un orifizio o passaggio ristretto 27. Con 28 è stato infine indicato un sensore lineare di posizione operativamente collegato al pistone il del cilindro di misura, quale ad esempio un potenziometro, atto a fornire una indicazione di posizione del pistone proporzionale o pari al volume che la camera 12a via via assume con lo spostamento del pistone.

Con 29 è stata indicata una elettrovalvola in un percorso derivato di riciclo del fluido idraulico della pompa 24 al serbatoio 25.

Tutte le valvole di comando ed i vari sensori dell'apparecchiatura sono collegati ad una unità di controllo centrale e di calcolo CU, che opera in base ad un algoritmo di calcolo qui di seguito definito, per controllare l'intero ciclo operativo dell'apparecchiatura e per fornire una indicazione del valore percentuale di aria o di gas di nucleazione nel liquido contenuto nel serbatoio 14, con possibilità di avere un eventuale monitoraggio o stampa del dato fornito.

Il funzionamento dell'apparecchiatura descritta ed il procedimento secondo la presente invenzione risultano essere basati sul principio di comprimere un campione di liquido prelevato dal serbatoio in pressione 14, od eventualmente dalla linea del componente ad esso collegata, e di leggere la differenza di volume provocata da una compressione, rispetto al volume iniziale noto del campione nella camera 12a del cilindro di misura 10. Questo sistema di misura si dimostra particolarmente adatto per misurare alte percentuali di aria disciolta in un liquido a pressioni relativamente elevate, ad esempio di 12 bar.

Il cilindro senz’asta 10 viene pertanto utilizzato per prelevare il campione del componente dal serbatoio 14 in modo passivo lasciando cioè che sia la stessa pressione del liquido a causare lo spostamento di arretramento del pistone 11 e a far riempire la camera 12a del cilindro di misra.

L'altro lato 12b del cilindro, durante il riempimento della camera 12a, risulta collegato allo scarico attraverso il distributore 23 in modo che sul pistone 11 non si eserciti alcuna contropressione significativa. E' importante che il riempimento della camera 12a del cilindro di misura avvenga in modo non assistito, vale a dire, avvenga in modo del tutto passivo lasciando che il pistone 11 arretri liberamente nel cilindro 10 sotto la spinta della stessa pressione esercitata dal liquido da campionare onde evitare di falsare la misura vale a dire l’indicazione del contenuto percentuale di aria nel campione prelevato, rispetto a quello del liquido nel serbatoio 14. Il volume del liquido campionato viene riferito ad un volume noto della camera 12a, ad esempio al volume che tale camera presenta a fine corsa superiore del pistone 11 la cui posizione finale viene letta o sentita dal sensore 28 il quale è in grado di fornire un segnale proporzionale alla posizione del pistone 11 e quindi i valori dei volumi del liquido campionato dopo essere stato prelevato alla pressione del serbatoio 14 e rispettivamente dopo la compressione.

La valvola 18, costituita ad esempio da una valvola a sfera azionata pneumaticamente, serve per chiudere la camera 12a del cilindro durante la compressione, mentre il trasduttore di pressione 19 posto a monte della valvola 18, serve per fornire una indicazione del valore della pressione di lavoro esistente nel serbatoio 14.

L'algoritmo di calcolo mediante il quale è possibile ricavare il valore percentuale, normalizzato alla pressione atmosferica, della quantità d’aria contenuta in forma non disciolta nell'emulsione del liquido campionato, può essere definita nel modo seguente. I dati noti o misurabili tramite i vari trasduttori precedentemente riferiti sono i seguenti:

L'incognita da calcolare è il valore della quantità d’aria o di gas di nucleazione percentualmente contenuta nell'emulsione di aria e liquido di processo; dato che tale valore dipende dalla pressione, la misura viene comunemente riferita alla pressione atmosferica per avere dati sempre tra loro comparabili.

Si voglia pertanto calcolare il contenuto percentuale di aria o di gas nel campione alla pressione atmosferica, partendo dai dati sopra citati. Si assuma in prima approssimazione nulla la comprimibilità del fluido in oggetto (assunzione che si può ritenere sostanzialmente corretta perchè comparata alla maggiore comprimibilità dell’aria o del gas contenuto) e si consideri adiabatica la compressione che subisce il campione nel cilindro 10, data la velocità relativamente alta alla quale tale compressione viene effettuata, ovvero politropica con un indice molto vicino a 1,4 (K adiabatico).

Partendo da queste assunzioni è possibile scrivere le equazioni 1 e 2 seguenti:

La risoluzione del sistema formato dalle equazioni 3 e 4 (due equazioni in due incognite) fornisce il valore del volume di aria VAI alla pressione del serbatoio.

E’ possibile ora ricavare la quantità di aria dispersa nel campione, riferita alla pressione

Il ciclo di lavoro dell'apparecchiatura, che può essere ripetuto ad intervalli di tempo prefissati, per esempio ad intervalli di tempo compresi fra 20 e 30 secondi circa, avviene nel modo seguente:

a riposo la camera 12a del cilindro 10 resta piena del componente. Pertanto all'inizio del ciclo avviene lo svuotamente del cilindro 10 commutando la camera 12b del lato di comando verso lo scarico nel serbatoio 25 mediante il distributore 23. A questo punto, aprendo la valvola 18, è possibile effettuare il riempimento passivo della camera 12a del cilindro 10, alla pressione del serbatoio 14 quindi, dopo alcuni secondi di attesa, il trasduttore di pressione 19 fornisce tale dato all’unità di calcolo CU.

Contemporaneamente a ciò, quando il pistone 11 ha raggiunto il suo fine corsa superiore, il trasduttore 28 fornisce alla unità di calcolo CU una indicazione corrispondente al volume del campione prelevato nel cilindro. A questo punto si chiude la valvola 18 tra cilindro 10 e serbatoio 14 mediante un comando fornito dall'unità CU, si commuta il distributore idraulico 23 per collegare la pompa 24 al lato di comando o camera 12b del cilindro di misura 10 in modo che inizi la fase di pressurizzazione del campione nella camera 12a.

Raggiunto il valore di pressione voluto, il segnale fornito dal pressostato 22 e la misura del volume del campione compresso, proporzionale al segnale di posizione dato dal reostato o trasduttore di posizione 28, sono forniti alla CU.

A questo punto l’unità di controllo e di calcolo CU effettua i necessari calcoli per determinare la percentuale di aria presente nel campione alla pressione del serbatoio, ed i calcoli per determinare la percentuale di aria a pressione atmosferica secondo le formule precedentemente riferite, nonché l’eventuale monitoraggio e stampa dei dati ricavatisi comanda ora la commutazione del distributore idraulico 23 per consentire la totale depressurizzazione del cilindro 10 aprendo contemporaneamente la valvola 18 che collega il cilindro 10 al serbatoio 14.

Dopo l’apertura della valvola 18 si commuta nuovamente il distributore idraulico 23 e si aziona il pistone 11 del cilindro per farlo avanzare fino al suo punto morto inferiore svuotando completamente la camera 12a. La centralina 21 viene nuovamente spenta ed il distributore idraulico 23 può essere commutato per dare inizio ad un nuovo riempimento passivo del cilindro 10 ed avviare cosi un nuovo ciclo di misura.

Quando l'unità di controllo e di calcolo CU riscontra un valore percentuale di aria nel campione inferiore ad un valore prefissato, comanda l'elettrovalvola 17 per l'immissione di nuova aria nel serbatoio 14 regolandola alla percentuale richiesta.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1.
2. Procedimento per misurare quantità di un gas disperso in un liquido, in particolare un componente poliuretanico, secondo cui un campione di liquido viene prelevato da un serbatoio sotto pressione, mediante un cilindro di misura, caratterizzato dal fatto di prelevare detto campione di liquido dal serbatoio in modo passivo lasciando riempire il cilindro alla stessa pressione del serbatoio; di comprimere detto campione nel cilindro fino a raggiungere un valore di pressione prefissato; di rilevare i volumi del campione nel cilindro alla pressione del serbatoio e rispettivamente in condizione compressa, e di calcolare il volume di gas nel campione alla pressione del serbatoio attraverso la differenza dei volumi del campione nel cilindro di misura, prima e dopo la compressione, secondo la formula 1:
3. 3. Apparecchiatura per misurare quantità di gas disperso in un liquido sotto pressione, secondo il procedimento delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere: un cilindro di misura avente un pistone liberamente scorrevole, un lato di detto cilindro essendo collegato, attraverso una valvola comandabile, ad un serbatoio di contenimento del liquido da controllare; mezzi per fornire un segnale di pressione del liquido nel serbatoio, e mezzi per fornire il valore dei volumi del campione di liquido nel cilindro di misura alla pressione del serbatoio e rispettivamente dopo una compressione; l'altro lato del cilindro di misura essendo operativamente collegato ad una unità idraulica di comando; detta valvola, detti mezzi di misura della pressione del serbatoio, detti mezzi di misura dei volumi del campione di liquido e detta unità idraulica di comando essendo operativamente collegati ad una unità di controllo e di calcolo del volume d’aria disperso nel liquido campionato.
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per misurare la pressione nel serbatoio sono costituiti da un trasduttore di pressione posto a monte della valvola suddetta .
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per il calcolo dei volumi del liquido campionato sono costituiti da un trasduttore lineare di posizione operativamente collegato al pistone del cilindro di misura .
6. 6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto trasduttore per la misura dei volumi è costituito da un trasduttore potenziometrico.
7. 7. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un trasduttore di pressione atto a fornire una indicazione del valore di pressurizzazione del campione nel cilindro di misura, operativamente collegato alla detta unità di controllo e di calcolo.