BR112013013328B1 - método para medir o peso molecular de um gás, medidor para medir o peso molecular de um gás, e mídia legível por computador - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA MEDIR O PESO MOLECULAR DE UM GÁS, MEDIDOR PARA MEDIR O PESO MOLECULAR DE UM GÁS, PRODUTO DE PROGRAMA DE COMPUTADOR EXECUTÁVEL POR UM APARELHO DE PROCESSAMENTO PROGRAMÁVEL, E MÍDIA DE ARMAZENAMENTO UTILIZÁVEL POR COMPUTADOR É apresentado um medidor para medir o peso molecular de um gás o medidor compreendendo um alojamento tendo uma entrada e interior para acolher o dito gás a ser medido, um conjunto detector compreendendo um oscilador de cristal piezoelétrico plano de alta frequência localizado dentro do dito alojamento, de forma que, em uso, o oscilador de cristal piezoelétrico fique em contato com o dito gás, dito conjunto detector sendo disposto: para acionar o oscilador de cristal piezoelétrico, de forma que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone em uma única frequência ressonante; para medir a dita única frequência ressonante do dito oscilador de cristal piezoelétrico, a fim de determinar a densidade de gás; e para determinar, através da densidade, pressão determinada ou predeterminada do gás e temperatura determinada ou predeterminada do gás, o peso molecular do gás.

Description

[0001] A presente invenção se refere a um método e aparelho para medir o peso molecular de um gás. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um método e aparelho para medir o peso molecular de um gás (ou o peso molecular médio, no caso de uma mistura de gases), utilizando um oscilador de cristal piezoelétrico.

[0002] Os métodos e aparelhos aqui descritos podem ser aplicados a sistemas, em que fluidos com pressão relativamente alta (por exemplo, cerca de 10 bares ou mais) estão presentes, tais como, por exemplo, o fornecimento de fluidos em cilindros de alta pressão, ou fábricas que utilizam fluidos de alta pressão. A presente invenção se refere particularmente a gases "limpos", ou seja, gases com pouca ou nenhuma impureza ou contaminantes, como vapor de água ou poeira.

[0003] A presente invenção é particularmente aplicável a gases permanentes. Gases permanentes são gases, que não podem ser liquefeitos por pressão por si só e, por exemplo, podem ser fornecidos em cilindros a pressões de até 450 bar g (onde bar g é uma medida da pressão em bar acima da pressão atmosférica). Exemplos são argônio e nitrogênio. No entanto, isto não é para ser tomado como limitação e o termo gás pode ser considerado, como abrangendo uma gama mais vasta de gases, por exemplo, um gás permanente e um vapor de um gás liquefeito.

[0004] Vapores de gases liquefeitos estão presentes acima do liquido dentro de um cilindro de gás comprimido. Gases, que se liquefazem sob pressão, à medida que eles são comprimidos para enchimento em um cilindro, não são gases permanentes, e são mais precisamente descritos como gases liquefeitos sob pressão, ou como vapores de gases liquefeitos. Como um exemplo, óxido nitroso é fornecido dentro de um cilindro em forma liquida, com uma pressão de vapor de equilíbrio de 44,4 bar g a 15°C. Esses vapores não são gases permanentes ou reais, visto que eles são liquefeitos por pressão ou temperatura em torno de condições ambientais.

[0005] Um cilindro de gás comprimido é um vaso de pressão concebido para conter gases em altas pressões, isto é, em pressões significativamente superiores à pressão atmosférica. Cilindros de gás comprimido são usados em uma ampla gama de mercados, a partir do mercado industrial em geral de baixo custo, passando pelo mercado de medicina, até aplicações de maior custo, como a fabricação de eletrônicos utilizando gases especiais de alta pureza, corrosivos, tóxicos ou pirofóricos. Comumente, os recipientes de gás pressurizado compreendem aço, aluminio ou compostos, e são capazes de armazenar gases comprimidos, liquefeitos ou dissolvidos com uma pressão máxima de enchimento de até 450 bar g para a maioria dos gases, e até 900 bar g para gases, como hidrogênio e hélio.

[0006] Em muitos casos, é desejável, e por vezes critico, conhecer o tipo de gás no interior de um cilindro, ou num ponto a jusante de um cilindro; por exemplo, em um tubo durante o processo de soldagem. Um exemplo de tal situação seria saber, quando a purga ocorreu.

[0007] Pesos moleculares são geralmente medidos, utilizando espectrômetros de massa. Tais arranjos medem a razão da massa por carga de um gás, a fim de determinar diretamente o peso molecular. Um dispositivo normalmente utilizado é uma fonte de dessorção/ ionização a laser assistida por matriz em combinação com um analisador de massa time-o f-flight(por tempo de chegada) (conhecido como MALDI-TOF). No entanto, tais dispositivos são volumosos, caros e inadequados para muitas aplicações, onde portabilidade e custo podem ser de relevância.

[0008] Um tipo alternativo de medidor, que pode ser utilizado para medir pesos moleculares, é um medidor vibratório de densidade de gás, como mostrado e descrito em "Medidores Vibratórios de Densidade de Gás da série GD", de Suzuki e outros, Relatório Técnico Yokogawa N°. 29 (2000). Tal dispositivo compreende um cilindro metálico de paredes finas, disposto de tal modo, que gás seja capaz de fluir para dentro e para fora do cilindro. Dois pares de elementos piezoelétricos estão localizados no cilindro — um par de elementos de acionamento e um par de elementos de detecção. A densidade do gás é obtida a partir de uma medição de duas frequências ressonantes diferentes, para compensar as variações devidas à temperatura. As frequências ressonantes utilizadas são muito baixas e da ordem de algumas centenas de Hz.

[0009] O dispositivo acima é complexo, relativamente dispendioso e altamente vulnerável aos efeitos da vibração. Isto é porque as frequências ressonantes utilizadas são comparáveis às frequências geradas por vibrações externas. Além disso, um arranjo complicado de excitação e detecção é necessário para compensar os efeitos da temperatura.

[00010] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método para medir o peso molecular de um gás com um oscilador de cristal piezoelétrico plano de alta frequência em contato com o gás, o método compreendendo: a) utilização do dito oscilador de cristal piezoelétrico para medir a densidade do gás por: utilização de um circuito de acionamento para acionar o oscilador piezoelétrico, para que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone a uma única frequência ressonante; e medição da dita única frequência ressonante do referido cristal piezoelétrico para determinar a densidade do gás; e b) determinação, a partir da densidade, pressão determinada ou predeterminada e temperatura determinada ou predeterminada do gás, do peso molecular do gás.

[00011] Ao proporcionar tal método, o peso molecular de um gás (ou peso molecular médio, no caso de uma mistura gasosa) pode ser facilmente determinado, utilizando um oscilador de cristal piezoelétrico robusto e relativamente barato, por exemplo, um oscilador de cristal de quartzo. Tal oscilador funciona, tanto como uma fonte de excitação (por oscilar em resposta a ser acionado por um circuito de acionamento), como um detector (por ter uma única frequência ressonante, que é dependente do meio, em que o oscilador está localizado) .

[00012] Um oscilador de cristal plano é compacto e robusto e, como resultado, não é relativamente insensível a perturbações ambientais. Além disso, devido ao fato da frequência de oscilação do oscilador ser elevada (da ordem de kHz), o oscilador é relativamente insensível às vibrações localizadas (que tendem a ter frequências da ordem de Hz). Isto está em contraste com os conhecidos arranjos de detecção de peso molecular.

[00013] Numa forma de realização, o método compreende a medição da pressão do gás.

[00014] Numa forma de realização, a pressão do gás é medida, utilizando um sensor eletrônico de pressão. Numa forma de realização, o sensor eletrônico de pressão compreende um sensor de diafragma piezo-resistivo.

[00015] Numa forma de realização, a pressão predeterminada do gás é a pressão fixa de saída de um regulador de gás localizada a montante do referido oscilador.

[00016] Numa forma de realização, a pressão predeterminada do gás é a pressão atmosférica.

[00017] Numa forma de realização, o método ainda compreende a medição da temperatura do gás com um sensor de temperatura. Numa forma de realização, o sensor de temperatura compreende um termistor ou uma resistência dependente da temperatura.

[00018] Numa forma de realização, o cristal de quartzo é composto por pelo menos um dente. Numa disposição, dito oscilador de cristal piezoelétrico compreende pelo menos dois dentes planos.

[00019] Numa forma de realização, o cristal de quartzo é cortado em AT ou SC.

[00020] Numa variação, a superfície do cristal de quartzo está diretamente exposta ao gás.

[00021] Numa forma de realização, o dito oscilador de cristal piezoelétrico tem uma frequência ressonante de 32 kHz ou mais.

[00022] Numa forma de realização, o conjunto detector compreende uma fonte de energia. Em uma disposição, a fonte de alimentação é composta por uma bateria de ions de lítio.

[00023] Numa forma de realização, o conjunto detector compreende um processador.

[00024] De acordo com qualquer uma segunda forma de realização da presente invenção, é proporcionado um medidor para medir o peso molecular de um gás, o aparelho compreendendo um alojamento tendo uma entrada e um interior para acolher o referido gás a ser medido, um conjunto detector compreendendo um oscilador de cristal piezoelétrico plano de alta frequência localizado no interior do referido alojamento, de modo que, em utilização, o oscilador de cristal piezoelétrico fique em contato com o referido gás, sendo o referido conjunto detector disposto: para acionar o oscilador de cristal piezoelétrico, para que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone a uma única frequência ressonante; para medir a dita única frequência ressonante do dito oscilador de cristal piezoelétrico, para determinar a densidade do gás; e para determinar, a partir da densidade, pressão determinada ou predeterminada do gás, e temperatura determinada ou predeterminada do gás, o peso molecular do gás.

[00025] Ao fornecer tal disposição, o peso molecular de um gás (ou peso molecular médio, no caso de uma mistura gasosa) pode ser facilmente determinado, utilizando um oscilador de cristal piezoelétrico robusto e relativamente barato, por exemplo, um oscilador de cristal de quartzo. Tal oscilador funciona, tanto como uma fonte de excitação (por oscilar em resposta a ser acionada por um circuito de acionamento), como um detector (por ter uma única frequência ressonante, que é dependente do meio, em que o oscilador está localizado) .

[00026] Um oscilador de cristal plano é compacto e robusto e, como resultado, não é relativamente insensível a perturbações ambientais. Além disso, devido ao fato da frequência de oscilação do oscilador ser elevada (da ordem de kHz), o oscilador é relativamente insensível às vibrações localizadas (que tendem a ter frequências da ordem de Hz). Isto está em contraste com as disposições conhecidas de detecção de peso molecular.

[00027] Numa forma de realização, o medidor ainda compreender um ou mais de um circuito de acionamento, um processador e uma fonte de energia.

[00028] Numa forma de realização, o conjunto detector compreende um circuito de acionamento, que compreende um par de Darlington disposto numa configuração de realimentação a partir de um amplificador emissor comum.

[00029] Numa forma de realização, o medidor ainda compreende um sensor de pressão para medir a pressão do gás.

[00030] Numa forma de realização, o dito sensor de pressão é um sensor eletrônico de pressão. Numa forma de realização, o sensor eletrônico de pressão compreende um sensor de diafragma piezo-resistivo.

[00031] Numa forma de realização, o medidor está localizado a jusante de um regulador de pressão fixa, e a pressão do gás tem um valor predeterminado, com base na saida do referido regulador de pressão fixa.

[00032] Numa forma de realização, o medidor ainda compreende um orifício restritor a montante da referida entrada e uma saida para a atmosfera a jusante da referida entrada, em que a dita pressão predeterminada de gás é a pressão atmosférica.

[00033] Numa forma de realização, o método ainda compreende a medição da temperatura do gás com um sensor de temperatura. Numa forma de realização, o sensor de temperatura compreende um termistor ou uma resistência dependente da temperatura.

[00034] Numa forma de realização, o cristal de quartzo é composto por pelo menos um dente. Numa variação, o cristal de quartzo compreende um par de dentes planos.

[00035] Numa forma de realização, o cristal de quartzo é cortado em AT ou SC.

[00036] Numa variação, a superfície do cristal de quartzo está diretamente exposta ao gás.

[00037] Numa forma de realização, o oscilador de cristal piezoelétrico tem uma frequência ressonante de 32 kHz ou mais.

[00038] Numa forma de realização, o medidor inclui um filtro localizado na entrada. Numa forma de realização, o filtro tem um tamanho de poro na gama de 5 a 10 pm.

[00039] Numa forma de realização, o medidor inclui um elemento aquecedor localizado dentro do alojamento. Numa forma de realização, o elemento aquecedor está localizado adjacente ao oscilador de cristal piezoelétrico. Numa outra disposição, o elemento aquecedor situa-se em contato com o oscilador de cristal piezoelétrico.

[00040] Numa forma de realização, o conjunto detector compreende uma fonte de energia. Em uma disposição, a fonte de alimentação é composta por uma bateria de ions de litio.

[00041] Numa forma de realização, o conjunto detector compreende um processador.

[00042] Numa forma de realização, o medidor inclui um monitor.

[00043] Numa forma de realização, o medidor inclui uma antena ligada ao conjunto detector e disposta para permitir a transmissão de dados sem fio a partir do medidor. Numa forma de realização, o medidor é operável para transmitir dados sem fio a uma unidade de exibição remota.

[00044] De acordo com uma terceira forma de realização da presente invenção, é proporcionado um produto de programa de computador executável por um aparelho de processamento programável, que compreende um ou mais segmentos de software para executar as etapas do primeiro aspecto.

[00045] De acordo com uma quarta forma de realização da presente invenção, é proporcionada uma midia de armazenamento utilizável em computador tendo um produto de programa de computador, de acordo com o quarto aspecto, nela armazenado.

[00046] Além disso, é proporcionado um arranjo misturador de gás, o arranjo misturador de gás compreendendo uma primeira fonte de gás para fornecer um primeiro gás, uma segunda fonte de gás para fornecer um segundo gás diferente do referido primeiro gás, e um misturador localizado a jusante das primeira e segunda fontes de gás e disposto, em utilização, para misturar os primeiro e segundo gases, para proporcionar uma mistura gasosa, o arranjo misturador de gás ainda compreendendo um medidor disposto para medir o peso molecular médio da mistura de gás e para controlar a proporção relativa dos primeiro e segundo gases na referida mistura gasosa, em resposta ao peso molecular médio medido da referida mistura gasosa.

[00047] Numa forma de realização, as primeira e segunda fontes de gás compreendem, cada qual, um dispositivo regulador de pressão disposto para controlar seletivamente o escoamento de gás a partir da respectiva fonte de gás. Numa forma de realização, um ou cada um dos referidos dispositivos reguladores de pressão compreende um regulador de pressão, ou uma válvula.

[00048] Numa forma de realização, o medidor controla pelo menos um dos dispositivos reguladores de pressão em resposta ao peso molecular médio medido da mistura gasosa. Numa forma de realização, pelo menos um dos dispositivos reguladores de pressão é um dispositivo regulador eletrônico de pressão. Numa forma de realização, pelo menos um dos dispositivos reguladores de pressão compreende uma válvula solenoide.

[00049] Numa forma de realização, o medidor compreende um conjunto detector, incluindo um oscilador de cristal piezoelétrico que, em utilização, está em contato com a referida mistura gasosa, sendo o referido conjunto detector disposto: para acionar o oscilador de cristal piezoelétrico, para que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone a uma frequência ressonante; para medir a frequência ressonante do dito oscilador de cristal piezoelétrico, para determinar a densidade do gás; e para determinar, a partir da densidade, pressão determinada ou predeterminada do gás, e temperatura determinada ou predeterminada do gás, o peso molecular do gás.

[00050] Numa forma de realização, o medidor compreende o medidor do segundo aspecto.

[00051] Formas de realização da presente invenção serão agora descritas em detalhe com referência aos desenhos anexos, nos quais: a Figura 1 é um diagrama esquemático de um cilindro de gás e conjunto regulador; a Figura 2 é um diagrama esquemático, que mostra um conjunto regulador e um medidor de peso molecular, de acordo com uma primeira forma de realização da invenção; a Figura 3 é um diagrama esquemático, que mostra um conjunto regulador e um medidor de peso molecular, de acordo com uma segunda forma de realização da invenção; a Figura 4 é um diagrama esquemático, que mostra um conjunto regulador e um medidor de peso molecular, de acordo com uma terceira forma de realização da invenção; a Figura 5 é um diagrama esquemático, que mostra um medidor de peso molecular, de acordo com uma quarta forma de realização da invenção; a Figura 6 é um diagrama esquemático de um circuito de acionamento para utilização com qualquer uma das primeira à quarta formas de realização; a Figura 7 é um diagrama esquemático, que mostra uma alternativa ao circuito de acionamento para utilização com qualquer uma das primeira à quarta formas de realização; a Figura 8 é um diagrama esquemático, que mostra os parâmetros introduzidos e transmitidos de um processador para utilização com qualquer uma das primeira à quarta formas de realização; a Figura 9 mostra um gráfico da frequência de cristal de quartzo (kHz) sobre o eixo dos Y em função da densidade (kg/m3) para um número de diferentes gases; a Figura 10 mostra um gráfico da densidade do gás (em kg/m3) no eixo dos Y em função da pressão (bar g) no eixo dos X para argônio, oxigênio e mistura de argônio: dióxido de carbono: oxigênio a pressões de até 300 bar g; a Figura 11 mostra um gráfico da densidade do gás (kg/m3) no eixo dos Y em função da pressão (bar g) no eixo dos X para argônio, oxigênio e uma mistura de argônio: dióxido de carbono: oxigênio a pressões de até a 100 bar g; a Figura 12 é um gráfico, que mostra a mudança de frequência (em Hz) no eixo dos Y em função do tempo (em segundos) no eixo dos X, quando gases são purgados; a Figura 13 é um gráfico, que corresponde à Figura 13, que mostra a mudança no peso molecular calculado (no eixo dos Y) em função do tempo (em segundos), no eixo dos X; a Figura 14 é um fluxograma, que ilustra um método, de acordo com uma forma de realização descrita; a Figura 15 mostra um diagrama esquemático de uma quinta forma de realização do presente invento, mostrando um arranjo misturador de gás; a Figura 16 mostra um gráfico do comportamento da frequência de diferentes tipos de cristais; a Figura 17 é um diagrama esquemático, que mostra um conjunto detector alternativo, que compreende dois cristais de quartzo; e a Figura 18 mostra um arranjo alternativo, que utiliza uma unidade eletrônica de dados remotos.

[00052] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de um conjunto de cilindro de gás 10, de acordo com uma forma de realização da invenção.

[00053] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma situação, em que o presente invento pode ser utilizado. Um cilindro de gás 100, regulador 150 e medidor de peso molecular 200 são fornecidos.

[00054] O cilindro de gás 100 tem um corpo de cilindro de gás 102 e uma válvula 104. 0 corpo do cilindro de gás 102 compreende um vaso de pressão geralmente cilíndrico, tendo uma base plana 102a disposta para permitir que o conjunto do cilindro de gás 10 fique de pé sobre uma superfície plana.

[00055] O corpo do cilindro de gás 102 é formado a partir de aço, alumínio e/ou materiais compostos e está adaptado e disposto para suportar pressões internas até cerca de 900 bar g. Uma abertura 106 está localizada numa extremidade proximal do corpo do cilindro de gás 102 oposto à base 102a, e compreende uma rosca helicoidal (não representada) adaptada para acolher a válvula 104 .

[00056] O cilindro de gás 100 define um vaso de pressão tendo um volume interno V. Qualquer fluido adequado pode ser contido no interior do cilindro de gás 100. No entanto, a presente forma de realização se refere, mas não se limita exclusivamente a, gases permanentes purificados, que estão livres de impurezas, tais como poeira e/ou umidade. Exemplos não exaustivos de tais gases podem ser: oxigênio, nitrogênio, argônio, hélio, hidrogênio, metano, trifluoreto de nitrogênio, monóxido de carbono, criptônio ou neônio.

[00057] A válvula 104 compreende um alojamento 108, uma saída 110, um corpo de válvula 112, e uma sede de válvula 114. 0 alojamento 108 compreende uma rosca helicoidal complementar para engate com a abertura 106 do corpo do cilindro de gás 102. A saída 110 está adaptada e disposta para permitir que o cilindro de gás 100 seja ligado a outros componentes em um conjunto de gás; por exemplo, mangueiras, tubos, ou outras válvulas ou reguladores de pressão. A válvula 104 pode, opcionalmente, compreender um VIPR (Válvula com Redução da Pressão Integrada). Nesta situação, o regulador 150 pode ser omitido.

[00058] O corpo de válvula 112 pode ser axialmente ajustado em direção ou para longe da sede de válvula 114, por meio da rotação de uma alavanca 116 para abrir ou fechar seletivamente a saída 110. Em outras palavras, o movimento do corpo de válvula 112 na direção ou para longe da sede de válvula 112 controla seletivamente a área do meio de passagem de comunicação entre o interior do corpo do cilindro de gás 102 e a saída 110. Isto, por sua vez, controla o fluxo de gás, a partir do interior do conjunto de cilindro de gás 100 para o ambiente externo.

[00059] Um regulador 150 encontra-se localizado a jusante da saída 110. O regulador 150 tem uma entrada 152 e uma saída 154. A entrada 152 do regulador 150 é ligada a um tubo de entrada 156, que fornece um caminho de comunicação entre a saída 110 do cilindro de gás 100 e o regulador 150. A entrada 152 do regulador 150 está disposta para acolher o gás a uma pressão elevada a partir da saída 110 do cilindro de gás 100. Essa pode ser qualquer pressão adequada; no entanto, geralmente, a pressão do gás que sai da saída 110 será superior a 20 bar e, é mais susceptível se situar na faixa de 100 - 900 bar.

[00060] A saída 154 é ligada a um tubo de saída 158. Um acoplamento 160 é localizado na extnemidade distal do tubo de saida 158 e está adaptado para ligação a outros condutos ou dispositivos (não representados), para os quais o gás é necessário.

[00061] Um medidor de peso molecular 200 está localizado em comunicação com o tubo de saida 158 entre a saida 154 e o acoplamento 160. O medidor de peso molecular 200 está localizado imediatamente a jusante do regulador 150, e é disposto para determinar o peso molecular do gás (ou peso molecular médio de uma mistura de gás), a jusante do regulador 150.

[00062] O regulador 150 e medidor de peso molecular 200, de acordo com uma primeira forma de realização da presente invenção, são mostrados em maior detalhe na Figura 2.

[00063] Nessa forma de realização, o regulador 150 compreende um único regulador de diafragma. No entanto, o perito na arte deve ficar prontamente ciente das variações que podem ser utilizadas com o presente invento, por exemplo, um regulador de dois diafragmas ou outro dispositivo.

[00064] O regulador 150 compreende uma região de válvula 162 em comunicação com a entrada 152 e a saida 154. A região de válvula 162 compreende uma válvula reguladora de pressão 164 localizada adjacente a uma sede de válvula 166. A válvula reguladora de pressão 164 está ligada a um diafragma 168, que é configurado para permitir o movimento de translação da válvula reguladora de pressão 164 na direção e para longe da sede de válvula 166, para abrir e fechar, respectivamente, uma abertura 170 entre os mesmos. O diafragma 168 é resiliente por uma mola 172 localizada sobre um eixo 174.

[00065] O regulador 150 é operável para acolher gás da saida 110 a uma pressão total do cilindro (por exemplo, 100 bar), mas, para distribuir o gás a baixa pressão fixa substancialmente constante (por exemplo, 5 bar), para a saida 154. Isto é conseguido por um mecanismo de realimentação, pelo que a pressão de gás a jusante da abertura 170 é operável para atuar sobre o diafragma 168 em oposição à força de pressão da mola 172. Na forma de realização da Figura 2, o regulador 150 é um regulador de pressão fixa e está disposto para fornecer gás a partir da saida 154 a uma pressão fixa e conhecida. A pressão é determinada pela força de impulsão relativa da mola 172.

[00066] Se a pressão do gás na região adjacente ao diafragma 168 exceder o nivel especificado, o diafragma 168 é operável para se mover para cima (em relação à Figura 2). Como resultado, a válvula reguladora de pressão 164 é movida para mais perto da sede de válvula 166, reduzindo o tamanho da abertura 170 e, consequentemente, restringindo o fluxo de gás a partir da entrada 152 para a saida 154. Em geral, as forças opostas à resistência da mola 172 e a pressão do gás resultarão numa posição de equilíbrio do diafragma e, por conseguinte, o fornecimento de uma pressão constante de gás na saida 154.

[00067] O medidor de peso molecular 200 compreende um alojamento 202 e um conjunto detector 204. O alojamento 202 pode compreender qualquer material adequado, por exemplo, aço, alumínio ou compósitos. O alojamento tem um interior 206, que está em comunicação com o interior do tubo de saida 158, através de um curto tubo de alimentação 208. Consequentemente, o interior 206 do alojamento 202 está na mesma pressão que o interior do tubo de saida 158. Em uso, o alojamento 202 é geralmente selado e isolado da atmosfera externa. O medidor de peso molecular 200 está disposto para medir o peso molecular do gás dentro do alojamento 202. Em alternativa, o medidor de peso molecular 200 pode medir o peso molecular médio de uma mistura homogênea de gases no interior do alojamento 202.

[00068] Em alternativa, o alojamento 202 pode ser proporcionado, como parte integrante do tubo de saida 158. Por exemplo, uma parte do tubo de saida 158 pode ser alargada, para acomodar o conjunto detector 204. Em alternativa, apenas uma parte do conjunto detector 204 pode ser localizada no interior do tubo 158, sendo a parte restante localizada no exterior ou espaçada dos mesmos.

[00069] Além disso, o alojamento 202 pode formar uma parte inteiriça do regulador 150. Por exemplo, o conjunto detector 204 pode ser localizado totalmente dentro da saida 154 do regulador 150. O perito deve ficar prontamente ciente das variações e alternativas, que incidam no âmbito da presente invenção.

[00070] O conjunto detector 204 compreende um oscilador de cristal de quartzo 210 conectado a uma unidade de acionamento 212, um sensor de temperatura 214 e uma bateria 216. Estes componentes estão localizados no interior do alojamento 202.

[00071] O circuito de acionamento 212 e oscilador de cristal de quartzo 210 serão descritos em detalhe mais tarde com referência às Figuras 6 e 7. O sensor de temperatura 214 inclui um termistor. Qualquer termistor adequado pode ser utilizado. Alta precisão não é necessária por parte do termistor. Por exemplo, uma precisão de 0,5°C é adequada para essa forma de realização. Por conseguinte, componentes baratos e pequenos podem ser usados.

[00072] Um processador 230 (mostrado e descrito mais tarde com referência à Figura 8) pode também ser proporcionado, quer separadamente ou como parte do circuito de acionamento 212.

[00073] Nesta disposição, o oscilador de cristal de quartzo 210 está constantemente sob pressão isostática dentro do alojamento 202 do medidor de peso molecular 200 e, consequentemente, não apresenta um gradiente de pressão. Em outras palavras, qualquer tensão mecânica proveniente da diferença de pressão entre a atmosfera externa e os componentes internos do medidor de peso molecular 200 é expressa em todo o alojamento 202.

[00074] No entanto, isto não precisa ser assim. Por exemplo, apenas o oscilador de cristal de quartzo 210 e o sensor de temperatura 214 podem ser localizados dentro do alojamento 202, com a parte restante do conjunto detector 204 sendo localizada externamente ao mesmo.

[00075] Os inventores descobriram que apenas alguns dos componentes do conjunto detector 204 são sensíveis à alta pressão. Em particular, maiores componentes, tais como baterias, podem ser susceptíveis a altas pressões. No entanto, verificou- se que baterias de ions de litio se comportam de maneira particularmente boa sob altas pressões que surgem no interior do cilindro de gás 100. Consequentemente, a bateria 216 compreende células de ions de litio. No entanto, as fontes de energia alternativas adequadas serão facilmente contempladas pelas pessoas qualificadas.

[00076] A localização do conjunto detector 204 totalmente dentro do alojamento 202 proporciona flexibilidade adicional ao configurar os reguladores 150. Em particular, a localização de componentes eletrônicos relativamente frágeis inteiramente dentro das fortes paredes de metal ou compostas do alojamento 202 proporciona uma proteção considerável contra danos ambientais ou acidentais. Isto é particularmente importante, por exemplo, em áreas de armazenamento ou depósitos, em que os cilindros de gás 100 compreendendo os reguladores 150 estão localizados adjacentes a cilindros de gás, máquinas pesadas ou superficies rugosas.

[00077] Além disso, a localização interna do conjunto detector 204 protege esses componentes das condições ambientais, tais como sal, água e outros contaminantes. Isso irá permitir, por exemplo, que um circuito de alta impedância, que é altamente sensivel a danos por sal e água, seja usado como parte do conjunto detector 204.

[00078] Os benefícios da localização interna do conjunto detector 204 são exclusivos para dispositivos detectores de estado sólido, tal como o oscilador de cristal de quartzo 210. Por exemplo, um sensor de pressão convencional, tal como um medidor de Bourdon, não pode ser localizado desta forma. Embora um sensor baseado em cristal possa operar totalmente imerso no gás a uma pressão constante, um sensor de pressão convencional não é capaz de medir a pressão isostática, e exige um gradiente de pressão, a fim de funcionar. Por conseguinte, um manómetro convencional deve ser localizado entre a alta pressão a ser medida e a atmosfera. Isto aumenta o risco de danos aos componentes externos do medidor de peso molecular 200.

[00079] Uma segunda forma de realização da invenção é mostrada na Figura 3. As características da segunda forma de realização mostrada na Figura 3, que são em comum com a primeira forma de realização da Figura 2, são atribuídas com mesmos números de referência, e não serão novamente aqui descritas.

[00080] Na forma de realização da Figura 3, o regulador 250 difere do regulador 150 da forma de realização da Figura 2, em que o regulador 250 é disposto para proporcionar uma pressão de saida de gás variável na saida 154.

[00081] A este respeito, uma alavanca 252 é fornecida, para permitir a um utilizador ajustar a força de pressão da mola 172. Essa move a posição de equilíbrio do diafragma 168 e, como resultado, ajusta o espaçamento de equilíbrio entre a válvula reguladora de pressão 164 e a sede de válvula 166. Isto permite o ajuste das dimensões da abertura 170, através da qual, o fluxo de gás de alta pressão através da saida 110 pode passar.

[00082] A pressão pode, tipicamente, variar até cerca de 20 bar g. No entanto, o perito na arte deve ficar prontamente ciente de arranjos e pressões alternativas, que podem ser fornecidas pelo regulador 250. Além disso, o regulador pode compreender fases secundárias para utilização em situações, tais como soldagem com oxi-acetileno, onde é necessária uma regulação precisa da pressão.

[00083] A segunda forma de realização compreende um medidor de peso molecular 300. Os componentes do medidor de peso molecular 300, em comum com o medidor de peso molecular 200, são atribuídos com mesmos números de referência para maior clareza.

[00084] O medidor de peso molecular 300 é substancialmente semelhante ao medidor de peso molecular 200 da primeira forma de realização. No entanto, o medidor de peso molecular 300 ainda compreende um sensor de pressão 302 localizado no interior do alojamento 202. Qualquer sensor de pressão adequado pode ser utilizado.

[00085] Por exemplo, o sensor de pressão 302 pode compreender um sensor de diafragma piezo-resistivo. Tal sensor de pressão compreende tipicamente um diafragma de silicio usinado tendo medidores piezo-resistivos de deformação nele formados. O diafragma é fundido com uma placa posterior de silicio ou vidro. Os medidores de deformação são normalmente ligados para formar uma ponte de Wheatstone, cuja saida é diretamente proporcional à pressão medida. A saida do sensor de pressão 302 pode, então, ser introduzida no processador 230.

[00086] O perito deve ficar prontamente ciente de sensores eletrônicos de pressão alternativos, que podem ser utilizados com a presente invenção. Em outras palavras, o sensor de pressão 302 pode compreender qualquer sensor capaz de medir a pressão de um gás e proporcionar uma saida eletrônica dessa medição.

[00087] Nesta disposição, o oscilador de cristal de quartzo 210 e sensor de pressão 302 estão constantemente sob pressão isostática dentro do alojamento 202 do medidor de peso molecular 200 e, consequentemente, não apresentam um gradiente de pressão. Em outras palavras, qualquer tensão mecânica proveniente da diferença de pressão entre a atmosfera externa e os componentes internos do medidor de peso molecular 300 é expressa em todo o alojamento 202.

[00088] Uma terceira forma de realização da invenção é mostrada na Figura 4. As características da terceira forma de realização mostrada na Figura 4, que são em comum com a segunda forma de realização da Figura 3, são atribuídas com os mesmos números de referência e não serão novamente aqui descritas.

[00089] Na forma de realização da Figura 4, o regulador 250 corresponde ao regulador 250 da segunda forma de realização, e está disposto para proporcionar uma pressão de saida de gás variável pela saida 154. Os componentes do regulador 250 já foram descritos e não serão mais aqui descritos.

[00090] A terceira forma de realização compreende um medidor de peso molecular 400. Os componentes do medidor de peso molecular 400, em comum com os medidores de peso molecular 200, 300, são atribuídos com os mesmos números de referência para maior clareza.

[00091] O medidor de peso molecular 400 é substancialmente semelhante aos medidores de peso molecular 200, 300 das primeira e segunda formas de realização. No entanto, o medidor de peso molecular 400 é operável com um regulador de pressão variável 250, sem demandar o sensor de pressão 302 da segunda forma de realização.

[00092] O medidor de peso molecular 400 compreende um conduto 402. O interior do conduto 402 está em comunicação com o interior 206 do alojamento 202. Uma extremidade proximal do conduto 402 compreende um orifício restritor 404 localizado imediatamente a jusante do tubo curto 208 e em comunicação com a saida 154. O orificio restritor 404 é disposto para proporcionar uma restrição fisica, para limitar a pressão do gás que entra no conduto 402 a partir da saida 154. Portanto, a pressão do gás no interior do conduto 402 a jusante do orificio restritor 404 é consideravelmente mais baixa do que na saida 154.

[00093] Uma extremidade distai 406 do conduto 402 é aberta para a atmosfera. A extremidade distai 406 está localizada na extremidade de uma seção do conduto 402 a jusante do alojamento 202. Para aplicações tipicas, um conduto apropriado 402 terá um furo na região de 2 mm e um comprimento de cerca de 100 mm. Isto é para garantir que não haja nenhuma contra-difusão dos gases atmosféricos para o interior 206 do alojamento 202, para evitar possíveis erros na medição.

[00094] Embora o conduto 402 seja mostrado, como sendo essencialmente linear na Figura 4, o conduto 402 pode ser de qualquer forma adequada. Por exemplo, uma disposição mais compacta seria para dispor o conduto 402 em uma forma labiríntica ou em bobina, de modo a ajustar o conduto num espaço menor.

[00095] Por conseguinte, o efeito combinado do orificio restritor 404 e da extremidade distai remota 406 do conduto 402 (que está na pressão atmosférica) é que o interior 206 do alojamento 202 está sempre na, ou próximo à, pressão atmosférica. Isto independe da pressão do gás a jusante da saida 154 e a montante do orificio restritor 404.

[00096] Como resultado, nenhum manómetro é necessário, uma vez que a pressão pode ser sempre considerada como a pressão atmosférica. Se for necessária uma correção (por exemplo, quando se opera em altitudes elevadas, onde a pressão atmosférica é inferior), essa pode ser introduzida manualmente no processador 230 .

[00097] Portanto, em condições particulares, nenhum sensor de pressão é necessário, uma vez que o valor da pressão pode ser ajustado automaticamente, ou manualmente introduzido por um utilizador, e o valor da pressão resultante utilizado pelo processador 230 para determinar o peso molecular do gás ou gases a serem detectados.

[00098] Uma quarta forma de realização da presente invenção é mostrada na Figura 5. A quarta forma de realização se refere a um medidor de peso molecular 500. O medidor de peso molecular 500 pode ser portátil, e pode ser colocado em locais, onde é desejado determinar rápida e facilmente o tipo de gás dentro de um local especifico; por exemplo, dentro de um tubo durante um processo de soldagem orbital. Em alternativa, o medidor de peso molecular 500 pode ser colocado na saida de um tubo para detectar, por exemplo, a purga de um tipo de gás, com outro tipo de gás.

[00099] O medidor de peso molecular 500 compreende um alojamento 502. O alojamento 502 tem paredes 504, que delimitam uma abertura 506. A abertura 506 proporciona um caminho de comunicação entre o interior e o exterior do alojamento 504. Os componentes restantes do medidor de peso molecular de 500 são semelhantes aos dos medidores de peso molecular 200, 300, 400 das primeira à terceira formas de realização, e não serão descritos aqui adiante.

[000100] Para que o oscilador de cristal de quartzo 210 forneça uma medição precisa, o oscilador de cristal de quartzo 210 deve ser mantido livre de sujeira, umidade e outros contaminantes. Embora este não seja um problema para gases acondicionados, comercialmente fornecidos (que são extremamente limpos), o medidor de peso molecular 500 pode ser usado em situações, onde contaminação ambiental possa ser um problema significativo.

[000101] Por conseguinte, o medidor de peso molecular 500 é dotado de um filtro 508 localizado na abertura 506. O filtro 508 pode ser de qualquer tamanho de poro adequado. Os tamanhos de poro estão na faixa de 5 - 10 pm, e são particularmente adequados para esta aplicação. O filtro 508 (ou um filtro semelhante) pode ser aplicado a qualquer uma das primeira à terceira formas de realização descritas anteriormente.

[000102] Em alternativa, o filtro 508 pode ser omitido, se a abertura 506 for suficientemente pequena para impedir a penetração de sujeira ou outros contaminantes. Por exemplo, um tamanho de abertura de 0,25 milímetro seria adequado para utilização sem um filtro.

[000103] Adicionalmente, o medidor de peso molecular 500 pode ser submetido a ambientes, onde umidade esteja presente. Uma medição incorreta pode resultar, se qualquer porção de umidade se condensar sobre o oscilador de cristal de quartzo 210. Portanto, a fim de atenuar estes efeitos, um aquecedor 510 adjacente ao oscilador de cristal de quartzo 210 pode ser fornecido, a fim de assegurar que umidade não se condense sobre o oscilador 210. O aparelho de aquecimento 510 pode compreender um único fio aquecido, ou pode compreender um elemento resistivo sólido, para converter a energia elétrica em energia térmica. O aparelho de aquecimento 510 pode ser localizado em contato com o oscilador de cristal de quartzo 210.

[000104] Se um aquecedor for utilizado, é desejável que o sensor de temperatura 214 seja localizado tão próximo quanto possível do oscilador de cristal de quartzo 210, de modo que uma medição precisa da temperatura do gás em torno do oscilador de cristal de quartzo 210 possa ser feita. O aquecedor 510, ou qualquer outro aquecedor adequado, pode também ser utilizado com qualquer uma das primeira a terceira formas de realização.

[000105] O medidor de peso molecular 500 é mostrado na Figura 5, compreendendo um sensor de pressão 302, em comum com o medidor de peso molecular 300 da segunda forma de realização. Tal disposição pode ser benéfica, quando usada dentro de aparelho pressurizado, tais como tubos de alta pressão, ou dentro de vasos de pressão.

[000106] No entanto, em situações em que a pressão é conhecida a um grau de precisão geral, o sensor de pressão 302 pode ser omitido, como nas primeira e terceira formas de realização. Tal situação pode surgir, quando o medidor de peso molecular de 500 for utilizado à pressão atmosférica ambiente; por exemplo, quando se mede o peso molecular (ou peso molecular médio) de gás que sai de um tubo para a atmosfera, ou dentro de tubos à pressão atmosférica. Nesta situação, nenhum sensor de pressão é necessário, uma vez que o valor da pressão pode ser ajustado automaticamente ou manualmente introduzido por um utilizador, e o valor da pressão resultante utilizado pelo processador 230 para determinar o peso molecular do gás ou gases a serem detectados.

[000107] Qualquer uma das primeira à quarta formas de realização pode compreender, adicionalmente, um monitor (não representado) para mostrar, a um utilizador, os resultados das medições efetuadas no gás detectado. Alternativamente, o mostrador pode estar localizado à distância dos medidores de peso molecular 200, 300, 400, 500, e os dados relevantes podem ser comunicados remotamente.

[000108] Por exemplo, qualquer uma das primeira à quarta formas de realização pode ainda compreender uma antena (não mostrada) para comunicação remota com, por exemplo, uma estação de base. Isto será discutido mais tarde. Neste caso, a antena pode estar localizada no exterior do alojamento 202 e ligada ao conjunto detector 204 por meio de um conector de fio ou equivalente.

[000109] A própria antena pode ser adaptada e disposta para utilizar qualquer protocolo de comunicação apropriado; por exemplo, uma lista não completa pode ser transmissão por RFID, Bluetooth, infra-vermelha (IR), 802.11 sem fio, modulação de frequência (FM), ou uma rede celular.

[000110] Em alternativa, comunicação com fio pode ser implementada. Comunicação com fio precisa apenas de um único condutor metálico para se comunicar: o caminho de "retorno" do circuito é fornecido por acoplamento capacitivo através do ar entre os dispositivos de comunicação. O perito deve ficar prontamente ciente das alternativas da antena (e do hardware de transmissão associado) , que podem ser utilizadas com as formas de realização aqui discutidas.

[000111] Por exemplo, a comunicação pode ser efetuada por meio de transmissão acústica, de dentro do cilindro 100. Um transmissor localizado no interior do alojamento 202 pode efetuar a transmissão acústica. O transmissor pode compreender, por exemplo, um simples ressoador piezoelétrico de frequência fixa.

[000112] Um receptor complementar também é necessário e este componente pode estar localizado distante do medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500, e pode compreender hardware, tal como, por exemplo, um detector de tom de circuito com bloqueio de fase integrado a um microfone.

[000113] O conjunto detector 204 será agora descrito em mais detalhe com referência às Figuras 6 e 7. O oscilador de cristal de quartzo 210 compreende uma seção plana de quartzo cortado. Quartzo demonstra comportamento piezoelétrico, ou seja, a aplicação de uma tensão ao longo do cristal faz com que o cristal mude de formato, gerando uma força mecânica. Por outro lado, uma força mecânica aplicada ao cristal produz uma carga elétrica.

[000114] Duas superficies paralelas do oscilador de cristal de quartzo 210 são metalizadas, de modo a fornecer ligações elétricas através do cristal em bruto. Quando é aplicada uma voltagem através do cristal por meio dos contatos metálicos, o cristal muda de formato. Por aplicação de uma tensão alternada ao cristal, pode ser feito com que o cristal oscile.

[000115] O tamanho e espessura fisica do cristal de quartzo determina a frequência característica ou ressonante do cristal de quartzo. Com efeito, a frequência característica ou ressonante do cristal 210 é inversamente proporcional à espessura fisica entre as duas superficies metalizadas. Osciladores de cristal de quartzo são bem conhecidos na arte e, assim, a estrutura do oscilador de cristal de quartzo 210 não será aqui descrita em mais detalhes.

[000116] Além disso, a frequência de vibração ressonante de um cristal de quartzo irá variar, dependendo do ambiente, no qual o cristal está localizado. No vácuo, o cristal tem uma frequência especifica. No entanto, essa frequência será alterada em diferentes ambientes. Por exemplo, em um fluido, a vibração do cristal será atenuada pelas moléculas vizinhas, o que afetará a frequência ressonante e a energia necessária para oscilar o cristal em uma dada amplitude.

[000117] Além disso, a deposição de materiais adjacentes sobre o cristal irá afetar a massa do cristal vibratório, alterando a frequência ressonante. Tal adsorção ou deposição de material forma a base para os analisadores de gases seletivos normalmente usados, na qual uma camada absorvente é formada sobre o cristal e aumenta em massa, quando gás é absorvido.

[000118] No entanto, no presente caso, nenhum revestimento é aplicado ao oscilador de cristal de quartzo 210. Com efeito, a adsorção ou deposição de material sobre o oscilador de cristal de quartzo 210 é indesejável no presente processo, uma vez que a precisão da medição pode ser afetada.

[000119] Como mostrado na Figura 6, o oscilador de cristal de quartzo 210 da presente forma de realização é em forma de diapasão, e compreende um par de dentes 210a com aproximadamente 5 mm de comprimento, dispostos para oscilar a uma frequência ressonante de 32,768 kHz. Os dentes 210a são formados na seção plana de quartzo. Os dentes 210a do diapasão oscilam normalmente no seu modo fundamental, em que eles se movem de forma sincrona para perto e afastadamente entre si na frequência ressonante.

[000120] Quartzo fundido (ou não-cristalino) tem um coeficiente de expansão muito baixo em função da temperatura e um baixo coeficiente de elasticidade. Isto reduz a dependência da frequência fundamental sobre a temperatura e, como será demonstrado, os efeitos da temperatura são minimos.

[000121] Além disso, é desejável a utilização de quartzo, que é cortado em AT ou SC. Em outras palavras, a seção plana de quartzo é cortada em ângulos específicos, de modo que o coeficiente de temperatura da frequência de oscilação possa ser disposto para ser parabólico, com uma largura de pico próximo da temperatura ambiente. Assim, o oscilador de cristal pode ser disposto de tal modo, que a inclinação no topo do pico seja precisamente nula.

[000122] Esses cristais de quartzo são comumente disponíveis a baixo custo relativo. Em contraste com a maioria dos osciladores de cristal de quartzo, que são usados a vácuo, na presente forma de realização, o oscilador de cristal de quartzo 210 é exposto ao gás sob pressão no alojamento 202.

[000123] O circuito de acionamento 212 para acionar o oscilador de cristal de quartzo 210 é mostrado na Figura 6. O circuito de acionamento 212 deve cumprir uma série de critérios específicos. Em primeiro lugar, o oscilador de cristal de quartzo 210 da presente invenção pode ser exposto a uma gama de pressões de gás; potencialmente, as pressões podem variar, desde a pressão atmosférica (quando o cilindro de gás 100 estiver vazio) para cerca de 900 bar g, se o cilindro de gás contiver um gás pressurizado, tal como hidrogênio. Assim, o oscilador de cristal de quartzo 210 é obrigado a funcionar (e reiniciar depois de um periodo de não utilização) sob uma vasta gama de pressões.

[000124] Por conseguinte, o fator de qualidade (Q) do oscilador de cristal de quartzo 210 irá variar consideravelmente durante a utilização. O fator Q é um parâmetro adimensional relacionado à taxa de atenuação de um oscilador ou ressonador. De forma equivalente, ele pode caracterizar a largura de banda de um ressonador em relação à sua frequência central.

[000125] Em geral, quanto maior for o fator Q de um oscilador, menor é a taxa de perda de energia em relação à energia armazenada do oscilador. Em outras palavras, as oscilações de um oscilador com elevado fator de Q são reduzidas na amplitude de forma mais lenta, na ausência de uma força externa. Ressonadores acionados de maneira senoidal com maiores fatores de Q ressonam com maiores amplitudes na frequência ressonante, mas têm uma menor largura de banda de frequências em torno dessa frequência, para a qual eles ressonam.

[000126] O circuito de acionamento 212 deve ser capaz de acionar o oscilador de cristal de quartzo 210, apesar do o fator Q variável. À medida que a pressão no cilindro de gás 100 aumenta, a oscilação do oscilador de cristal de quartzo 210 se tornará cada vez mais atenuada, e o fator Q cairá. O fator Q em queda requer um maior ganho a ser fornecido por um amplificador no circuito de acionamento 212. No entanto, se uma amplificação muito elevada for fornecida ao circuito de acionamento 212, a resposta a partir do oscilador de cristal de quartzo 210 pode tornar-se dificil de distinguir. Neste caso, o circuito de acionamento 212 pode simplesmente oscilar com uma frequência não relacionada, ou na frequência de um modo não fundamental do oscilador de cristal de quartzo 210.

[000127] Como uma limitação adicional, o circuito de acionamento 212 deve ser de baixa potência, para operar com pequenas baterias de baixa potência por um longo tempo, com ou sem alimentação suplementar, como células fotovoltaicas.

[000128] O circuito de acionamento 212 será agora descrito com referência à Figura 6. A fim de acionar o oscilador de cristal de quartzo 210, o circuito de acionamento 212 recebe, essencialmente, um sinal de tensão a partir do oscilador de cristal de quartzo 210, o amplifica, e alimenta esse sinal de volta para o oscilador de cristal de quartzo 210. A frequência ressonante fundamental do oscilador de cristal de quartzo 210 é, em essência, em função da taxa de expansão e contração do quartzo. Isto é determinado, em geral, pelo corte e tamanho do cristal.

[000129] No entanto, fatores externos também afetam a frequência ressonante. Quando a energia das frequências de saida geradas coincide com as perdas no circuito, uma oscilação pode ser sustentada. O circuito de acionamento 212 é disposto para detectar e manter essa frequência de oscilação. A frequência pode ser, então, medida pelo processador 230, utilizada para calcular a adequada propriedade do gás requerida pelo utilizador e, se necessário, emitir para um meio de visualização apropriado (tal como será descrito mais tarde).

[000130] O circuito de acionamento 212 é alimentado por uma bateria de 6 V 216. A bateria 216, nessa forma de realização, compreende uma bateria ions de litio. No entanto, fontes de energia alternativas serão facilmente percebidas por um perito na arte; por exemplo, outros tipos de baterias, recarregáveis e não-recarregáveis, e uma disposição de células solares.

[000131] O circuito de acionamento 212 ainda compreende um amplificador emissor comum com par de Darlington 218. Um par de Darlington compreende uma estrutura composta constituída por dois transistores bipolares NPN configurados de tal forma, que a corrente amplificada por um primeiro transistor seja amplificada ainda mais pelo segundo transistor. Esta configuração permite que um ganho de corrente mais elevado seja obtido, quando comparado a cada transistor obtido separadamente. Como alternativa, transistores bipolares PNP podem ser utilizados.

[000132] O par de Darlington 218 é disposto em uma configuração de realimentação por parte de um amplificador emissor comum de um único transistor (Ti) 220. Um transistor de junção bipolar NPN é mostrado na Figura 4. No entanto, o perito deve estar ciente de arranjos alternativos de transistor, que podem ser utilizados; por exemplo, um transistor PNP de junção bipolar ou Transistores com Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido Metálico (MOSFETs).

[000133] Como variante, controle automático de ganho (não representado) pode ser implementado no circuito de realimentação entre o par de Darlington 218 e o amplificador emissor comum 220. Esse pode assumir a forma de um potenciômetro, resistor variável, ou outro componente adequado localizado no lugar de, por exemplo, a resistência de 22 k mais à direita mostrada na Figura 6.

[000134] Controle automático de ganho permite a compensação para mudanças no fator Q com a pressão, e mudanças na tensão de alimentação (por exemplo, em condições de pouca bateria). Controle automático de ganho pode ser particularmente aplicável para aplicações de baixa pressão.

[000135] O circuito de acionamento 212 compreende outro transistor T2 seguidor de emissor NPN, que age como um amplificador não-inversor 222. O amplificador não-inversor 222 está disposto para funcionar como um bufferentre o circuito e o meio ambiente externo. No entanto, esse recurso é opcional e pode não obrigatório; por exemplo, um FET pode ser diretamente conectado para acionar o circuito 212.

[000136] Um capacitor 224 está localizado em série com o oscilador de cristal de quartzo 210. O capacitor 224, neste exemplo, tem um valor de 100 pF, e ativa o circuito de acionamento 212 para acionar o oscilador de cristal de quartzo 210 em situações onde o cristal se tornou contaminado, por exemplo, por sais ou outros materiais depositados.

[000137] Um circuito de acionamento alternativo 260 será agora descrito com referência à Figura 7. O circuito de acionamento mostrado na Figura 7 está configurado de maneira semelhante a um oscilador de Pierce. Osciladores de Pierce são conhecidos a partir de osciladores de relógio digital IC. Em essência, o circuito de acionamento 260 compreende um único conversor digital (sob a forma de um transistor) T, três resistências Ri, R2 e Rs, dois capacitores Ci, C2, e o oscilador de cristal de quartzo 210.

[000138] Nesse arranjo, o oscilador de cristal de quartzo 210 funciona como um elemento de filtro altamente seletivo. O resistor Ri atua como uma resistência de carga para o transistor T. O resistor R2 atua como uma resistência de realimentação, polarizando o inversor T na sua região linear de operação. Isto permite efetivamente que o inversor T funcione como um amplificador de inversão de alto ganho. Outra resistência Rs é usada entre a saida do conversor T e o oscilador de cristal de quartzo 210, para limitar o ganho e para atenuar oscilações indesejadas no circuito.

[000139] O oscilador de cristal de quartzo 210, em combinação com Ci e C2, forma um filtro passa-banda de rede Pi. Isto permite um deslocamento de fase de 180 graus e um ganho de tensão a partir da saida para a entrada aproximadamente na frequência ressonante do oscilador de cristal de quartzo. O circuito de acionamento 260 acima descrito é seguro e barato de fabricar, uma vez que ele compreende um número relativamente pequeno de componentes.

[000140] Como discutido acima, o conjunto detector 204 pode incluir um processador 230, que recebe entradas a partir do oscilador de cristal de quartzo 210 e do circuito de acionamento 212. O processador 230 pode compreender um arranjo adequado, tal como um ASIC ou FPGA.

[000141] O processador 230 está programado para calcular e, se necessário, apresentar e comunicar uma determinação do peso molecular do gás (ou peso molecular médio de uma mistura homogênea de gases) . Um esquema das principais entradas e saldas do processador 230 é mostrado na Figura 8.

[000142] Quando utilizado com o oscilador de cristal de quartzo 210, o processador 230 pode ser configurado para medir a frequência / ou periodo do sinal a partir do circuito de acionamento 212. Isto pode ser conseguido, por exemplo, por contagem de oscilações ao longo de um tempo fixo, e conversão dessa frequência em um valor de densidade, utilizando um algoritmo ou uma tabela de consulta. Esse valor é transferido para o processador 230.

[000143] O processador 230 recebe também a temperatura T medida a partir do sensor de temperatura 214. Além disso, o processador 230 recebe um valor de pressão a partir de um sensor de pressão 302 (se estiver presente) , ou a partir de um valor de pressão fixa. Esse valor pode ser ajustado automaticamente, por exemplo, em situações em que o medidor de peso molecular 400, 500 deve ser usado apenas à pressão atmosférica, ou deve ser utilizado na saida de um regulador de pressão fixa, como é o caso do medidor de peso molecular 200. Nesta situação, o valor de pressão fixa é inserido no processador 230. Alternativamente, o valor de pressão fixa pode ser introduzido manualmente por um utilizador.

[000144] O processador 230 está preparado para executar, com base nas entradas fornecidas, um cálculo para determinar o peso molecular do gás, em que o oscilador de cristal de quartzo 210 é imerso.

[000145] Uma vez que o peso molecular foi determinado, estes dados podem ser armazenados numa memória local, podem ser mostrados numa tela de visualização, ou podem ser transmitidos a uma estação remota.

[000146] O processador 230 pode, opcionalmente, ser concebido, para que a produção em massa seja idêntica em todo o medidor de peso molecular 200, com características diferentes no software e hardware habilitadas para diferentes gases.

[000147] Além disso, o processador 230 também pode ser configurado para minimizar o consumo de energia através da implementação de modos de espera ou de "suspensão", que podem abranger o processador 230 e componentes adicionais, como o circuito de acionamento 212 e o oscilador de cristal de quartzo 210 .

[000148] Vários esquemas podem ser implementados; por exemplo, o processador 230 pode estar em repouso durante 10 segundos em cada 11 segundos. Além disso, o processador 230 pode controlar o oscilador de cristal de quartzo 210 e o circuito de acionamento 212, de tal forma que esses componentes sejam colocados em espera por ele na maior parte do tempo, sendo apenas energizados os componentes mais carentes de energia por U segundo a cada 30 segundos.

[000149] A teoria e a operação do conjunto detector 204 serão agora descritas com referência às Figuras 9 a 13.

[000150] O oscilador de cristal de quartzo 210 tem uma frequência ressonante, que é dependente da densidade do fluido, em que ele se encontra. A exposição de um oscilador de cristal plano do tipo diapasão oscilante a um gás leva a um deslocamento e atenuação da frequência ressonante do cristal (quando comparada com a frequência ressonante do cristal no vácuo) . Há um número de razões para isto. Embora não haja um efeito de atenuação do gás sobre as oscilações do cristal, o gás adjacente aos dentes de vibração 210a do oscilador de cristal do tipo diapasão 210 aumenta a massa efetiva do oscilador. Isto leva a uma redução da frequência ressonante do oscilador de cristal de quartzo, de acordo com o movimento de um feixe elástico fixo, unilateral:

Onde

é a alteração relativa na frequência angular ressonante, p é a densidade do gás, t é a espessura do oscilador de quartzo, pq é a densidade do oscilador de quartzo, e w é a largura do diapasão; ci e C2 são constantes geometricamente dependentes e δ é a espessura da camada superficial do gás, tal como definida por:

Onde η é a viscosidade dependente da temperatura do gás.

[000151] As duas partes da equação 1) dizem respeito à a) massa de aditivo do gás sobre os dentes do oscilador de cristal de quartzo 210 e às b) forças de cisalhamento que surgem na camada superficial mais externa dos dentes durante a oscilação.

[000152] A equação pode, assim, ser reescrita em termos de frequência e simplificada para:

Onde

, C é uma constante de deslocamento e foé a frequência ressonante natural do cristal num vácuo.

[000153] Foi descoberto pelos inventores, que uma boa aproximação pode ser adequadamente obtida pela aproximação:

[000154] Por conseguinte, para uma boa aproximação, a alteração na frequência é proporcional à alteração na densidade do gás, à qual o oscilador de cristal de quartzo é exposto. A Figura 9 mostra, para uma série de diferentes gases/ misturas de gases, que a frequência ressonante do oscilador de cristal de quartzo 210 varia linearmente em função da densidade.

[000155] Em geral, a sensibilidade do oscilador de cristal de quartzo 210 é que uma mudança na frequência de 5% é vista, por exemplo, com gás de oxigênio (tendo o número de massa atômica 32) a 250 bar, quando comparado com a pressão atmosférica. Tais pressões e densidades de gás são tipicas dos cilindros utilizados para o armazenamento de gases permanentes, que estão normalmente entre 137 e 450 bar g para a maioria dos gases, e de até 700 bar ou 900 g para hélio e hidrogênio.

[000156] O oscilador de cristal de quartzo 210 é particularmente adequado para uso como um sensor de densidade fazendo parte de um medidor de peso molecular para gases comercialmente fornecidos. A fim de detectar corretamente a densidade de um gás, é necessário que o gás seja isento de poeira e goticulas de liquido, o que é garantido em gases fornecidos comercialmente, mas não com ar, ou na generalidade das situações de controle da pressão.

[000157] Uma vez que o valor de densidade é obtido a partir do oscilador de cristal de quartzo 210, o peso molecular do gás pode ser determinado a partir de:

onde P é a pressão de gás, V é o volume de gás, n é o número de moles de gás, R é a constante dos gases, e T é a temperatura. Na sequência, para eliminar V:

em que MW é o peso molecular do gás e M é a massa do gás. Assim, substituindo V na equação 5) resulta em:

onde α é uma constante igual a RT, onde R é a constante dos gases, e T é a temperatura absoluta em graus Kelvin. Consequentemente, para uma pressão, densidade e temperatura conhecidas de um gás, o peso molecular do gás (ou peso molecular médio, no caso de uma mistura de gases) pode ser determinado. As derivações acima assumem que o gás esteja perto de um gás ideal.

[000158] Com base na equação 8) acima, se a pressão for conhecida (por exemplo, quando a pressão for a atmosférica, ou na saida de um regulador de pressão fixa), então apenas a temperatura e densidade do gás são necessárias para proporcionar uma determinação precisa do peso molecular. Paralelamente, se a pressão e temperatura forem conhecidas a um grau razoável, o peso molecular do gás é efetivamente proporcional à densidade ou, em outras palavras, a frequência ressonante do oscilador de cristal de quartzo, multiplicada por um fator predeterminado.

[000159] Consequentemente, o peso molecular do gás (ou médio de uma mistura) pode ser determinado a partir do gradiente de pressão em função da densidade, em que, rearranjando a equação 8, fornece:

[000160] As Figuras 10 e 11 ilustram dados experimentais de medição do peso molecular. Ambos os gráficos mostram a densidade (kg/mJ) no eixo dos Y em função da pressão (em bar g) no eixo dos X para os mesmos quatro gases. Os dois gráficos são idênticos, com a ressalva de que a Figura 10 ilustra pressões de até 300 bar g, enquanto que a Figura 11 mostra apenas pressões de até 100 bar g.

[000161] Os quatro gases utilizados são Ferromax 15 (uma mistura de argônio: dióxido de carbono: oxigênio), hélio, dióxido de carbono e oxigênio, como mostrado na Figura 9. O gradiente da linha é proporcional ao peso molecular (assumindo que RT seja constante para todos os três). Por conseguinte, o oscilador de cristal de quartzo 210 pode facilmente determinar o peso molecular do gás ou mistura de gases.

[000162] Além disso, a alta precisão do oscilador de cristal de quartzo 210 permite a medição com uma precisão muito elevada, com uma resolução de partes por milhão. Juntamente com a resposta linear do sensor de densidade de quartzo 202 a altas densidades e pressões, a alta precisão permite que o peso molecular de gases muito leves, tais como H2 e He, seja medido com precisão.

[000163] Uma aplicação útil desta tecnologia é na detecção de purga. As Figuras 12 e 13 ilustram dados experimentais de detecção da purga de gás. Tal informação é vital em situações, como soldagem orbital automática de gasodutos.

[000164] A Figura 12 mostra um gráfico da frequências (Hz) no eixo dos Y em função do tempo (em segundos) no eixo dos X, para um fluxo de argônio de 5 litros/ minuto num ambiente de azoto, seguido por reenchimento com azoto. Claramente, a mudança radical na frequência é facilmente mensurável com alta precisão.

[000165] A Figura 13 mostra os mesmos dados, exceto que, neste caso, o eixo dos Y foi calibrado para ler peso molecular (em unidades de massa).

[000166] Essas Figuras ilustram claramente que, para muitos usos normais, o peso molecular do gás pode ser facilmente determinado, utilizando um oscilador de cristal de quartzo. Além disso, a alteração no peso molecular que ocorre, quando um gás é purgado com outro, é claramente definida e identificável. Por conseguinte, a mudança de peso molecular durante uma purga de gás pode ser calculada com suficiente precisão e resolução de tempo, usando o oscilador de cristal de quartzo 210 e o circuito de acionamento 204.

[000167] Um método, de acordo com uma forma de realização do presente invento, será agora descrito com referência à Figura 14. O método descrito a seguir é aplicável a cada uma das primeira à quarta formas de realização descritas acima. Etapa 550: inicializar medição

[000168] Na etapa 550, a medição do peso molecular do gás no interior do alojamento 202 é inicializada. Essa pode ser ativada, por exemplo, por um utilizador apertando um botão no lado de fora do alojamento 202. Alternativamente, a medição pode ser iniciada por meio de uma ligação remota, por exemplo, um sinal transmitido através de uma rede sem fio e recebido pelo medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 através de uma antena.

[000169] Como outra alternativa, ou em aditamento, o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 pode ser configurado para inicializar remotamente, ou com um temporizador. O método prossegue para a etapa 552. Etapa 552: acionar o oscilador de cristal de quartzo

[000170] Uma vez iniciado, o circuito de acionamento 212 é utilizado para acionar o oscilador de cristal de quartzo 210. Durante a inicialização, o circuito de acionamento 212 aplica uma tensão CA de ruido aleatório através do cristal 210. Pelo menos uma porção da referida tensão aleatória estará a uma frequência apropriada, para fazer com que o cristal 210 oscile. O cristal 210 irá, então, começar a oscilar em sincronia com este sinal.

[000171] Como será percebido, o oscilador de cristal de quartzo 210 é, em essência, um detector e acionador autônomo, visto que a frequência ressonante do cristal propriamente dito está sendo medida.

[000172] Por meio do efeito piezoelétrico, o movimento do oscilador de cristal de quartzo 210 irá gerar, então, uma tensão na faixa de frequências ressonantes do oscilador de cristal de quartzo 210. O circuito de acionamento 212 amplifica, então, o sinal gerado pelo oscilador de cristal de quartzo 210, de tal modo que os sinais gerados na banda de frequências do ressoador de cristal de quartzo 202 dominem a saida do circuito de acionamento 212. A estreita banda ressonante do cristal de quartzo remove por filtragem todas as frequências indesejadas e o circuito de acionamento 212, em seguida, aciona o oscilador de quartzo de cristal 210 na frequência ressonante fundamental f. Uma vez que o oscilador de cristal de quartzo 210 se estabilizou a uma frequência ressonante particular, o método prossegue para etapa 554 . Etapa 554: medir a frequência ressonante do oscilador de cristal de quartzo

[000173] A frequência ressonante f é dependente das condições ambientais dentro do alojamento 202. Na presente forma de realização, a mudança na frequência ressonante Δfé, para uma boa aproximação, proporcional em magnitude à alteração na densidade do gás no interior 206 do alojamento 202 e irá diminuir com o aumento da densidade.

[000174] A fim de fazer uma medição, a frequência do oscilador de cristal de quartzo 210 é medida por um periodo de aproximadamente 1 s. Isto é para permitir que a leitura se estabilize, e para que oscilações suficientes sejam contadas, a fim de determinar uma medida precisa. A medição da frequência é realizada no processador 230. O processador 230 pode também registrar o tempo, Ti, quando a medição foi iniciada.

[000175] Uma vez que a frequência foi medida, o método prossegue para a etapa 556. Etapa 556: medir temperatura do gás

[000176] Na etapa 556, o sensor de temperatura 214 mede a temperatura do gás dentro do alojamento 202. Esta medição é levada a cabo, a fim de melhorar a precisão do cálculo do peso molecular, a partir da mudança de frequência medida na etapa 554 .

[000177] A medição de temperatura não precisa ser particularmente exata. Por exemplo, se o sensor de temperatura 214 tiver precisão de 0,5°C, então, isto corresponde a um erro de apenas cerca de uma parte em seiscentos (assumindo temperaturas atmosféricas normais) sobre o valor absoluto da temperatura necessário para o cálculo do peso molecular em etapas posteriores.

[000178] Como alternativa, essa etapa pode envolver simplesmente um valor de temperatura fixa a ser introduzido no processador 230. Isto pode ocorrer, por exemplo, em situações em que um ambiente de temperatura conhecido é usado. Neste caso, o sensor de temperatura 214 não é necessário. Etapa 558: determinar a pressão de gás

[000179] Uma vez que a frequência do oscilador de cristal de quartzo 210 foi medida de forma satisfatória na etapa 554 e a temperatura medida na etapa 556, o processador 230 determina, então, a pressão de gás no interior 206 do alojamento 202.

[000180] Isto pode ser feito com um valor de entrada do sensor de pressão 302 (se fornecido), que fornece um sinal elétrico proporcional à pressão medida no alojamento 202. Isto se aplica às segunda e quarta formas de realização.

[000181] Alternativamente, o valor de pressão pode ser introduzido no processador 230, manualmente ou automaticamente, quando a pressão for conhecida a um grau razoável. Isto pode corresponder à saida de um regulador de pressão fixa (como na primeira forma de realização), ou pode corresponder à pressão atmosférica (como na terceira forma de realização). Etapa 560: determinar o peso molecular do gás

[000182] Isto é feito, utilizando a equação 8) acima, onde a densidade p, a pressão P e a temperatura T do gás são conhecidas. Assim, sabendo a frequência ressonante, medida na etapa 554, a temperatura T conhecida do gás no alojamento 202, medida na etapa 556, e a pressão conhecida do gás, como determinada na etapa 558, uma medição exata do peso molecular (ou peso molecular médio para uma mistura homogênea de gases) pode ser feita. O método prossegue, então, para a etapa 562. Etapa 562: comunicar e armazenar resultados

[000183] O peso molecular do gás pode ser apresentado de várias maneiras. Por exemplo, um mostrador (não mostrado) ligado ao alojamento 202 ou regulador 150, 250 pode visualizar o peso molecular (ou peso molecular médio) do gás. Em alternativa, a medição de pressão pode ser remotamente comunicada a uma estação de base, ou a um medidor localizado em um acessório adjacente, como será descrito mais tarde.

[000184] Uma vez que o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 para recuperação futura. Como outra alternativa ainda, a pressão de gás no tempo Ti pode ser armazenada numa memória local, para o dito processador 230 gerar um registo de tempo.

[000185] O método, então, avança para a etapa 564. Etapa 564: desligar conjunto detector

[000186] Não é necessário manter o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 operacional em todos os momentos. Pelo contrário, é benéfico reduzir o consumo de energia por desligamento do medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500, quando não estiver em uso. Isso prolonga a vida útil da bateria 216.

[000187] A configuração do circuito de acionamento 212 permite que o oscilador de cristal de quartzo 210 seja reiniciado, independentemente da pressão no alojamento 202. Portanto, o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 pode ser desligado, quando necessário, a fim de poupar a bateria.

[000188] Outra aplicação do medidor de peso molecular, de acordo com a presente invenção, consiste de um misturador de gás do tipo realimentação. Numa tal disposição, dois gases diferentes são necessários para ser misturados em concentrações e proporções precisas. Isto pode ser necessário, em situações como, por exemplo, aplicações de soldagem, onde uma mistura de argônio e dióxido de carbono é requerida, a percentagem de dióxido de carbono sendo bem definida. Além disso, para aplicações médicas, a percentagem relativa de um determinado tipo de gás pode ser necessária ser conhecida a um elevado grau de precisão.

[000189] Uma quinta forma de realização do presente invento é mostrada na Figura 15. A Figura 15 mostra um misturador de gás 600 e um medidor de peso molecular 650, de acordo com uma quinta forma de realização do presente invento.

[000190] O misturador de gás 600 compreende uma primeira fonte de gás 602 e uma segunda fonte de gás 604. Nessa forma de realização, as fontes de gás 602, 604 compreendem cilindros de gás, que são dispostos para armazenar gases permanentes sob alta pressão. Cada cilindro compreende uma válvula (não representada), que pode ser semelhante à válvula 104 mostrada na primeira forma de realização.

[000191] Os gases contidos no interior de cada cilindro de gás são diferentes e são escolhidos em função do uso requerido. Por exemplo, em aplicações de soldagem, uma mistura de argônio e dióxido de carbono é usada. Alternativamente, para aplicações médicas, pode ser necessária uma mistura de oxigênio e nitrogênio.

[000192] As primeira e segunda fontes de gás 602, 604 estão ligadas, respectivamente, às primeira e segunda linhas de alimentação 606, 608. As válvulas de retenção 610, 612 estão localizadas, respectivamente, nas primeira e segunda linhas de alimentação a jusante das respectivas primeira e segunda fontes de gás 602, 604, para impedir o retorno do fluxo de gases para as fontes de gás 602, 604.

[000193] Além disso, uma válvula principal 614 está localizada na primeira linha de alimentação 606 a jusante da válvula de retenção 610. A válvula principal 614 é operada manualmente e pode assumir qualquer formato adequado. Por exemplo, a válvula principal 614 pode assumir a forma de uma simples válvula liga/ desliga, ou pode compreender uma válvula de vazão ajustável, VIPR ou regulador. De modo alternativo, a válvula principal 614 pode ser controlada eletronicamente por um utilizador remoto a partir do misturador de gás 600. A vazão total da mistura de gases (descrita mais tarde) é definida pela válvula principal 614 .

[000194] Uma válvula solenoide 616 está localizada na segunda linha de alimentação 608 a jusante da válvula de retenção 612. A válvula solenoide 616 compreende um induzido (não representado), que é móvel em resposta a uma corrente elétrica através de um conjunto de bobinas (não mostrado) situado no corpo da válvula solenoide 616. O induzido é móvel para abrir ou fechar a válvula solenoide 616, para permitir que gás flua através da válvula solenoide 616 para os componentes a jusante da mesma.

[000195] A válvula solenoide 616 pode estar no estado normalmente aberto. Em outras palavras, na ausência de uma corrente elétrica através da válvula solenoide 616, o induzido está numa posição retraida, de tal modo que a válvula solenoide 616 seja aberta, a saber, o gás da segunda fonte de gás 604 seja capaz de fluir através dela para os componentes a jusante da válvula solenoide 616. Se for aplicada uma corrente na válvula solenoide 616, o induzido irá se retrair, e a válvula solenoide 616 será fechada, impedindo que gás escoe através da mesma. Nessa forma de realização, a válvula solenoide 616 é continuamente variável numa direção linear.

[000196] Um perito deve ficar prontamente ciente dos diferentes tipos de válvula solenoide, que podem ser utilizados com a presente invenção. Por exemplo, o induzido pode atuar diretamente como uma restrição de fluxo seletivamente operável. Em alternativa, o induzido pode atuar diretamente sobre um diafragma. Como outra alternativa, o induzido pode controlar o fluxo através de uma conduto estreito, em comunicação com a linha de alimentação 608 a jusante da válvula solenoide 616, a fim de regular o movimento de um diafragma. Tal arranjo é conhecido como uma válvula piloto de diafragma. A válvula solenoide 616 é controlada pelo medidor de peso molecular 650, como será descrito mais tarde.

[000197] As primeira e segunda linhas de alimentação 606, 608 estão ambas ligadas a uma unidade misturadora 618. A unidade misturadora 618 pode ser operada para combinar os dois fluxos das primeira e segunda linhas de alimentação, 606, 608 e para passar o fluxo combinado para uma terceira linha de alimentação 620. A unidade misturadora 618 atua meramente para combinar os dois fluxos e não altera a proporção de gás ou de pressão em cada fluxo.

[000198] Um regulador de pressão fixa 622 está localizado na terceira linha de alimentação 620 a jusante da unidade misturadora 618. O regulador de pressão 622 é substancialmente semelhante ao regulador de pressão fixa 150 descrito com referência à primeira forma de realização e, portanto, não será aqui descrito em detalhes. O regulador de pressão fixa 622 está disposto para regular a pressão do gás recebido a partir da unidade misturadora 618 e para fornecer gás para porções da terceira linha de alimentação 620 a jusante do regulador de pressão fixa 622, a uma pressão constante. Essa pressão pode ser, por exemplo, de 5 bar.

[000199] A quinta forma de realização compreende um medidor de peso molecular 650. Os componentes do medidor de peso molecular 650 são substancialmente semelhantes àqueles do medidor de peso molecular 200 da primeira forma de realização e, portanto, não serão aqui descritos em detalhes. No entanto, o medidor de peso molecular 650 ainda compreende uma unidade eletrônica de solenoide 652 ligada à válvula solenoide 616 e ao conjunto detector 204 do medidor de peso molecular 650.

[000200] A unidade de solenoide 652 está disposta para acolher um sinal a partir do conjunto detector 204, e para controlar a válvula solenoide 616, em resposta a esse sinal. Por conseguinte, o medidor de peso molecular 650 é operável para controlar o fluxo de gás através da válvula solenoide 616. Em outras palavras, o medidor de peso molecular 650 e a válvula solenoide 616 formam um circuito de realimentação, que permite a regulação da pressão precisa e remota do fluxo de gás ao longo da segunda linha de alimentação 608 para o misturador 618. Portanto, a proporção dos gases misturados na unidade misturadora 618 pode ser controlada com precisão, como será descrito mais tarde.

[000201] A unidade de solenoide 652 pode compreender qualquer circuito de acionamento apropriado para controlar a válvula solenoide 616. Um circuito adequado pode ser um arranjo amplificador operacional tendo uma entrada do conjunto detector 204 ao terminal negativo do amplificador operacional. Por conseguinte, uma resistência variável pode ser ligada ao terminal positivo. A resistência variável pode ser disposta, para proporcionar um nivel de referência constante e atuar como um comparador. O nivel de referência pode ser variado automaticamente ou manualmente.

[000202] Uma entrada do conjunto detector 204 para a unidade de solenoide 652 irá provocar o funcionamento da válvula solenoide 616. Por exemplo, se o sinal de entrada a partir do conjunto detector 204 (ou, em alternativa, do processador 230) exceder um determinado nivel limite, a unidade de solenoide 652 pode energizar a válvula solenoide 616. A válvula solenoide 616 pode ser controlada de um modo digital (isto é, ligado ou desligado), onde uma tensão CC é variada entre um valor minimo e máximo. Alternativamente, a tensão CC a partir da unidade de solenoide 652 pode ser continuamente variável para ajustar com precisão a quantidade restritora de fluxo, através da válvula solenoide 616.

[000203] Adicionalmente ou alternativamente, a unidade de solenoide 652 pode controlar a válvula solenoide 616, através de uma saida CC, que compreende um componente CA. Uma vez que a extensão do induzido da válvula solenoide 616 é aproximadamente proporcional à corrente aplicada, isto faz com que o induzido da válvula solenoide 616 oscile. Tais oscilações mitigam o atrito estático do induzido, ou seja, ajudam a prevenir que o induzido fique preso ou encravado.

[000204] Alternativamente, outros sistemas de controle, tais como FETs, processadores ou ASICs, podem ser utilizados de forma adequada, para controlar o funcionamento da válvula solenoide 616. Além disso, a válvula solenoide 616 pode operar em qualquer um dos modos digital (ou seja, ligado/ desligado) ou analógico (ou seja, continuamente variável), para permitir o movimento exato do induzido ou similar.

[000205] Na Figura 15, os principais componentes do medidor de peso molecular 650 são apresentados separadamente da válvula solenoide 616. Em tal situação, a válvula solenoide 616 pode ser controlada remotamente por meios de comunicação sem fio entre o conjunto detector 204 e a unidade de solenoide 652.

[000206] Embora a forma de realização acima tenha sido descrita com referência ao medidor de peso molecular 650 e ao regulador de pressão fixa 622, outras variações podem ser utilizadas. Por exemplo, o regulador de pressão fixa 622 pode ser omitido ou substituído por um regulador de pressão variável, tal como o regulador 250 mostrado na Figura 3. Nesta alternativa, o medidor de peso molecular 650 irá exigir um sensor de pressão, tal como o sensor de pressão 302 do medidor de peso molecular 300 da segunda forma de realização.

[000207] Em alternativa, o regulador de pressão fixa 622 pode ser omitido e o medidor de peso molecular 650 pode ter um conduto para a atmosfera, tal como estabelecido no medidor de peso molecular 300 da terceira forma de realização. Nesta situação, um medidor de pressão não é necessário, já que a pressão dentro do alojamento 202 do medidor de peso molecular 650 será sempre a pressão atmosférica.

[000208] A operação do misturador de gás 600 será agora descrita. Como discutido anteriormente, o medidor de peso molecular 650 é capaz de determinar o peso molecular de um gás, ou o peso molecular médio de um gás. Quando dois gases são misturados em proporções diferentes, o peso molecular médio da mistura de gases varia, de acordo com a proporção relativa de cada um dos gases. Por conseguinte, através de uma medição do peso molecular médio da mistura, e com o conhecimento dos pesos moleculares de cada um dos gases individuais, a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada.

[000209] A taxa de fluxo principal do gás a partir da primeira fonte de gás 602 é definida pela válvula principal 614, a qual, como descrito anteriormente, é operável por um utilizador. Uma vez que isto tenha sido definido, o medidor de peso molecular 650 é capaz de controlar a válvula solenoide 616 para dispensar a quantidade correta de gás da segunda fonte de gás 604, a fim de conseguir uma mistura proporcional desejada de gases. Isto é feito através da unidade de solenoide 652.

[000210] Portanto, se a proporção de gás da segunda fonte de gás 604 for demasiado elevada, o medidor de peso molecular 650, por meio da unidade de solenoide 652, irá fechar ou fechar parcialmente a válvula solenoide 616, para restringir o fluxo de gás da segunda fonte de gás 604. Paralelamente, se a proporção de gás da segunda fonte de gás 604 for demasiado baixa, o medidor de peso molecular 650, através da unidade de solenoide 652, irá abrir ou abrir parcialmente a válvula solenoide 616, para aumentar o fluxo de gás da segunda fonte de gás 604.

[000211] A forma de realização acima proporciona um método de baixo custo, confiável e robusto para proporcionar uma mistura de gases, em que a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada e mantida com precisão e de forma confiável.

[000212] As variações das formas de realização acima serão evidentes para um perito na arte. A configuração exata dos componentes de hardware e software pode ser diferente e ainda incidir no âmbito da presente invenção. Um perito deve ficar prontamente ciente de configurações alternativas, que podem ser utilizadas.

[000213] Por exemplo, as formas de realização acima descritas utilizaram um oscilador de cristal de quartzo, tendo uma frequência fundamental de 32,768 kHz. Contudo, podem ser usados cristais, que operam a frequências alternativas. Por exemplo, osciladores de cristal de quartzo, que operam a 60 kHz e 100 kHz, podem ser usados com as formas de realização descritas acima. Um gráfico, que mostra a mudança de frequência com a densidade para cristais diferentes, é mostrado na Figura 16. Como outro exemplo, um oscilador de cristal, que opera a uma frequência de 1,8 MHz, pode ser utilizado.

[000214] Uma operação com frequência mais elevada permite que a pressão seja monitorada mais frequentemente, porque um curto periodo de tempo é necessário para amostrar um determinado número de ciclos. Além disso, os cristais de frequências mais altas permitem que um menor ciclo de trabalho seja usado num modo de "suspensão" de um cristal. A titulo de explicação, na maioria dos casos, o circuito de acionamento e o cristal irão passar a maior parte do tempo desligados, só sendo ligados durante um segundo ou menos, quando for necessária uma medição. Isto pode ocorrer, por exemplo, uma vez por minuto. Quando um cristal de frequência mais elevada for usado, a pressão pode ser medida de forma mais rápida. Portanto, o tempo, em que o cristal é operacional, pode ser reduzido. Isto pode reduzir o consumo de energia e, concomitantemente, melhorar a vida útil da bateria.

[000215] Além disso, as formas de realização acima foram descritas pela medição da frequência absoluta de um oscilador de cristal de quartzo. No entanto, na eletrônica independente incorporada a um regulador associado ao cilindro de gás, pode ser vantajoso medir a mudança na frequência do sensor, através da comparação dessa frequência com um cristal de referência de tipo idêntico, mas fechado em um vácuo ou um pacote de pressão. O pacote de pressão pode conter gás a uma densidade selecionada, gás sob condições atmosféricas, ou pode ser aberto para a atmosfera externa do cilindro de gás.

[000216] Um conjunto detector adequado 700 é mostrado na Figura 17. O conjunto detector 700 compreende um primeiro oscilador de cristal de quartzo 702 e um segundo oscilador de cristal de quartzo 704. O primeiro oscilador de cristal de quartzo 402 é um cristal de referência, que está localizado dentro de um recipiente selado 706 a vácuo. O primeiro oscilador de cristal de quartzo 702 é acionado por um circuito de acionamento 708.

[000217] O segundo oscilador de cristal de quartzo 704 é um cristal semelhante ao cristal 210 descrito nas formas de realização anteriores. O segundo oscilador de cristal de quartzo 704 é exposto ao ambiente de gás dentro do alojamento 202. O segundo oscilador de cristal de quartzo 704 é acionado por um circuito de acionamento 710.

[000218] Esta comparação pode ser realizada, utilizando um circuito eletrônico misturador 714, que combina os dois sinais de frequência e produz uma saida com uma frequência igual à diferença entre os dois cristais. Este arranjo permite que pequenas alterações sejam neutralizadas, devido, por exemplo, à temperatura.

[000219] Além disso, os circuitos utilizados no conjunto detector 204 podem ser simplificados, porque só a frequência de diferença deve ser medida. Além disso, esta abordagem é particularmente adequada para utilização com um oscilador de cristal com elevada frequência (MHz), em que pode ser dificil medir diretamente a frequência do cristal.

[000220] Além disso, toda a eletrônica necessária para medir e indicar a densidade, a massa, ou o fluxo de massa, não necessita ser montada sobre o, ou dentro do, cilindro de gás. Por exemplo, as funções eletrônicas podem ser divididas entre as unidades montadas no cilindro de forma permanente, e unidades montadas em qualquer uma das estações de utilização de um cliente, ou temporariamente montadas na saida do cilindro, como a posição normalmente utilizada para um medidor de fluxo convencional.

[000221] Um exemplo deste arranjo é mostrado com referência à Figura 18. O arranjo compreende um conjunto de cilindro de gás 80, compreendendo um cilindro de gás 800, um regulador 802 e um medidor de peso molecular 804. O cilindro de gás 800, regulador 802 e medidor de peso molecular 804 são substancialmente semelhantes ao cilindro de gás 100, regulador 150 e medidor regulador de peso molecular 200, 300, 400, 500, substancialmente como descrito anteriormente com referência às formas de realização anteriores.

[000222] Nesta forma de realização, o medidor de peso molecular 804 compreende um oscilador de cristal de quartzo e circuito de acionamento (não representados) semelhantes ao oscilador de cristal de quartzo 210 e circuito de acionamento 212 das formas de realização anteriores. Uma antena 806 é fornecida para comunicação através de qualquer protocolo de comunicação à distância adequado; por exemplo, Bluetooth, Infra-vermelho (IR) ou RFID. Alternativamente, comunicação com fio pode ser utilizada.

[000223] Como uma alternativa adicional, métodos de comunicação acústicos podem ser utilizados. A vantagem de tais métodos é que a comunicação remota pode ser efetuada, sem a necessidade de uma antena externa.

[000224] Um tubo de ligação 808 é ligado à saida do cilindro de gás 800. O tubo de ligação é encerrado por uma conexão rápida 810. A conexão rápida 810 permite o tubo de ligação, ou os componentes, sejam conectados e desconectados com facilidade e rapidez do cilindro de gás 800.

[000225] Uma unidade de conexão rápida 850 é fornecida para conexão com o cilindro de gás 800. Um conector de ligação rápida complementar 812 é fornecido para conexão com o conector 808. Além disso, a unidade de conexão rápida 850 está equipada com uma unidade de dados 852. A unidade de dados 552 compreende um mostrador 554 e uma antena 556 para comunicação com a antena 804 do conjunto de cilindro de gás 80. O mostrador 554 pode compreender, por exemplo, um mostrador de LCD, LED ou de luz de leitura para minimizar o consumo de energia e maximizar a visibilidade da tela.

[000226] A unidade de dados 852 pode registrar vários parâmetros medidos pelo conjunto detector 802 do conjunto do cilindro de gás 80. Por exemplo, a unidade de dados 852 pode registrar peso molecular em função do tempo. Tal registro pode ser útil, por exemplo, para os contratantes de soldagem que desejam verificar se o fluxo de gás estava presente e correto durante procedimentos longos de soldagem de gás sobre componentes criticos, ou para fornecer um conjunto de dados da empresa sobre o uso de um determinado cliente.

[000227] Além disso, a unidade de dados 850 pode ser disposta para proporcionar as seguintes funções: fornecer um alarme sonoro ou visual, se o tipo de gás mudar; conter e exibir dados sobre o tipo de gás; fornecer uma operação multimodal, por exemplo, um modo de fornecedor/ enchimento e um modo de cliente; permitir a entrada de dados; fornecer dados, como um número de cilindro, o tipo de gás, um certificado de análise, um histórico do cliente (que tinha o cilindro durante quais datas), dados de segurança e operacionais podem ser contidos em forma resumida sobre o cilindro.

[000228] Em alternativa, todos os exemplos acima podem, opcionalmente, ser processados, armazenados ou obtidos, a partir de um sistema inteiramente localizado no (ou dentro do) cilindro de gás 800 ou alojamento 202, como discutido em termos de funcionamento do medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500.

[000229] Embora as formas de realização acima tenham sido descritas com referência à utilização de um oscilador de cristal de quartzo, um perito na arte deve ficar prontamente ciente de materiais piezoelétricos alternativos, que também podem ser utilizados. Por exemplo, uma lista não completa pode incluir osciladores de cristal, compreendendo: tantalato de litio, niobato de litio, borato de litio, berlinita, arsenieto de gálio, tetraborato de litio, fosfato de alumínio, óxido de bismuto germânio, cerâmica de titanato de zircônio policristalino, cerâmica de alta alumina, compostos de óxido de silicio e zinco, ou tartarato dipotássico.

[000230] Formas de realização da presente invenção foram descritas com referência particular aos exemplos ilustrados. Embora exemplos específicos sejam representados nos desenhos e aqui descritos em detalhe, deve ser entendido, no entanto, que os desenhos e descrição detalhada não se destinam a limitar a invenção à forma particular divulgada. Deve ser percebido que variações e modificações podem ser feitas nos exemplos descritos no âmbito da presente invenção.

Claims (18)

1. MÉTODO PARA MEDIR O PESO MOLECULAR DE UM GÁS, caracterizado pelo fato dele utilizar um oscilador de cristal piezoelétrico plano de alta frequência em contato com o gás, o método compreendendo: a) utilização do dito oscilador de cristal piezoelétrico para medir a densidade do gás, mediante: utilização de um circuito de acionamento(212) configurado para obter um sinal de voltagem do oscilador de cristal piezoelétrico(210), para amplificar o sinal de voltagem e acionar(552) o oscilador de cristal piezoelétrico com o sinal de voltagem amplificado de modo que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone a uma única frequência ressonante a despeito das alterações no fator-Q do oscilador de cristal piezoelétrico; e medição(554) da dita única frequência ressonante do referido cristal piezoelétrico para determinar a densidade(p) do gás com base na aproximação que uma alteração na frequência ressonante (Z\t) é linearmente proporcional a uma alteração de densidade; e b) determinação(556, 558, 560), a partir da densidade, pressão determinada ou predeterminada do gás, e temperatura determinada ou predeterminada do gás, do peso molecular do gás.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender a medição da pressão do gás.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da pressão do gás ser medida, utilizando um sensor eletrônico de pressão.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da pressão predeterminada do gás ser a pressão fixa de saida de um regulador de gás localizado a montante do referido oscilador.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da pressão predeterminada do gás ser a pressão atmosférica.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ainda compreender a medição da temperatura do gás com um sensor de temperatura.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato do dito oscilador de cristal piezoelétrico compreender pelo menos dois dentes planos.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato do dito oscilador de cristal piezoelétrico ter uma frequência ressonante de 32 kHz ou mais.

9. MEDIDOR PARA MEDIR 0 PESO MOLECULAR DE UM GÁS, caracterizado pelo fato do medidor (200; 300; 400; 500; 600) compreender um alojamento(202; 502) tendo uma entrada(208; 506) e um interior(206) para acolher o referido gás a ser medido, um conjunto detector(204) compreendendo um oscilador de cristal piezoelétrico plano de alta frequência(210) localizado no interior do referido alojamento, de modo que, em uso, o oscilador de cristal piezoelétrico fique em contato com o referido gás, dito conjunto detector compreendendo um circuito acionador(210) e dito conjunto detector sendo disposto: para acionar o oscilador de cristal piezoelétrico usando o circuito acionador, sendo que o circuito acionador é configurado para obter um sinal de voltagem a partir do oscilador de cristal piezoelétrico, para amplificar o sinal de voltagem e acionar o oscilador de cristal piezoelétricocom o sinal de voltagem amplificado de modo que o oscilador de cristal piezoelétrico ressone em uma única frequência ressonante a despeito de alterações no fator-Q do oscilador de cristal piezoelétrico; para medir a dita única frequência ressonante do dito oscilador de cristal piezoelétrico, para determinar a densidade(p) do gás com base na aproximação que uma alteração na frequência ressonante(Δf)é linearmente proporcional a uma alteração de densidade; e para determinar, a partir da densidade, pressão determinada ou predeterminada do gás, e temperatura determinada ou predeterminada do gás, o peso molecular do gás.

10. MEDIDOR, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do conjunto detector compreender um circuito de acionamento, que compreende um par de Darlington disposto numa configuração de realimentação a partir de um amplificador emissor comum.

11. MEDIDOR, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de ainda compreender um sensor de pressão para medir a pressão do gás.

12. MEDIDOR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do referido sensor de pressão ser um sensor eletrônico de pressão.

13. MEDIDOR, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato dele estar localizado a jusante do regulador de pressão fixa, em que a pressão do gás tem um valor predeterminado, com base na saida do referido regulador de pressão fixa.

14. MEDIDOR, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de ainda compreender um orificio restritor a montante da referida entrada e uma saida para a atmosfera a jusante da referida entrada, em que a dita pressão predeterminada de gás é a pressão atmosférica.

15. MEDIDOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo fato do conjunto detector ainda compreender um sensor de temperatura.

16. MEDIDOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato do dito oscilador de cristal piezoelétrico compreender pelo menos dois dentes planos.

17. MEDIDOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 16, caracterizado pelo fato do dito oscilador de cristal piezoelétrico ter uma frequência ressonante de 32 kHz ou mais.

18. MÍDIA LEGÍVEL POR COMPUTADOR, caracterizada pelo fato de executar um método de acordo com as reivindicações 1 a 8 .

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