ES2328911T3 - Dispositivo de enriquecimiento en oxigeno. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para generar un gas enriquecido en oxígeno por separación de nitrógeno gaseoso desde el aire, que comprende: una fuente de aire puesto bajo presión (156), una columna de absorción (152a, 152b) para separar el nitrógeno gaseoso desde el aire puesto bajo presión suministrado por la fuente de aire puesto bajo presión (156); un dispositivo de medida del caudal (168) proporcionado aguas abajo de la columna de absorción (152a, 152b); medios ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno (170) dispuestos aguas abajo del dispositivo de medida del caudal (168); y medios ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno (170) que comprenden medios para generar un coeficiente de corrección para la relación existente entre los gases oxígeno y argón contenidos en el gas enriquecido en oxígeno, sobre la base del caudal del gas enriquecido en oxígeno medido por el dispositivo de medida del caudal (168).
Description
Dispositivo de enriquecimiento en oxígeno.
La invención se refiere a un aparato de
concentración de oxígeno para generar un gas enriquecido en oxigeno
con fines medicinales, y en particular a un aparato de concentración
de oxígeno mejorado que permite medidas ultrasónicas de la
concentración de oxígeno y/o del caudal del gas enriquecido en
oxígeno.
Es bien sabido que la velocidad de propagación
de ondas ultrasónicas a través de un gas es función de la
concentración y de la temperatura del gas. La velocidad de las
ondas ultrasónicas, C (m/s) que se propagan a través de un gas está
representada por la ecuación de flujo (1) siendo M el peso molecular
medio y T la temperatura (K).
... (1)C =
(\kappaRT/M)^{1/2}
en
donde:
- \kappa:
- relación del calor específico molecular a volumen constante y el calor específico molecular a presión constante; y
- R:
- constante de los gases
Por consiguiente, midiendo la velocidad de las
ondas ultrasónicas, C, (m/s) que se propagan a través de un gas y
la temperatura T (K) del gas, puede obtenerse el peso molecular
medio M del gas por cálculo. Por ejemplo, el peso molecular medio
M de un gas que contiene una mezcla de
oxígeno-nitrógeno de una relación de mezcla P:
(1-P) (0\leqP\leq1) puede calcularse mediante la
ecuación M = M_{O2}P+M_{N2}(1-P), en cuya
ecuación M_{O2} es el peso molecular del oxígeno y M_{N2} es el
peso molecular del nitrógeno. Por tanto, la concentración de
oxígeno, P, puede obtenerse por cálculo sobre la base de la medida
del peso molecular medio M.
Cuando el gas es una mezcla de oxígeno y
nitrógeno, \kappa = 1,4 es razonable a lo largo de una amplio
intervalo de la relación de mezcla de
oxígeno-nitrógeno.
Cuando la velocidad de las ondas ultrasónicas
que se propagan a través de un gas es C (m/s), y la velocidad de
flujo del gas es V (m/s), la velocidad de las ondas ultrasónicas
V_{1} (m/s) que se propagan en dirección hacia delante con
respecto al flujo del gas es V_{1} = C+V, y la velocidad de las
ondas ultrasónicas V_{2} que se propagan en dirección hacia atrás
con respecto al flujo del gas es V_{2} = C-V. Por
consiguiente, la velocidad del flujo de gas, V (m/s) se calcula
mediante la ecuación (2) que sigue.
... (2)V =
(V_{1} -
V_{2})/2
El caudal (m^{3}/s) del gas se obtendrá
multiplicando esta velocidad por la superficie de la sección
(m^{2}) del conducto a través del cual fluye el gas.
Han sido desarrollados métodos y aparatos para
medir la concentración de un determinado gas o la velocidad de
flujo de un gas, usando el principio anterior, sobre la base de la
velocidad de propagación o el tiempo de propagación de ondas
ultrasónicas a través del gas. Por ejemplo, la Publicación de la
Patente Japonesa sin Examinar (Kokai) No. 6-213877
describe un aparato para medir la concentración y el caudal de una
muestra gaseosa mediante la medida del tiempo de propagación de
ondas ultrasónicas que se propagan entre dos transductores
ultrasónicos situados en oposición en un conducto a través del cual
fluye el gas, Además, las Publicaciones de las Patentes Japonesas
Sin Examinar (Kokai) No. 7-209265 y No.
8-233718, describen un aparato para medir la
concentración de un determinado gas contenido en una muestra
gaseosa, midiendo la velocidad de propagación o el tiempo de
propagación de ondas ultrasónicas que se propagan a través de un
volumen testigo, con un aparato de tipo reflector que incluye un
transductor ultrasónico y un reflector dispuesto en oposición.
Además, el documento USP 5.060.506 describe un aparato para medir
la concentración de un gas constituido por dos componentes,
midiendo los cambios de la velocidad de ondas ultrasónicas.
Tal método y tal aparato para medir la
concentración y el caudal usando la velocidad de propagación de las
ondas ultrasónicas tienen problemas. En el método y el aparato
descritos, el gas incluye solamente dos componentes de oxígeno
gaseoso y nitrógeno gaseoso. No obstante, un aparato de
concentración de oxígeno en realidad rinde un gas enriquecido en
oxígeno que incluye argón además del oxígeno gaseoso y del nitrógeno
gaseoso. Además, la concentración de argón no es constante y cambia
con el caudal del gas enriquecido en oxígeno generado por el
aparato de concentración de oxígeno. Por tanto, el dispositivo
ultrasónico convencional que mide las concentraciones no puede
medir con exactitud la concentración del oxígeno gaseoso.
La invención está dirigida a la resolución de
los problemas de la técnica anterior a que se ha hecho referencia y
a proporcionar un aparato mejorado de concentración de oxígeno que
permite medidas ultrasónicas exactas de la concentración de oxígeno
si cambia el caudal del gas enriquecido en oxígeno generado por el
aparato de concentración de oxígeno.
Según la invención, se proporciona un aparato
para generar un gas enriquecido en oxígeno mediante la separación
de nitrógeno gaseoso desde el aire, que comprende una fuente de aire
puesto bajo presión, una columna de absorción para separar el
nitrógeno gaseoso desde el aire puesto bajo presión suministrado
desde la fuente de aire puesto bajo presión, un dispositivo de
medida del caudal proporcionado aguas abajo de la columna de
absorción, y medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno proporcionados aguas abajo del dispositivo de medida del
caudal. Los medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno comprenden medios para generar un coeficiente de corrección
para la relación entre los gases oxígeno y argón contenidos en el
gas enriquecido en oxígeno, sobre la base del caudal del gas
enriquecido en oxígeno medido mediante el dispositivo de medida del
caudal.
Según otra característica de la invención, se
proporciona un aparato para generar un gas enriquecido en oxígeno
mediante la separación de nitrógeno gaseoso desde el aire, que
comprende una fuente de aire puesto bajo presión, una columna de
absorción para separar el nitrógeno gaseoso desde el aire puesto
bajo presión suministrado desde la fuente de aire puesto bajo
presión, medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno y de medida del caudal proporcionados aguas abajo de un
dispositivo de fijación del caudal, y medios que comprenden medios
ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno y del caudal
para generar un coeficiente de corrección para la relación entre
los gases oxígeno y argón contenidos en el gas enriquecido en
oxígeno, sobre la base del caudal del gas enriquecido en
oxígeno.
La Figura 1 es un diagrama de bloques de un
aparato de concentración de oxígeno según una primera realización
de la invención.
La Figura 2 es un diagrama de bloques
esquemático del aparato ultrasónico de medida de la concentración de
oxígeno usado en el aparato de concentración de oxígeno de la
Figura 1.
La Figura 3 es un diagrama de bloques de un
aparato de concentración de oxígeno según una segunda realización
de la invención.
La Figura 4 es un diagrama de bloques
esquemático del aparato ultrasónico de medida de la concentración
de oxígeno y del caudal, usado en el aparato de concentración de
oxígeno de la Figura 3.
A continuación serán descritas en esta memoria
realizaciones preferidas de la invención.
Con referencia a la Figura 1,un aparato de
concentración de oxígeno, 150, según la invención, está provisto de
dos columnas de absorción, 152a y 152b, que están llenas con una
zeolita de tipo LI-X de alto rendimiento, un
compresor, 156, conectado a las columna de absorción 152a y 152b a
través de una válvula de conmutación, 154, para suministrar aire
comprimido a las columnas de absorción 152a y 152b y medios
ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno, 170, que
están dispuestos aguas abajo de las columnas de absorción 152a y
152b.
La válvula de conmutación 154 selecciona una de
las columnas de absorción 152a y 152b para conectarla de modo
fluido con el compresor 156. El aire, hecho llegar al compresor 156
a través de un filtro, 158, es comprimido por el compresor 156 y
suministrado a una de las columnas de absorción 152a y 152b,
seleccionada por la válvula de conmutación 154. La otra de las
columnas de absorción 152b y 152a, que ha sido aislada del compresor
156 por la válvula de conmutación 154, está abierta a la atmósfera
para liberar el nitrógeno gaseoso absorbido para la regeneración
del absorbente.
El gas enriquecido en oxigeno, generado por la
separación de nitrógeno gaseoso en las columnas de absorción 152a y
152b, es suministrado a un depósito de producción, 162, a través de
las válvulas de retención 160a y 160b. Desde el depósito de
producción 162, el gas enriquecido en oxígeno es suministrado a
medios ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno, 170,
a través de la válvula de regulación de la presión 164, un
dispositivo de fijación del caudal, 166, y el dispositivo de medida
del caudal, 168. Una vez que la concentración de oxígeno ha sido
medida, el gas enriquecido en oxígeno es suministrado a un usuario o
a un paciente a través del filtro 172 para retirar partículas desde
el gas enriquecido en oxígeno.
Con referencia a la Figura 2, se describe
seguidamente una realización preferida de un dispositivo ultrasónico
de medido de la concentración de oxígeno, que proporciona los
medios ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno.
El dispositivo ultrasónico de medida de la
concentración de oxígeno, 100, comprende un conducto, 102, para
hacer fluir un gas enriquecido en oxígeno o un gas de calibración.
El conducto 102 posee una parte recta, 108, y partes
perpendiculares, 104 y 106, conectadas con los extremos de la parte
recta. Un transductor ultrasónico, 118, está proporcionado
fijamente en uno de los extremos del interior de la parte recta 108
como un dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción, y un reflector 122 está
montado fijamente en el otro extremo del interior de la parte recta
108 enfrentado al transductor ultrasónico 118. En esta realización,
a la distancia existente entre el transductor ultrasónico 118 y el
reflector 122, se hace referencia como la longitud de ensayo.
Un conmutador de
transmisión-recepción, 124, está conectado al
transductor ultrasónico 118. El conmutador de
transmisión-recepción 124 cambia el modo de
operación del transductor ultrasónico 118 entre un modo de
transmisión en el que el transductor ultrasónico 118 transmite ondas
ultrasónicas y un modo de recepción en el que el transductor
ultrasónico 118 recibe las ondas ultrasónicas. El conmutador de
transmisión-recepción 124 está conectado a un
microordenador 126 de modo que la operación de cambio del conmutador
de transmisión-recepción 124 está regulada por el
microordenador 126.
La parte perpendicular 104, situada en el lado
aguas arriba con respecto a la dirección de flujo del gas a través
del conducto 102, tiene una puerta de entrada, 104a. Una fuente de
gas enriquecido en oxígeno, 112, y una fuente de gas de
calibración, 114, están conectadas con la puerta de entrada 104a a
través del conducto de suministro 110. La fuente de gas enriquecido
en oxigeno, 112, incluye el compresor 156, indicado en la Figura 1,
y las columnas de absorción 152a y 152b.
La fuente del gas de calibración, 114, puede
incluir un recipiente (que no está indicado) para contener un gas
de calibración, cuyos componentes y cuya relación de componentes se
conocen, por ejemplo, una mezcla de gases que incluye 20% de
oxígeno y 80% de nitrógeno, y una válvula de reducción de la presión
(no indicada) proporcionada entre el recipiente y el conducto de
suministro 110. La fuente de gas de calibración, 114, puede incluir
también un regulador de temperatura, 113, que proporciona medios
para cambiar la temperatura del dispositivo 100, en particular el
conducto 102. En el ejemplo que se indica en la Figura 1, el
regulador de temperatura 113 incluye un hilo térmico 113a y una
fuente de energía eléctrica 113b que suministra la energía eléctrica
al hilo térmico 113a.
La parte perpendicular, 106, situada en el lado
aguas abajo con respecto a la dirección de flujo del gas a través
del conducto 102, posee una puerta de salida, 106a. En la
realización indicada en la Figura 1, el filtro 172 está conectado a
la puerta de salida 106a. El gas de calibración que se utiliza para
la calibración es evacuado al aire ambiente a través del filtro
172, o, directamente, a través de la puerta de salida 106a.
Sensores de temperatura, 116 y 120, para medir
la temperatura del gas enriquecido en oxígeno o del gas de
calibración que fluye a través del conducto 102, están situados, de
preferencia, en las partes perpendiculares 104 y 106, de modo que
no entorpecen el flujo en la parte recta 108. Los sensores de
temperatura 116 y 120 están conectados al microordenador 126. A
este respecto, si los cambios de temperatura del gas enriquecido en
oxígeno son pequeños, puede estar situado solamente uno de los
sensores de temperatura 116 ó 120.
Un controlador 128, para accionar el transductor
ultrasónico 118, un receptor 130 para la conversión A/D de las
señales procedentes del transductor ultrasónico 118, una unidad de
visualización, 134, para indicar, por ejemplo, el estado de
operación del dispositivo 100 y los resultados de las medidas, y la
memoria 133 que incluye un dispositivo de memoria no volátil o un
dispositivo de disco para almacenar el sistema operativo del
microordenador 126 y diversos parámetros, están conectados al
microordenador 126.
La operación del dispositivo ultrasónico de
medida de la concentración de oxígeno, será descrita a
continuación.
En primer lugar, antes de la iniciación del
proceso normal de medida para medir la concentración de un
determinado gas contenido en el gas enriquecido en oxígeno, se
calibra la longitud de ensayo existente entre el dispositivo
ultrasónico de transmisión-recepción, 118, y el
reflector, 122, según la secuencia que se describe a continuación,
obteniendo una longitud de referencia, L_{0}.
Una mezcla de gases, de la que se conocen los
componentes y la relación de los componentes, por ejemplo, una
mezcla gaseosa de oxígeno y nitrógeno cuya relación de mezcla es
P:(1-P) (0\leqP\leq1), es suministrada al
conducto 102 como el gas de calibración. En este momento, son
medidas las temperaturas del gas de calibración mediante los dos
sensores de temperatura 116 y 120, y su valor medio es almacenado en
la memoria 132 como una temperatura de referencia, T_{0} (K). La
temperatura de referencia T_{0} (K) puede tener cualquier valor
que no exceda del intervalo de temperatura de funcionamiento del
dispositivo.
Durante el suministro del gas de calibración,
son transmitidos al controlador 128, desde el microordenador 126,
impulsos para generar las ondas ultrasónicas. Un voltaje de
obtención de impulsos es suministrado al transductor ultrasónico
118 desde el controlador 128 por medio del conmutador de
transmisión-recepción 124. El transductor
ultrasónico 118 genera ondas ultrasónicas que corresponden al
voltaje de obtención de impulsos. Las ondas ultrasónicas generadas
por el transductor ultrasónico 118 se propagan a través del gas
enriquecido en oxígeno que circula a través de la parte recta 108
del conducto 102, y son reflejadas por el reflector 122 volviendo
al transductor ultrasónico 118. Con objeto de permitir que el
transductor ultrasónico 118 reciba las ondas ultrasónicas de
retorno, el conmutador de transmisión-recepción 124
cambia el modo de operación del transductor ultrasónico desde el
modo de transmisión al modo de recepción después de la aplicación
del voltaje de obtención de impulsos al transductor ultrasónico
118. El transductor ultrasónico 118 genera una señal eléctrica, que
corresponde a las ondas ultrasónicas recibidas, al microordenador
126 a través del conmutador de
transmisión-recepción 124 y el receptor 130. El
microordenador 126 calcula el tiempo de propagación t_{0}
(segundos) sobre la base del tiempo en el que los impulsos
transmitidos han sido generados para el primer transductor 118 y el
tiempo en el que la señal eléctrica ha sido recibida procedente del
transductor ultrasónico 118.
A este respecto, la velocidad ultrasónica de
propagación, C_{0} (m/s) a través del gas de calibración a una
temperatura T_{0} (K), se calcula mediante la ecuación (3) sobre
la base de la ecuación (1) anteriormente descrita.
... (3)C_{0}
= ( (\kappaRT_{0}) / (M_{O2}P +
M_{N2}(1-P) )
)^{172}
Por otra parte, la relación
... (4)C_{0}
=
2L_{0}/t_{0}
proporciona la ecuación
siguiente.
... (5)L_{0}
= ( (\kappaRT_{0}) / (M_{O2}P +
M_{N2}(1-P) ) )^{1/2}x
t_{0}/2
Además, en la realización indicada en la Figura
2, si la velocidad ultrasónica de propagación a través de un gas
de calibración estático o de un gas enriquecido en oxígeno es C
(m/s), y la velocidad de flujo del gas de muestra desde el
transductor ultrasónico 118 hacia el reflector 122 es V (m/s),
entonces la velocidad ultrasónica de propagación desde el
transductor ultrasónico 118 hasta el reflector 122, es C+V y la
velocidad ultrasónica de propagación en la dirección de las ondas
ultrasónicas reflejadas hacia el transductor ultrasónico 118 por el
reflector 122, es C-V. Por consiguiente, la
velocidad ultrasónica de propagación medida por el aparato 100 de
la primera realización, es la velocidad media de las ondas
ultrasónicas oscilantes. Por tanto, la velocidad de flujo V del gas
de muestra es cancelada, permitiendo la velocidad ultrasónica de
propagación C a través del gas de muestra estático.
Estos cálculos son llevados a cabo por el
microordenador 126. La longitud de ensayo L_{0} (m) calculada de
este modo, a la temperatura de referencia T_{0}, es almacenada en
la memoria 132 como la longitud de referencia.
La longitud de referencia L_{0} (m) entre el
transductor ultrasónico 118 y el reflector 122 a la temperatura
T_{0} (K) es calibrada según el método anterior suministrando un
gas de calibración, cuyos componentes y cuya relación de
componentes es conocida, al dispositivo 100 y midiendo el tiempo de
propagación t_{0} (s) de las ondas ultrasónicas generadas por el
transductor ultrasónico 118. Este proceso de calibración puede ser
completado automáticamente por el microordenador 126 mediante una
sencilla operación, por ejemplo pulsando un botón (no indicado)
proporcionado sobre el dispositivo 100 cuando es suministrado el gas
de calibración. Además, el proceso puede ser completado al instante
debido a que el propio calculo es sencillo. Por otra parte, si la
posición relativa entre el transductor ultrasónico 118 y el
reflector 122 cambia debido a cambios seculares en el dispositivo
100, el dispositivo puede ser calibrado de nuevo para renovar la
temperatura de referencia y la longitud de referencia almacenadas
en la memoria 132.
Según se ha descrito anteriormente, el gas
enriquecido en oxigeno procedente del aparato de concentración de
oxígeno, incluye argón además de oxígeno y nitrógeno. La
concentración de argón no es constante y cambia con el caudal del
gas enriquecido en oxígeno producido por el aparato de concentración
de oxígeno.
La Tabla 1 muestra el resultado de análisis de
los componentes del gas con respecto al caudal del gas enriquecido
en oxígeno procedente del aparato de concentración de oxígeno, 150.
El análisis de los componentes del gas se lleva a cabo mediante
cromatografía de gases
\vskip1.000000\baselineskip
Como se muestra en la Tabla 1, la relación entre
el oxígeno, el nitrógeno y el argón cambia con los cambios de
caudal. En la Tabla 1, las medidas fueron llevadas a cabo con el
gas enriquecido en oxígeno generado por el aparato de concentración
de oxígeno, 150. Aun cuando existen pequeñas diferencias, la
relación de oxígeno/argón es sustancialmente la misma cuando se usa
otro aparato similar de concentración de oxígeno. Por otra parte,
las diferencias existentes en cuanto al tipo y cantidad del
absorbente y la configuración de las columnas de absorción darán
por resultado una relación diferente de oxígeno/argón.
Seguidamente, se describen medios para generar
coeficientes de corrección para generar un coeficiente de corrección
de la concentración de argón, sobre la base del caudal del gas
enriquecido en oxígeno.
Según un método para corregir la concentración
de argón sobre la base de los cambios de caudal, el peso molecular
medio M de la ecuación (1) se describe directamente usando la
relación de abundancia entre los gases oxígeno y argón.
Es decir, sobre la suposición de que los pesos
moleculares de los gases oxígeno, nitrógeno y argón son 32, 28 y
40, el peso molecular medio puede ser obtenido mediante la ecuación
(6) que sigue, cuando la velocidad de salida procedente del aparato
de concentración de oxígeno es 1,00 litro/minuto.
... (6)M = 32P
+ 40 (6,4/93,5) P + 28 (1-P-(6,4/93,5)
P)
en donde, 100xP (%) es la
concentración de
oxígeno.
\vskip1.000000\baselineskip
Además, la relación del calor específico
\kappa puede ser obtenida por la ecuación (7) que sigue, usando
la relación del calor específico de la mezcla de oxígeno/nitrógeno
1,4 y el del gas argón 1,67.
...
(7)\kappa = 1,4 (1-(6,4/93,5)P) + 1,67
(6,4/93,5)
P
Así pues, las medidas de la velocidad de
propagación de ondas ultrasónicas a través del gas enriquecido en
oxígeno y de la temperatura del gas, proporcionarán la concentración
de oxígeno 100xP (%) sobre la base de las ecuaciones (1), (6) y
(7).
En el ejemplo descrito, el caudal del gas
enriquecido en oxígeno es 1,00 litro/minuto. En el caso de otro
valor del caudal, (6,4/93,5) de la relación de oxígeno/argón en las
ecuaciones (6) y (7) es reemplazado con otra relación de
oxígeno/argón que corresponda con el caudal. En este caso, la
relación de oxígeno/argón es el coeficiente de corrección de la
concentración de argón. Por tanto, la concentración de oxígeno puede
medirse con exactitud obteniendo el coeficiente de corrección de la
concentración de argón por referencia a la tabla, sobre la base del
caudal del gas enriquecido en oxígeno. Además, el coeficiente de
corrección de la concentración de argón puede ser obtenido en
función del caudal con una ecuación aproximada, obteniendo
previamente la relación existente entre el caudal medido y la
relación de oxígeno/argón.
Con objeto de facilitar el cálculo, también está
previsto el método siguiente. En primer lugar se calcula la
concentración de oxígeno mediante la ecuación (2) con el supuesto de
que el gas enriquecido en oxígeno está compuesto solamente de gases
oxígeno y nitrógeno. La concentración de oxígeno obtenida de este
modo es el valor obtenido sin tener en cuenta la presencia del
argón y, por consiguiente, es diferente del valor real. No
obstante, la relación de oxígeno/argón en un caudal particular es
conocido de antemano. Por tanto, la concentración de oxígeno puede
obtenerse aproximadamente multiplicando por un factor la
concentración de oxígeno calculada previamente. En este caso, el
factor proporciona el coeficiente de corrección de la concentración
de argón.
Por ejemplo, cuando el caudal del gas
enriquecido en oxígeno es 1,00 litro/minuto, 102,8 (%) de la
concentración de oxígeno se calcula mediante la ecuación (2) sobre
la base de la relación del calor específico \kappa = 1,4 y el gas
argón no tenido en cuenta. Sin embargo, si el 93,5 (%) de la
concentración real de oxígeno es conocida de antemano, (93,5/102,8)
puede obtenerse como el coeficiente de corrección de la
concentración de argón a un caudal de 1,00 litro/minuto. Por
consiguiente, cuando el caudal del gas enriquecido en oxígeno es
1,00 litro/minuto, la concentración de oxígeno puede ser medida
multiplicando la concentración de oxígeno obtenida mediante la
ecuación (2), por el coeficiente de corrección de concentración de
argón (93,5/102,8).
Si el caudal no es 1,00 litro/minuto, la
concentración de oxígeno puede ser medida con exactitud obteniendo
previamente el coeficiente de corrección de la concentración de
argón respecto al caudal del gas enriquecido en oxígeno, y
proporcionando una tabla para hacer referencia al coeficiente de
corrección de la concentración de argón con respecto al caudal o
una ecuación aproximada del coeficiente de corrección de la
concentración de argón con respecto al caudal. Los medios de
generación del coeficiente de corrección pueden ser realizados
guardando en la memoria 132 una tabla tal o una ecuación aproximada
y el algoritmo antes descrito para generar el coeficiente de
corrección, y conduciendo los mismos por el microordenador 126.
A continuación, con referencia a la Figura 3, se
describirá una segunda realización de la invención.
\newpage
La segunda realización es sustancialmente la
misma que la primera realización, con excepción de que dispositivo
168 de medida del caudal y los medios ultrasónicos de medida, 170,
de la primera realización están reemplazados con medios
ultrasónicos, 268, de medida de la concentración de oxígeno y del
caudal.
Con referencia a la Figura 3, el aparato de
concentración de oxígeno 250 está provisto con dos columnas de
absorción, 252a y 252b, llenas con una zeolita de tipo
Li-X de alta eficacia, un compresor, 156, conectado
a las columnas de absorción 252a y 252b por medio de una válvula de
conmutación, 254, para suministrar aire comprimido a las columnas
de absorción 252a y 252b, y medios ultrasónicos de medida de la
concentración de oxígeno y del caudal, 268, que están dispuestos
aguas abajo de las columnas de absorción 252a y 252b.
La válvula de conmutación 254 selecciona una de
las columnas de absorción 252a y 252b para conectarla fluidamente
con el compresor 256. El aire, atraído hacia el compresor 256 a
través del filtro 258, es comprimido por el compresor 256 y
suministrado a una de las columnas de absorción 252a y252b,
seleccionada por la válvula de conmutación 254. La otra de las
columnas de absorción 252b y 252a, que ha sido aislada del compresor
256 por la válvula de conmutación 254, es abierta a la atmósfera
para desprender el nitrógeno gaseoso absorbido y regenerar el
absorbente.
El gas enriquecido en oxígeno, generado por la
separación del nitrógeno en las columnas de absorción 252a y 252b,
es suministrado al depósito de producción, 262, a través de las
válvulas de retención 260a y 260b. Desde el depósito de producción
262, el gas enriquecido en oxígeno es suministrado a medios
ultrasónicos de medida de la concentración de oxígeno y del caudal,
268, a través de la válvula de regulación de la presión, 264, y el
dispositivo de fijación del caudal, 266. Una vez que se han medido
la concentración y el caudal del oxígeno, el gas enriquecido en
oxígeno es suministrado a un usuario o a un paciente, a través del
filtro 270 para retirar las partículas desde el gas enriquecido en
oxígeno.
A continuación, con referencia a la Figura 4, se
describe una realización preferida de un dispositivo ultrasónico de
medida de la concentración de oxígeno y del caudal, que proporciona
los medios de medida de la concentración de oxígeno y del caudal,
268.
La realización que se muestra en la Figura 4
posee sustancialmente la misma configuración de la realización
indicada en la Figura 2, con la excepción de que el reflector 122 de
la realización indicada en la Figura 2 ha sido reemplazado por un
segundo transductor ultrasónico, 222, que proporciona un segundo
dispositivo ultrasónico de transmisión-recepción,
situado frente al primer transductor ultrasónico 218, que
proporciona un primer dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción.
El dispositivo ultrasónico de medida de la
concentración de gas y del caudal, 200, según la realización
indicada en la Figura 4, incluye un conducto 202 para hacer fluir
un gas enriquecido en oxígeno o un gas de calibración. El conducto
202 posee una parte recta, 208, y partes perpendiculares, 204 y 206,
conectadas a los extremos de la parte recta. La parte recta 208
comprende, en esta realización, un miembro de conducto que tiene una
sección circular cuyo diámetro no cambia a lo largo del eje
longitudinal. Un primer transductor ultrasónico, 218, que
proporciona un primer dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción, está provisto de modo fijo
en el extremo aguas arriba del interior de la parte recta, y un
segundo transductor ultrasónico, 222, que proporciona un segundo
dispositivo ultrasónico de transmisión-recepción,
está montado de modo fijo en el extremo aguas abajo del interior de
la parte recta 208 frente al primer transductor ultrasónico 218. En
esta realización, se hace referencia a la distancia existente entre
el primero y el segundo transductores ultrasónicos 218 y 222, como
la longitud de ensayo.
Un conmutador de
transmisión-recepción, 224, está conectado al
primero y segundo transductores ultrasónicos 218 y 222. El
conmutador de transmisión-recepción 224, cambia
independientemente el modo de operación del primero y el segundo
transductores ultrasónicos 218 y 222 entre el modo de transmisión en
el que el primero y segundo transductores ultrasónicos 218 y 222
transmiten ondas ultrasónicas, y el modo de recepción en el que el
primero y segundo transductores ultrasónicos 218 y 222 reciben las
ondas ultrasónicas. El conmutador de
transmisión-recepción 224 está conectado a un
microordenador, 226, de modo que la operación de cambio del
conmutador de transmisión-recepción 224 está
regulada por el microordenador 226.
La parte perpendicular del lado aguas arriba,
204, del conducto 202, tiene una puerta de entrada, 204a. Una
fuente de gas enriquecido en oxígeno, 212, y una fuente de gas de
calibración, 214, están conectadas a la puerta de entrada 204a a
través de un conducto de suministro, 210. La fuente de gas
enriquecido en oxígeno, 212, incluye el compresor 256 y las
columnas de absorción 252a y 252b indicadas en la Figura 3.
La fuente de gas de calibración 214 puede
incluir un recipiente (no indicado) para contener gas de
calibración, cuyos componentes y cuya relación de componentes se
conocen, y una válvula de reducción de la presión (no indicada)
dispuesta entre el recipiente y el conducto de suministro 210. La
fuente de gas de calibración 214 puede incluir también un regulador
de temperatura, 213, que proporciona medios para cambiar la
temperatura del dispositivo 200, en particular el conducto 202. En
el ejemplo indicado en la Figura 4, el regulador de temperatura 213
incluye un hilo térmico, 213a, y una fuente de energía eléctrica,
213b, para suministrar energía eléctrica al hilo térmico 213a.
La parte perpendicular del lado aguas abajo,
206, posee una puerta de salida, 206a. El gas enriquecido en
oxígeno o el gas de calibración que se usan para la medida de la
concentración o la calibración, es evacuado a través de la puerta
de salida 206a. Un aparato de tratamiento de gases (no indicado)
puede estar situado, ventajosamente, aguas abajo de la puerta de
salida 206a si el gas evacuado no es adecuado para verterle
directamente a la atmósfera, como en la primera realización.
Sensores de temperatura, 216 y 220, para medir
la temperatura del gas enriquecido en oxígeno o del gas de
calibración que fluyen a través del conductor 202, están dispuestos,
de preferencia, en las partes perpendiculares 204 y 206, de modo
que no entorpecen el flujo en la parte recta 208. Los sensores de
temperatura 216 y 220 están conectados al microordenador 226. A
este respecto, si los cambios de temperatura del gas enriquecido en
oxígeno son pequeños, solamente puede estar dispuesto uno de los
sensores de temperatura 216 ó 220.
Un controlador, 228, para actuar el primer
transductor ultrasónico, 218, un receptor, 130, para la conversión
A/D de las señales procedentes del primer transductor ultrasónico
218, una unidad de visualización, 234, para indicar, por ejemplo,
el estado de operación del dispositivo 200 y los resultados de las
medidas y la memoria 233 que incluye un dispositivo de memoria no
volátil, o un dispositivo de disco para almacenar el sistema
operativo del microordenador 226, y diversos parámetros, están
conectados al microordenador 226.
La operación de la realización indicada en la
Figura 4 será descrita a continuación.
En primer lugar, antes de la iniciación del
proceso normal de medida efectuado para medir la concentración de
un determinado gas contenido en el gas enriquecido en oxígeno, se
calibran la longitud de ensayo existente entre el primero y el
segundo transductores ultrasónicos 218 y 222 y el diámetro D de la
parte recta 208 del conducto 202, para obtener la longitud de
referencia L_{0} y el diámetro de referencia D_{0}.
En la presente realización, el gas de
calibración, idéntico al de la primera realización, es suministrado
al conducto 202 desde la fuente de gas de calibración 214 con una
velocidad determinada previamente, Q_{0}, mediante la válvula de
regulación de flujo. En ese momento, las temperaturas del gas de
calibración son medidas por los dos sensores de temperatura 216 y
220 y su valor medio es almacenado en la memoria 232 como la
temperatura de referencia T_{0} (K).
Durante el suministro del gas de calibración,
impulsos para generar las ondas ultrasónicas son transmitidos al
controlador 228 desde el microordenador 226. Un voltaje de
producción de impulsos es suministrado al primer transductor
ultrasónico 218 desde el controlador 228 a través del conmutador de
transmisión-recepción 224. El primer transductor
ultrasónico, 218, genera ondas ultrasónicas que corresponden al
voltaje de producción de impulsos. Las ondas ultrasónicas generadas
por el primero transductor ultrasónico, 218, se propagan a través
del gas enriquecido en oxígeno que fluye a través de la parte recta
208 del conducto 202, y son recibidas por el segundo transductor
ultrasónico 222. El segundo transductor ultrasónico, 222, genera una
señal eléctrica que corresponde a las ondas ultrasónicas recibidas,
al microordenador 226 a través del conmutador de
transmisión-recepción 224 y el receptor 230. El
microordenador 226 calcula el tiempo de propagación hacia delante,
t_{1} (s), sobre la base del tiempo en que los impulsos
transmitidos son generados al controlador 228 y el tiempo en que la
señal eléctrica es recibida procedente del segundo transductor
ultrasónico 222.
El conmutador de
transmisión-recepción 224 cambia el modo de
operación del primer transductor ultrasónico, 218, desde el modo de
transmisión al modo de recepción una vez que la señal eléctrica
procedente del segundo transductor ultrasónico, 222, ha sido
recibida, y también cambia el modo de operación del segundo
transductor ultrasónico, 222, desde el modo de recepción al modo de
transmisión. Después de esto, impulsos para generar las ondas
ultrasónicas son transmitidos al controlador 228 desde el
microordenador 226. Un voltaje de producción de impulsos se
suministra al segundo transductor ultrasónico 222 desde el
controlador 228 por medio del conmutador de
transmisión-recepción 224. El segundo transductor
ultrasónico, 222, genera ondas ultrasónicas que corresponden al
voltaje de producción de impulsos. Las ondas ultrasónicas son
recibidas por el primer transductor ultrasónico 218. El primer
transductor ultrasónico 218 genera una señal eléctrica, que
corresponde a las ondas ultrasónicas recibidas, al microordenador
226 a través del conmutador de transmisión-recepción
224 y el receptor 230. El microordenador 226 calcula el tiempo de
propagación hacia atrás, t_{2} (s) en base al tiempo en que los
impulsos transmitidos son generados al controlador 228 y el tiempo
en que la señal eléctrica procedente del primer transductor
ultrasónico 218, ha sido recibida
Mediante la obtención del valor medio de t_{1}
y t_{2}, la influencia del flujo del gas de calibración en el
conducto 201, puede ser suprimida. El tiempo de propagación
ultrasónico t_{0} viene definido por la ecuación (8) que
sigue:
... (8)t_{0}
= (t_{1} +
t_{2})/2
A este respecto, la velocidad ultrasónica de
propagación C_{0} (m/s) a través del gas a una temperatura
T_{0} (K) se calcula mediante la ecuación (3) anteriormente
descrita.
Por otra parte, la relación
... (9)C_{0}
=
L_{0}/t_{0}
proporciona la ecuación
siguiente:
...
(10)L_{0} = ( (\kappaRT_{0}) /
(M_{O2}P+M_{N2}(1-P) )
)^{1/2}xt_{0}
Estos cálculos son llevados a cabo por el
microordenador 226. La longitud de ensayo, L_{o} (m), calculada
de este modo, a la temperatura de referencia T_{0}, es almacenada
en la memoria 232 como la longitud de referencia.
Además, usando esta longitud de referencia
L_{0}, la velocidad de propagación hacia adelante V_{01} (m/s)
y la velocidad de propagación hacia atrás V_{02} (m/s) con
relación a la dirección de flujo del gas de calibración, están
representadas por V_{01} = L_{0}/t_{1} y V_{02} = L_{0}
/t_{2}. Por consiguiente, la velocidad de flujo V_{0} (m/s) del
gas de calibración en el conducto 202 es obtenida mediante la
ecuación (11) que sigue, sobre la base de la ecuación (2)
anteriormente descrita.
...
(11)V_{0} = (V_{01} -
V_{02})/2
Multiplicando la velocidad de lujo V por la
superficie (m^{2}) de la sección de la parte recta 208,
perpendicular al eje de la parte recta 208 del conducto 202, se
obtiene la conversión de la velocidad de flujo (m/s) al caudal
(m^{3}/s). Por tanto, el diámetro de referencia D_{0} (m) a la
temperatura de referencia T_{0} (K) de la parte recta 208,
proporciona la ecuación de flujo
...
(12)V_{0}\pi(D_{0}/2)^{2} =
Q_{0}
Por consiguiente, el diámetro de referencia
D_{0} (m) a la temperatura de referencia T_{0} (K) puede
obtenerse mediante la ecuación de flujo (13).
...
(13)D_{0} =
2(Q_{0}/(\piV_{0})^{1/2}
Los cálculos anteriores son realizados por el
microordenador 226, y el diámetro de referencia D_{0} (m)
obtenido de este modo es almacenado en la memoria 232.
Según el método anterior, la longitud de
referencia L_{0} (m) entre el primer y el segundo transductores
ultrasónicos 218 y 222, es calibrada a la temperatura T_{0} (K)
suministrando al dispositivo 200 un gas de calibración, cuyos
componentes y la concentración de los cuales es conocida, y midiendo
los tiempos de propagación t_{1} y t_{2}, en direcciones hacia
adelante y hacia atrás con respecto al flujo del gas de
calibración, desde el primero y segundo transductores ultrasónicos
218 y 222. Adicionalmente, mediante el suministro del gas de
calibración al dispositivo 200 con una velocidad determinada de
antemano, puede calibrarse también al mismo tiempo el diámetro de
referencia D_{0} (m).
Según la primera realización, el coeficiente de
corrección de la concentración de oxígeno es generado sobre la base
del caudal del gas enriquecido en oxígeno, medido mediante el
dispositivo de medida del caudal, 168. Por otra parte, conforme a
la segunda realización, el coeficiente de corrección de la
concentración de oxígeno se calcula sobre la base del caudal del
gas enriquecido en oxígeno, medido por el dispositivo ultrasónico
de medida de la concentración de oxígeno y del caudal, 200. Las
otras funciones son iguales a las de la primera realización.
Claims (6)
1. Un aparato para generar un gas enriquecido en
oxígeno por separación de nitrógeno gaseoso desde el aire, que
comprende:
una fuente de aire puesto bajo presión
(156),
una columna de absorción (152a, 152b) para
separar el nitrógeno gaseoso desde el aire puesto bajo presión
suministrado por la fuente de aire puesto bajo presión (156);
un dispositivo de medida del caudal (168)
proporcionado aguas abajo de la columna de absorción (152a,
152b);
medios ultrasónicos de medida de la
concentración de oxígeno (170) dispuestos aguas abajo del
dispositivo de medida del caudal (168); y
medios ultrasónicos de medida de la
concentración de oxígeno (170) que comprenden medios para generar un
coeficiente de corrección para la relación existente entre los
gases oxígeno y argón contenidos en el gas enriquecido en oxígeno,
sobre la base del caudal del gas enriquecido en oxígeno medido por
el dispositivo de medida del caudal (168).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que los medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno (170) comprenden:
un conducto (102) para que fluya un gas objetivo
cuya concentración se mide;
un dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118) fijado en el interior
del conducto (102);
un reflector (122) fijado en el interior del
conducto (102) frente al dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118);
un conmutador de
transmisión-recepción (124) para cambiar el modo de
operación del dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118), entre el modo de
transmisión en el que el dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118) transmite ondas
ultrasónicas, y el modo de recepción en el que el dispositivo
ultrasónico de transmisión-recepción (118) recibe
las ondas ultrasónicas;
un sensor de temperatura (116, 120), dispuesto
en el interior del conducto (102), para medir la temperatura del
gas de calibración que fluye a través del conducto (102);
medios (126) de cálculo del tiempo de
propagación para calcular el tiempo de propagación de las ondas
ultrasónicas a través del gas de calibración dentro del conducto
(102) sobre la base del tiempo en el que las ondas ultrasónicas son
transmitidas por el dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118) y el tiempo en el que
las ondas ultrasónicas reflejadas por el reflector (122) son
recibidas por el dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (118); y
medios (126) para generar un coeficiente de
corrección para la relación existente entre los gases oxígeno y
argón contenidos en el gas enriquecido en oxigeno, sobre la base del
caudal del gas enriquecido en oxígeno medido por el dispositivo de
medida del caudal (168), mediante el cual la concentración de
oxígeno del gas enriquecido en oxigeno es corregida, sobre la base
del coeficiente de corrección generado por los medios (126) de
generación del coeficiente de corrección.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Un aparato según la reivindicación 1 ó 2, en
el que los medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno, (170), comprenden una fuente de gas de calibración (114)
para suministrar el gas de calibración cuyos componentes y cuya
relación de componentes se conocen; y
medios (124, 126, 128, 130, 132) para calibrar
la longitud de referencia existente entre un dispositivo ultrasónico
de transmisión-recepción (118) y el reflector
(122), sobre la base de los resultados del cálculo realizado por
los medios de cálculo, del tiempo de propagación (126) cuando el gas
de calibración fluye a través del conducto (102) desde la fuente
del gas de calibración (114).
4. Un aparato para generar un gas enriquecido en
oxigeno por separación de nitrógeno gaseoso desde el aire, que
comprende:
una fuente de aire puesto bajo presión
(256);
una columna de absorción (252a, 252b) para
separar el nitrógeno gaseoso desde el aire puesto bajo presión
suministrado desde la fuente de aire puesto bajo presión (256);
medios ultrasónicos de medida de la
concentración de oxígeno y del caudal (268) proporcionados aguas
abajo de un dispositivo de fijación del caudal (268); y
los medios ultrasónicos de medida de la
concentración de oxígeno y del caudal (268) comprenden medios para
generar un coeficiente de corrección para la relación entre los
gases oxígeno y argón contenidos en el gas enriquecido en oxígeno,
sobre la base del caudal del gas enriquecido en oxígeno medido por
el dispositivo ultrasónico de medida de la concentración de oxígeno
y del caudal, (268).
\vskip1.000000\baselineskip
5. Un aparato según la reivindicación 4, en el
que los medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno y del caudal (268) comprenden:
un conducto (202) para hacer fluir un gas
objetivo cuya concentración ha de medirse;
un primer dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (218) asegurado en el interior
del conducto (202);
un segundo dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (222) asegurado en el interior
del conducto (202) frente al primer dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (218);
un conmutador de
transmisión-recepción (224) para cambiar el modo de
operación de cada uno del primer y segundo dispositivos
ultrasónicos de transmisión-recepción (218, 222)
entre un modo de transmisión en el que el dispositivo ultrasónico
de transmisión-recepción (218, 222) transmite ondas
ultrasónicas, y un modo de recepción en el que el dispositivo
ultrasónico de transmisión-recepción (218, 222)
recibe las ondas ultrasónicas;
un sensor de temperatura (216, 220) dispuesto en
el interior del conducto (202), para medir la temperatura del gas
de calibración que fluye a través del conducto (202); y
medios de cálculo del tiempo de propagación
(226) para calcular el primer tiempo de propagación de las ondas
ultrasónicas a través del gas de calibración dentro del conducto
(202) sobre la base del tiempo en que las ondas ultrasónicas son
transmitidas por el primer dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (218) y el tiempo en el que
las ondas ultrasónicas son recibidas por el segundo dispositivo
ultrasónico de transmisión-recepción (222), y para
calcular el segundo tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas
a través del gas de calibración dentro del conducto (202) sobre la
base del tiempo en el que las ondas ultrasónicas son transmitidas
por el segundo dispositivo ultrasónico de
transmisión-recepción (222) y el tiempo en el que
las ondas ultrasónicas son recibidas por el primer dispositivo
ultrasónico de transmisión-recepción (218).
\vskip1.000000\baselineskip
6. Un aparato según la reivindicación 5, en el
que los medios ultrasónicos de medida de la concentración de
oxígeno y del caudal (268) comprenden una fuente de gas de
calibración (214) para suministrar el gas de calibración cuyos
componentes, cuya relación de componentes y cuyo caudal se
conocen;
medios (224, 226, 228, 230, 232) para calibrar
la longitud de referencia existente entre el primer y el segundo
dispositivos ultrasónicos de transmisión-recepción
(218, 222) sobre la base de los resultados del cálculo por los
medios de cálculo del tiempo de propagación (226) cuando el gas de
calibración fluye a través del conducto (202) desde la fuente de
gas de calibración (214);
medios (226, 232) para calibrar el diámetro de
referencia del conducto (202); y
medios (226) para generar un coeficiente de
corrección para la relación entre los gases oxígeno y argón
contenidos en el gas enriquecido en oxígeno, sobre la base del
caudal del gas enriquecido en oxígeno, mediante el cual la
concentración de oxígeno del gas enriquecido en oxígeno es corregida
sobre la base del coeficiente de corrección generado por los medios
de generación del coeficiente de corrección (226).
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