BR112014029061B1

BR112014029061B1 - Arranjo misturador de gás, método para fornecer uma mistura de gases em uma proporção relativa usando um arranjo de misturador de gás, produto executável por um aparelho de processamento programável, e meio de armazenamento utilizável em computador

Info

Publication number: BR112014029061B1
Application number: BR112014029061-0A
Authority: BR
Inventors: Neil Alexander Downie; Thomas David Matthew Lee
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2022-05-17
Also published as: TW201411026A; EP2667277B1; CA2874519C; JP6082103B2; KR101761991B1; US9870007B2; MX2014013706A; CA2874519A1; BR112014029061A2; ES2663244T3; PL2667277T3; KR20150004925A; CN104303126A; CN104303126B; MX369678B; JP2015523198A; US20150168958A1; WO2013174960A1; TWI582329B; EP2667277A1

Abstract

ARRANJO MISTURADOR DE GÁS, MÉTODO PARA FORNECER UMA MISTURA DE GASES EM UMA PROPORÇÃO RELATIVA USANDO UM ARRANJO DE MISTURADOR DE GÁS, PRODUTO DE PROGRAMA DE COMPUTADOR EXECUTÁVEL POR UM APARELHO DE PROCESSAMENTO PROGRAMÁVEL, E MEIO DE ARMAZENAMENTO UTILIZÁVEL EM COMPUTADOR. É fornecido um arranjo de misturador de gás compreendendo um primeiro gás para fornecer um primeiro gás; uma segunda fonte de gás para fornecer um segundo gás diferente de dito primeiro gás; primeiro e segundo dispositivos de regulação de fluxo para regular o respectivo fluxo do primeiro gás e segundo gases a partir das primeira e segunda fontes de gás; um misturador; e uma saída. O misturador está localizado à jusante do primeiro e segundo dispositivos de regulação de fluxo, em uso, para misturar o primeiro e segundo gases para fornecer um gás misturado para a saída. 0 arranjo misturador de gás ainda compreende um medidor compreendendo uma primeira montagem de sensor operável para determinar o peso molecular médio do gás misturado e incluindo um oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado, uma segunda montagem de sensor operável para determinar a pressão do gás à jusante de um de primeiro ou segundo dispositivos (...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se um método de, e um aparelho para, proporcionar uma mistura de gás. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um método de, e um aparelho para, proporcionar uma mistura de gás, em que a proporção de gases na mistura é determinada e mantida usando um oscilador de cristal piezelétrico.

[0002] Os métodos e aparelhos aqui descritos podem ser aplicados a sistemas em que fluidos de pressão relativamente elevada (por exemplo, cerca de 10 bar ou superior) estão presentes, como, por exemplo, o fornecimento de fluidos em cilindros de alta pressão ou de fábricas que utilizam fluidos de alta pressão. A presente invenção refere-se particularmente aos gases “limpos”, ou seja, os gases com poucas ou nenhumas impurezas 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 uma pressão 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 deve ser tomado como limitativo e o termo gás pode ser considerado para abranger uma gama mais vasta de gases, por exemplo, um gás permanente e um vapor de um gás liquefeito.

[0004] Os vapores de gases liquefeitos estão presentes acima do líquido em um cilindro de gás comprimido. Os gases que se liquefazem sob pressão à medida que eles são comprimidas para enchimento de um cilindro de gases não são permanentes e estão descritos com mais precisão como gases liquefeitos sob pressão ou como vapores de gases liquefeitos. Como um exemplo, o óxido nitroso é fornecido dentro de um cilindro em forma líquida, com uma pressão de vapor de equilíbrio de 44,4 g bar a 15°C. Tais vapores não são gases permanentes ou verdadeiros como eles são aptos a serem liquefeitos por pressão ou de temperatura em torno de condições ambientais.

[0005] Um cilindro de gás comprimido é um vaso de pressão concebido para conter gases a altas pressões, ou seja, a pressões significativamente maiores do que a pressão atmosférica. Cilindros de gás comprimido são usados em uma ampla gama de mercados, desde o baixo custo do mercado industrial em geral, ao mercado médico, para aplicações de alto custo, como a manufatura de produtos eletrônicos que utilizam gases especiais corrosivos de alta pureza, tóxicos ou pirofóricos. Normalmente, os recipientes de gás sob pressão compreendem aço, alumínio ou compósitos 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 de gases como hidrogênio e hélio.

[0006] Em muitos casos, é desejável, e por vezes crítico, saber o tipo de gás dentro de um cilindro ou em um ponto à jusante de um cilindro; por exemplo, em um tubo durante um processo de soldadura. Um exemplo de uma dita situação seria a de saber quando a purga que ocorreu.

[0007] Os pesos moleculares são geralmente medidos utilizando espectrômetros de massa. Tais arranjos medem a razão de massa por carga de um gás, a fim de determinar o peso molecular diretamente. Uma montagem geralmente utilizada é uma fonte de laser de dessorção/ionização assistida por matriz em combinação com um analisador de massa de tempo-de-voo (conhecido como MALDI- TOF). No entanto, esses arranjos são volumosos, caros e inadequados para muitas aplicações onde a portabilidade e custo pode ser de relevância.

[0008] Um tipo alternativo de medidor, que pode ser utilizado para medir os pesos moleculares é um medidor de densidade de gás vibratório, como mostrado e descrito em “GD Series Vibratory Gas Density”, Suzuki et al., Yokogawa Technical Report No. 29 (2000). Uma dita disposição compreende um cilindro metálico de paredes finas dispostas de tal modo que o gás é capaz de fluir para dentro e fora do cilindro. Dois pares de elementos piezelétricos 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 de ressonância diferentes para compensar as variações devidas à temperatura. As frequências de ressonância utilizadas são muito baixas e da ordem de algumas centenas de Hz.

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

[00010] Além disso, há uma necessidade na técnica para proporcionar um fluxo controlado de uma mistura de um gás. Misturadores de fluxo de gás utilizam tipicamente dois medidores de fluxo de massa para proporcionar uma vazão doseada de cada gás. No entanto, enquanto o fluxo de massa de cada gás é conhecido, não existe atualmente qualquer método fiável para medir a composição do gás assim produzido, ou a vazão total combinada. Por conseguinte, existe um problema técnico na técnica que uma vazão medida com precisão ou a pressão desejada de uma mistura de dois ou mais gases não pode ser fornecida utilizando arranjos conhecidos.

[00011] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado uma montagem misturador de gás compreendendo: uma primeira fonte de gás para fornecer um primeiro gás; uma segunda fonte de gás para fornecimento de um segundo gás diferente do dito primeiro gás; primeiro e segundo dispositivos de regulação de fluxo para regular o respectivo fluxo de gás do primeiro e segundo gases a partir das primeira e segunda fontes de gás; um misturador; e uma saída, o misturador sendo localizado à jusante do primeiro e do segundo dispositivos de regulação de fluxo e disposto, em uso, para misturar os primeiro e segundo gases para fornecer um gás misturado para a saída, em que o dispositivo misturador de gás compreende ainda um medidor, o medidor compreendendo: uma primeira montagem de sensor pode ser operada para determinar o peso molecular médio do gás misturado e incluindo um oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado; uma segunda montagem de sensores operáveis para determinar a pressão do gás à jusante de um dos primeiros ou segundos dispositivos de regulação de fluxo; e um controlador operável, em resposta ao peso molecular médio da mistura gasosa e a dita pressão de gás, para controlar automaticamente os ditos primeiro e segundo dispositivos do fluxo de regulação para controlar a proporção relativa dos primeiro e segundo gases na dita mistura gasosa e a pressão ou vazão de massa do gás misturado da saída.

[00012] Em uma modalidade, o primeiro e/ou segundo dispositivo de regulação do fluxo compreende uma válvula eletrônica.

[00013] Em uma modalidade, a segunda montagem de sensor compreende um segundo oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou o segundo gás à montante do misturador.

[00014] Em uma modalidade, o arranjo misturador de gás compreende ainda uma terceira montagem de sensor pode ser operado para determinar a pressão do gás à jusante do outro dos primeiro ou segundo dispositivos de regulação de fluxo.

[00015] Em uma modalidade, a terceira montagem de sensor compreende um terceiro oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o outro do primeiro ou segundo gás à montante do misturador.

[00016] Em uma modalidade, a primeira montagem de sensor compreende ainda um condoesse através do qual flui o gás misturado em uso, o conduto tendo um orifício de restrição de fluxo à montante de dita saída através da qual ocorre fluxo bloqueado em uso, o orifício de restrição de fluxo dividindo o conduto para dentro de uma porção à montante, à montante do dito orifício e uma porção à jusante em comunicação com a saída, em que o dito oscilador de cristal piezelétrico está localizado na dita parte à montante, a primeira montagem de sensor sendo ainda utilizada para medir a vazão de massa de gás misturado através do dito orifício.

[00017] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de fornecimento de uma mistura de gases em uma proporção relativa utilizando um arranjo de misturador de gás, uma segunda fonte de gás do arranjo de mistura de gás que compreende uma primeira fonte de gás para fornecer um primeiro gás para o fornecimento de um segundo gás diferente do dito primeiro gás, primeiro e segundo dispositivos de regulação de fluxo para a regulação do respectivo fluxo do primeiro gás e segundo gás a partir das primeira e segunda fontes de gás, um misturador localizado à jusante do primeiro e do segundo dispositivos de regulação de fluxo, uma saída e primeira e segunda montagens de sensores, a primeira montagem de sensor composta por um oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado, o método compreendendo: a) receber o primeiro gás a partir da primeira fonte de gás; b) receber o segundo gás a partir da segunda fonte de gás; c) misturar o primeiro e segundo gases para formar uma mistura gasosa; d) medir uma frequência de ressonância do oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado; e) determinar, utilizando a segunda montagem de sensor, a pressão do gás à jusante do primeiro ou do segundo dispositivo de regulação do fluxo; f) determinar o peso molecular médio do gás misturado a partir de dita frequência de ressonância e a dita medição de pressão; e g) controlar automaticamente, em resposta ao dito determinado peso molecular médio e a dita medição de pressão, os ditos primeiro e segundo dispositivos de fluxo de regulação para controlar a proporção relativa dos primeiro e segundo gases na dita mistura gasosa e a taxa de pressão ou de fluxo de massa do gás misturado da saída.

[00018] Em uma modalidade, o primeiro e/ou segundo dispositivo de regulação do fluxo compreende uma válvula eletrônica.

[00019] Em uma modalidade, a segunda montagem de sensor compreende um segundo oscilador piezelétrico planar de alta frequência e a etapa e) compreende a medição de uma frequência de ressonância do segundo oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou o segundo gás à montante do misturador.

[00020] Em uma modalidade, o arranjo misturador de gás compreende ainda uma terceira montagem do sensor e o método compreende ainda, subsequentes à etapa e), h) determinar a pressão do gás à jusante do outro de primeiro ou segundo dispositivos de regulação de fluxo.

[00021] Em uma modalidade, a terceira montagem de sensor compreende uma terceira oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o outro dos primeiro ou segundo gás à montante do misturador e a etapa h) compreende a medição de uma frequência de ressonância do terceiro oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou o segundo gás à montante do misturador.

[00022] Em uma modalidade, a primeira montagem de sensor compreende ainda um conduto através do qual flui o gás misturado em uso, o conduto tendo um orifício de restrição de fluxo à montante de dita saída através da qual ocorre fluxo bloqueado em uso, o orifício de restrição de fluxo dividindo o conduto para dentro de uma porção à montante, à montante do dito orifício e uma porção à jusante em comunicação com a saída, compreendendo ainda o método: i) determinar, a partir da frequência de ressonância, a vazão de massa de gás através do dito orifício.

[00023] Em uma modalidade, o método compreende ainda medir a temperatura do gás com um sensor de temperatura. Em uma modalidade, o sensor de temperatura compreende um termistor ou uma resistência dependente da temperatura.

[00024] Em uma modalidade, o cristal de quartzo compreende pelo menos um dente. Em um arranjo, dito oscilador de cristal piezelétrico compreende, pelo menos, dois dentes planares. Um oscilador de cristal planar é compacto e robusto e, como resultado, não é relativamente afetado por perturbações ambientais. Além disso, devido ao fato de frequência de oscilação do oscilador ser alta (da ordem dos kHz), o oscilador é relativamente insensível às vibrações localizadas (que tendem a ter frequências da ordem dos Hz). Isto está em contraste com mecanismos conhecidos de detecção de peso molecular.

[00025] Em uma modalidade, o cristal de quartzo é corte AT ou corte SC.

[00026] Em uma variação, a superfície do cristal de quartzo está diretamente exposta ao gás.

[00027] Em uma modalidade, o dito oscilador de cristal piezelétrico tem uma frequência de ressonância de 32 kHz ou maior.

[00028] Em uma modalidade, a montagem do sensor compreende uma fonte de energia. Em um arranjo, a fonte de energia compreende uma bateria de lítio.

[00029] Em uma modalidade, a montagem do sensor compreende um processador.

[00030] Em uma modalidade, o medidor também compreende um ou mais de um circuito de acionamento, um processador e uma fonte de energia.

[00031] Em uma modalidade, a montagem do sensor compreende um circuito de acionamento que compreende um par Darlington disposto em uma configuração de realimentação de um amplificador emissor comum.

[00032] Em uma modalidade, o medidor também compreende um sensor de pressão para medir a pressão do gás.

[00033] Em uma modalidade, o dito sensor de pressão é um sensor de pressão eletrônico. Em uma modalidade, o sensor de pressão eletrônico compreende um sensor de diafragma piezo-resistivo.

[00034] Em uma modalidade, o cristal de quartzo compreende pelo menos um dente. Em uma variação, o cristal de quartzo compreende um par de dentes planares.

[00035] Em uma modalidade, o cristal de quartzo é corte AT ou corte SC.

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

[00037] Em uma modalidade, o oscilador de cristal piezelétrico tem uma frequência de ressonância de 32 kHz ou maior.

[00038] Em uma modalidade, o medidor compreende um filtro localizado na entrada. Em uma modalidade, o filtro tem um tamanho de poro na faixa de 5 a 10 μm.

[00039] Em uma modalidade, o medidor compreende um elemento aquecedor localizado no interior do alojamento. Em uma modalidade, o elemento aquecedor está localizado adjacente ao oscilador de cristal piezelétrico. Em outro arranjo, o elemento aquecedor está localizado em contato com o oscilador de cristal piezelétrico.

[00040] Em uma modalidade, a montagem do sensor compreende uma fonte de energia. Em um arranjo, a fonte de energia compreende uma bateria de lítio.

[00041] Em uma modalidade, a montagem do sensor compreende um processador.

[00042] Em uma modalidade, o medidor compreende um mostrador.

[00043] Em uma modalidade, o medidor compreende uma antena ligada à montagem sensor e disposta de modo a permitir a transmissão sem fios de dados do medidor. Em uma modalidade, o medidor é operável para transmitir dados sem fio a uma unidade de exibição remota.

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

[00045] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é proporcionado um meio de armazenamento utilizável por computador tendo um produto de programa de computador, de acordo com o quarto aspecto armazenado no mesmo.

[00046] Modalidades da presente invenção serão agora descritas em detalhe com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[00047] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um cilindro de gás e montagem do regulador;

[00048] A Figura 2 é um diagrama esquemático que mostra uma montagem do regulador e uma primeira modalidade de um medidor de peso molecular;

[00049] A Figura 3 é um diagrama esquemático que mostra uma montagem do regulador e uma segunda modalidade de um medidor de peso molecular;

[00050] A Figura 4 é um diagrama esquemático que mostra uma montagem do regulador e uma terceira modalidade de um medidor de peso molecular;

[00051] A Figura 5 é um diagrama esquemático, mostrando uma quarta modalidade de um medidor de peso molecular;

[00052] A Figura 6 é um diagrama esquemático de um circuito de acionamento para utilização com a qualquer uma das primeira à quarta modalidades;

[00053] A Figura 7 é um diagrama esquemático, que mostra uma alternativa ao circuito de acionamento para utilização com qualquer uma das primeira à quarta modalidades;

[00054] A Figura 8 é um diagrama esquemático, que mostra outra alternativa ao circuito de acionamento para utilização com qualquer uma das primeira à quarta modalidades;

[00055] A Figura 9 é um diagrama esquemático que mostra os parâmetros introduzidos e transmitidos de um processador para o uso com qualquer uma das primeira à quarta modalidades;

[00056] A Figura 10 mostra um gráfico da frequência de cristal de quartzo (kHz) no eixo Y em função da densidade (kg/m3) para um número de diferentes gases;

[00057] A Figura 11 mostra um gráfico da densidade do gás (em kg/m3) no eixo Y em função da pressão (bar g) no eixo X por argônio, oxigênio e argônio e uma mistura de argônio:Dióxido de Carbono:Oxigênio a pressões até 300 bar g;

[00058] A Figura 12 mostra um gráfico da densidade do gás (em kg/m3) no eixo Y em função da pressão (bar g) no eixo X para argônio, oxigênio e uma mistura de argônio:Dióxido de Carbono:Oxigênio a pressões de até 100 bar g;

[00059] A Figura 13 é um gráfico que mostra a mudança de frequência (em Hz) no eixo Y em função do tempo (em segundos) no eixo dos X quando os gases são removidos;

[00060] A Figura 14 é um gráfico que corresponde à Figura 13, que mostra a mudança no peso molecular calculado (no eixo Y) como uma função do tempo (em segundos) no eixo X;

[00061] A Figura 15 é um fluxograma que ilustra método, de acordo com uma modalidade descrita;

[00062] A Figura 16 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade da presente invenção, que mostra um arranjo misturador de gás;

[00063] A Figura 17 mostra um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção, que mostra um arranjo misturador de gás;

[00064] A Figura 18 mostra um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção, que mostra um arranjo misturador de gás;

[00065] A Figura 19 mostra um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção, que mostra um arranjo misturador de gás;

[00066] A Figura 20 mostra uma montagem de fluxo de massa para uso com as modalidades da Figura 19 e 23;

[00067] A Figura 21 mostra uma montagem alternativa de fluxo de massa para uso com as modalidades da Figura 19 e 23;

[00068] A Figura 22 mostra um gráfico da frequência de cristal como uma função da vazão de massa;

[00069] A Figura 23 mostra um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção, que mostra um arranjo misturador de gás;

[00070] A Figura 24 mostra um gráfico do comportamento de diferentes tipos de cristais de frequência;

[00071] A Figura 25 é um diagrama esquemático, que mostra uma montagem de sensor alternativo que compreende dois cristais de quartzo; e

[00072] A Figura 26 mostra uma montagem alternativa que utiliza uma unidade eletrônica de dados remoto.

[00073] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma situação em que a presente invenção pode ser utilizada. Um cilindro de gás 100, regulador 150 e medidor de peso molecular 200 são fornecidos.

[00074] O cilindro de gás 100 tem um corpo de cilindro de gás 102 e uma válvula de cilindro de gás 104. O corpo 102 compreende um vaso de pressão geralmente cilíndrico que tem uma base plana 102a disposta de modo a permitir a montagem do cilindro de gás 10 não suportado em repouso sobre uma superfície plana.

[00075] O corpo do cilindro de gás 102 é formado a partir de aço, alumínio e/ou de material compósito e está adaptado e disposto de modo a suportar pressões internas de até cerca de 900 bar g. Uma abertura 106 está localizada em uma extremidade proximal do corpo do cilindro de gás 102 oposta à base 102a e compreende uma rosca de parafuso (não mostrada) adaptada para receber a válvula 104.

[00076] O cilindro de gás 100 define um vaso de pressão que tem um volume interno V. Qualquer fluido adequado pode ser contido no interior do cilindro de gás 100. No entanto, a presente modalidade refere-se, mas não está limitada exclusivamente a, gases purificados permanentes que estão livres de impurezas, como poeira e/ou umidade. Exemplos não exaustivos de tais gases podem ser: oxigênio, nitrogênio, argônio, hélio, hidrogênio, metano, nitrogênio Trifluoreto, Monóxido de Carbono, Krypton ou neônio.

[00077] A válvula 104 compreende um alojamento 108, uma saída 110, um corpo de válvula 112 e um assento de válvula 114. O alojamento 108 compreende uma rosca de parafuso complementar para engate com a abertura 106 do corpo do cilindro de gás 102. A saída 110 está adaptada e disposta de modo a permitir que o cilindro de gás 100 para ser ligado a outros componentes em uma montagem de gás; Por exemplo, mangueiras, tubos ou outras válvulas de pressão ou reguladores. A válvula 104 pode, opcionalmente, incluir uma VIPR (válvula com Redução de Pressão Integrada). Nesta situação, o regulador 150 pode ser omitido.

[00078] O corpo da válvula 112 pode ser ajustado axialmente na direção ou afastando-se do assento da válvula 114 por meio da rotação de um cabo manipulável 116 seletivamente para abrir ou para fechar a saída 110. Em outras palavras, o movimento do corpo de válvula 112 em direção a ou afastando-se do assento da válvula 112 controla seletivamente a área da passagem de comunicação entre o interior do corpo do cilindro de gás 102 e a saída 110. Este, por sua vez, controla o fluxo de gás do interior da montagem de cilindro de gás 100 para o ambiente externo.

[00079] Um regulador 150 está localizado à 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 uma via de comunicação entre a saída 110 do cilindro de gás 100 e o regulador 150. A entrada 152 do regulador 150 está disposta para receber gás a alta pressão a partir da saída 110 do cilindro de gás 100. Esta pode ser qualquer pressão adequada; no entanto, geralmente, a pressão do gás que sai da saída 110 será em excesso de 20 bar e mais provável de estar na região de 100-900 bar.

[00080] A saída 154 está ligada a um tubo de saída 158. Um acoplamento 160 está localizado na extremidade distal do tubo de saída 158 e está adaptado para ligação a tubos ou dispositivos (não mostrados) para os quais gás é necessário.

[00081] Um medidor de peso molecular 200 localiza-se em comunicação com o tubo de saída 158 entre a saída 154 e do acoplamento 160. O peso molecular do medidor 200 está localizado imediatamente à jusante do regulador 150 e está disposto de modo a determinar o peso molecular do gás (ou peso médio molecular de uma mistura de gás), à jusante do regulador 150.

[00082] O regulador de peso molecular 150 e medidor 200 são mostrados em maior detalhe na Figura 2.

[00083] Nesta modalidade, o regulador 150 compreende um único regulador de diafragma. No entanto, o especialista na técnica seria prontamente ciente das variações que podem ser utilizadas com a presente invenção; por exemplo, um regulador de dois diafragmas ou outro arranjo.

[00084] O regulador 150 compreende uma região de válvula 162 em comunicação com a entrada 152 e a saída 154. A região da válvula 162 compreende uma válvula reguladora de pressão 164 localizada adjacente a um assento de válvula 166. A válvula reguladora de pressão 164 está ligada a um diafragma 168 que é configurada para permitir o movimento de translação da válvula reguladora de pressão 164 em direção e para longe do assento da válvula 166 para fechar e abrir, respectivamente, uma abertura 170 entre os mesmos. O diafragma 168 é inclinado elasticamente por uma mola 172 localizada a cerca de um eixo de 174.

[00085] O regulador 150 pode ser operado para receber gás a partir da saída 110 em pressão total do cilindro (por exemplo, 100 bar), mas para fornecer gás a uma pressão substancialmente constante fixa baixa (por exemplo, 5 bar) para a saída 154. Isto é conseguido por um mecanismo de realimentação através do qual a pressão de gás à jusante da abertura 170 é operável para atuar sobre o diafragma 168 em oposição à força de pressão da mola 172. Na modalidade da Figura 2, o regulador 150 é um regulador de pressão fixo e está disposto para fornecer gás a partir da saída 154 a uma pressão fixa conhecida. A pressão é determinada pela força de pressão relativa da mola 172.

[00086] A pressão de gás na região adjacente do diafragma 168 deve exceder o nível especificado, o diafragma 168 é operável para mover-se para cima (em relação à Figura 2). Como resultado, a válvula reguladora de pressão 164 é movida para mais perto do assento de válvula 166, reduzindo o tamanho da abertura 170 e, consequentemente, restringindo o fluxo de gás a partir da entrada 152 até à saída 154. De um modo geral, as forças que competem da resistência da mola 172 e a pressão do gás irão resultar em uma posição de equilíbrio do diafragma e, por conseguinte, a liberação de uma pressão constante de gás à saída 154.

[00087] O medidor de peso molecular 200 compreende um alojamento 202 e uma montagem de sensor 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 saída 158 através de um tubo de alimentação curto 208. Por conseguinte, o interior 206 do alojamento 202 está na mesma pressão que o interior do tubo de saída 158. Em utilização, 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.

[00088] 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. Em alternativa, o alojamento 202 pode ser fornecido como parte do tubo de saída 158. Por exemplo, uma parte do tubo de saída 158 pode ser alargada para acomodar a montagem do sensor 204. Em alternativa, apenas uma parte da montagem do sensor 204 pode ser localizado no interior do tubo de 158, sendo o restante localizado fora ou afastado do mesmo.

[00089] Além disso, o alojamento 202 pode formar uma parte integrante do regulador 150. Por exemplo, a montagem de sensor 204 pode ser localizada totalmente dentro da saída 154 do regulador 150. O especialista na técnica seria prontamente ciente de variações e alternativas que estão dentro do escopo da presente invenção.

[00090] A montagem de sensor 204 compreende um oscilador de cristal de quartzo 210 ligado a um circuito de acionamento 212, um sensor de temperatura 214 e uma bateria 216. Estes componentes estão localizados no interior do alojamento 202.

[00091] O circuito de acionamento 212 e oscilador de cristal de quartzo 210 serão descritos em detalhes 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 a partir do termistor. Por exemplo, uma precisão de 0,5°C é adequada para esta modalidade. Por conseguinte, os componentes baratos e pequenos podem ser utilizados.

[00092] Um processador 230 (mostrado e descrito mais tarde com referência à Figura 8) pode também ser proporcionado, em separado ou como parte do circuito de acionamento 212.

[00093] Nesse arranjo, o oscilador de cristal de quartzo 210 está constantemente sob pressão isostática dentro do alojamento 202 do medidor de peso molecular de 200 e, consequentemente, não experimenta 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.

[00094] No entanto, isso não precisa ser assim. Por exemplo, apenas o oscilador de cristal de quartzo 210 e o sensor de temperatura 214 podem ser localizados no interior do alojamento 202, com a parte restante da montagem do sensor 204 sendo localizada externamente ao mesmo.

[00095] Os inventores descobriram que apenas alguns componentes da montagem do sensor 204 são sensíveis a alta pressão. Em particular, os componentes maiores como as baterias podem ser susceptíveis a pressões elevadas. No entanto, verificou-se que as baterias de lítio executam particularmente bem sob as altas pressões que surgem no interior do cilindro de gás 100. Em consequência, a bateria 216 compreende células de lítio. No entanto, as fontes de energia alternativas adequadas seriam prontamente contempladas pela pessoa qualificada.

[00096] A localização da montagem de sensores 204 inteiramente dentro do alojamento 202 proporciona uma flexibilidade adicional ao configurar reguladores 150. Em particular, a localização de componentes eletrônicos relativamente frágeis inteiramente no interior do metal forte ou paredes de compósitos do alojamento 202 proporciona uma proteção considerável contra danos ambientais ou acidentais. Isto é particularmente importante, por exemplo, em áreas de armazenamento ou depósitos, onde cilindros de gás 100 compreendendo reguladores 150 estão localizados adjacentes aos cilindros de gás, máquinas pesadas ou superfícies ásperas.

[00097] Além disso, a localização interna da montagem do sensor 204 protege estes componentes a partir das condições ambientais, como o sal, a água e outros contaminantes. Isso permitiria, por exemplo, um circuito de alta impedância que é altamente sensível ao sal e danos da água para ser utilizado como parte da montagem de sensor 204.

[00098] Os benefícios da localização interna da montagem do sensor 204 são únicos para os dispositivos sensores de estado sólido, como o oscilador de cristal de quartzo 210. Por exemplo, um sensor de pressão convencional, como um Bourdon gauge não pode ser localizado desta forma. Embora um sensor à base de 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 requer um gradiente de pressão, a fim de funcionar. Por conseguinte, um medidor de pressão convencional deve ser localizado entre a alta pressão a ser medida e a atmosfera. Isto aumenta o risco de danos a componentes externos do medidor de peso molecular 200.

[00099] Uma segunda modalidade do medidor de peso molecular é mostrada na Figura 3. As características da segunda modalidade mostradas na Figura 3, que estão em comum com a primeira modalidade da Figura 2 são atribuídos os mesmos números de referência e não serão descritos novamente neste caso.

[000100] Na modalidade da Figura 3, o regulador 250 difere do regulador 150 da Figura 2 modalidade em que o regulador 250 está disposto de modo a proporcionar uma pressão de saída variável de gás a partir da saída 154.

[000101] A este respeito, um cabo manipulável 252 é proporcionado para permitir a um usuário ajustar a força de pressão da mola 172. Esta se move da posição de equilíbrio do diafragma 168 e, como resultado, ajusta o equilíbrio de espaçamento entre a válvula reguladora de pressão 164 e o assento de válvula 166. Isto permite o ajuste das dimensões da abertura 170 através da qual o fluxo de gás de alta pressão a partir da saída 110 pode passar.

[000102] A pressão pode, tipicamente, ser variada até cerca de 20 bar g. No entanto, o especialista na técnica seria prontamente ciente de arranjos alternativos e pressões que podem ser fornecidos pelo regulador 250. Além disso, o regulador pode compreender fases secundárias para utilização em situações como a soldadura oxi-acetileno onde é necessária uma regulação precisa da pressão.

[000103] A segunda modalidade compreende um medidor de peso molecular 300. Os componentes do medidor de peso molecular 300, em comum com o medidor de peso molecular de 200 são atribuídos os mesmos números de referência para maior clareza.

[000104] O medidor de peso molecular 300 é substancialmente semelhante ao medidor de peso molecular 200 da primeira modalidade. No entanto, o medidor de peso molecular 300 compreende ainda um sensor de pressão 302 localizado no interior do alojamento 202. Qualquer sensor de pressão adequado pode ser utilizado.

[000105] Por exemplo, o sensor de pressão 302 pode compreender um diafragma sensor piezo-resistivo. Um dito sensor de pressão compreende tipicamente um diafragma maquinado em silício tendo medidor de tensão piezo-resistivo nele formado. O diafragma está fundido com um vidro de silício ou placa traseira. Os medidores de tensão são comumente ligados para formar uma ponte de Wheatstone, a saída da qual é diretamente proporcional à pressão medida. A saída do sensor de pressão 302 pode então ser introduzida no processador 230.

[000106] O especialista seria prontamente ciente de sensores de pressão eletrônicos alternativos que podem ser usados 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 proporcionando uma saída eletrônica de medição.

[000107] Nesse arranjo, 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 experimentam 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.

[000108] Uma terceira modalidade da invenção é mostrada na Figura 4. Às características da terceira modalidade mostrada na Figura 4, que são em comum com a segunda modalidade da Figura 3, são atribuídos os mesmos números de referência e não serão descritos novamente neste caso.

[000109] Na modalidade da Figura 4, o regulador 250 corresponde ao regulador 250 da segunda modalidade e está disposto para proporcionar uma pressão de saída variável de gás da saída 154. Os componentes do regulador 250 já foram descritos e não serão descritos adicionalmente aqui.

[000110] A terceira modalidade 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 os mesmos números de referência para maior clareza.

[000111] O medidor de peso molecular 400 é substancialmente semelhante aos medidores de peso molecular 200, 300 das primeira e segunda modalidades. No entanto, o medidor de peso molecular 400 é operável com um regulador de pressão variável 250 sem requerer o sensor de pressão 302 da segunda modalidade.

[000112] 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 tubo 402 compreende um orifício de restrição 404 localizado imediatamente à jusante do tubo curto 208 e em comunicação com a saída 154. O orifício de restrição 404 está disposto para proporcionar uma restrição física para limitar a pressão do gás que entra no conduto 402 a partir da saída 154. Por isso, a pressão do gás no interior do conduto 402 à jusante do orifício de restrição 404 é consideravelmente menor do que na saída 154.

[000113] A extremidade distal 406 do conduto 402 está aberta para a atmosfera. A extremidade distal 406 está localizada na extremidade de uma seção do conduto 402 à jusante do alojamento 202. Para aplicações típicas, um conduto apropriado 402 teria um orifício na região de 2 mm e um comprimento de cerca de 100 mm. Isto é para garantir que não haja nenhuma difusão reversa dos gases atmosféricos para o interior 206 do alojamento 202 para evitar potenciais erros na medição.

[000114] Embora o conduto 402 seja mostrada como essencialmente linear na Figura 4, o conduto 402 pode ser de qualquer forma adequada. Por exemplo, uma disposição mais compacta seria para providenciar o conduto 402 em forma de labirinto ou serpentina, a fim de se ajustar o conduto para dentro de um espaço menor.

[000115] Por conseguinte, o efeito combinado do orifício de restrição 404 e extremidade distal remoto 406 do conduto 402 (que está em pressão atmosférica) é que o interior 206 do alojamento 202 está sempre em, ou perto, da pressão atmosférica. Isto é independente da pressão de gás à jusante da saída 154 e à montante do orifício de restrição 404.

[000116] Como resultado, nenhum medidor de pressão é necessário uma vez que a pressão pode ser assumida como sendo sempre à pressão atmosférica. No caso de ser necessária uma correção (por exemplo, quando se opera em altitudes elevadas, onde a pressão atmosférica é inferior), esta pode ser introduzida manualmente ao processador 230.

[000117] Por conseguinte, em determinadas condições, nenhum sensor de pressão é necessário uma vez que o valor de pressão pode ser ajustado manualmente ou automaticamente introduzido por um usuário, e o valor da pressão resultante utilizado pelo processador 230 para determinar o peso molecular do gás ou gases ser detectado.

[000118] Uma quarta modalidade de um medidor de peso molecular é mostrada na Figura 5. A quarta modalidade refere-se a um medidor de peso molecular 500. O medidor de peso molecular 500 é substancialmente semelhante aos medidores de peso molecular 200, 300, 400 das primeira e segunda modalidades. No entanto, o medidor de peso molecular 500 é operável com um regulador de pressão variável 250 (ou outra fonte de gás de pressão variável) sem exigir o sensor de pressão 302 da segunda modalidade.

[000119] O medidor de peso molecular 500 é operável em situações em que o gás está sendo ventilado para a atmosfera, por exemplo, em um aparelho de soldadura de gás de metal inerte (MIG). O medidor de peso molecular 500 é suficientemente longe, ao longo do conduto 158 a partir do regulador 150 e suficientemente próximo da pressão atmosférica e 160 para assegurar que as condições de pressão no alojamento 202 sejam as atmosféricas.

[000120] Em adição aos arranjos de medidores de peso molecular 200, 300, 400, é proporcionada uma segunda montagem de sensor 504 que compreende um oscilador de cristal de quartzo 510 ligado a um segundo circuito de acionamento 512 e segunda bateria 516. O segundo circuito de acionamento 512 e segunda bateria 516 são substancialmente semelhantes aos do circuito de acionamento 212 e bateria 216 e não serão descritos mais aqui.

[000121] O segundo oscilador de cristal de quartzo 510 está exposto à atmosfera externa através de um alojamento aberto 518. O alojamento 518 é operável para proteger o segundo oscilador de cristal de quartzo 510 contra danos mecânicos, mas para permitir que o segundo oscilador de cristal de quartzo 510 seja exposto à atmosfera. O alojamento 518 pode compreender um alojamento coberto com um orifício de passagem formado em uma extremidade distal da mesma.

[000122] A segunda montagem do sensor 504 (incluindo o oscilador de cristal de quartzo 510) é fornecida para permitir uma determinação precisa da pressão atmosférica. Embora a modalidade da Figura 4 possa ser eficaz, sob certas condições, a variabilidade da pressão atmosférica pode conduzir a erros na determinação do peso molecular. Isto é particularmente importante se misturas de gases (como descrito em modalidades posteriores) são utilizadas e onde os medidores de peso molecular de modalidades anteriores podem gerar uma medição imprecisa.

[000123] Como será descrito mais tarde, o segundo oscilador de cristal de quartzo 510 entra em ressonância a uma frequência proporcional à densidade do gás. No entanto, a composição gasosa de ar é bem conhecida e geralmente constante. Portanto, usando a equação 7), conforme estabelecido abaixo, a pressão pode ser determinada a partir da densidade conhecida e peso molecular conhecido. Este arranjo oferece maior precisão, é economicamente eficiente de fabricar e tem um tamanho pequeno.

[000124] Os demais componentes do medidor de peso molecular 500 são semelhantes aos dos medidores de peso molecular 200, 300, 400 da primeira à quarta modalidades e não serão descritos aqui adiante.

[000125] Quaisquer da primeira à quarta modalidades podem compreender, adicionalmente, um visor (não mostrado) para mostrar a um usuário os resultados das medições efetuadas no gás detectado. Em alternativa, o mostrador pode ser localizado distante dos medidores de peso molecular 200, 300, 400, 500 e os dados relevantes podem ser comunicados remotamente.

[000126] Por exemplo, qualquer uma de primeira à quarta modalidades pode ainda compreender uma antena (não mostrada) para comunicação remota com, por exemplo, uma estação de base. Isso será discutido mais tarde. Neste caso, a antena pode estar localizada fora do alojamento 202 e está conectada à montagem de sensor 204 por meio de um conector de fio ou equivalente.

[000127] A própria antena pode ser adaptada e disposta de modo a utilizar qualquer protocolo de comunicação apropriada; por exemplo, uma lista não exaustiva pode ser RFID, Bluetooth, Infravermelho (IR), 802,11 wireless, transmissão de modulação de frequência (FM) ou uma rede celular.

[000128] Alternativamente, a comunicação de um fio pode ser implementada. Uma comunicação com fios necessita apenas de um único condutor metálico para comunicar: o caminho de “retorno” do circuito é fornecido por meio de acoplamento capacitivo através do ar entre os dispositivos de comunicação. O especialista seria prontamente ciente das alternativas da antena (e hardware de transmissão associado), que poderiam ser utilizadas com as modalidades aqui discutidas.

[000129] Por exemplo, a comunicação pode ser realizada por meios de transmissão acústica de dentro do cilindro 100. Um transmissor localizado no interior do alojamento 202 pode realizar a transmissão acústica. O transmissor pode compreender, por exemplo, um simples ressoador piezelétrico de frequência fixa.

[000130] 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, como, por exemplo, um detector de tom em circuito de fase fechada com um microfone integrado.

[000131] A montagem de sensor 204 será agora descrita em maior detalhe com referência às Figuras 6 e 7. O oscilador de cristal de quartzo 210 compreende uma seção planar de corte de quartzo. Quartzo demonstra comportamento piezelétrico, ou seja, a aplicação de uma tensão através do cristal faz com que o cristal mude de forma, gerando uma força mecânica. Por outro lado, uma força mecânica aplicada ao cristal produz uma carga elétrica.

[000132] Duas superfícies paralelas do oscilador de cristal de quartzo 210 são metalizadas, a fim de proporcionar ligações elétricas através de todo o cristal. Quando uma tensão é aplicada através do cristal, por meio de contatos de metal, muda a forma do cristal. Por aplicação de uma tensão alternada para o cristal, o cristal pode ser obrigado a oscilar.

[000133] O tamanho físico e espessura do cristal de quartzo determinam a frequência característica ou de ressonância do cristal de quartzo. Com efeito, a frequência característica ou de ressonância do cristal 210 é inversamente proporcional à espessura física entre as duas superfícies metalizadas. Osciladores de cristal de quartzo são bem conhecidos na técnica e assim a estrutura do oscilador de cristal de quartzo 210 não será descrita mais aqui.

[000134] Além disso, a frequência de vibração ressonante de um cristal de quartzo irá variar, dependendo do ambiente no qual está localizado o cristal. No vácuo, o cristal tem uma frequência específica. No entanto, esta frequência é alterada em ambientes diferentes. Por exemplo, em um fluido, a vibração do cristal será amortecida pelas moléculas vizinhas e estas afetarão a frequência de ressonância e a energia necessária para oscilar o cristal a uma dada amplitude.

[000135] Além disso, a deposição de materiais circundantes sobre o cristal afetará a massa do cristal de vibração, alterando a frequência de ressonância. Tal adsorção ou deposição de material forma a base para os analisadores de gases seletivos comumente utilizados em que uma camada absorvente é formada sobre o cristal e aumenta em massa conforme o gás é absorvido.

[000136] No entanto, no presente caso, nenhum revestimento é aplicado ao oscilador de cristal de quartzo 210. Na verdade, adsorção ou deposição de material para o oscilador de cristal de quartzo 210 é indesejável no presente caso uma vez que a precisão da medição pode ser afetada.

[000137] Como mostrado na Figura 6, o oscilador de cristal de quartzo 210 da presente modalidade é sintonia em forma de garfo e compreende um par de dentes 210a aproximadamente 5 mm de comprimento disposto de modo a oscilar em uma frequência de ressonância de 32,768 kHz. Os dentes 210a são formados na seção planar de quartzo. Os dentes 210a do garfo oscilam normalmente em seu modo fundamental, em que se movem de forma sincronizada para e em se afastando uns dos outros na frequência de ressonância.

[000138] Quartzo fundido (ou não cristalino) tem um coeficiente dependente da temperatura muito baixa de expansão e um baixo coeficiente de elasticidade. Isto reduz a dependência da frequência fundamental da temperatura e, como será demonstrado, os efeitos da temperatura são mínimos.

[000139] Além disso, é desejável a utilização de quartzo, que é corte AT ou corte SC. Em outras palavras, a seção planar de quartzo é cortada em ângulos específicos, de modo a que o coeficiente de temperatura da frequência de oscilação pode ser disposto de modo a ser parabólico com um pico largo perto da temperatura ambiente. Portanto, o oscilador de cristal pode ser arranjado de tal modo que a inclinação no topo do pico seja precisamente zero.

[000140] Esses cristais de quartzo são comumente disponíveis a baixo custo relativo. Em contraste com a maioria dos osciladores de cristal de quartzo, que são utilizados em vácuo, na presente modalidade o oscilador de cristal de quartzo 210 é exposto ao gás sob pressão no alojamento 202.

[000141] O circuito de acionamento 212 para a 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 vazia) a cerca de 900 bar g, se o cilindro de gás contém um gás pressurizado como o hidrogênio. Assim, o oscilador de cristal de quartzo 210 é obrigado a funcionar (e reiniciar depois de um período de não utilização), sob uma vasta gama de pressões.

[000142] 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 com a taxa de amortecimento de um oscilador ou ressonador. De forma equivalente, pode caracterizar a largura de banda de um ressonador em relação à sua frequência central.

[000143] Em geral, quanto maior for o fator Q de um oscilador, menor será a taxa de perda de energia em relação à energia armazenada do oscilador. Em outras palavras, as oscilações de um fator Q alto do oscilador reduzem em amplitude mais lentamente na ausência de uma força externa. Sinusoidalmente ressonadores impulsionados com fatores Q superiores ressoam com maiores amplitudes na frequência de ressonância, mas tem uma largura de banda menor de frequências em torno dessa frequência para as quais ressoam.

[000144] O circuito de acionamento 212 deve ser capaz de acionar o oscilador de cristal de quartzo de 210, apesar da mudança de fator Q. 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 amortecida, e o fator Q cairá. O fator Q caindo requer um maior ganho a ser fornecido por um amplificador no circuito de acionamento 212. No entanto, se for demasiado elevado uma amplificação é fornecida, o circuito de acionamento 212, a resposta a partir do oscilador de cristal de quartzo 210 pode tornar-se difícil 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.

[000145] Como uma limitação adicional, o circuito de acionamento 212 deve ser de baixa potência, de modo a funcionar com baterias de baixa potência pequenas por um longo tempo, com ou sem poder suplementar, como as células fotovoltaicas.

[000146] 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, essencialmente, leva um sinal de tensão a partir do oscilador de cristal de quartzo 210, amplifica-o, e alimenta aquele sinal de volta para o oscilador de cristal de quartzo 210. A frequência de ressonância fundamental do oscilador de cristal de quartzo 210 é, em essência, uma função da taxa de expansão e contração do quartzo. Isto é determinado, em geral, pelo corte e tamanho do cristal.

[000147] No entanto, fatores externos também afetam a frequência de ressonância. Quando a energia das frequências de saída geradas corresponde às perdas no circuito, uma oscilação pode ser sustentada. O circuito de acionamento 212 é disposto para detectar e manter esta frequência de oscilação. A frequência pode então ser medida pelo processador 230 (Figura 9), utilizada para calcular a propriedade adequada do gás requerida pelo usuário e, se necessário, a saída para um meio de visualização apropriado (como será descrito mais tarde).

[000148] O circuito de acionamento 212 é alimentado por uma bateria de 6 V 216. A bateria 216, nesta modalidade, compreende uma bateria de lítio. No entanto, as fontes de energia alternativas serão facilmente evidentes para o especialista na técnica; por exemplo, outros tipos de baterias recarregáveis e não recarregáveis e um arranjo de células solares.

[000149] O circuito de acionamento 212 compreende ainda um amplificador de emissor comum par Darlington 218. Um par Darlington compreende uma estrutura composta que consiste em dois transistores NPN bipolares configurados de tal modo que a corrente amplificada por um primeiro transistor é amplificada ainda mais por segundo. Esta configuração permite um ganho de corrente mais elevado para ser obtido quando comparado com cada transistor sendo tomado separadamente. Podem ser utilizados transistores bipolares PNP alternativos.

[000150] O par Darlington 218 está disposto em uma configuração de realimentação a partir de um único transistor (T1) amplificador emissor comum 220. Um transistor de junção bipolar NPN é mostrado na Figura 4. No entanto, o especialista na técnica estaria ciente de arranjos alternativos de transistor que podem ser utilizados; por exemplo, um transistor de junção bipolar PNP ou Transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFETs).

[000151] Como uma variação, o ganho de controle automático (não mostrado) pode ser implementado no circuito de realimentação entre o par Darlington 218 e o amplificador de emissor comum 220. Isto pode assumir a forma de um potenciômetro, resistor variável ou outro componente adequado localizado no lugar de, por exemplo, mais à direita do resistor 22k mostrado na Figura 6.

[000152] Controle automático de ganho permite a compensação para mudanças no fator Q com pressão e as mudanças na tensão de alimentação (por exemplo, sob condições de pouca bateria). O controle automático de ganho pode ser particularmente aplicável para aplicações de baixa pressão.

[000153] O circuito de acionamento 212 compreende outro transistor seguidor de emissor NPN T2 que atua como um amplificador tampão 222. O amplificador tampão 222 é arranjado para funcionar como um tampão entre o circuito e o ambiente externo. No entanto, esse recurso é opcional e pode não ser requerido; por exemplo, um FET pode ser diretamente ligado para acionar o circuito 212.

[000154] 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 permite que o circuito de acionamento 212 acione o oscilador de cristal de quartzo 210 em situações onde o cristal foi contaminado, por exemplo, por sais ou outros materiais depositados.

[000155] Um circuito de acionamento alternativo 240 será agora descrito com referência à Figura 7. O circuito de acionamento 240 pode ser usado em lugar do circuito de acionamento 204 descrito acima. Em contraste com o circuito de acionamento 204 descrito acima, o circuito de acionamento 240 inclui um dreno comum Metal de Transistor de efeito de campo de óxido semicondutor (MOSFET) amplificador 242 em vez do par Darlington do circuito da Figura 6. O MOSFET 242 funciona como uma entrada de alta impedância que permite que a impedância de entrada do estágio amplificador de ser compensado com a alta impedância do oscilador de cristal de quartzo 202. Em outras palavras, o MOSFET 242 fornece um ganho de unidade com uma elevada impedância de entrada para reduzir a carga elétrica no oscilador de cristal de quartzo 202.

[000156] A saída do amplificador dreno comum MOSFET 242 é alimentada aos dois transistores sucessivos único (Q2, Q3) de amplificadores de emissor comum 244. Os resistores R6 e R8 fornecem realimentação negativa e polarização de corrente para os transistores. Os amplificadores emissores comuns 244 fornecem um elevado ganho para amplificar as oscilações do oscilador de cristal de quartzo 202 e, nesta modalidade, compreendem transistores de junção bipolar NPN. No entanto, o especialista na técnica estaria ciente de arranjos alternativos de transistor que podem ser utilizados; por exemplo, uma junção de transistor PNP bipolar ou MOSFET.

[000157] Um capacitor 246 é conectado entre o oscilador de cristal de quartzo 202 e solo. O capacitor 246, nesta modalidade é operável para aumentar a unidade para o oscilador de cristal de quartzo 202.

[000158] Uma resistência 248 é ligada em série com o oscilador de cristal de quartzo 202. A resistência 248, nesta modalidade, tem um valor de 56 W e amortece as oscilações de oscilador de cristal de quartzo 202, a fim de permitir que o circuito oscile ao longo de uma vasta gama de pressões com apenas mudanças graduais na forma de onda.

[000159] O circuito de acionamento 240 é alimentado por uma bateria de 3 V 249. A bateria 249, nesta modalidade, compreende uma bateria de lítio. No entanto, as fontes de energia alternativas serão facilmente evidentes para o especialista na técnica; por exemplo, outros tipos de baterias recarregáveis e não recarregáveis e um arranjo de células solares. Alternativamente, uma disposição de fornecimento de corrente elétrica pode ser usado depois de retificação DC e redução de tensão apropriada.

[000160] Outra alternativa de circuito de acionamento 260 será agora descrita com referência à Figura 8. O circuito de acionamento mostrado na Figura 8 é configurado de forma semelhante a um oscilador de Pierce. Osciladores Pierce são conhecidos a partir de osciladores de relógio IC digitais. Em essência, o circuito de acionamento 260 compreende um inversor digital simples (na forma de um transistor) T, três resistências R1, R2 e R, dois capacitores C1, C2, e o oscilador de cristal de quartzo 210.

[000161] Nesse arranjo, o oscilador de cristal de quartzo 210 funciona como um elemento de filtro altamente seletivo. A resistência R1 atua como uma resistência de carga para os transistores T. o resistor R2 atua como uma resistência de realimentação de polarização, o inversor de 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 saída do conversor T e o oscilador de cristal de quartzo 210 para limitar o ganho e para amortecer oscilações indesejadas no circuito.

[000162] O oscilador de cristal de quartzo 210, em combinação com C1 e C2 forma um filtro de passagem de banda de rede Pi. Isto permite um deslocamento de fase de 180 graus e um ganho de tensão a partir da saída para a entrada aproximadamente na frequência de ressonância do oscilador de cristal de quartzo. O circuito de movimentação acima descrito 260 é confiável e barato de fabricar, uma vez que compreende relativamente poucos componentes.

[000163] Como discutido acima, a montagem de sensor 204 pode incluir um processador 230, o qual recebe entradas a partir do oscilador de cristal de quartzo 210 e circuito de acionamento 212. O processador 230 pode compreender qualquer disposição adequada, como um ASIC ou FPGA.

[000164] O processador 230 está programado para calcular e, se necessário, exibir 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 saídas do processador 230 é mostrado na Figura 9.

[000165] Quando utilizado com o oscilador de cristal de quartzo 210, o processador 230 pode ser configurado para medir a frequência f ou período do sinal a partir da montagem do sensor 204 que compreende o circuito de acionamento 212. Isto pode ser conseguido, por exemplo, contando oscilações ao longo de um determinado tempo, e converter essa frequência a um valor de densidade usando um algoritmo ou uma tabela de pesquisa. Este valor é transferido para o processador 230.

[000166] 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 fixo de pressão. Este valor pode ser definido automaticamente; por exemplo, em situações em que o medidor de peso molecular 400, 500 deve ser utilizado apenas na pressão atmosférica ou deve ser utilizado na saída de um regulador de pressão fixa, como é o caso para o medidor de peso molecular 200. Nesta situação, o valor fixo de pressão é inserido no processador 230. Em alternativa, o valor de pressão fixo pode ser introduzido manualmente por um usuário.

[000167] Como uma alternativa adicional, a frequência f ou período do sinal a partir da montagem do sensor 504 (incluindo o circuito de acionamento 512) pode ser recebida pelo processador 230. Isto pode ser conseguido, por exemplo, contando oscilações ao longo de um tempo fixo, e converter aquela frequência em um valor de pressão utilizando um algoritmo ou tabela de pesquisa (uma vez que a frequência é proporcional à densidade, e a densidade é proporcional à pressão quando a composição do ar é conhecida). Este valor é transferido para o processador 230.

[000168] O processador 230 está disposto de modo a 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. O processador 230 pode compreender uma parte de qualquer um dos medidores de peso molecular 200, 300, 400, 500.

[000169] Uma vez que o peso molecular foi determinado, estes dados podem ser armazenados em uma memória local, podem ser exibidos em um visor de exibição ou podem ser transmitidos a uma estação remota.

[000170] O processador 230 pode, opcionalmente, ser projetado para produção em massa ser idêntica em todos os medidores de peso molecular de 200, com diferentes características do software e hardware habilitados para diferentes gases.

[000171] Além disso, o processador 230 também pode ser configurado para minimizar o consumo de energia através da implementação de modos de espera ou “sono” que podem abranger o processador 230 e componentes adicionais, como o circuito de acionamento 212 e oscilador de cristal de quartzo 210.

[000172] Vários esquemas podem ser implementados; por exemplo, o processador 230 pode estar em repouso durante 10 segundos a cada 11 segundos. Além disso, o processador 230 pode controlar o oscilador de cristal de quartzo 210 e circuito de acionamento 212 de tal forma que esses componentes são colocados em modo de espera pela maior parte do tempo, apenas trocando os componentes mais sedentos de energia em ^ segundo a cada 30 segundos.

[000173] A teoria e a operação da montagem de sensor 204 serão agora descritas com referência às Figuras 10 a 14.

[000174] O oscilador de cristal de quartzo 210 tem uma frequência de ressonância que é dependente da densidade do fluido em que se encontra localizado. Expondo uma afinação oscilante do oscilador de cristal planar tipo garfo para um gás leva a uma mudança e amortecimento da frequência de ressonância do cristal (quando comparada com a frequência de ressonância do cristal no vácuo). Há um número de razões para isto. Embora não exista um efeito de amortecimento do gás sobre as oscilações do cristal, o gás adjacente aos dentes de vibração 210a afinação em garfo do oscilador de cristal 210 aumenta a massa efetiva do oscilador. Isto leva a uma redução da frequência de ressonância do oscilador de cristal de quartzo, de acordo com o movimento de uma trave elástica de um lado, fixada:

[000175] Onde f é a frequência de oscilação, f0 é a frequência de oscilação no vácuo, p é a densidade do gás, e Mo é uma constante.

[000176] A densidade p irá, em quase todos os casos, ser pequena quando comparada com M0, de modo que a fórmula pode ser aproximada pela equação linear:

que pode novamente expressa em termos do desvio de frequência Δf a partir de f0, definidos na equação 3):

[000177] Por conseguinte, a uma boa aproximação, a alteração na frequência é proporcional à alteração na densidade do gás, na qual o oscilador de cristal de quartzo é exposto. A Figura 10 mostra, para uma série de diferentes misturas de gases/gás, que a frequência de ressonância do oscilador de cristal de quartzo 210 varia linearmente como uma função da densidade.

[000178] Em geral, a sensibilidade do oscilador de cristal de quartzo 210 é que uma mudança de 5% em frequência é visto com, por exemplo, o gás de oxigênio (possuindo um número de massa atômica 32) a 250 bar, quando comparado com a pressão atmosférica. Tais pressões e densidades de são típicas dos cilindros de armazenamento utilizadas para os gases permanentes, que são normalmente entre 137 e 450 bar g para a maioria dos gases, e de até 700 bar ou 900 g para hélio e hidrogênio.

[000179] O oscilador de cristal de quartzo 210 é particularmente adequado para utilização como um sensor de densidade formando parte de um medidor de peso molecular para os gases fornecidos comercialmente. De modo a perceber corretamente a densidade de um gás, é necessário que o gás seja livre de poeira e gotículas de líquidos, o que é garantido com gases fornecidos comercialmente, mas não com ar ou na generalidade das situações de monitoramento da pressão.

[000180] 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:

e

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

onde α é uma constante igual a RT, em que R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta em graus Kelvin. Consequentemente, para uma pressão conhecida, densidade e temperatura 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 está perto de um gás ideal.

[000181] Com base na equação 7) acima, se a pressão é conhecida (por exemplo, onde a pressão é a pressão atmosférica ou a saída de um regulador de pressão fixa), então é apenas necessária a temperatura e densidade do gás para proporcionar uma determinação precisa do peso molecular. Concomitantemente, se a pressão e a temperatura são conhecidas em um grau razoável, o peso molecular do gás é efetivamente proporcional à densidade ou, em outras palavras, a frequência de ressonância do oscilador de cristal de quartzo, multiplicado por um fator predeterminado.

[000182] Consequentemente, o peso molecular do gás (ou média de uma mistura) pode ser determinado a partir do gradiente de pressão como função da densidade, em que, rearranjando a equação 7) fornece:

[000183] As Figuras 11 e 12 ilustram os dados experimentais de medição de peso molecular. Os dois gráficos mostram densidade (em kg/m3) no eixo Y como uma função da pressão (em bar g) no eixo X para os mesmos quatro gases. Os dois gráficos são idênticos exceto que a Figura 10 mostra de pressões de até 300 bar g, enquanto que a Figura 11 mostra apenas pressões de até 100 bar g.

[000184] 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 é 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.

[000185] Além disso, a alta precisão do oscilador de cristal de quartzo 210 permite a medição de uma precisão muito elevada, com uma resolução de partes por milhão. Juntamente com a resposta linear do sensor de densidade de quartzo 202 em altas densidades e pressões, a alta precisão permite que o peso molecular de gases muito leves, como H2 e He sejam medidos com precisão.

[000186] Além disso, no caso da modalidade da Figura 5, o medidor de peso molecular 500 compreende um oscilador de cristal de quartzo adicional 510 operável para determinar a pressão atmosférica. Neste caso, a equação 8) pode simplesmente ser rearranjada para gerar equação 9):

[000187] Como dito acima, a composição do ar (isto é, ~78% Nitrogênio, ~21% de Oxigênio, ~1% outros) é geralmente relativamente constante e assim a equação 9) pode ser usada para determinar a pressão a partir da medição da densidade pelo oscilador de cristal de quartzo 510.

[000188] Uma aplicação útil dessa tecnologia é na detecção de purga. As Figuras 13 e 14 ilustram os dados experimentais de detecção de gás de purga. Tal informação é vital em situações como a soldagem orbital automática de gasodutos.

[000189] A Figura 13 mostra um gráfico de frequência (Hz) no eixo Y em função do tempo (em segundos) no eixo X por um fluxo de argônio em 5 litros/minuto em um ambiente de nitrogênio, seguido por reenchimento com Nitrogênio. Claramente, a mudança de etapa na frequência é facilmente mensurável em alta precisão.

[000190] A Figura 14 mostra os mesmos dados, exceto que, neste caso, o eixo Y foi calibrado para ler peso molecular (em unidades de massa).

[000191] Estas figuras ilustram claramente que, para a maioria dos usos normais, o peso molecular do gás pode ser facilmente determinado utilizando um oscilador de cristal de quartzo. Além disso, a alteração do peso molecular que ocorre quando um gás é purgado com outro é claramente definida e identificável. Consequentemente, a mudança de peso molecular durante a purga de gás pode ser calculada com precisão suficiente e resolução de tempo usando o oscilador de cristal de quartzo 210 e circuito de acionamento 204.

[000192] Um método de operação de uma modalidade será agora descrito com referência à Figura 15. O método descrito a seguir é aplicável a cada uma da primeira à quarta modalidades descritas acima.

Etapa 550: Inicializar medição

[000193] Na etapa 550, medir o peso molecular dos gases no interior do alojamento 202 é inicializado. Isto pode ser ativado por, por exemplo, um usuário pressionando um botão no lado de fora do alojamento 202. Como alternativa, a medição pode ser iniciada por meio de uma ligação remota, por exemplo, um sinal transmitido através de uma rede sem fios e recebido pelo medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 através de uma antena.

[000194] Como outra alternativa, ou além disso, o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 pode ser configurado para inicializar remotamente ou por um temporizador. O método prossegue para a etapa 552.

Etapa 552: Acionar o oscilador de cristal de quartzo

[000195] 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 AC de ruído aleatório entre os cristais 210. Pelo menos uma porção de dita tensão aleatória será em uma frequência apropriada fazer com que o cristal 210 oscile. O cristal 210 começará a oscilar em sincronia com esse sinal.

[000196] Como será apreciado, o oscilador de cristal de quartzo 210 é, em essência, um detector auto-contido e acionador uma vez que a frequência de ressonância do próprio cristal está sendo medida.

[000197] Por meio do efeito piezelétrico, o movimento do oscilador de cristal de quartzo 210 gerará uma tensão na banda de frequências de ressonância do oscilador de cristal de quartzo 210. O circuito de acionamento 212, em seguida, amplifica o sinal gerado pelo oscilador de cristal de quartzo 210, de tal modo que os sinais gerados na banda de frequência do ressoador de cristal de quartzo 202 dominam a saída do circuito de acionamento 212. A banda estreita de ressonância do cristal de quartzo filtra todas as frequências indesejadas e o circuito de acionamento 212, em seguida, aciona o oscilador de cristal de quartzo 210 na frequência fundamental f ressonante. Uma vez que o oscilador de cristal de quartzo 210 se estabilizou a uma frequência de ressonância particular, o método prossegue para a etapa 554.

Etapa 554: Medir a frequência de ressonância de oscilador de cristal de quartzo

[000198] A frequência f de ressonância é dependente das condições ambientais dentro do alojamento 202. Na presente modalidade, a mudança na frequência de ressonância Δf é, para uma boa aproximação, proporcional em magnitude para a mudança na densidade do gás no interior 206 do alojamento 202 e irá diminuir com o aumento da densidade.

[000199] A fim de fazer uma medição, a frequência do oscilador de cristal de quartzo 210 é medida por um período de aproximadamente 1 s. Isto é para permitir que a leitura estabilize e para oscilações suficiente serem 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.

[000200] Uma vez que a frequência foi medida, o método prossegue para a etapa 556.

Etapa 556: Medir a temperatura do gás

[000201] Na etapa 556, o sensor de temperatura 214 mede a temperatura do gás dentro do alojamento 202. Esta medição é realizada a fim de melhorar a precisão do cálculo do peso molecular a partir da mudança de frequência medida na etapa 554.

[000202] A medição de temperatura não precisa ser particularmente exata. Por exemplo, se o sensor de temperatura 214 é preciso a 0,5°C, em seguida, este corresponde a um erro de apenas cerca de uma parte em seiscentas (assumindo temperaturas atmosféricas normais) sobre o valor absoluto da temperatura necessário para o cálculo do peso molecular em etapas posteriores.

[000203] Como alternativa, este 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 do gás

[000204] 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 dentro do interior 206 do alojamento 202.

[000205] Isto pode ser feito com um valor de entrada a partir do sensor de pressão 302 (se fornecida), que fornece um sinal elétrico proporcional à pressão medida no alojamento 202. Isto se aplica à segunda e quarta modalidades.

[000206] Alternativamente, o valor da pressão pode ser introduzido para o processador 230 manualmente ou automaticamente se a pressão é conhecida em um grau razoável. Isto pode corresponder à saída de um regulador de pressão fixa (como na primeira modalidade) ou pode corresponder à pressão atmosférica (como na terceira modalidade).

Etapa 560: Determinar o peso molecular dos gases

[000207] Isto é feito usando a equação 8) acima, onde a densidade p, a pressão P e a temperatura T do gás é conhecida. Por conseguinte, saber a frequência de ressonância, conforme medido na etapa 554, a T do gás no alojamento 202 medida na etapa 556 e a pressão de gás conhecida da temperatura conhecida como determinado na etapa 558, uma medição precisa do peso molecular (ou peso molecular médio de uma mistura homogênea de gases) pode ser feita. O método então segue para a etapa 562.

Etapa 562: Comunicar e armazenar resultados

[000208] O peso molecular do gás pode ser apresentado em um número de maneiras. Por exemplo, um visor (não mostrado) fixado no alojamento 202 ou regulador 150, 250 pode visualizar o peso molecular (ou o peso molecular médio) do gás. Em alternativa, a medição de pressão poderia ser remotamente comunicada a uma estação de base ou a um medidor localizado sobre um encaixe adjacente, como será descrito mais tarde.

[000209] Uma vez que o medidor do peso molecular 200, 300, 400, 500 para posterior recuperação. Como ainda uma alternativa adicional, a pressão de gás em tempo T1 pode ser armazenada em uma memória local para o dito processador 230 para gerar um registro de tempo.

[000210] O método então segue para a etapa 564.

Etapa 564: Desligar montagem do sensor

[000211] 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 comutação do medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 quando não estiver em uso. Isso prolonga a vida da bateria 216.

[000212] A configuração do circuito de acionamento 212 permite que o oscilador de cristal de quartzo de 210 seja reiniciado, independentemente da pressão no alojamento 202. Assim, o medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500 pode ser desligado como e quando necessário, a fim de economizar energia da bateria.

[000213] Uma aplicação importante do medidor de peso molecular, de acordo com a presente invenção é em um misturador de gás do tipo de realimentação. Em uma dita disposição, dois gases diferentes são requeridos para serem misturados em concentrações e proporções precisas. Isto pode ser requerido em situações, como, por exemplo, aplicações de soldadura MIG em que uma mistura de argônio e dióxido de carbono é requerida, com a percentagem de dióxido de carbono sendo bem definida. Alternativamente, para muitas aplicações médicas ou de saúde são necessárias misturas exatas de gases, em que a percentagem relativa de um determinado tipo de gás pode ser obrigada a ser conhecida por um elevado grau de precisão.

[000214] Uma modalidade de um misturador de gás, de acordo com a presente invenção é mostrada na Figura 16. A Figura 16 mostra um misturador de gás 600 para ser usado com o medidor de peso molecular 500 da modalidade anterior.

[000215] O misturador de gás 600 compreende uma primeira fonte de gás 602 e uma segunda fonte de gás 604. Nesta modalidade, as fontes de gás 602, 604 compreendem cilindros de gás que estão 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 modalidade.

[000216] Os gases contidos no interior de cada cilindro de gás são diferentes e são selecionados em dependência do uso necessário. Por exemplo, em aplicações de soldadura, uma mistura de argônio e dióxido de carbono é usada. Em alternativa, para aplicações médicas, uma mistura de oxigênio e nitrogênio pode ser necessária.

[000217] As primeira e segunda fontes de gás 602, 604 estão ligadas às primeiras e segundas linhas de abastecimento 606, 608, respectivamente. As válvulas antirretorno 610, 612 estão localizadas nas primeiras e segundas linhas de abastecimento à jusante, respectivamente, 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.

[000218] Além disso, uma válvula principal 614 está localizada na primeira linha de fornecimento 606 à jusante da válvula antirretorno 610. A válvula principal 614 é operável manualmente e pode tomar qualquer forma adequada. Por exemplo, a válvula principal 614 pode assumir a forma de uma simples válvula liga/desliga, ou pode compreender uma válvula de fluxo ajustável, VIPR ou reguladora. Alternativa, a válvula principal 614 pode ser controlada eletronicamente por um usuário remoto a partir do misturador de gás 600. A vazão global da mistura de gases (descritos mais adiante) é definida pela válvula principal 614.

[000219] Uma válvula solenoide 616 está localizada na segunda linha de fornecimento de 608 à jusante da válvula antirretorno 612. A válvula solenoide 616 compreende uma armação (não representada), que é móvel em resposta a uma corrente elétrica através de uma montagem de bobinas (não mostrada) localizada no corpo da válvula solenoide 616. A armadura é móvel para abrir ou para fechar a válvula solenoide 616 para permitir que o gás flua para além da válvula solenoide 616 para os componentes à jusante da mesma.

[000220] A válvula solenoide 616 pode estar na condição de normalmente aberta. Em outras palavras, na ausência de uma corrente elétrica através da válvula solenoide 616, a armadura está em uma posição retraída de tal modo que a válvula solenoide 616 é aberta, ou seja, gás a partir da segunda fonte de gás 604 é capaz de fluir através dela para componentes à jusante da válvula solenoide 616. Se é aplicada uma corrente para a válvula solenoide 616, a armação vai retrair-se e a válvula solenoide 616 será fechada, impedindo que o gás flua através da mesma. Nesta modalidade, a válvula solenoide 616 é continuamente variável em uma direção linear.

[000221] O especialista seria prontamente ciente dos diferentes tipos de válvula solenoide que podem ser usados com a presente invenção. Por exemplo, a armadura pode atuar diretamente como uma restrição de fluxo seletivamente operável. Em alternativa, a armadura pode atuar diretamente sobre um diafragma. Como outra alternativa, a armadura pode controlar o fluxo através de um conduto estreito em comunicação com o conduto de alimentação 608 à 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 de 500, como será descrito mais tarde.

[000222] As primeiras e segundas linhas de abastecimento 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 abastecimento 606, 608 e para passar o fluxo combinado com 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 pressão em cada fluxo.

[000223] O misturador de gás 600 compreende o medidor de peso molecular 500 da quarta modalidade. Neste arranjo, o medidor de peso molecular 500 compreende um primeiro oscilador de cristal de quartzo 210 localizado dentro da terceira linha de alimentação 620 em uma extremidade distal do mesmo adjacente à saída 622 da mesma. A saída 622 é para a atmosfera. Portanto, a pressão experimentada pelo oscilador de cristal de quartzo primeira 210 corresponde, para uma boa aproximação, à pressão atmosférica.

[000224] O medidor de peso molecular 500 também compreende um segundo oscilador de cristal de quartzo 510 exposto à pressão atmosférica fora do misturador 600, de forma semelhante à modalidade da Figura 5. Neste caso, o segundo oscilador de cristal de quartzo 510 está localizado na vizinhança (mas não em) da saída para garantir uma leitura de pressão precisa, mantendo-se inalterada pelo fluxo de gás a partir da saída 622.

[000225] Além disso, o medidor de peso molecular 500 compreende uma unidade de solenoide eletrônica 652 ligada à válvula solenoide 616 e à montagem de sensor 204 do medidor de peso molecular 500.

[000226] A unidade de solenoide 652 está disposta para receber um sinal a partir da montagem de sensor 204 e para controlar a válvula solenoide 616, em resposta a esse sinal. Por conseguinte, o medidor de peso molecular 500 é operável para controlar o fluxo de gás através da válvula solenoide 616. Em outras palavras, o medidor de peso molecular 500 e válvula solenoide 616 formam um circuito de realimentação, que permite a regulação remota precisa da pressão e do fluxo de gás ao longo da segunda linha de alimentação 608 para o misturador 618. Por isso, a proporção dos gases misturados na unidade misturadora 618 pode ser controlada com precisão como será descrito mais tarde.

[000227] A unidade de solenoide 652 pode compreender qualquer circuito de acionamento adequado para controlar a válvula solenoide 616. Um circuito adequado pode ser uma montagem de amplificador operacional que tem uma entrada da montagem do sensor 204 ao terminal negativo do amplificador operacional. Por conseguinte, uma resistência variável poderia ser ligada ao terminal positivo. A resistência variável pode ser disposta para proporcionar um nível de referência constante e agir como um comparador. O nível de referência pode ser variado automaticamente ou manualmente.

[000228] Uma entrada da montagem do sensor 204 para a unidade de solenoide 652 causará o funcionamento da válvula solenoide 616. Por exemplo, se o sinal de entrada da montagem do sensor 204 (ou, em alternativa, o processador 230) excede um nível limiar determinado, a unidade de solenoide 652 pode energizar a válvula solenoide 616. A válvula solenoide 616 pode ser controlada de um modo digital (ou seja, ligada ou desligada) onde uma tensão de DC é variada entre um valor mínimo e máximo. Alternativamente, a tensão de DC a partir da unidade de solenoide 652 pode ser continuamente variável para ajustar a quantidade de restrição de fluxo com precisão através da válvula solenoide 616.

[000229] Adicionalmente ou em alternativa, a unidade de solenoide 652 pode controlar a válvula solenoide 616 por meio de uma saída DC que compreende um componente AC. Uma vez que a extensão da armadura da válvula solenoide 616 é aproximadamente proporcional à corrente aplicada, isto faz com que a armadura da válvula solenoide 616 oscile. Tais oscilações mitigam fricção estática da armadura, ou seja, auxiliar para prevenir que a armadura fique presa ou encravada.

[000230] Em alternativa, outros arranjos de controle, como FET, processadores ou ASIC podem ser usados como apropriado para controlar o funcionamento da válvula solenoide 616. Além disso, a válvula solenoide 616 pode operar em qualquer modo de conversor digital (isto é, ligado/desligado) ou análogo (ou seja continuamente variável) para permitir o movimento preciso da armadura ou semelhantes.

[000231] Na Figura 16, os principais componentes do medidor de peso molecular 500 são mostrados separadamente da válvula solenoide 616. Em tal situação, a válvula solenoide 616 pode ser controlada remotamente por meios de comunicação sem fios entre a montagem de sensores 204 e a unidade de solenoide 652.

[000232] A operação do misturador de gás 600 será agora descrito. Como discutido anteriormente, o medidor de peso molecular 500 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 gás irá variar, de acordo com a proporção relativa de cada um dos gases. Portanto, fazendo uma medição do peso molecular médio da mistura, e com o conhecimento dos pesos moleculares de cada um dos gases individual e da pressão (a partir do segundo oscilador de cristal de quartzo 510) e temperatura (a partir do sensor de temperatura 214), a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada.

[000233] A vazão principal do gás a partir da primeira fonte de gás 602 é definida pela válvula principal 614 que, como descrito anteriormente, é operável pelo usuário. Uma vez que isto tenha sido definido, o medidor de peso molecular 500 é capaz de controlar a válvula solenoide 616 para dispensar a quantidade correta de gás a partir 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.

[000234] Por isso, se a proporção de gás da segunda fonte de gás 604 é demasiada elevada, o medidor de peso molecular 500 irá, por meio da unidade de solenoide 652, fechar ou parcialmente fechar a válvula solenoide 616 para restringir o fluxo de gás a partir da segunda fonte de gás 604. Paralelamente, se a proporção de gás da segunda fonte de gás 604 é demasiada baixa, o medidor de peso molecular 500 irá, por meio da unidade de solenoide 652, abrir ou parcialmente abrir a válvula solenoide 616 para aumentar o fluxo de gás da segunda fonte de gás 604.

[000235] A modalidade acima proporciona um método de baixo custo, fiável e robusto para proporcionar uma mistura de gases em que a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada com precisão e de forma fiável e mantida.

[000236] Uma modalidade alternativa de um misturador de gás 700 é mostrada na Figura 17. Enquanto que o misturador de gás 600 da modalidade anterior é operável para fornecer uma mistura proporcional desejada de dois gases diferentes para uma pressão determinada por um usuário, o misturador de gás 700 é operável para controlar eletronicamente tanto a pressão do gás quanto a proporção dos dois gases.

[000237] O misturador de gás 700 compreende uma primeira fonte de gás 702 para a distribuição de um gás A e uma segunda fonte de gás 704 para distribuir um gás B. Nesta modalidade, as fontes de gás 702, 704 compreendem cilindros de gás que estão dispostos para armazenar gases permanentes sob pressão elevada. Cada cilindro compreende uma válvula (não representada), que pode ser semelhante à válvula 104 mostrada na primeira modalidade. Os gases A, B contidos no interior de cada cilindro de gás são diferentes e são escolhidos na dependência do uso como exigido para a modalidade da Figura 16.

[000238] As primeira e segunda fontes de gás 702, 704 estão ligadas às primeiras e segundas linhas de abastecimento 706, 708, respectivamente. As válvulas antirretorno 710, 712 estão localizadas nas primeiras e segundas linhas de abastecimento à jusante, respectivamente, das respectivas primeira e segunda fontes de gás 702, 704 para impedir o retorno do fluxo de gases para as fontes de gás 702, 704.

[000239] Uma primeira válvula solenoide 714 está localizada na primeira linha de fornecimento de 706 à jusante da válvula antirretorno 710. A primeira válvula solenoide 714 compreende uma armação (não mostrada), que é móvel em resposta a uma corrente elétrica através de uma montagem de bobinas (não mostrada) localizada no corpo da primeira válvula solenoide 714. A armadura é móvel para abrir ou para fechar a primeira válvula solenoide 714 para permitir que o gás flua após a primeira válvula solenoide 714 para componentes à jusante da mesma. A vazão total da mistura de gases (descrita mais adiante) é definida pela válvula solenoide 714, como será descrito mais tarde.

[000240] Uma segunda válvula solenoide 716 está localizada na segunda linha de fornecimento de 708 à jusante da válvula antirretorno 712. A válvula solenoide 716 é substancialmente semelhante à primeira válvula solenoide 714 e é operável para abrir ou para fechar para permitir que o gás flua através da segunda válvula solenoide 716 para os componentes à jusante da mesma.

[000241] A primeira e/ou segunda válvulas solenoides 714, 716 podem estar na condição de normalmente aberta. Em outras palavras, na ausência de uma corrente elétrica através da primeira e/ou segunda válvulas solenoides 714, 716, a armadura está em uma posição retraída de tal modo que as válvulas solenoide 714, 716 estão abertas, ou seja, gás a partir da primeira e/ou segunda fonte de gás 702, 704 é capaz de fluir através delas para componentes à jusante das válvulas solenoides 714, 716. Se é aplicada uma corrente para as válvulas solenoide 714, 716, a armação vai retrair-se e as válvulas solenoide 714, 716 vão ser fechadas, impedindo que o gás flua através das mesmas. Nesta modalidade, as válvulas solenoide 714, 716 são continuamente variáveis em uma direção linear.

[000242] O especialista seria prontamente ciente dos diferentes tipos de válvula solenoide que podem ser usados com a presente invenção. Por exemplo, a armadura pode atuar diretamente como uma restrição de fluxo seletivamente operável. Em alternativa, a armadura pode atuar diretamente sobre um diafragma. Como outra alternativa, a armadura pode controlar o fluxo através de um conduto em comunicação estreita com as linhas de alimentação 706, 708 à jusante da válvulas solenoides 714, 716, a fim de regular o movimento de um diafragma. Tal arranjo é conhecido como uma válvula piloto de diafragma. As válvulas solenoides 714, 716 são controladas pelo medidor de peso molecular 750, como será descrito mais tarde.

[000243] As primeiras e segundas linhas de abastecimento 706, 708 estão ambas ligadas a uma unidade misturadora 718. A unidade misturadora 718 pode ser operada para combinar os dois fluxos (ou seja, gás A e gás B) entre as primeira e segunda linhas de alimentação 706, 708 e para passar o fluxo combinado (uma mistura de A e B) a uma terceira linha de alimentação 720. A unidade misturadora 718 atua meramente para combinar os dois fluxos e não altera a proporção de gás ou pressão em cada fluxo.

[000244] O misturador de gás 700 compreende um medidor de peso molecular 750. Neste arranjo, o medidor de peso molecular 750 compreende uma primeira montagem de sensor 752 e uma segunda montagem de sensor 754 ligada a um processador 230 semelhante ao processador 230 descrito anteriormente.

[000245] A primeira montagem de sensor 752 compreende um primeiro oscilador de cristal de quartzo 756 localizado dentro da primeira linha de alimentação 706 à jusante da primeira válvula solenoide 714 e imerso no gás na mesma. A primeira montagem de sensor 752 compreende também um circuito de acionamento e fonte de energia (não representada) substancialmente semelhante ao circuito de acionamento 212 e a bateria 216 da modalidade anterior.

[000246] A segunda montagem de sensor 756 compreende um segundo oscilador de cristal de quartzo 758 e um sensor de temperatura 260 localizado no interior da linha de alimentação 720 à jusante da unidade misturadora 718 e imerso no gás na mesma. A segunda montagem de sensor 756 compreende também um circuito de acionamento e fonte de energia (não representada) substancialmente semelhante ao circuito de acionamento 212 e bateria 216 das modalidades anteriores.

[000247] Além disso, o medidor de peso molecular 750 compreende uma primeira unidade eletrônica de solenoide 762 ligada à válvula solenoide 714 e ao processador 230, e uma segunda unidade eletrônica de solenoide 764 ligada à válvula solenoide 716, e ao processador 230.

[000248] A unidade de solenoide 762 está disposta para receber um sinal a partir do processador 230 e para controlar a válvula solenoide 714, em resposta a esse sinal. Por conseguinte, o medidor de peso molecular 750 é operável para controlar a quantidade total de fluxo de gás para fora da saída 722 ou, em alternativa, a pressão de saída a partir da saída 722. Em outras palavras, o medidor de peso molecular 750 e válvula solenoide 714 formam um circuito de realimentação fechado que permite a regulação precisa e remota da pressão da quantidade de fluxo de gás ao longo da primeira linha de alimentação 706 para o misturador 718.

[000249] A unidade de solenoide 764 está também disposta para receber um sinal a partir do processador 230 e para controlar a válvula solenoide 716, em resposta a esse sinal. Por conseguinte, o medidor de peso molecular 750 é operável para controlar a proporção de fluxo de gás da fonte de gás 704 para o respectivo fluxo de gás da fonte de gás 702. Em outras palavras, o medidor de peso molecular 750 e válvula solenoide 716 formam um circuito fechado de realimentação, que permite a regulação remota precisa e da quantidade de fluxo de gás ao longo da segunda linha de alimentação 708 para o misturador 718 no que diz respeito à proporção de gás que flui ao longo da primeira linha de alimentação 706. Nesta, uma proporção requerida do gás da segunda fonte de gás 704 está misturada na unidade misturadora 718.

[000250] As unidades de solenoide 762, 764 podem compreender quaisquer circuitos de acionamento adequados para controlar as respectivas válvulas solenoides 714, 716. Um circuito adequado pode ser uma montagem de amplificador operacional que tem uma entrada a partir das montagens de sensores 752, 756 e processador 230 para o terminal negativo do amplificador operacional. Por conseguinte, uma resistência variável poderia ser ligada ao terminal positivo. A resistência variável pode ser disposta para proporcionar um nível de referência constante e agir como um comparador. O nível de referência pode ser variado automaticamente ou manualmente.

[000251] Uma entrada a partir do processador 230 para a unidade solenoide 762, 764 causará a operação de válvulas solenoides 714, 716. Por exemplo, se o sinal de entrada a partir do processador 230 excede um nível limiar particular, a unidade de solenoide 762 ou 764 da unidade de solenoide pode energizar a respectiva válvula solenoide 714, 716. As válvulas solenoides 714, 716 podem ser controladas de forma digital (ou seja, ligada ou desligada), onde a tensão DC é variada entre um valor máximo e mínimo. Alternativamente, a tensão de DC a partir da unidade solenoide 762, 764 pode ser continuamente variável para ajustar a quantidade de restrição de fluxo com precisão através das respectivas válvulas solenoides 714, 716.

[000252] Adicionalmente ou em alternativa, a unidade de solenoide 652 pode controlar a válvula solenoide 616 por meio de uma saída DC que compreende um componente AC, como descrito em relação à modalidade anterior.

[000253] Em alternativa, outros dispositivos de controle, como FET, processadores ou ASIC podem ser usados como apropriado para controlar a operação das válvulas solenoides 714, 716. Além disso, as válvulas solenoide 714, 716 podem operar em qualquer um modo de conversor digital (isto é, liga/desliga) ou analógico (isto é, continuamente variável) para permitir o movimento preciso da armadura ou semelhantes.

[000254] Na Figura 17, os principais componentes do medidor de peso molecular 750, são apresentados separadamente a partir da válvula solenoide 714, 716. Em tal situação, a válvula solenoide 714, 716 pode ser controlada remotamente por meios de comunicação sem fios entre o processador 230 e o válvulas solenoides 714, 716.

[000255] A operação do misturador de gás 700 será agora descrito. Como discutido anteriormente, o medidor de peso molecular 750 é capaz de determinar o peso molecular médio de uma mistura de gases A e B. Além disso, o medidor de peso molecular 750 é operável para determinar a pressão do gás. Quando dois gases são misturados em proporções diferentes, o peso molecular médio da mistura de gás irá variar, de acordo com a proporção relativa de cada um dos gases. Portanto, fazendo uma medição do peso molecular médio da mistura, e com o conhecimento dos pesos moleculares de cada gás individual e da pressão e temperatura, a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada, em conjunto com a saída de pressão desejada.

[000256] A vazão principal do gás A a partir da primeira fonte de gás 702 é definida por um usuário ou pode ser ajustada automaticamente. Isso determina um ponto de regulação no processador 230. Supõe-se que o gás A a partir da primeira fonte de gás 702 é o gás majoritário e que o gás B a partir da segunda fonte de gás 704 é o gás minoritário.

[000257] A montagem de sensor 752 é usada para calcular a pressão P à jusante da válvula solenoide 714. Uma vez que o peso molecular da primeira fonte de gás, MWA é conhecida (porque o primeiro gás A da fonte de gás 702 é um gás empacotado), a pressão imediatamente à jusante da válvula solenoide 714 pode então ser determinada a partir da equação 10):

[000258] Onde P é a pressão, R é a constante dos gases, T é a temperatura absoluta (como medido pelo sensor de temperatura 760), MWA é o peso molecular do gás a partir da primeira fonte de gás 702 e PA é a densidade medida imediatamente à jusante da válvula solenoide 714 na primeira linha de alimentação 706.

[000259] A suposição de que é feita a pressão medida na primeira linha de fornecimento 706 é aproximadamente a mesma que na unidade misturadora 718 e na linha de alimentação de saída 720. Esta suposição é aplicável se a proporção de gás da segunda fonte de gás 704 está em minoria quando comparado com o gás majoritário a partir da primeira fonte de gás 702.

[000260] O valor medido de P, como medido pela montagem de sensor 752 é então introduzido no processador 230 que é operável para controlar a válvula solenoide 714, em dependência da mesma para atingir uma pressão de saída desejada. Isto pode ser feito em uma base proporcional, com uma pressão de ponta de ajuste armazenado pelo processador 230 subtraído do valor de pressão medido e a diferença entre os mesmos utilizados para controlar a válvula solenoide.

[000261] Em seguida, a massa molecular média da mistura de gás na terceira linha de alimentação 720 é determinada pela montagem de sensores 754. Nesta modalidade, o segundo oscilador de cristal de quartzo 758 é operável para determinar a densidade pmix da mistura de gás de alimentação na terceira linha de alimentação 720. A média do peso molecular MWmix da mistura de gás pode então ser determinada a partir da equação 11):

[000262] Onde P é a pressão medida pela primeira montagem de sensor 752. Uma vez que o peso molecular médio (MWmix) da mistura de gases é calculada, a percentagem em volume (% B) do gás minoritário B a partir da segunda fonte de gás 704 pode ser determinada, de acordo com a equação 12):

[000263] Que, em seguida, gera a equação 13):

[000264] O valor da percentagem em volume de gás B (% B) pode, então, ser comparado com o processador 230 para um valor de ponto de ajuste desejado e a válvula solenoide 716, assim, controlado em conformidade. Portanto, o medidor de peso molecular 750 é capaz de controlar a válvula solenoide 716 para dispensar a quantidade correta de gás B a partir da segunda fonte de gás 704, a fim de conseguir uma mistura proporcional desejada de gases A e B. Isto é feito através da unidade de solenoide 764.

[000265] Por isso, se a proporção de gás B a partir da segunda fonte de gás 704 é demasiada elevada, o medidor de peso molecular 750 irá, através da unidade de solenoide 764, fechar ou parcialmente fechar a válvula solenoide 716 para restringir o fluxo de gás B a partir da segunda fonte de gás 704. Concomitantemente, se a proporção de gás da segunda fonte de gás 704 é demasiada baixa, o medidor de peso molecular 750 irá, por meio da unidade de solenoide 754, abrir ou parcialmente abrir a válvula solenoide 716 para aumentar o fluxo de gás a partir da segunda fonte de gás 704.

[000266] A modalidade acima proporciona um método de baixo custo, fiável e robusto para proporcionar uma mistura precisa de gases a uma dada pressão, ou seja, onde uma pressão constante de um gás em que a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser mantida com segurança e precisão.

[000267] Uma modalidade alternativa de um misturador de gás 800 é mostrado na Figura 18. O misturador de gás 800 é operável para controlar eletronicamente tanto a pressão do gás quanto a proporção dos dois gases em comum com o misturador de gás 700 da modalidade anterior. As características do misturador de gás 800 em comum com o misturador de gás 700 foram atribuídas os mesmos números de referência e não serão descritos aqui adiante.

[000268] O misturador de gás 800 compreende um medidor de peso molecular 850. Neste arranjo, o medidor de peso molecular 850 compreende a primeira montagem de sensor 752, a segunda montagem de sensor 754 e uma terceira montagem de sensor 852. Cada conjunto de sensor 752, 754, 852 está ligado ao processador 230. A primeira e segunda montagens de sensores 752, 754 são idênticas às do misturador de gás 700 e não serão descritas mais aqui.

[000269] A montagem do terceiro sensor 852 compreende um terceiro oscilador de cristal de quartzo 856 localizado dentro da segunda linha de alimentação 708 à jusante da segunda válvula solenoide 716 e imerso no gás na mesma. A terceira montagem de sensor 852 compreende também um circuito de acionamento e fonte de energia (não representada) substancialmente semelhante ao circuito de acionamento 212 e bateria 216 das modalidades anteriores.

[000270] A operação do misturador de gás 800 será agora descrita. Como discutido anteriormente, o medidor de peso molecular 850 é capaz de determinar o peso molecular médio de uma mistura de gases A e B. Além disso, o medidor de peso molecular 850 é operável para determinar a pressão do gás. Quando dois gases são misturados em proporções diferentes, o peso molecular médio da mistura de gás irá variar, de acordo com a proporção relativa de cada um dos gases. Portanto, fazendo uma medição do peso molecular médio da mistura, e com o conhecimento dos pesos moleculares de cada gás individual da pressão e temperatura, a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada, em conjunto com a pressão desejada saída.

[000271] A vazão principal do gás A a partir da primeira fonte de gás 702 é definida por um usuário ou pode ser ajustada automaticamente. Isso determina um ponto de regulação no processador 230. Supõe-se que o gás A a partir da primeira fonte de gás 702 seja o gás majoritário e que o gás B a partir da segunda fonte de gás 704 seja o gás minoritário.

[000272] A montagem de sensor 852 é usada para calcular a pressão P à jusante da válvula solenoide 716 da segunda linha de alimentação 708. Uma vez que o peso molecular do gás B, MWB é conhecido (porque o gás B da fonte de gás 704 é um gás embalado), a pressão imediatamente à jusante da válvula solenoide 716 pode então ser determinada a partir da equação 14):

[000273] Onde P é a pressão, R é a constante dos gases, T é a temperatura absoluta (como medida pelo sensor de temperatura 760), MWB é o peso molecular do gás B a partir da segunda fonte de gás 704 e PB é a densidade medida imediatamente à jusante da válvula solenoide 716 da segunda linha de alimentação 708.

[000274] Este valor pode ser usado em lugar do cálculo realizado na equação 9) usando a montagem de sensor 752. Em alternativa, ambas as pressões podem ser medidas e uma média tomada para se obter uma melhor estimativa da pressão à jusante da unidade misturadora 718, como estabelecido na equação 15):

[000275] O valor medido de P, como medido pela montagem de sensor 752 e montagem do sensor 852 é então introduzido no processador 230 que é operável para controlar a válvula solenoide 714, em dependência no mesmo para atingir uma pressão de saída desejada. Isto pode ser feito em uma base proporcional, com a inclusão opcional de uma integral e/ou diferencial com relação ao tempo da diferença entre a pressão medida P e o ponto de regulação da pressão armazenado pelo processador 230.

[000276] Em seguida, a massa molecular média da mistura de gás na terceira linha de alimentação 720 é determinada pela montagem de sensores 754 usando o valor de P obtido acima. Nesta modalidade, o segundo oscilador de cristal de quartzo 758 é operável para determinar a densidade pmix da mistura dos gases na terceira linha de alimentação 720. A média do peso molecular MWmix da mistura de gás pode então ser determinada a partir da equação 10) acima, e a percentagem em volume (% B) do gás minoritário B a partir da segunda fonte de gás 704 pode ser determinada, de acordo com as equações 12) e 13) acima.

[000277] Alternativamente, o valor da percentagem em volume de gás B (% B) pode ser calculado usando as densidades medidas, de acordo com a equação 16):

[000278] Além disso, a pressão à jusante do misturador pode ser calculada se necessário a partir da equação 17):

onde MWmix é determinada a partir da equação 12) acima.

[000279] A modalidade acima proporciona um método de baixo custo, fiável e robusto para proporcionar uma mistura precisa de gases a uma dada pressão, ou seja, onde uma pressão constante de um gás em que a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser mantida com segurança e precisão.

[000280] Uma modalidade alternativa de um misturador de gás 900 é mostrada na Figura 19. O misturador de gás 900 é operável para controlar eletronicamente a proporção dos dois gases em comum com o misturador de gás 600, 700, 800 da modalidade anterior. No entanto, em contraste com o misturador de gás 700, 800 das modalidades anteriores, o misturador de gás 900 é operável para controlar eletronicamente a vazão de massa de gás a partir da saída 722. As características do misturador de gás 900 em comum com os misturadores de gás 700, 800 foram atribuídas os mesmos números de referência e não serão descritos aqui adiante.

[000281] O misturador de gás 900 compreende um medidor de peso molecular 950. Neste arranjo, o medidor de peso molecular 950 compreende a primeira montagem de sensor 752 e um fluxo de massa de montagem 952. Cada conjunto 752, 952 está ligado ao processador 230. O primeiro sensor de montagem 752 é idêntico aos dos misturadores de gás 700, 800 e não será descrito mais aqui.

[000282] Uma modalidade de uma montagem de fluxo de massa 952 está representada na Figura 20. Outra modalidade de uma montagem de fluxo de massa 952 está representada na Figura 21.

[000283] Começando pela montagem de fluxo de massa 952 da Figura 20, a montagem de fluxo de massa 952 compreende um corpo 954 e uma montagem de sensor 956. A montagem do sensor 956 é substancialmente semelhante às montagens de sensores de modalidades anteriores e os mesmos números de referência são utilizados para os mesmos.

[000284] O corpo 954 pode compreender qualquer material adequado; por exemplo, aço, alumínio ou compósitos. O corpo 954 compreende um conduto 958 e um alojamento 960. O conduto 958 está em comunicação com o interior do tubo de fornecimento 720 (Figura 19) e está disposto de modo a ligar-se aos mesmos. O conduto 958 fornece uma via de comunicação entre a saída 722 e o tubo de fornecimento 720.

[000285] Uma placa de orifício 962 está localizada dentro do interior do conduto 958. A placa de orifício 962 compreende uma parede que delimita um orifício limitado 964. A placa de orifício 962 forma uma restrição de fluxo no interior do conduto 958. O orifício 964 tem uma área de seção transversal A que é pequena em relação à área da seção transversal do conduto 958 de modo a que a velocidade de fluxo através do orifício 964 está em uma condição bloqueada, como será descrito mais tarde.

[000286] Embora a placa de orifício 962 seja mostrada como uma placa de parede fina na Figura 20, esta não precisa ser assim. A placa de orifício 962 pode assumir qualquer forma adequada de parede e pode ter um perfil afilado, ou pode ter uma espessura maior do que a mostrada. Alternativamente, qualquer restrição de fluxo adequado pode ser utilizada no lugar da placa de orifício 962. Por exemplo, a restrição de fluxo pode compreender uma porção de um tubo de diâmetro mais estreito do que o restante dela. O especialista seria prontamente ciente das restrições de fluxo alternativos que podem ser utilizados para fornecer um orifício de restrição de escoamento 964, através do qual, em uso, ocorre o fluxo bloqueado.

[000287] Na presente modalidade, o conduto 958 tem um comprimento da ordem de alguns centímetros. A placa de orifício 962 delimita um orifício 964 que tem um diâmetro na faixa de 0,1 mm - 4 mm. Isto é suficiente para proporcionar uma condição de fluxo bloqueado e para fornecer uma vazão de gás através do orifício 964 de entre 1 l a 40 litros/minuto para os gases, como nitrogênio ou argônio. Para uma mistura de gases com um peso molecular menor, o diâmetro do orifício 964 pode ser dimensionado para baixo para alcançar uma vazão semelhante. Alternativamente, para maiores vazões, o orifício 964 pode ser aumentado proporcionalmente, uma vez que a pressão à montante é suficientemente mais elevada do que a pressão à jusante para criar as condições de restrição de fluxo através do orifício 964.

[000288] A placa de orifício 962 divide o interior do conduto 958 à montante para uma seção à montante 966 à montante da placa de orifício 962, e uma seção à jusante 968 à jusante da placa de orifício 962. Em utilização, quando o gás está fluindo a partir do tubo de abastecimento 720 para a parte à montante 966 do conduto 958, a placa de orifícios 962 irá atuar como uma restrição de fluxo, resultando em um diferencial de pressão entre partes à montante 966 e à jusante 966 do conduto 958. Por conseguinte, a parte à montante 966 do conduto 958 está em uma primeira pressão Pi e densidade pi e a parte à jusante do conduto 968 está a uma segunda (e, em utilização, mais baixa) pressão P2 e densidade p2. Isto será descrito em detalhes mais tarde.

[000289] O alojamento 960 está localizado adjacente à porção à montante 966 do conduto 958 e está disposto de modo a conter, pelo menos, uma parte da montagem do sensor 956. O interior do alojamento 960 pode estar em pressão atmosférica ou pode estar em comunicação com o interior do conduto 958 e, consequentemente, na mesma pressão que o interior da linha de abastecimento 720. Isto eliminaria a necessidade de uma alimentação por meio de pressão entre o alojamento 960 e o interior do conduto 958.

[000290] Alternativamente, o alojamento 960 pode ser fornecido como parte do conduto 958. Por exemplo, uma parte do conduto 958 pode ser alargada para acomodar a montagem do sensor 956.

[000291] A montagem de fluxo de massa 954 está disposta para medir a vazão de massa do gás que passa através do orifício 964. Este gás é medido pela montagem de sensor 956. A montagem de sensor 956 compreende um oscilador de cristal de quartzo 210 ligado a um circuito de acionamento 212, um sensor de temperatura 214 e uma bateria 216, como descrito nas modalidades anteriores.

[000292] Nesta modalidade, o oscilador de cristal de quartzo 210 e sensor de temperatura 222 situam-se em comunicação com o interior da porção à montante 966 do conduto 958, enquanto os demais componentes da montagem do sensor 956 estão localizados dentro do alojamento 960. Em outras palavras, o oscilador de cristal de quartzo 210 é imerso no gás à montante da placa de orifício 962.

[000293] Uma vez que o valor de densidade é obtido a partir do oscilador de cristal de quartzo 210, a vazão de massa de gás através do orifício 964 pode ser determinada pelo processador 230. A vazão de massa, Q, através de um orifício é definida como:

Onde k é uma constante, v é a velocidade do gás, pi é a densidade do gás à montante e A é a área da seção transversal do orifício A. No entanto, a partir da equação de Bernoulli i9):

[000294] Conforme a área da seção transversal de um orifício diminui, a velocidade do gás aumentará e a pressão do gás será reduzida.

[000295] A determinação da vazão de massa através do orifício 964 depende de uma condição conhecida como “bloqueado” ou fluxo “crítico”. Uma dita situação surge quando a velocidade do gás atinge condições sônicas, ou seja, quando a restrição do fluxo causada pela placa de orifício 962 é tal que a velocidade do gás que flui através do orifício 964 atinge a velocidade do som. Isto ocorre quando a razão de pressão através do orifício 964 (isto é, P1/P2) é de aproximadamente 2 ou mais. Como medida alternativa, esta condição é geralmente aplicável quando a pressão absoluta P1 à montante é, no mínimo, de 0,5 a 1 bar acima da pressão absoluta P2 à jusante.

[000296] Uma vez que esta condição é satisfeita, existe muito pouco aumento adicional da velocidade do ar através do orifício 964. Por conseguinte, na condição do fluxo bloqueado, onde v = c (a velocidade do som no gás em questão), equação 18) torna- se:

[000297] Por conseguinte, para um orifício com uma área da seção transversal fixa A, o fluxo de massa através do orifício 964 é dependente apenas da densidade à montante. Este é o parâmetro que o oscilador de cristal de quartzo 210 é disposto de modo a medir.

[000298] A Figura 22 ilustra os dados experimentais para medir a vazão de massa. A Figura 22 é um gráfico da frequência de ressonância (em kHz) no eixo Y em função da vazão de gás (em litros/minuto) no eixo X por nitrogênio gasoso. Como mostrado, o gráfico é altamente linear e mostra que a vazão de massa pode ser medida com precisão utilizando o oscilador de cristal de quartzo 210.

[000299] Além disso, a alta precisão do oscilador de cristal de quartzo 210 permite a medição de uma precisão muito elevada, com uma resolução de partes por milhão. Juntamente com a resposta linear do sensor de densidade de quartzo 210 em altas densidades e pressões, a alta precisão permite que a vazão de massa de gases muito leves, como H2 e He sejam medidas com precisão.

[000300] No entanto, como descrito acima, a medição de fluxo de massa usando o oscilador de cristal de quartzo 210 irá somente ser precisa sob condições de restrição de fluxo, ou seja, quando a velocidade de fluxo através do orifício 964 está próxima ou igual à velocidade do som no gás. Isto, na prática, requer que o usuário mantenha um fluxo de gás mínimo particular através da linha de alimentação 720 a fim de proporcionar uma medição precisa.

[000301] Como resultado, um único cristal de quartzo à montante do oscilador 210 operando sozinho não é capaz de fornecer uma indicação se uma condição do fluxo bloqueado está presente através do orifício 964. A modalidade da Figura 21 é operável para abordar este aspecto.

[000302] Na montagem de fluxo de massa 952 da Figura 21, outra montagem de sensor 970 que compreende outro oscilador de cristal de quartzo 972 é fornecida. O uso de sensores piezelétricos, à montante e à jusante do orifício 964 permite que a medição de fluxo precisa seja alcançada.

[000303] Como estabelecido anteriormente em relação à equação 19), a vazão de massa Q é proporcional à densidade pi à montante, se a velocidade do fluxo do fluido através do orifício 964 é sônica ou perto de sônica. Conforme estabelecido acima, esta condição é satisfeita se geralmente a razão entre a pressão à montante para a pressão à jusante (isto é, Pi/P2) é aproximadamente de 2 ou superior.

[000304] No entanto, na prática, a relação de pressão pode ser insuficiente. Aplicação da equação de Bernoulli e teoria estabelecida de fluxo bloqueado e velocidade do som leva à equação 21)

em que k' é uma constante adimensional, A é a área do orifício, pi é a densidade à montante e p2 é a densidade à jusante.

[000305] Claramente, se pi/p2 > 2 então a equação 2i) pode ser aproximada pela equação 20) acima, porque uma condição de fluxo bloqueado é considerada estando presente através do orifício 964. Portanto, neste caso, a medição a partir de apenas a primeira montagem de sensor 956 pode ser utilizada para fornecer uma indicação precisa da vazão de massa em situações em que o Pi/P2 > 2.

[000306] No entanto, se a razão for inferior a esta, então a equação i8) pode ser utilizada para calcular a vazão de massa utilizando ambas montagens de sensores 954, 970 para medir a densidade pi à montante e densidade p2à jusante, respectivamente, e determinar a vazão de massa em vazões através do orifício 964 abaixo as condições de fluxo bloqueado.

[000307] Referindo-nos de volta à Figura i9, a montagem de fluxo de massa 952 da Figura 20 ou a montagem de fluxo de massa 952 da Figura 2i podem ser usadas com o misturador de gás 900.

[000308] A operação do misturador de gás 900 será agora descrita. Como discutido anteriormente, o medidor de peso molecular 950 é capaz de determinar o peso molecular médio de uma mistura de gases A e B. Além disso, o medidor de peso molecular 950 é operável para determinar e ajustar eletronicamente a vazão de massa a partir da saída 722.

[000309] Quando dois gases são misturados em proporções diferentes, o peso molecular médio da mistura de gás irá variar, de acordo com a proporção relativa de cada um dos gases. Portanto, realizar uma medição do peso molecular médio da mistura, e com o conhecimento dos pesos moleculares de cada gás individual da pressão e temperatura, a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser determinada, em conjunto com a saída de fluxo de massa desejada.

[000310] A vazão de massa desejada da mistura de gases é definida por um usuário ou pode ser ajustada automaticamente. Isso determina um ponto de regulação no processador 230. Supõe- se que o gás A a partir da primeira fonte de gás 702 seja o gás majoritário e que o gás B a partir da segunda fonte de gás 704 seja o gás minoritário.

[000311] Em comum com as modalidades anteriores, a montagem de sensor 752 é usada para calcular a pressão P à jusante da válvula solenoide 714. Uma vez que o peso molecular da primeira fonte de gás, MWA é conhecida (porque o primeiro gás A a partir da fonte de gás 702 é um gás empacotado), a pressão imediatamente à jusante da válvula solenoide 714 pode então ser determinada a partir da equação 10) acima.

[000312] O valor medido de P, como medido pela montagem de sensor 752 é, então, utilizado pelo processador 230. O peso molecular médio da mistura de gás na terceira linha de alimentação 720 é determinado pela montagem de sensor 956 formando parte da montagem de fluxo de massa 952. Nesta modalidade, o oscilador de cristal de quartzo 210 é operável, em comum com o oscilador 758 das modalidades anteriores, para determinar a densidade pmix da mistura gasosa na terceira linha de alimentação 720 ou na porção à montante 966 do conduto 954. O peso molecular médio MWmix da mistura de gás pode, então, ser determinado pelo processador 230 a partir da equação 10) acima.

[000313] Para calcular a vazão de massa, de acordo com a equação 20) (em que pi na equação 20) corresponde à pmix) é então necessário calcular a velocidade do som na mistura de gás a partir da equação 22):

onde γ é a relação entre os calores específicos em pressão constante e volume constante (entre 1,3 e 1,667, dependendo do gás - este pode ser predefinido pelo usuário, porexemplo, para a maior parte do gás), R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta da mistura antes do orifício 964.

[000314] A vazão pode então ser calculada, de acordo com a equação 23):

[000315] O valor da vazão Q pode então ser comparado com o valor de ponto de ajuste predeterminado e a diferença (proporcional, incluindo opcionalmente integrante e/ou diferencial com relação ao tempo) alimentada de volta para a válvula 7i4 para ajustar a vazão de massa em conformidade.

[000316] A percentagem em volume (% B) do gás B minoritário a partir da segunda fonte de gás 704 pode ser determinada, de acordo com a equação ii) e i2) acima e ajustada conforme apropriado pelo medidor de peso molecular 950.

[000317] A modalidade acima proporciona um método de baixo custo, fiável e robusto para proporcionar uma mistura precisa de gases a uma dada vazão de massa, ou seja, quando uma vazão de massa constante de um gás é necessária e em que a proporção de cada um dos gases na mistura pode ser mantido de forma fiável e com precisão.

[000318] Uma modalidade alternativa de um misturador de gás 1000 é mostrada na Figura 23. O misturador de gás 1000 é operável para controlar eletronicamente a proporção dos dois gases em comum com o misturador de gás 600, 700, 800, 900 da modalidade anterior.

[000319] Em comum com o misturador de gás 800 da Figura 18, o misturador de gás 100 é operável para controlar eletronicamente a vazão de massa de gás a partir da saída 722. As características do misturador de gás 1000 em comum com os misturadores de gás 700, 800, 900 foram atribuídas os mesmos números de referência e não serão descritos aqui adiante.

[000320] O misturador de gás 1000 compreende um medidor de peso molecular 1050. Neste arranjo, o medidor de peso molecular 1050 compreende a primeira montagem de sensor 752 e a segunda montagem de sensor 754 do misturador de gás 800 da Figura 18. Além disso, o medidor de peso molecular 1050 compreende uma montagem de fluxo de massa 1052. A montagem de fluxo de massa 1052 está localizada na primeira linha de fornecimento 706 à jusante da válvula solenoide 714 e à montante da montagem de sensores 756.

[000321] Cada uma das montagens 752, 756, 1052 está ligada ao processador 230. A primeira montagem de sensor 752 e segunda montagem de sensor 756 são idênticas às dos misturadores de gás 700, 800 e não serão descritas mais aqui. A montagem de fluxo de massa 1052 é substancialmente semelhante à das montagens de fluxo de massa de 952 mostradas na Figura 20, ou 21. Ou podem ser utilizadas neste dispositivo. Para os fins da descrição estrutural, a diferença nesta modalidade é que a montagem de fluxo de massa 1052 está localizada na primeira linha de fornecimento de 706 à montante da unidade misturadora 718, em vez de à jusante da mesma como na modalidade anterior.

[000322] O funcionamento do medidor de peso molecular 1050 será agora descrito. Nesta modalidade, a montagem de fluxo de massa 1052 é essencialmente independente da determinação do peso molecular, em contraste com a modalidade anterior, na qual o sensor de densidade de quartzo 210 foi utilizado para ambas as funções.

[000323] Nesta modalidade, a montagem de fluxo de massa 1052 é usada pela primeira vez para medir a densidade do gás A (pA) à montante do orifício 964 usando o oscilador de cristal de quartzo 210 (figura 20/21). A temperatura absoluta à montante do orifício 964 é também medida usando o sensor de temperatura 214. A vazão de massa de gás a partir de uma primeira fonte de gás 702 pode então ser determinada a partir das equações 22) e 23):

[000324] A vazão pode então ser calculada, de acordo com a equação 24):

Onde

onde Y é a relação entre os calores específicos em pressão constante e volume constante (entre 1,3 e 1,667, dependendo do gás - estes podem ser predefinidos pelo usuário, por exemplo, para a maior parte do gás), R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta do gás A antes do orifício 964.

[000325] Um valor nominal inserido no processador 230 pode, então, ser usado para controlar a válvula solenoide 714 para manter um fluxo constante de um gás através do orifício 964. A utilização desta abordagem tem a vantagem de que nenhuma correção para a velocidade do som em uma mistura de gases é necessária porque a condição de fluxo bloqueado está ocorrendo em um único gás, gás A.

[000326] A pressão P à jusante da montagem de fluxo de massa 1052 pode então ser determinada pela montagem de sensores 752, de acordo com a equação 26):

onde p’A é a densidade do gás A à jusante do orifício 964, conforme medido pelo oscilador de cristal de quartzo 756 da montagem de sensor 752.

[000327] Além disso, o oscilador de cristal de quartzo 756 também pode ser utilizado para verificar o funcionamento da montagem de fluxo de massa 1052 e, se for necessário, proporcionar uma correção, de acordo com a operação da modalidade descrita na Figura 21.

[000328] Uma vez que a pressão P tenha sido determinada, o peso molecular médio da mistura, e os valores de % B podem ser determinados utilizando a segunda montagem de sensor 754 e as equações 11) a 13) listadas acima e descritas com referência a modalidades anteriores.

[000329] Além disso, uma montagem de sensor adicional poderia ser localizada na segunda linha de alimentação 708 da modalidade da Figura 18, se assim for desejado.

[000330] As variações das modalidades acima serão evidentes para o especialista na técnica. A configuração exata dos componentes de hardware e de software pode ser diferente e ainda estar dentro do escopo da presente invenção. O especialista seria prontamente ciente de configurações alternativas que podem ser utilizadas.

[000331] Por exemplo, as modalidades acima descritas têm utilizado um oscilador de cristal de quartzo, tendo uma frequência fundamental de 32.768kHz. No entanto, podem ser usados cristais que operam a frequências alternativas. Por exemplo, os osciladores de cristal de quartzo que operam a 60kHz e 100 kHz podem ser usados com as modalidades descritas acima. Um gráfico que mostra a mudança de frequência com a densidade de cristais diferentes é mostrado na Figura 24. Como um exemplo adicional, pode ser utilizado um oscilador de cristal que opera a uma frequência de 1,8 MHz.

[000332] Operação de frequência mais alta permite que a pressão seja monitorada com mais frequência porque um curto período de tempo é necessário para provar um determinado número de ciclos. Além disso, os cristais de frequências mais altos permitem que um ciclo de trabalho menor seja usado em um modo de “sono” de um cristal. A título de explicação, na maioria dos casos, o circuito de cristal e unidade passarão a maior parte do tempo desligados, só sendo ligados por um segundo ou assim, quando uma medida é necessária. Isto pode ocorrer, por exemplo, uma vez por minuto. Quando um cristal de frequência mais elevada é usado, a pressão pode ser medida 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 da bateria.

[000333] Além disso, as modalidades acima foram descritas pela medição da frequência absoluta de um oscilador de cristal de quartzo. No entanto, em eletrônicos auto suficientes incorporados em um regulador de cilindro de gás associado, pode ser vantajoso medir a mudança na frequência do sensor através da comparação daquela frequência de referência com um cristal de tipo idêntico, mas fechado em uma embalagem a vácuo ou sob pressão. O pacote de pressão pode conter o gás a uma densidade selecionada, o gás em condições atmosféricas ou pode ser aberto para a atmosfera externa do cilindro de gás.

[000334] Uma montagem de sensores adequados 1100 é mostrada na Figura 25. A montagem de sensor 1100 compreende um primeiro oscilador de cristal de quartzo 1102 e um segundo oscilador de cristal de quartzo 1104. O primeiro oscilador de cristal de quartzo 1102 é um cristal de referência que está localizado dentro de um recipiente selado 1106 sob vácuo. O primeiro oscilador de cristal de quartzo 1102 é impulsionado por um circuito de acionamento 1108.

[000335] O segundo oscilador de cristal de quartzo 1104 é um cristal semelhante ao cristal 210 descrito nas modalidades anteriores. O segundo oscilador de cristal de quartzo 1104 está exposto ao ambiente de gás no interior do alojamento 1106. O segundo oscilador de cristal de quartzo 1104 é acionado por um circuito de acionamento 1110.

[000336] Esta comparação pode ser realizada utilizando um misturador de circuito eletrônico 1114, que combina o sinal de duas frequências e produz uma saída com uma frequência igual à diferença entre os dois cristais. Este arranjo permite que pequenas alterações na sequência de, por exemplo, a temperatura sejam negadas.

[000337] Além disso, os circuitos utilizados na montagem do sensor 956 podem ser simplificados, porque apenas a frequências diferença precisa ser medida. Além disso, esta abordagem é particularmente adequada para utilização com oscilador de cristal de alta frequência (MHz), em que pode ser difícil medir diretamente a frequência do cristal.

[000338] Além disso, todos os componentes eletrônicos necessários para medir e indicar a densidade, massa ou de fluxo de massa não precisam ser montados sobre ou no interior do cilindro de gás. Por exemplo, as funções eletrônicas podem ser divididas entre as unidades montadas no cilindro de forma permanente e unidades montadas na estação de utilização ou de um cliente ou temporariamente montadas na saída do cilindro, como a posição normalmente utilizada para um medidor de fluxo convencional.

[000339] Um exemplo deste arranjo é mostrado com referência à figura 26. O arranjo compreende uma montagem de cilindro de gás 1200 que compreende um cilindro de gás 1200, um regulador 1202 e um medidor de peso molecular 1204. O cilindro de gás 1200, regulador 1202 e medidor de peso molecular 1204 são substancialmente semelhantes aos do cilindro de gás 100, regulador 150 e medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500, substancialmente conforme anteriormente descrito com referência a modalidades anteriores.

[000340] Nesta modalidade, o medidor de peso molecular 1204 compreende um oscilador de cristal de quartzo e o circuito de acionamento (não mostrado) semelhante ao oscilador de cristal de quartzo 210 e circuito de acionamento 212 das modalidades anteriores. Uma antena 1206 é fornecida para a comunicação através de qualquer protocolo de comunicação à distância adequada; por exemplo, Bluetooth, infravermelho (IR) ou RFID. Alternativamente, pode ser utilizada uma comunicação de fio.

[000341] Como uma alternativa adicional, podem ser utilizados métodos de comunicação acústicos. A vantagem de tais métodos é que a comunicação remota pode ser realizada sem a exigência de uma antena externa.

[000342] Um tubo de ligação 1208 está ligado à saída do cilindro de gás 1200. O tubo de ligação é terminado por uma ligação de conexão rápida 1210. A ligação de conexão rápida 1210 permite que os tubos de ligação ou componentes sejam ligados e desligados com facilidade e rapidez do cilindro de gás 1200.

[000343] Uma unidade de conexão rápida 1250 é fornecida para conexão com o cilindro de gás 1200. O conector de conexão rápida complementar 1212 é fornecido para a conexão com o conector 1208. Além disso, a unidade de conexão rápida 1250 é fornecida com uma unidade de dados 1252. A unidade de dados 552 compreende uma exibição 1254 e uma antena 1256 para comunicação com a antena 1204 do conjunto de cilindro de gás 120. O visor 1254 pode compreender, por exemplo, um visor LCD, LED ou legível à luz do dia para minimizar o consumo de energia e maximizar a visibilidade do visor.

[000344] A unidade de dados 1252 pode registrar vários parâmetros medidos pela montagem do sensor 1202 da montagem do cilindro de gás 1200. Por exemplo, a unidade de dados 1252 poderia registrar peso molecular versus tempo. Esse registro pode ser útil, por exemplo, para os empreiteiros de soldagem que desejam verificar se o fluxo de gás estava presente e correto durante procedimentos de soldagem de gás longos em componentes críticos, ou para fornecer uma montagem de dados da empresa sobre o uso de um determinado cliente.

[000345] Além disso, a unidade de dados 1250 pode ser disposta para proporcionar as funções seguintes: fornecer um alarme sonoro ou visual se o tipo de gás muda; conter e exibir os dados sobre o tipo de gás; proporcionar a operação multimodo, por exemplo, um modo de fornecedor/enchimento e um modo de cliente; permitir a entrada de dados; fornecer dados como o número de cilindros, o tipo de gás, um certificado de análise, um histórico do cliente (que tinha o cilindro em quais datas), dados de segurança e dicas operacionais podem ser realizadas de forma resumida no cilindro.

[000346] Como uma alternativa, todos os exemplos acima podem, opcionalmente, ser transformados, armazenados ou obtidos a partir de um sistema inteiramente localizado (ou dentro) no cilindro de gás 100 ou alojamento 202, como discutido em termos de funcionamento do medidor de peso molecular 200, 300, 400, 500.

[000347] Os exemplos acima ilustram arranjos operáveis de misturadoras para misturar dois gases em qualquer proporção desejada e a uma vazão de massa ou pressão predeterminada. No entanto, é possível propagar esses arranjos para permitir que a mistura de três ou mais gases. Por exemplo, uma montagem de sensor adicional pode ser adicionada à saída 722 e uma montagem de sensor adicional para uma fonte de gás adicional C. Em geral, para se obter uma mistura com N componentes, precisa ter (2N-1) montagens de sensores.

[000348] Embora as modalidades acima tenham sido descritas com referência à utilização de um oscilador de cristal de quartzo, o especialista na técnica seria prontamente ciente dos materiais piezelétricos alternativos que também poderiam ser utilizados. Por exemplo, uma lista não exaustiva pode incluir osciladores de cristal que compreendem: tantalato de lítio, niobato de lítio, lítio borato, berlinita, arsenieto de gálio, tetraborato de lítio, fosfato de alumínio, óxido de bismuto germânio, cerâmicas policristalinas de zircônio titanato, alumina de alta cerâmica, composto de óxido de silício e zinco, ou tartarato dipotássico. [000349] Modalidades da presente invenção foram descritas com referência particular aos exemplos ilustrados. Enquanto os exemplos específicos são mostrados nos desenhos e são aqui descritos em detalhe, deve ser entendido, no entanto, que os desenhos e descrição detalhados não se destinam a limitar a invenção à forma particular descrita. Será apreciado que variações e modificações podem ser feitas aos exemplos descritos no escopo da presente invenção.

Claims

1. ARRANJO MISTURADOR DE GÁS, caracterizado por compreender: uma primeira fonte de gás (702) para fornecer um primeiro gás; uma segunda fonte de gás (704) para fornecer um segundo gás diferente do dito primeiro gás; primeira e segunda válvulas solenoides eletrônicas (714, 716) para regular o respectivo fluxo de gás do primeiro e segundo gases a partir das primeira e segunda fontes de gás; um misturador (718); e uma saída (722), o misturador (718) sendo localizado à jusante da primeira e da segunda válvulas eletrônicas e disposto, em uso, para misturar os primeiro e segundo gases para fornecer um gás misturado para a saída (722), em que o dispositivo misturador (718) de gás compreende ainda um medidor (750; 850; 950; 1050), o medidor (750; 850; 950; 1050) compreendendo: uma primeira montagem de sensor operável para determinar o peso molecular médio do gás misturado e incluindo um oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado; uma segunda montagem de sensor operável para determinar a pressão do gás à jusante de um das primeira ou segunda válvulas eletrônicas e a montante do misturador (718); e um controlador operável, em resposta ao peso molecular médio da mistura gasosa e a dita pressão de gás, para controlar automaticamente as ditas primeira e segunda válvulas eletrônicas para controlar a proporção relativa dos primeiro e segundo gases na dita mistura gasosa e a pressão ou a massa de vazão do gás misturado da saída (722).

2. Arranjo misturador de gás, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a segunda montagem de sensor compreende um segundo oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou o segundo gás à montante do misturador (718).

3. Arranjo misturador de gás, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender ainda uma terceira montagem de sensor operável para determinar a pressão do gás à jusante da outra da primeira ou segunda válvula eletrônica.

4. Arranjo misturador de gás, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a terceira montagem de sensor compreender um terceiro oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o outro do primeiro ou segundo gás à montante do misturador (718).

5. Arranjo misturador de gás, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a primeira montagem de sensor compreender ainda um conduto através da qual flui o gás misturado em uso, o conduto tendo um orifício de restrição de fluxo à montante de dita saída (722) através da qual ocorre restrição de fluxo em uso, o orifício de restrição de fluxo dividindo o conduto para dentro de uma porção à montante, localizado á montante do dito orifício, e uma porção à jusante em comunicação com a saída (722), em que o dito oscilador de cristal piezelétrico está localizado na dita parte à montante, a primeira montagem de sensor sendo ainda utilizada para medir a massa de vazão de gás misturado através do dito orifício.

6. MÉTODO PARA FORNECER UMA MISTURA DE GASES EM UMA PROPORÇÃO RELATIVA USANDO UM ARRANJO DE MISTURADOR DE GÁS, o arranjo de mistura de gás que compreende uma primeira fonte de gás (702) para fornecer um primeiro gás, uma segunda fonte de gás (704) para fornecer um segundo gás diferente do dito primeiro gás, primeira e segunda válvulas eletrônicas (714, 716) para regular o respectivo fluxo de gás do primeiro e segundo gases a partir das primeira e segunda fontes de gás, um misturador (718) localizado à jusante das primeira e da segunda válvulas eletrônicas, uma saída (722) e primeira e segunda montagens de sensores, a primeira montagem de sensor composta por um oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado, o método caracterizado por compreender: a) receber o primeiro gás a partir da primeira fonte de gás (702); b) receber o segundo gás a partir da segunda fonte de gás (704); c) misturar o primeiro e segundo gases para formar uma mistura gasosa; d) medir uma frequência de ressonância do oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o gás misturado; e) determinar, utilizando a segunda montagem de sensor, a pressão do primeiro ou segundo gás à jusante da respectiva uma das primeira ou segunda válvulas eletrônicas e a montante do misturador (718); f) determinar o peso molecular médio do gás misturado a partir de dita frequência de ressonância e a dita medição da pressão; e g) controlar automaticamente, em resposta ao dito peso molecular médio determinado e que dita medição de pressão, ditas primeira e segunda válvulas eletrônicas para controlar a proporção relativa dos primeiro e segundo gases em ditos gases misturados e a pressão ou vazão de massa do gás misturado a partir da saída (722).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a segunda montagem de sensor compreender um segundo oscilador piezelétrico planar de alta frequência e a etapa e) compreender a medição de uma frequência de ressonância do segundo oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou segundo gás à montante do misturador (718).

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado por o dispositivo misturador (718) de gás compreender ainda uma terceira montagem do sensor e o método compreender ainda, subsequente à etapa e): h) determinar a pressão do gás à jusante de outra da primeira ou segunda válvula eletrônica.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a terceira montagem de sensor compreender um terceiro oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o outro do primeiro ou do segundo gás à montante do misturador (718) e a etapa h) compreender medir uma frequência de ressonância do terceiro oscilador de cristal piezelétrico planar de alta frequência em contato com o primeiro ou o segundo gás à montante do misturador (718).

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado por a primeira montagem de sensor compreender ainda um conduto através da qual flui o gás misturado em uso, o conduto tendo um orifício de restrição de fluxo à montante de dita saída (722) através da qual ocorre a restrição de fluxo em uso, o orifício de restrição de fluxo dividindo o conduto para em uma porção à montante, localizada à montante do dito orifício, e uma porção à jusante em comunicação com a saída (722), o método compreendendo ainda: i) determinar, a partir da frequência de ressonância, a vazão de massa de gás através do dito orifício.

11. PRODUTO EXECUTÁVEL POR UM APARELHO DE PROCESSAMENTO PROGRAMÁVEL, caracterizado por compreender uma ou mais instruções para realizar as etapas de qualquer uma das reivindicações 7 a 11.

12. MEIO DE ARMAZENAMENTO UTILIZÁVEL EM COMPUTADOR, caracterizado por compreender o produto de programa de computador da reivindicação 11, armazenado no mesmo.