ES2659146T3

ES2659146T3 - Método y aparato para proporcionar una mezcla de gases

Info

Publication number: ES2659146T3
Application number: ES12169384.0T
Authority: ES
Inventors: Neil Alexander Downie
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2015526653A; US20150107679A1; US9690304B2; MX2014013704A; CA2874504A1; TW201405045A; MX351638B; KR20150004924A; EP2667276B1; TWI582328B; JP6258926B2; CN104303127B; EP2667276A1; PL2667276T3; KR101659200B1; CN104303127A; BR112014029050A2; CA2874504C; BR112014029050B1; WO2013174954A1

Abstract

Un método para proporcionar una mezcla de gases en una proporción relativa, comprendiendo la mezcla al menos un primer gas y un segundo gas diferente del primer gas, comprendiendo el método: a) suministrar el primer gas desde una primera fuente de gas (602) a una primera tasa de flujo; b) suministrar el segundo gas desde una segunda fuente de gas (604) a una segunda tasa de flujo; c) mezclar el primer y el segundo gases para formar un gas mezclado; y, d) suministrar el gas mezclado a una salida (622) a presión atmosférica, en donde el método comprende además: e) medir una frecuencia resonante de un oscilador (210) de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas mezclado; f) medir la presión atmosférica; g) determinar la densidad del gas mezclado a partir de dicha frecuencia resonante medida; h) determinar, a partir de la densidad, de la medición de presión atmosférica y de la temperatura determinada o predeterminada del gas, el peso molecular medio del gas mezclado; y, i) controlar automáticamente, en respuesta a dicho peso molecular medio determinado, una de entre la primera y la segunda tasas de flujo para controlar la proporción relativa del primer y segundo gases en dicho gas mezclado.

Description

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DESCRIPCION

Método y aparato para proporcionar una mezcla de gases

La presente invención se refiere a un método y un aparato para proporcionar una mezcla de gases. Más en particular, la presente invención se refiere a un método y un aparato para proporcionar una mezcla de gases en donde la proporción de gases en la mezcla se determina y se mantiene usando un oscilador de cristal piezoeléctrico.

Los métodos y aparatos descritos en la presente memoria pueden ser aplicados a sistemas en que están presentes fluidos de presión relativamente alta (por ejemplo, alrededor de 10 bar o más alta), tal como, por ejemplo, el suministro de fluidos en cilindros de alta presión o en plantas de fabricación que utilizan fluidos de alta presión. La presente invención se refiere en particular a gases “limpios”, es decir gases con pocas o ningunas impurezas o contaminantes tales como vapor de agua o polvo.

La presente invención es particularmente aplicable a gases permanentes. Los gases permanentes son gases que no pueden ser licuados mediante presión solamente, y por ejemplo pueden ser suministrados en cilindros a presiones de hasta 450 bar g (donde bar g es una medición de la presión en bar por encima de la presión atmosférica). Ejemplos son el argón y el nitrógeno. Sin embargo, esto no debe ser tomado como una limitación y el término gas puede ser considerado como que abarca una gama de gases más amplia, como por ejemplo, tanto un gas permanente como un vapor de un gas licuado.

Los vapores de gases licuados están presentes por encima del líquido en un cilindro de gas comprimido. Los gases que se licúan bajo presión según son comprimidos para llenar un cilindro no son gases permanentes y se describen de manera más precisa como gases licuados bajo presión o como vapores de gases licuados. Como ejemplo, se suministra óxido nitroso en un cilindro en forma de líquido, con una presión de vapor de equilibrio de 44,4 bar g a 15 °C. Tales vapores no son gases permanentes o verdaderos dado que son licuables mediante presión o temperatura a aproximadamente las condiciones ambientales.

Un cilindro de gas comprimido es un recipiente de presión diseñado para contener gases a presiones elevadas, es decir, a presiones significativamente mayores que la presión atmosférica. Los cilindros de gas comprimido se usan en una amplia gama de sectores, desde el sector industrial general de bajo coste, a través del sector médico, hasta aplicaciones de coste más elevado, tal como la fabricación de elementos electrónicos utilizando gases corrosivos de alta pureza, tóxicos o de especialidad pirofórica. Habitualmente, los contenedores de gas a presión comprenden acero, aluminio o materiales compuestos, y están capacitados para almacenar gases comprimidos, licuados o disueltos con una presión máxima de llenado de hasta 450 bar g para la mayoría de los gases, y hasta 900 bar g para gases tales como el hidrógeno y el helio.

En muchos casos, resulta deseable, y a veces crítico, conocer el tipo de gas ya sea del interior de un cilindro o ya sea en un punto corriente abajo de un cilindro; por ejemplo, en una tubería durante un proceso de soldadura. Un ejemplo de situación de ese tipo podría ser conocer cuándo se ha producido el purgado.

Los pesos moleculares se miden habitualmente usando espectrómetros de masas. Tales dispositivos miden la relación de masa respecto a carga de un gas con el fin de determinar el peso molecular directamente. Una disposición habitualmente utilizada es una fuente de desorción/ionización láser asistida por matriz en combinación con un analizador de masas de tiempo de vuelo (conocido como MALDI-TOF). Sin embargo, tales disposiciones son voluminosas, caras e inapropiadas para muchas aplicaciones donde la portabilidad y el coste pueden ser relevantes.

Un tipo alternativo de medidor que puede ser utilizado para medir pesos moleculares es un medidor de densidad de gas vibratorio tal como el que se muestra y se describe en “Medidores de Densidad de Gas Vibratorios serie GD”, Suzuki et al., Yokogawa Technical Report Núm. 29 (2000). Tal disposición comprende un cilindro metálico de pared delgada dispuesto de tal modo que el gas está capacitado para fluir por el interior y el exterior del cilindro. Dos pares de elementos piezoeléctricos están situados sobre el cilindro, un par de elementos excitadores y un par de elementos de detección. La densidad del gas se obtiene a partir de una medición de dos frecuencias resonantes diferentes para compensar variaciones debidas a la temperatura. Las frecuencias resonantes utilizadas son muy bajas y del orden de unos pocos cientos de Hz.

La disposición anterior es compleja, relativamente cara y altamente vulnerable frente a los efectos de la vibración. Esto se debe a que las frecuencias resonantes usadas son comparables a las frecuencias generadas por las vibraciones externas. Adicionalmente, se requiere una disposición complicada de excitación y detección para compensar los efectos de la temperatura.

El documento JP-A-2006 241516 se refiere a un proceso de deposición de película delgada por vacío/baja presión en el que se puede controlar la relación de dos gases de producción. En una realización, la relación de los gases silano e hidrógeno se controla en respuesta a dos sensores.

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Además, existe una necesidad en el estado de la técnica de proporcionar un flujo controlado de una mezcla de gases. Los mezcladores de flujo de gas utilizan típicamente dos medidores de flujo masivo para proporcionar un flujo medido de cada gas. Sin embargo, mientras que el flujo masivo de cada gas es conocido, no existe actualmente un método fiable para medir la composición del gas así producido o la tasa de flujo total combinado. Por lo tanto, existe un problema técnico en el estado de la técnica consistente en que no se puede proporcionar una tasa o presión de flujo medido de manera precisa de una mezcla deseada de dos o más gases usando las disposiciones conocidas.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para proporcionar una mezcla de gases en una proporción relativa, comprendiendo la mezcla al menos un primer gas y un segundo gas diferente del primer gas, comprendiendo el método: a) suministrar el primer gas desde una primera fuente de gas a una primera tasa de flujo; b) suministrar el segundo gas desde una segunda fuente de gas a una segunda tasa de flujo; c) mezclar el primer y el segundo gases para formar un gas mezclado; y d) suministrar el gas mezclado a una salida a presión atmosférica, en donde el método comprende además: e) medir una frecuencia resonante de un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas mezclado; f) medir la presión atmosférica; g) determinar la densidad del gas mezclado a partir de dicha frecuencia resonante medida; h) determinar, a partir de la densidad, de la medición de presión atmosférica y de la temperatura del gas determinada o predeterminada, el peso molecular medio del gas mezclado; e, i) controlar automáticamente, en respuesta a dicho peso molecular medio determinado, una de entre la primera y la segunda tasas de flujo para controlar la proporción relativa del primer y segundo gases en dicho gas mezclado.

En una realización, la etapa d) comprende h) utilizar un circuito excitador para excitar el oscilador piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una única frecuencia resonante.

En una realización, se proporciona una primera válvula corriente abajo de dicha primera fuente de gas para regular dicha primera tasa de flujo, se proporciona una segunda válvula corriente abajo de dicha segunda fuente de gas para regular dicha segunda tasa de flujo y la etapa g) comprende controlar una de dichas primera y segunda válvulas.

En una realización, la otra de dichas primera y segunda válvulas es accionable manualmente.

En una realización, la etapa e) comprende: k) medir una frecuencia resonante de un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con la atmósfera; l) determinar la densidad atmosférica a partir de dicha frecuencia resonante; y m) determinar la presión atmosférica a partir de la composición conocida del aire y de la densidad atmosférica medida.

Conforme a un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona una disposición mezcladora de gas que comprende: una primera fuente de gas para suministrar un primer gas; una segunda fuente de gas para suministrar un segundo gas diferente de dicho primer gas; una primera válvula para regular el flujo del primer gas; una segunda válvula para regular el flujo del segundo gas; un mezclador situado corriente abajo de la primera y la segunda válvulas y dispuesto, durante el uso, para mezclar el primer y el segundo gases para proporcionar un gas mezclado; una salida para dicho gas mezclado a presión atmosférica; un medidor dispuesto para medir el peso molecular medio del gas mezclado, que comprende un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas mezclado y un sensor operable para determinar la presión atmosférica, siendo el medidor operable para determinar la densidad del gas mezclado a partir de dicha frecuencia de resonancia medida y para determinar a partir de la densidad, de la medición de presión atmosférica y de la temperatura determinada o predeterminada del gas mezclado, el peso molecular medio del gas mezclado; y un controlador operable, en respuesta al peso molecular medio medido de dicho gas mezclado, para controlar al menos una de dichas primera y segunda válvulas con el fin de controlar la proporción relativa del primer y segundo gases en dicho gas mezclado.

En una realización, el medidor comprende además un circuito excitador para excitar el oscilador piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuena a una única frecuencia resonante.

En una realización, el medidor comprende además un sensor de temperatura.

En una realización, dicho sensor operable para medir la presión atmosférica comprende un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con aire a presión atmosférica.

En una realización, una de dichas primera y segunda válvulas comprende una válvula de solenoide operable electrónicamente por dicho controlador.

En una realización, la otra de dichas primera y segunda válvulas es operable manualmente.

En una realización, la primera y la segunda fuentes de gas comprenden, cada una de ellas, un dispositivo de regulación de presión dispuesto para controlar selectivamente el flujo de gas procedente de la fuente de gas respectiva. En una realización, uno o cada uno de dichos dispositivos de regulación de presión comprende un

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regulador de presión o una válvula.

En una realización, el medidor controla al menos uno de los dispositivos de regulación de presión en respuesta al peso molecular medio medido del gas mezclado. En una realización, al menos uno de los dispositivos de regulación de presión es un dispositivo de regulación de presión electrónico. En una realización, al menos uno de los dispositivos de regulación de presión comprende una válvula de solenoide.

En una realización, el medidor comprende un conjunto sensor que incluye un oscilador de cristal piezoeléctrico que, durante el uso, está en contacto con dicho gas mezclado, estando dicho conjunto sensor dispuesto: para excitar el oscilador de cristal piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una frecuencia resonante; para medir la frecuencia resonante de dicho oscilador de cristal piezoeléctrico para determinar la densidad del gas; y, para determinar a partir de la densidad, de la presión determinada o predeterminada del gas y de la temperatura determinada o predeterminada del gas, el peso molecular del gas.

Según una realización, se proporciona un método de medición del peso molecular de un gas usando un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas y un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia adicional en contacto con el aire a presión atmosférica, comprendiendo el método: a) utilizar dicho oscilador de cristal piezoeléctrico para medir la densidad del gas mediante: utilización de un circuito excitador para excitar el oscilador piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una única frecuencia resonante; y midiendo dicha frecuencia resonante única de dicho cristal piezoeléctrico para determinar la densidad del gas; b) utilizar dicho oscilador de cristal piezoeléctrico adicional para medir la densidad del aire mediante: utilización de un circuito excitador adicional para excitar el oscilador piezoeléctrico adicional de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico adicional resuene a una única frecuencia resonante; y midiendo dicha frecuencia resonante única de dicho cristal piezoeléctrico adicional para determinar, en combinación con la composición conocida del aire, la presión del aire; y c) determinar, a partir de la densidad del gas, de la presión del aire y de la temperatura determinada o predeterminada del gas, el peso molecular del gas.

Mediante la provisión de dicho método, el peso molecular de un gas (o el peso molecular medio en el caso de una mezcla gaseosa) puede ser determinado fácilmente usando un oscilador de cristal piezoeléctrico robusto y relativamente barato, por ejemplo, osciladores de cristal de cuarzo. Un oscilador de ese tipo funciona tanto como una fuente de excitación (oscilando en respuesta a ser excitado por medio de un circuito excitador) como un detector (al tener una única frecuencia resonante que es dependiente del entorno en el que está ubicado el oscilador).

Un oscilador de cristal planar es compacto y robusto, y como resultado, no se ve relativamente afectado por las perturbaciones medioambientales. Además, debido a que la frecuencia de oscilación del oscilador es alta (del orden de kHz), el oscilador no se ve relativamente afectado por vibraciones localizadas (las cuales tienden a tener frecuencias del orden de Hz). Esto contrasta con las disposiciones de detección de peso molecular conocidas.

En una realización, el método comprende además medir la temperatura del gas con un sensor de temperatura. En una realización, el sensor de temperatura comprende un termistor o un resistor dependiente de la temperatura.

En una realización, el cristal de cuarzo comprende al menos un diente. En una disposición, dicho oscilador de cristal piezoeléctrico comprende al menos dos dientes planares.

En una realización, el cristal de cuarzo está cortado en AT o cortado en SC.

En una variante, la superficie del cristal de cuarzo está expuesta directamente al gas.

En una realización, dicho oscilador de cristal piezoeléctrico tiene una frecuencia de resonancia de 32 kHz o mayor.

En una realización, el conjunto sensor comprende una fuente de alimentación. En una disposición, la fuente de alimentación comprende una batería de ion litio.

En una realización, el conjunto sensor comprende un procesador.

Conforme a una realización, se proporciona un medidor para medir el peso molecular de un gas, comprendiendo el medidor un alojamiento que tiene una entrada y un espacio interior para recibir dicho gas que ha de ser medido, comprendiendo un conjunto sensor un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia situado en el interior de dicho alojamiento de modo que, durante el uso, el oscilador de cristal piezoeléctrico está en contacto con dicho gas, estando dicho conjunto sensor dispuesto: para excitar el oscilador de cristal piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una única frecuencia resonante; para medir dicha frecuencia resonante única de dicho oscilador de cristal piezoeléctrico para determinar la densidad del gas; y para determinar a partir de la densidad, de la presión determinada o predeterminada del gas y de la temperatura determinada o predeterminada del gas, el peso molecular del gas.

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Mediante la provisión de una disposición de ese tipo, se puede determinar fácilmente el peso molecular de un gas (o el peso molecular medio en el caso de una mezcla gaseosa) usando un oscilador de cristal piezoeléctrico robusto y relativamente barato, por ejemplo, un oscilador de cristal de cuarzo. Un oscilador de ese tipo funciona tanto como fuente de excitación (oscilando en respuesta a ser excitado por un circuito excitador) como a modo de detector (al tener una única frecuencia resonante que es dependiente del medio ambiente en el que está ubicado el oscilador).

Un oscilador de cristal planar es compacto y robusto y, cómo resultado, no se ve relativamente afectado por las perturbaciones medioambientales. Además, debido a que la frecuencia de oscilación del oscilador es alta (del orden de kHz), el oscilador no se ve relativamente afectado por vibraciones localizadas (las cuales tienden a tener frecuencias del orden de Hz). Esto contrasta con las disposiciones de detección de peso molecular conocidas.

En una realización, el medidor comprende además uno o más de entre un circuito excitador, un procesador y una fuente de alimentación.

En una realización, el conjunto sensor comprende un circuito excitador que comprende un par Darlington dispuesto en configuración de retroalimentación desde un amplificador de emisor común.

En una realización, el medidor comprende además un sensor de presión para medir la presión del gas.

En una realización, dicho sensor de presión es un sensor de presión electrónico. En una realización, el sensor de presión electrónico comprende un sensor de diafragma piezorresistivo.

En una realización, el medidor está ubicado corriente abajo de un regulador de presión fija, y la presión del gas tiene un valor predeterminado en base a la salida de dicho regulador de presión fija.

En una realización, el medidor comprende además un orificio restringido corriente arriba de dicha entrada y una salida a la atmósfera corriente abajo de dicha entrada, en donde dicha presión predeterminada del gas es la presión atmosférica.

En una realización, el cristal de cuarzo comprende al menos un diente. En una variante, el cristal de cuarzo comprende un par de dientes planares.

En una realización, el cristal de cuarzo está cortado en AT o cortado en SC.

En una variante, la superficie del cristal de cuarzo está directamente expuesta al gas.

En una realización, el oscilador de cristal piezoeléctrico tiene una frecuencia resonante de 32 kHz o mayor.

En una realización, el medidor comprende un filtro situado en la entrada. En una realización, el filtro tiene un tamaño de poro comprendido en la gama de 5 a 10 pm.

En una realización, el medidor comprende un elemento calentador ubicado en el interior del alojamiento. En una realización, el elemento calentador está situado adyacente al oscilador de cristal piezoeléctrico. En una realización adicional, el elemento calentador está situado en contacto con el oscilador de cristal piezoeléctrico.

En una realización, el conjunto sensor comprende una fuente de alimentación. En una realización, la fuente de alimentación comprende una batería de ion litio.

En una realización, el conjunto sensor comprende un procesador.

En una realización, el medidor comprende un visualizador.

En una realización, el medidor comprende una antena conectada al conjunto sensor y dispuesta para permitir la transmisión inalámbrica de datos desde el medidor. En una realización, el medidor es operable para transmitir datos de forma inalámbrica hasta una unidad de visualización remota.

Conforme a un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un producto de programa informático ejecutable por medio de un aparato de procesamiento programable, que comprende una o más porciones de software para llevar a cabo las etapas del primer aspecto.

Conforme a un cuarto aspecto de la presente invención, se proporciona un medio de almacenamiento utilizable con ordenador que tiene un producto de programa informático conforme al cuarto aspecto almacenado en el mismo.

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Las realizaciones de la presente Invención van a ser descritas ahora con detalle haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un cilindro de gas y conjunto regulador;

La Figura 2 es un diagrama esquemático que muestra un conjunto regulador y una primera realización de un medidor de peso molecular;

La Figura 3 es un diagrama esquemático que muestra un conjunto regulador y una segunda realización de un medidor de peso molecular;

La Figura 4 es un diagrama esquemático que muestra un conjunto regulador y una tercera realización de un medidor de peso molecular;

La Figura 5 es un diagrama esquemático que muestra una cuarta realización de un medidor de peso molecular;

La Figura 6 es un diagrama esquemático de un circuito excitador para su uso con cualquiera de las realizaciones primera a cuarta;

La Figura 7 es un diagrama esquemático que muestra una realización alternativa del circuito excitador para su uso con cualquiera de las realizaciones primera a cuarta;

La Figura 8 es un diagrama esquemático que muestra una realización alternativa adicional del circuito excitador para su uso con cualquiera de las realizaciones primera a cuarta;

La Figura 9 es un diagrama esquemático que muestra los parámetros de entrada y de salida de un procesador para su uso con cualquiera de las realizaciones primera a cuarta;

La Figura 10 muestra un gráfico de frecuencia de cristal de cuarzo (kHz) sobre el eje Y como una función de la densidad (kg/m3) para un número de gases diferentes;

La Figura 11 muestra un gráfico de densidad de gas (en kg/m3) en el eje Y como una función de la presión (bar g) sobre el eje X para argón, oxígeno y una mezcla de argón:dióxido de carbono:oxígeno a presiones de hasta 300 bar g;

La Figura 12 muestra un gráfico de densidad de gas (en kg/m3) sobre el eje Y como una función de la presión (bar g) sobre el eje X para argón, oxígeno y una mezcla de argón:dióxido de carbono:oxígeno a presiones de hasta 100 bar g;

La Figura 13 es un gráfico que muestra el cambio de frecuencia (en Hz) sobre el eje Y como una función del tiempo (en segundos) sobre el eje X cuándo se purgan los gases;

La Figura 14 es un gráfico que corresponde con la Figura 13, que muestra el cambio calculado en el peso molecular (sobre el eje Y) como una función del tiempo (en segundos) sobre el eje X;

La Figura 15 es un diagrama de flujo que ilustra un método conforme a una realización descrita;

La Figura 16 muestra un diagrama esquemático de una realización de la presente invención que muestra una disposición mezcladora de gas;

La Figura 17 muestra un diagrama esquemático de una realización adicional de la presente invención que muestra una disposición mezcladora de gas;

La Figura 18 muestra un diagrama esquemático de una realización adicional de la presente invención que muestra una disposición mezcladora de gas;

La Figura 19 muestra un diagrama esquemático de una realización adicional de la presente invención que muestra una disposición mezcladora de gas;

La Figura 20 muestra un conjunto de flujo masivo para su uso con las realizaciones de las Figuras 19 y 23;

La Figura 21 muestra un conjunto alternativo de flujo masivo para su uso con las realizaciones de las Figuras 19 y 23;

La Figura 22 muestra un gráfico de frecuencia de cristal como una función de la tasa de flujo masivo;

La Figura 23 muestra un diagrama esquemático de una realización adicional de la presente invención que muestra una disposición mezcladora de gas;

La Figura 24 muestra un gráfico del comportamiento en frecuencia de diferentes tipos de cristal;

La Figura 25 es un diagrama esquemático que muestra un conjunto sensor alternativo que comprende dos cristales de cuarzo, y

La Figura 26 muestra una disposición alternativa que hace uso de una unidad de datos electrónica remota.

La Figura 1 muestra una vista esquemática de una situación en la que puede usarse la presente invención. Se ha previsto un cilindro de gas 100, un regulador 150 y un medidor 200 de peso molecular.

El cilindro de gas 100 tiene un cuerpo 102 de cilindro de gas y una válvula 104. El cuerpo 102 de cilindro de gas comprende un recipiente de presión generalmente cilíndrico que tiene una base plana 102a dispuesta para permitir que el conjunto de cilindro de gas 10 se mantenga sin apoyo sobre una superficie plana.

El cuerpo 102 del cilindro de gas está formado a partir de acero, aluminio y/o material compuesto y está adaptado y dispuesto para resistir presiones internas de hasta aproximadamente 900 bar g. Una abertura 106 se encuentra situada en un extremo proximal del cuerpo 102 de cilindro de gas opuesto a la base 102a y comprende una rosca de tornillo (no representada) adaptada para recibir la válvula 104.

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El cilindro de gas 100 define un recipiente de presión que tiene un volumen interno V. Cualquier fluido adecuado puede estar contenido en el interior del cilindro de gas 100. Sin embargo, la presente realización se refiere, aunque sin limitación exclusiva, a gases permanentes purificados que están libres de impurezas tales como polvo y/o humedad. Ejemplos no exhaustivos de tales gases pueden ser: oxígeno, nitrógeno, argón, helio, hidrógeno, metano, trifluoruro de nitrógeno, monóxido de carbono, kriptón o neón.

La válvula 104 comprende un alojamiento 108, una salida 110, un cuerpo de válvula 112 y un asiento de válvula 114. El alojamiento 108 comprende una rosca de tornillo complementaria para encajar con la abertura 106 del cuerpo 102 de cilindro de gas. La salida 110 está adaptada y dispuesta para permitir que el cilindro de gas 100 sea conectado a otros componentes de un conjunto de gas; por ejemplo, tuberías, conductos, o válvulas de presión adicionales o reguladores. La válvula 104 puede comprender, opcionalmente, una VIPR (Válvula con Reducción de Presión Integrada). En esta situación, el regulador 150 puede ser omitido.

El cuerpo de válvula 112 puede ser ajustado axialmente hacia, o hacia fuera de, el asiento de válvula 114 mediante la rotación de un mango asible 116 para abrir o cerrar selectivamente la salida 110. En otras palabras, el movimiento del cuerpo de válvula 112 hacia, o hacia fuera del asiento de válvula 112 controla selectivamente el área del paso de comunicación entre el interior del cuerpo 102 de cilindro de gas y la salida 110. Esto, a su vez, controla el flujo de gas desde el interior del conjunto de cilindro de gas 100 hasta el medio ambiente externo.

Un regulador 150 se encuentra situado corriente abajo de la salida 110. El regulador 150 tiene una entrada 152 y una salida 154. La entrada 152 del regulador 150 está conectada a un conducto de entrada 156 que proporciona una trayectoria de comunicación entre la salida 110 del cilindro de gas 100 y el regulador 150. La entrada 152 del regulador 150 está dispuesta para recibir gas a una presión alta desde la salida 110 del cilindro de gas 100. Ésta puede ser cualquier presión adecuada; sin embargo, por lo general, la presión del gas saliente en la salida 110 estará por encima de 20 bar y más probablemente estará en la región de 100 - 900 bar.

La salida 154 está conectada a un conducto de salida 158. Un acoplamiento 160 se encuentra situado en el extremo distal del conducto de salida 158 y está adaptado para su conexión a otros conductos o dispositivos (no representados) para los que se requiere el gas.

Un medidor 200 de peso molecular se encuentra situado en comunicación con el conducto de salida 158 entre la salida 154 y el acoplamiento 160. El medidor 200 de peso molecular está situado inmediatamente corriente abajo del regulador 150 y está dispuesto para determinar el peso molecular del gas (o el peso molecular medio de una mezcla de gases) corriente abajo del regulador 150.

El regulador 150 y el medidor 200 de peso molecular han sido mostrados con mayor detalle en la Figura 2.

En esta realización, el regulador 150 comprende un regulador de diafragma único. Sin embargo, el experto en la materia podría idear fácilmente variaciones que podrían ser usadas con la presente invención; por ejemplo, un regulador de 2 diafragmas u otra disposición.

El regulador 150 comprende una región de válvula 162 en comunicación con la entrada 152 y la salida 154. La región de válvula 162 comprende una válvula de asiento 164 situada adyacente a un asiento de válvula 166. La válvula de asiento 164 está conectada a un diafragma 168 que está configurado para permitir el movimiento de traslación de la válvula de asiento 164 hacia, y hacia fuera, del asiento de válvula 166 para cerrar y abrir, respectivamente, una abertura 170 entre ambos. El diafragma 168 está empujado elásticamente por un resorte 172 situado en torno a un eje 174.

El regulador 150 es operable para recibir gas desde la salida 110 a presión de cilindro completa (por ejemplo, 100 bar), pero para suministrar gas a una presión baja fija sustancialmente constante (por ejemplo, 5 bar) a la salida 154. Esto se consigue mediante un mecanismo de retroalimentación en donde la presión del gas corriente abajo de la abertura 170 es operable para que actúe sobre el diafragma 168 en oposición a la fuerza de empuje del resorte 172. En la realización de la Figura 2 el regulador 150 es un regulador de presión fija y está dispuesto para suministrar gas desde la salida 154 a una presión fija, conocida. La presión se determina mediante la fuerza de empuje relativa del resorte 172.

En caso de que la presión del gas en la región adyacente al diafragma 168 exceda el nivel especificado, el diafragma 168 es operable para que se mueva en dirección ascendente (con relación a la Figura 2). Como resultado, la válvula de asiento 164 se mueve hasta una posición más cercana al asiento de válvula 166, reduciendo el tamaño de la abertura 170, y por consiguiente, restringiendo el flujo de gas desde la entrada 152 hasta la salida 154. En general, las fuerzas contrapuestas de la resistencia del resorte 172 y la presión del gas darán como resultado una posición de equilibrio del diafragma y, en consecuencia, el suministro de una presión constante del gas en la salida 154.

El medidor 200 de peso molecular comprende un alojamiento 202 y un conjunto sensor 204. El alojamiento 202

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puede comprender cualquier material adecuado; por ejemplo, acero, aluminio o materiales compuestos. El alojamiento tiene un espacio interior 206 que está en comunicación con el interior del conducto de salida 158 a través de un corto conducto de alimentación 208. Por consiguiente, el interior 206 del alojamiento 202 está a la misma presión que el interior del conducto de salida 158. Durante el uso, el alojamiento 202 está generalmente hermetizado y aislado de la atmósfera exterior. El medidor 200 de peso molecular está dispuesto para medir el peso molecular del gas en el interior del alojamiento 202. Alternativamente, el medidor 200 de peso molecular puede medir el peso molecular medio de una mezcla homogénea de gases en el interior del alojamiento 202.

Alternativamente, el alojamiento 202 podría ser proporcionado como parte del conducto de salida 158. Por ejemplo, una parte del conducto de salida 158 podría estar ensanchada para albergar el conjunto sensor 204. Alternativamente, solamente parte del conjunto sensor 204 puede estar situada en el interior del conducto 158, estando el resto ubicado por fuera o separado del mismo.

Adicionalmente, el alojamiento 202 puede formar parte integral del regulador 150. Por ejemplo, el conjunto sensor 204 puede estar ubicado completamente en el interior de la salida 154 del regulador 150. El experto en la materia podrá idear fácilmente variaciones y alternativas que caigan dentro del alcance de la presente invención.

El conjunto sensor 204 comprende un oscilador 210 de cristal de cuarzo conectado a un circuito excitador 212, un sensor de temperatura 214 y una batería 216. Estos componentes están situados en el interior del alojamiento 202.

El circuito excitador 212 y el oscilador 210 de cristal de cuarzo van a ser descritos con detalle más adelante con referencia a las Figuras 6 y 7. El sensor de temperatura 214 comprende un termistor. Se puede usar cualquier termistor adecuado. No se requiere una alta precisión para el termistor. Por ejemplo, una precisión de 0,5 °C es adecuada para esta realización. Por consiguiente, se pueden usar componentes baratos y pequeños.

Un procesador 230 (mostrado y descrito más adelante con referencia a la Figura 8), puede estar también previsto, ya sea separadamente o ya sea como parte del circuito excitador 212.

En esta disposición, el oscilador 210 de cristal de cuarzo está constantemente bajo presión isostática en el interior del alojamiento 202 del medidor 200 de peso molecular y, por consiguiente, no experimenta ningún gradiente de presión. En otras palabras, cualquier esfuerzo mecánico que se origine a partir de la diferencia de presión entre la atmósfera externa y los componentes internos del medidor 200 de peso molecular, se expresa a través del alojamiento 202.

Sin embargo, esto no necesita ser así. Por ejemplo, solamente el oscilador 210 de cristal de cuarzo y el sensor de temperatura 214 pueden estar ubicados en el interior del alojamiento 202, y el resto del conjunto sensor 204 puede estar ubicado externamente al mismo. La invención ha encontrado que solamente unos pocos componentes del conjunto sensor 204 son sensibles a la alta presión. En particular, los componentes más grandes tales como las baterías pueden ser sensibles a las altas presiones. Sin embargo, se ha encontrado que las baterías de litio se comportan particularmente bien bajo las altas presiones encontradas en el interior del cilindro de gas 100. En consecuencia, la batería 216 comprende celdas de litio. Sin embargo, los expertos en la materia podrían contemplar fácilmente fuentes de alimentación alternativas adecuadas.

La ubicación del conjunto sensor 204 completamente en el interior del alojamiento 202 proporciona una flexibilidad adicional cuando se configuran los reguladores 150. En particular, la ubicación de componentes electrónicos relativamente frágiles dentro de las paredes fuertes de metal o de material compuesto del alojamiento 202 proporciona una protección considerable frente al medio ambiente o frente a daños accidentales. Esto es particularmente importante, por ejemplo, en áreas de almacenaje o depósitos, dónde los cilindros de gas 100 que comprenden los reguladores 150 están situados adyacentes a los cilindros de gas, a maquinaria pesada o a superficies rugosas.

Adicionalmente, la ubicación interna del conjunto sensor 204 protege esos componentes respecto a las condiciones medioambientales tales como la sal, el agua y otros contaminantes. Esto podría permitir, por ejemplo, que se pueda usar un circuito de alta impedancia que sea altamente sensible a los daños por sal y por agua como parte del conjunto sensor 204.

Los beneficios de la ubicación interna del conjunto sensor 204 son únicos para los dispositivos sensores de estado sólido tales como el oscilador 210 de cristal de cuarzo. Por ejemplo, un sensor de presión convencional tal como un manómetro de Bourdon no puede estar ubicado de esta manera. Mientras que un sensor basado en cristal puede operar de forma totalmente sumergida en gas a presión constante, un sensor de presión convencional no es utilizable para medir una presión isostática y requiere un gradiente de presión para que funcione. Por consiguiente, un manómetro de presión convencional puede estar situado entre la alta presión que va a ser medida y la atmósfera. Esto incrementa el riesgo de daños a los componentes externos del medidor 200 de peso molecular.

Una segunda realización del medidor de peso molecular ha sido mostrada en la Figura 3. Las características de la

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segunda realización mostrada en la Figura 3 que sean comunes con la primera realización de la Figura 2, han sido asignadas con los mismos números de referencia y no van a ser descritas aquí de nuevo.

En la realización de la Figura 3, el regulador 250 difiere del regulador 150 de la realización de la Figura 2 en que el regulador 250 está dispuesto para proporcionar una presión de salida variable del gas procedente de la salida 154.

A este respecto, se ha previsto un mango asible 252 para permitir que un usuario ajuste la fuerza de empuje del resorte 172. Éste mueve la posición de equilibrio del diafragma 168 y, como resultado, ajusta la separación de equilibrio entre la válvula de asiento 164 y el asiento de válvula 166. Esto permite el ajuste de las dimensiones de la abertura 170 a través de la cual puede pasar el flujo de gas de alta presión procedente de la salida 110.

La presión puede ser modificada, típicamente, hasta alrededor de 20 bar g. Sin embargo, el experto en la materia podrá idear fácilmente disposiciones alternativas y las presiones que pueden ser suministradas por el regulador 250. Además, el regulador puede comprender etapas secundarias para su uso en situaciones tales como soldadura de oxi- acetileno dónde se requiere una regulación precisa de la presión.

La segunda realización comprende un medidor 300 de peso molecular. Los componentes del medidor 300 de peso molecular que son comunes con los del medidor 200 de peso molecular han sido asignados con los mismos números de referencia por motivos de claridad.

El medidor 300 de peso molecular es sustancialmente similar al medidor 200 de peso molecular de la primera realización. Sin embargo, el medidor 300 de peso molecular comprende además un sensor de presión 302 situado en el interior del alojamiento 202. Se puede usar cualquier sensor de presión adecuado.

Por ejemplo, el sensor de presión 302 puede comprender un sensor de diafragma piezorresistivo. Un sensor de presión de ese tipo comprende típicamente un diafragma de silicio mecanizado que tiene medidores de deformación piezorresistivos formados en el mismo. El diafragma está fusionado con una placa posterior de silicio o de vidrio. Los medidores de deformación están conectados normalmente de modo que forman un puente de Wheatstone, cuya salida es directamente proporcional a la presión medida. La salida del sensor de presión 302 puede ser inyectada a continuación en el procesador 230.

El experto en la materia podrá idear fácilmente sensores de presión electrónicos alternativos que puedan ser usados con la presente invención. En otras palabras, el sensor de presión 302 puede comprender cualquier sensor capaz de medir la presión de un gas y proporcionar una salida electrónica de esa medición.

En esta disposición, el oscilador 210 de cristal de cuarzo y el sensor de presión 302 están constantemente bajo presión isostática en el interior del alojamiento 202 del medidor 200 de peso molecular y, por lo tanto, no experimentan ningún gradiente de presión. En otras palabras, cualquier esfuerzo mecánico que se origine a partir de la diferencia de presión entre la atmósfera externa y los componentes internos del medidor 300 de peso molecular, se expresa a través del alojamiento 202.

Una tercera realización de la invención ha sido mostrada en la Figura 4. Las características de la tercera realización mostrada en la Figura 4 que son comunes con las de la segunda realización de la Figura 3 han sido asignadas con los mismos números de referencia y no van a ser descritas aquí de nuevo.

En la realización de la Figura 4, el regulador 250 corresponde con el regulador 250 de la segunda realización y está dispuesto de modo que proporciona una presión de salida variable de gas desde la salida 154. Los componentes del regulador 250 han sido ya descritos y no van a ser descritos otra vez.

La tercera realización comprende un medidor 400 de peso molecular. Los componentes del medidor 400 de peso molecular que son comunes con los de los medidores 200, 300 de peso molecular, han sido asignados con los mismos números de referencia por motivos de claridad.

El medidor 400 de peso molecular es sustancialmente similar a los medidores 200, 300 de peso molecular de la primera y segunda realizaciones. Sin embargo, el medidor 400 de peso molecular es operable con un regulador 250 de presión variable sin que se requiera el sensor de presión 302 de la segunda realización.

El medidor 400 de peso molecular comprende un conducto 402. El interior del conducto 402 está en comunicación con el interior 206 del alojamiento 202. Un extremo proximal del conducto 402 comprende un orificio de restricción 404 situado inmediatamente corriente abajo del conducto corto 208 y en comunicación con la salida 154. El orificio de restricción 404 está dispuesto para que proporcione una restricción física que limite la presión del gas que entra en el conducto 402 desde la salida 154. Por lo tanto, la presión de gas en el interior del conducto 402 corriente abajo del orificio de restricción 404 es considerablemente más baja que la de la salida 154.

Un extremo distal 406 del conducto 402 está abierto a la atmósfera. El extremo distal 406 está ubicado en el extremo

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de una sección del conducto 402 corriente abajo del alojamiento 202. Para aplicaciones típicas, un conducto 402 adecuado podría tener un orificio en la zona de 2 mm y una longitud de alrededor de 100 mm. Esto se hace para asegurar que no existe retrodifusión de gases atmosféricos en el interior 206 del alojamiento 202 para evitar errores potenciales en la medición.

Mientras que el conducto 402 ha sido mostrado como esencialmente lineal en la Figura 4, el conducto 402 podría tener cualquier configuración adecuada. Por ejemplo, una disposición más compacta podría ser la de disponer el conducto 402 en forma de laberinto o de espiral con el fin de acoplar el conducto en un espacio más pequeño.

Por consiguiente, el efecto combinado del orificio de restricción 404 y del extremo distal 406 remoto del conducto 402 (que está a presión atmosférica) consiste en que el interior 206 del alojamiento 202 está siempre a, o cercano a, la presión atmosférica. Esto es independiente de la presión del gas corriente abajo de la salida 154 y corriente arriba del orificio de restricción 404.

Como resultado, no se requiere manómetro de presión puesto que se puede suponer siempre que la presión sea la presión atmosférica. En caso de que se requiera una corrección (por ejemplo, cuándo se opera a altitudes elevadas donde la presión atmosférica es más baja), ésta podría ser introducida manualmente en el procesador 230.

Por lo tanto, bajo condiciones particulares, no se necesita ningún sensor de presión puesto que el valor de la presión puede ser establecido automáticamente o introducido manualmente por un usuario, y el valor de presión resultante usado por el procesador 230 para determinar el peso molecular del gas o de los gases que sean detectados.

Una cuarta realización de un medidor de peso molecular ha sido mostrada en la Figura 5. La cuarta realización se refiere a un medidor 500 de peso molecular. Este medidor 500 de peso molecular es sustancialmente similar a los medidores de peso molecular 200, 300, 400 de las realizaciones primera y segunda. Sin embargo, el medidor 500 de peso molecular es operable con un regulador 250 de presión variable (o con otra fuente de gas a presión variable) sin que se requiera el sensor de presión 302 de la segunda realización.

El medidor 500 de peso molecular es operable en situaciones en las que el gas está siendo ventilado a la atmósfera, como por ejemplo, en un aparato de soldadura de Gas Inerte de Metal (MIG). El medidor 500 de peso molecular está suficientemente lejos a lo largo del conducto 158 del regulador 150 y suficientemente cerca de la salida 160 atmosférica como para asegurar que las condiciones de presión en el alojamiento 202 es la atmosférica.

Adicionalmente a las disposiciones de medidores 200, 300, 400 de peso molecular, se proporciona un segundo conjunto sensor 504 que comprende un oscilador 510 de cristal de cuarzo conectado a un segundo circuito excitador 512 y a una segunda batería 516. El segundo circuito excitador 512 y la segunda batería 516 son sustancialmente similares al circuito excitador 212 y a la batería 216 y no van a ser descritos aquí con mayor detalle.

El segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo está expuesto a la atmósfera externa a través de un alojamiento 518 abierto. El alojamiento 518 es operable para apantallar el segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo frente a daños mecánicos, pero permite que el segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo sea expuesto a la atmósfera. El alojamiento 518 puede comprender un alojamiento cubierto con un orificio pasante formado en un extremo distal del mismo.

El segundo conjunto sensor 504 (que incluye el oscilador 510 de cristal de cuarzo) ha sido previsto para permitir una determinación precisa de la presión atmosférica. Mientras que la realización de la Figura 4 puede ser efectiva bajo determinadas condiciones, la variabilidad de la presión atmosférica puede conducir a errores en la determinación del peso molecular. Esto es particularmente importante si se utilizan mezclas de gases (como se describe en realizaciones posteriores) y dónde los medidores de peso molecular de las realizaciones anteriores pueden dar una medición imprecisa.

Según se va a describir más adelante, el segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo resuena a una frecuencia proporcional a la densidad del gas. Sin embargo, la composición gaseosa del aire es bien conocida y generalmente constante. Por lo tanto, usando la ecuación 7 según se establece en lo que sigue, se puede determinar la presión a partir de la densidad conocida y del peso molecular conocido. Esta disposición proporciona una precisión mejorada, es de bajo coste en su fabricación y tiene un tamaño pequeño.

Los restantes componentes del medidor 500 de peso molecular son similares a los de los medidores 200, 300, 400 de peso molecular de las realizaciones primera a cuarta y no van a ser descritos aquí con mayor detalle.

Cualquiera de las realizaciones primera a cuarta puede comprender adicionalmente un visualizador (no representado) que muestre a un usuario los resultados de las mediciones realizadas en el gas detectado. Alternativamente, el visualizador puede estar situado remoto de los medidores 200, 300, 400, 500 de peso molecular y los datos relevantes pueden ser comunicados remotamente.

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Por ejemplo, una cualquiera de las realizaciones primera a cuarta puede comprender además una antena (no representada) para la comunicación remota con, por ejemplo, una estación de base. Esto va a ser discutido más adelante. En este caso, la antena puede estar situada por fuera del alojamiento 202 y conectada al conjunto sensor 204 por medio de un cable o un conector equivalente.

La antena en sí misma puede estar adaptada y dispuesta para usar cualquier protocolo de comunicación adecuado; por ejemplo, una lista no exhaustiva puede incluir RFID, Bluetooth, infrarrojos (IR), 802.11 inalámbrica, transmisión por modulación de frecuencia (FM) o una red celular.

Alternativamente, se puede implementar comunicación de un solo cable. La comunicación de un solo cable necesita sólo un conductor metálico para comunicar: la trayectoria de “retorno” del circuito la proporciona un acoplamiento capacitivo a través del aire entre los dispositivos comunicantes. El experto en la materia podrá idear fácilmente realizaciones alternativas de la antena (y el hardware de transmisión asociado) que podrían ser usados con las realizaciones que se discuten en la presente memoria.

Por ejemplo, la comunicación puede ser efectuada por medio de transmisión acústica desde el interior del cilindro 100. Un transmisor situado en el interior del alojamiento 202 puede efectuar transmisión acústica. El transmisor puede comprender, por ejemplo, un único resonador piezoeléctrico de frecuencia fija.

También se requiere un receptor complementario y este componente puede estar situado remoto del medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular y puede comprender hardware tal cómo, por ejemplo, un detector de tono de bucle enganchado en fase integrado con un micrófono.

El conjunto sensor 204 va a ser descrito ahora con mayor detalle con referencia a las Figuras 6 y 7. El oscilador 210 de cristal de cuarzo comprende una sección planar de cuarzo cortado. El cuarzo muestra un comportamiento piezoeléctrico, es decir la aplicación de una tensión a través del cristal hace que el cristal cambie de forma, generando una fuerza mecánica. A la inversa, una fuerza mecánica aplicada al cristal produce una carga eléctrica.

Dos superficies paralelas del oscilador 210 de cristal de cuarzo están metalizadas con el fin de proporcionar conexiones eléctricas a través del cristal en su conjunto. Cuando se aplica una tensión a través del cristal por medio de los contactos metálicos, el cristal cambia de forma. Con la aplicación de una tensión alterna al cristal, puede hacerse que el cristal oscile.

El tamaño físico y el espesor del cristal de cuarzo determinan las características de frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo. En efecto, la característica de frecuencia resonante del cristal 210 es inversamente proporcional al espesor físico entre las dos superficies metalizadas. Los osciladores de cristal de cuarzo son bien conocidos en el estado de la técnica y por tanto la estructura del oscilador 210 de cristal de cuarzo no va a ser descrita aquí con mayor detalle.

Adicionalmente, la frecuencia de vibración resonante de un cristal de cuarzo variará dependiendo del entorno en el que esté ubicado el cristal. En el vacío, el cristal tendrá una frecuencia particular. Sin embargo, esta frecuencia cambiará en diferentes entornos. Por ejemplo, en un fluido, la vibración del cristal de cuarzo será amortiguada por las moléculas circundantes y esto afectará a la frecuencia resonante y a la energía requerida para hacer oscilar el cristal con una amplitud dada.

Además, la deposición de materiales circundantes sobre el cristal afectará a la masa del cristal vibrante, alterando la frecuencia de resonancia. La adsorción o deposición de material constituye la base para los analizadores de gas selectivos habitualmente utilizados en los que una capa absorbente se forma sobre el cristal y aumenta de masa según se absorbe el gas.

Sin embargo, en el presente caso, no se aplica ningún recubrimiento al oscilador 210 de cristal de cuarzo. En efecto, la adsorción o deposición de material sobre el oscilador 210 de cristal de cuarzo resulta indeseable en el presente caso puesto que se puede ver afectada la precisión de la medición.

Según se ha mostrado en la Figura 6, el oscilador 210 de cristal de cuarzo de la presente realización tiene forma de diapasón y comprende un par de dientes 210a de aproximadamente 5 mm de longitud dispuestos para que oscilen a una frecuencia resonante de 32.768 kHz. Los dientes 210a de la horquilla oscilan normalmente en su modo fundamental, en el que éstos se mueven sincrónicamente cada uno hacia, y hacia fuera del otro a la frecuencia resonante.

El cuarzo fundido (o no cristalino) tiene un coeficiente de expansión muy bajo dependiente de la temperatura, y un bajo coeficiente de elasticidad. Esto reduce la dependencia de la frecuencia fundamental respecto a la temperatura y, según se va a mostrar, los efectos de la temperatura son mínimos.

Adicionalmente, resulta deseable usar cuarzo que esté cortado en AT o cortado en SC. En otras palabras, la sección

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planar del cuarzo se corta con ángulos particulares, de modo que el coeficiente de temperatura de la frecuencia de oscilación pueda estar situado tal que sea parabólico con un amplio pico en torno a la temperatura ambiente. Por lo tanto, el oscilador de cristal puede estar dispuesto de tal modo que la pendiente en la parte superior del pico sea exactamente cero.

Los cristales de cuarzo de este tipo se encuentran normalmente disponibles a un coste relativamente bajo. Al contrario que en la mayoría de los osciladores de cristal de cuarzo que se usan in vacuo, en la presente realización el oscilador 210 de cristal de cuarzo está expuesto al gas bajo presión en el alojamiento 202.

El circuito excitador 212 para excitar el oscilador 210 de cristal de cuarzo ha sido mostrado en la Figura 6. El circuito excitador 212 debe cumplir un número de criterios específicos. En primer lugar, el oscilador 210 de cristal de cuarzo de la presente invención puede estar expuesto a una gama de presiones de gas; potencialmente, las presiones pueden variar desde la presión atmosférica (cuando el cilindro de gas 100 está vacío) hasta aproximadamente 900 bar g si el cilindro de gas contiene un gas a presión tal como hidrógeno. De ese modo, se requiere que el oscilador 210 de cristal de cuarzo opere (y se reinicie después de un periodo de no uso) bajo una amplia gama de presiones.

Por consiguiente, el factor de calidad (Q) del oscilador 210 de cristal de cuarzo podrá variar considerablemente durante el uso. El factor Q es un parámetro sin dimensiones relacionado con la tasa de amortiguación de un oscilador o resonador. De manera equivalente, éste puede caracterizar el ancho de banda de un resonador con relación a su frecuencia central.

En general, cuanto más alto es el factor Q de un oscilador, más baja es la tasa de pérdida de energía en relación con la energía almacenada del oscilador. En otras palabras, las oscilaciones de un oscilador de alto factor Q se reducen de amplitud más lentamente en ausencia de una fuerza externa. Los resonadores activados sinusoidalmente que tienen factores Q más altos resuenan con mayores amplitudes a la frecuencia resonante pero tienen un ancho de banda más pequeño de frecuencias en torno a aquella frecuencia a la que estos resuenan.

El circuito excitador 212 debe estar capacitado para excitar el oscilador 210 de cristal de cuarzo a pesar de que cambie el factor Q. Según se incrementa la presión en el cilindro de gas 100, la oscilación del oscilador 210 de cristal de cuarzo se irá amortiguando cada vez más, y el factor Q decaerá. La caída del factor Q requiere que un amplificador del circuito excitador 212 proporcione una ganancia más alta. Sin embargo, sí se proporciona una amplificación demasiado alta al circuito excitador 212, la respuesta del oscilador 210 de cristal de cuarzo puede resultar difícil de distinguir. En este caso, el circuito excitador 212 puede simplemente oscilar a una frecuencia no relacionada, o a la frecuencia de un modo no fundamental del oscilador 210 de cristal de cuarzo.

Como limitación adicional, el circuito excitador 212 debe ser de baja potencia con el fin de que trabaje con pequeñas baterías de baja potencia durante un tiempo prolongado con o sin alimentación suplementaria tal como las células fotovoltaicas.

El circuito excitador 212 va a ser descrito ahora con referencia a la Figura 6. Con el fin de excitar el oscilador 210 de cristal de cuarzo, el circuito excitador 212 toma esencialmente una señal de tensión a partir del oscilador 210 de cristal de cuarzo, la amplifica y alimenta esa señal de nuevo al oscilador 210 de cristal de cuarzo. La frecuencia resonante fundamental del oscilador 210 de cristal de cuarzo es, en esencia, una función de la tasa de expansión y contracción del cuarzo. Esto se determina en general mediante el corte y el tamaño del cristal.

Sin embargo, también pueden afectar factores externos a la frecuencia resonante. Cuando la energía de las frecuencias de salida generadas se empareja con las pérdidas en el circuito, una oscilación puede ser sostenida. El circuito excitador 212 está dispuesto para que detecte y mantenga esta frecuencia de oscilación. La frecuencia puede ser medida a continuación mediante el procesador 230 (Figura 9), usado para calcular la propiedad apropiada del gas requerida por el usuario y, si se necesita, la salida a un medio de visualización adecuado (según se va a describir más adelante).

El circuito excitador 212 está alimentado por una batería 216 de 6 V. La batería 216, en esta realización, comprende una batería de litio. Sin embargo, fuentes de alimentación alternativas resultarán fácilmente evidentes para el experto en la materia; por ejemplo, otros tipos de baterías tanto recargables como no recargables y una disposición de célula solar.

El circuito excitador 212 comprende además un amplificador 218 de Emisor Común de par Darlington. Un par Darlington comprende una estructura compuesta que consiste en dos transistores NPN bipolares configurados de tal modo que la corriente amplificada por un primer transistor es amplificada adicionalmente por el segundo. Esta configuración permite que se obtenga una ganancia de corriente más alta en comparación con cada transistor si se tomara por separado. Alternativamente, se pueden usar transistores bipolares PNP.

El par Darlington 218 está dispuesto en configuración de retroalimentación desde un amplificador 220 de Emisor Común de transistor único (T1). Un transistor de unión bipolar NPN ha sido mostrado en la Figura 4. Sin embargo, el

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experto en la materia podrá idear disposiciones de transistor alternativas que puedan ser usadas; por ejemplo, un transistor PNP de unión bipolar o Transistores de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico (MOSFETs).

Como variante, se podría implementar un control automático de ganancia (no representado) en el bucle de retroalimentación entre el par Darlington 218 y el amplificador 220 de Emisor Común. Esto puede tener la forma de un potenciómetro, un resistor variable u otro componente adecuado dispuesto en lugar de, por ejemplo, el resistor del lado derecho de 22 K mostrado en la Figura 6.

El control automático de ganancia permite la compensación de los cambios en el factor Q por la presión y los cambios en la tensión de alimentación (por ejemplo, bajo condiciones de batería baja). El control automático de ganancia puede ser particularmente aplicable para aplicaciones de baja presión.

El circuito excitador 212 comprende un transistor T2 adicional seguidor de emisor NPN que actúa como amplificador buffer 222. El amplificador buffer 222 está dispuesto de modo que funcione como buffer entre el circuito y el ambiente exterior. Sin embargo, esta característica es opcional y puede no ser necesaria; por ejemplo, se podría conectar directamente un FET al circuito excitador 212.

Un condensador 224 está dispuesto en serie con el oscilador 210 de cristal de cuarzo. El condensador 224, en este ejemplo, tiene un valor de 100 pF y permite que el circuito excitador 212 excite el oscilador 210 de cristal de cuarzo en situaciones en las que el cristal haya resultado contaminado, por ejemplo por sales o por otros materiales depositados.

Ahora se va a describir un circuito excitador 240 alternativo con referencia a la Figura 7. El circuito excitador 240 puede ser utilizado en lugar del circuito excitador 204 descrito con anterioridad. A diferencia con el circuito excitador 204 descrito anteriormente, el circuito excitador 240 incluye un amplificador 242 de Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico (MOSFET) de drenaje común en lugar del par Darlington del circuito de la Figura 6. El MOSFET 242 funciona como entrada de alta impedancia que permite que la impedancia de entrada de la etapa amplificadora sea equivalente a la alta impedancia del oscilador 202 de cristal de cuarzo. En otras palabras, el MOSFET 242 proporciona una ganancia unitaria con una alta impedancia de entrada para reducir la carga eléctrica sobre el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

La salida del amplificador 242 MOSFET de drenaje común se alimenta a dos amplificadores 244 sucesivos de emisor común de transistor simple (Q2, Q3). Los resistores R6 y R8 proporcionan tanto corriente de realimentación negativa como de polarización para los transistores. Los amplificadores 244 de emisor común proporcionan una elevada ganancia para amplificar las oscilaciones del oscilador 202 de cristal de cuarzo y, en esta realización, comprenden transistores NPN de unión bipolar. Sin embargo, el experto en la materia podrá idear disposiciones de transistor alternativas que puedan ser usadas, como por ejemplo un transistor PNP de unión bipolar o MOSFETs.

Un condensador 246 se encuentra conectado entre el oscilador 202 de cristal de cuarzo y tierra. El condensador 246, en esta realización, es operable para incrementar la excitación en el oscilador 202 de cristal de cuarzo.

Un resistor 248 está conectado en serie con el oscilador 202 de cristal de cuarzo. El resistor 248, en esta realización, tiene un valor de 56 kü y amortigua las oscilaciones del oscilador 202 de cristal de cuarzo con el fin de permitir que el circuito oscile sobre una amplia gama de presiones con solamente cambios graduales en la forma de onda.

El circuito oscilador 240 está alimentado por una batería 249 de 3 V. La batería 249, en esta realización, comprende una batería de litio. Sin embargo, fuentes de alimentación alternativas resultarán fácilmente evidentes para el experto en la materia; por ejemplo, otros tipos de baterías tanto recargables como no recargables y una disposición de célula solar. Alternativamente, se puede usar una disposición de alimentación desde la red tras la rectificación a DC y la reducción de tensión apropiada.

Ahora se va a describir un circuito excitador 260 alternativo adicional con referencia a la Figura 8. El circuito excitador mostrado en la Figura 8 está configurado de una manera similar a un oscilador Pierce. Los osciladores Pierce son conocidos a partir de los osciladores de relojes de IC digitales. En esencia, el circuito excitador 260 comprende un único inversor digital (en forma de transistor) T, tres resistores R1, R2 y Rs, dos condensadores C1, C2, y el oscilador 210 de cristal de cuarzo.

En esta disposición, el oscilador 210 de cristal de cuarzo funciona como un elemento de filtro altamente selectivo. El resistor R1 actúa como resistor de carga para el transistor T. el resistor R2 actúa como resistor de realimentación, polarizando el inversor T en su región lineal de operación: esto permite efectivamente que el inversor T opere como amplificador inversor de alta ganancia. Se usa otro resistor Rs entre la salida del inversor T y el oscilador 210 de cristal de cuarzo para limitar la ganancia y para amortiguar las oscilaciones indeseadas en el circuito.

El oscilador 210 de cristal de cuarzo, en combinación con C1 y C2, forma un filtro pasa banda de red Pi. Esto permite

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un cambio de fase de 180 grados y una ganancia de tensión desde la salida a la entrada a aproximadamente la frecuencia resonante del oscilador de cristal de cuarzo. El circuito excitador 260 descrito con anterioridad es fiable y barato de fabricar puesto que comprende relativamente pocos componentes.

Según se ha discutido con anterioridad, el conjunto sensor 204 puede incluir un procesador 230 que recibe señales de entrada desde el oscilador 210 de cristal de cuarzo y desde el circuito excitador 212. El procesador 230 puede comprender cualquier disposición adecuada, tal como un ASIC o un FPGA.

El procesador 230 está programado para que calcule y, si se requiere, muestre y comunique una determinación del peso molecular del gas (o del peso molecular medio de una mezcla homogénea de gases). Un esquema de las entradas y salidas principales del procesador 230 han sido mostradas en la Figura 9.

Cuándo se usa con el oscilador 210 de cristal de cuarzo, el procesador 230 puede estar configurado para medir la frecuencia f o el periodo de la señal procedente del conjunto sensor 204 que comprende el circuito excitador 212. Esto se puede conseguir, por ejemplo, contando las oscilaciones durante un tiempo fijo, y convirtiendo esa frecuencia en un valor de densidad usando un algoritmo o una tabla de búsqueda. Este valor se hace que pase al procesador 230.

El procesador 230 recibe también la temperatura T medida desde el sensor de temperatura 214. Además, el procesador 230 recibe un valor de presión desde, ya sea un sensor de presión 302 (sí está presente) o ya sea de un valor de presión fijo. Este valor puede ser establecido automáticamente; por ejemplo, en situaciones en las que el medidor 400, 500 de peso molecular ha de ser usado solamente a presión atmosférica o ha de ser usado en la salida de un regulador de presión fija como en el caso del medidor 200 de peso molecular. En esta situación, el valor de presión fija se introduce en el procesador 230. Alternativamente, el valor de presión fijo puede ser introducido manualmente por un usuario.

Como realización alternativa adicional, la frecuencia para el periodo de la señal procedente del conjunto sensor 504 (que incluye el circuito excitador 512) puede ser recibida por el procesador 230. Esto puede lograrse, por ejemplo, contando oscilaciones durante un tiempo fijo, y convirtiendo esa frecuencia en un valor de presión usando un algoritmo o tabla de búsqueda (puesto que la frecuencia es proporcional a la densidad, y la densidad es proporcional a la presión cuando la composición del gas de aire es conocida). Este valor se hace que pase al procesador 230.

El procesador 230 está dispuesto para realizar, en base a las señales de entrada suministradas, un cálculo para determinar el peso molecular del gas en el que está inmerso el oscilador 210 de cristal de cuarzo. El procesador 230 puede comprender una parte de uno cualquiera de los medidores 200, 300, 400, 500 de peso molecular.

Una vez que el peso molecular ha sido determinado, los datos pueden ser almacenados en una memoria local, pueden ser visualizados sobre una pantalla de visualización o pueden ser transmitidos a una estación remota.

El procesador 230 puede estar diseñado, opcionalmente, para su producción en serie de modo que sean idénticos todos los medidores 200 de peso molecular, con características diferentes en el software y en el hardware permitidos para los diferentes gases.

Adicionalmente, el procesador 230 puede estar también configurado para minimizar el consumo de potencia mediante implementación de los modos de standby o de” reposo” que puede adoptar el procesador 230 y componentes adicionales tales como el circuito excitador 212 y el oscilador 210 de cristal de cuarzo.

Se pueden implementar diversos esquemas; por ejemplo, el procesador 230 puede estar en standby durante 10 segundos cada 11 segundos. Además, el procesador 230 puede controlar el oscilador 210 de cristal de cuarzo y el circuito excitador 212, de tal modo que estos componentes se lleven a standby durante la mayor parte del tiempo, realizando solamente conmutación de los componentes más necesitados de potencia durante ^ segundo cada 30 segundos.

La teoría y el funcionamiento del conjunto sensor 204 van a ser descritos ahora con referencia a las Figuras 10 a 14.

El oscilador 210 de cristal de cuarzo tiene una frecuencia resonante que depende de la densidad del fluido en el que está situado. La exposición de un oscilador de cristal planar de tipo diapasón oscilante a un gas conduce a un cambio y una amortiguación de la frecuencia resonante del cristal (cuando se compara con la frecuencia resonante del cristal en el vacío). Existen un número de razones para ello. Mientras que existe un efecto amortiguador del gas sobre las oscilaciones del cristal, el gas adyacente a los dientes vibrantes 210a del oscilador 210 de cristal de diapasón incrementa la masa efectiva del oscilador. Esto conduce a una reducción de la frecuencia resonante del oscilador de cristal de cuarzo conforme al movimiento de un haz elástico fijo, unilateral:

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donde f es la frecuencia de oscilación, fo es la frecuencia de oscilación en el vacío, p es la densidad del gas, y Mo es una constante.

La densidad p será en la mayor parte de los casos pequeña en comparación con Mo, de modo que la fórmula puede ser aproximada mediante la ecuación lineal:

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la cual puede ser re-expresada en términos de desviación de frecuencia Df desde F0 según se define en la ecuación 3):

imagen3

En consecuencia, en una buena aproximación, el cambio de frecuencia es proporcional al cambio de densidad del gas al que está expuesto el oscilador de cristal de cuarzo. la Figura 10 muestra, para un número de gases/mezclas de gases diferentes, que la frecuencia resonante del oscilador 210 de cristal de cuarzo varía linealmente como función de la densidad.

En general, la sensibilidad del oscilador 210 de cristal de cuarzo es tal que se aprecia un cambio de frecuencia de un 5%, por ejemplo, con el gas oxígeno (que tiene un número de masa atómica de 32) a 250 bar cuando se compara con la presión atmosférica. Tales presiones y densidades de gases son típicas de los cilindros de almacenaje usados para gases permanentes, las cuales están normalmente comprendidas entre 137 y 450 bar g para la mayor parte de los gases, y hasta 700 o 900 bar g para el helio y el hidrógeno.

El oscilador 210 de cristal de cuarzo es particularmente adecuado para su uso como sensor de densidad formando parte de un medidor de peso molecular para gases suministrados comercialmente. Con el fin de detectar correctamente la densidad de un gas, es necesario que el gas esté libre de polvo y de gotitas de líquidos, lo que se garantiza con gases suministrados comercialmente, pero no con el aire o en la generalidad de situaciones de monitorización de presión.

Una vez que se ha obtenido el valor de la densidad a partir del oscilador 210 de cristal de cuarzo, se puede determinar el peso molecular del gas a partir de:

4) PV = nRT

donde P es la presión del gas, V es el volumen de gas, n es el número de moles de gas, R es la constante del gas y T es la temperatura. Tras eliminar V:

« M

5) p =— V

M

6) MW = — n

y

donde MW es el peso molecular del gas y m es la masa del gas. Por lo tanto, haciendo la sustitución para V en la ecuación 5), se llega a:

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donde a es una constante igual a RT, donde R es la constante del gas y T es la temperatura absoluta en grados Kelvin. Por consiguiente, para una presión, una densidad y una temperatura conocidas de un gas, el peso molecular del gas (o el peso molecular medio en el caso de una mezcla de gases) puede ser determinado. Las derivaciones anteriores suponen que el gas está cerca de ser un Gas Ideal.

En base a la ecuación 7) anterior, sí la presión es conocida (por ejemplo, cuando la presión es la atmosférica o la salida de un regulador de presión fija), entonces solamente se necesita la temperatura y la densidad del gas para proporcionar una determinación precisa del peso molecular. Simultáneamente, si la presión y la temperatura son conocidas hasta un grado razonable, el peso molecular del gas es efectivamente proporcional a la densidad o, en otras palabras, a la frecuencia resonante del oscilador de cristal de cuarzo multiplicada por un factor predeterminado.

En consecuencia, el peso molecular del gas (o el promedio de una mezcla) puede ser determinado a partir del gradiente de presión como una función de la densidad, donde reorganizando la ecuación 7) se obtiene:

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a

Las Figuras 11 y 12 ilustran datos experimentales de medición del peso molecular. Ambos gráficos muestran la densidad (en kg/m3) en el eje Y como una función de la presión (en bar g) sobre el eje X para los mismos cuatro gases. Los dos gráficos son idénticos salvo en que la Figura 10 muestra presiones de hasta 300 bar g mientras que la Figura 11 solamente muestra presiones hasta 100 bar g.

Los cuatro gases usados son Ferromax 15 (una mezcla de argón: dióxido de carbono: oxígeno), helio, dióxido de carbono y oxígeno según se muestra en la Figura 9. El gradiente de la línea es proporcional al Peso Molecular (suponiendo que RT sea constante) para los tres. Por consiguiente, el oscilador 210 de cristal de cuarzo puede determinar fácilmente el peso molecular del gas o de una mezcla de gases.

Además, la alta precisión del oscilador 210 de cristal de cuarzo permite que la medición sea de una precisión muy alta con una resolución de partes por millón. Unido a la respuesta lineal del sensor 202 de densidad de cuarzo a altas densidades y presiones, la alta precisión permite que el peso molecular de gases muy ligeros, como el H2 y el He, sean medidos de manera precisa.

Adicionalmente, en el caso de la realización de la Figura 5, el medidor 500 de peso molecular comprende un oscilador 510 de cristal de cuarzo adicional operable para determinar la presión atmosférica. En este caso, la ecuación 8) puede ser expresada de manera simple para proporcionar la ecuación 9):

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Según se ha explicado con anterioridad, la composición del aire (es decir ~78% de nitrógeno, ~21% de oxígeno, ~1% de otros componentes) es por lo general relativamente constante y por ello la ecuación 9) puede ser usada para determinar la presión a partir de la medición de densidad por el oscilador 510 de cristal de cuarzo.

Una aplicación útil de esta tecnología consiste en la detección de purgado. Las Figuras 13 y 14 ilustran datos experimentales de detección de purgado de gas. Tal información es vital en situaciones tales como en soldadura orbital automática de conductos.

La Figura 13 muestra un gráfico de frecuencia (Hz) sobre el eje Y cómo función del tiempo (en segundos) sobre el eje X para un flujo de argón a 5 litros/minuto en un ambiente de nitrógeno, seguido del rellenado con nitrógeno. De forma clara, el cambio de frecuencia por etapa es fácilmente medible con alta precisión.

La Figura 14 muestra los mismos datos salvo en que, en este caso, el eje Y ha sido calibrado para lectura del Peso Molecular (en Unidades de Masa).

Estas Figuras ilustran claramente que, para la mayor parte de usos normales, el peso molecular del gas puede ser fácilmente determinado usando un oscilador de cristal de cuarzo. Además, el cambio de peso molecular que ocurre

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cuando se purga un gas con otro, está claramente definido y es identificable. Por consiguiente, el cambio de peso molecular durante un purgado de gas puede ser calculado con suficiente precisión y resolución de tiempo usando el oscilador 210 de cristal de cuarzo y el circuito excitador 204.

Ahora se va a describir un método de operación de una realización con referencia a la Figura 15. El método que se describe a continuación es aplicable a cada una de las realizaciones primera a cuarta que se han descrito con anterioridad.

Etapa 550: inicializar medición

En la etapa 550, se inicializa la medición del peso molecular del gas presente en el interior del alojamiento 202. Esta puede ser activada, por ejemplo, por parte de un usuario que presiona un botón en el exterior del alojamiento 202. Alternativamente, la medición puede ser iniciada por medio de una conexión remota, por ejemplo, una señal transmitida a través de una red inalámbrica y recibida por el medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular a través de una antena.

Como alternativa adicional, o además, el medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular puede estar configurado para ser inicializado remotamente o con un temporizador. El método avanza a la etapa 552.

Etapa 552: excitar el oscilador de cristal de cuarzo

Una vez inicializado, el circuito excitador 212 se utiliza para excitar el oscilador 210 de cristal de cuarzo. Durante la inicialización, el circuito excitador 212 aplica una tensión de ruido de AC aleatoria a través del cristal 210. Al menos una porción de esa tensión aleatoria estará a una frecuencia adecuada para provocar que el cristal 210 oscile. El cristal 210 empezará entonces a oscilar en sincronía con esa señal.

Como se puede apreciar, el oscilador 210 de cristal de cuarzo es, en esencia, un detector y excitador autocontenido puesto que la frecuencia resonante del propio cristal está siendo medida.

Mediante el efecto piezoeléctrico, el movimiento del oscilador 210 de cristal de cuarzo generará una tensión en la banda de frecuencia resonante del oscilador 210 de cristal de cuarzo. El circuito excitador 212 amplifica a continuación la señal generada por el oscilador 210 de cristal de cuarzo, de tal modo que las señales generadas en la banda de frecuencia del resonador 202 de cristal de cuarzo dominan la salida del circuito excitador 212. La estrecha banda de resonancia del cristal de cuarzo filtra todas las frecuencias indeseadas y el circuito excitador 212 activa a continuación el oscilador 210 de cristal de cuarzo a la frecuencia f resonante fundamental. Una vez que el oscilador 210 de cristal de cuarzo se ha estabilizado a una frecuencia resonante particular, el método avanza a la etapa 554.

Etapa 554: medir frecuencia resonante del oscilador de cristal de cuarzo

La frecuencia resonante f depende de las condiciones realización, el cambio de la frecuencia resonante Df es, en una buena aproximación, de magnitud proporcional al cambio de densidad del gas en el interior 206 del alojamiento 202 y se reducirá con el incremento de la densidad.

Con el fin de realizar una medición, la frecuencia del oscilador 210 de cristal de cuarzo se mide durante un periodo de aproximadamente 1 s. Esto se hace para permitir que la lectura se estabilice y para que se cuenten oscilaciones suficientes con el fin de determinar una medición precisa. La medición de la frecuencia se lleva a cabo en el procesador 230. El procesador 230 puede también registrar el instante, T1, en que se inició la medición.

Una vez que la frecuencia ha sido medida, el método avanza a la etapa 556.

Etapa 556: medir la temperatura del gas

En la etapa 556, el sensor de temperatura 214 mide la temperatura del gas en el interior del alojamiento 202. Esta medición se lleva a cabo con el fin de mejorar la precisión del cálculo del peso molecular a partir del cambio de frecuencia medido en la etapa 554.

La medición de la temperatura no necesita ser particularmente precisa. Por ejemplo, si el sensor de temperatura 214 tiene una precisión de hasta 0 5 °C, entonces esto corresponde sólo a un error de aproximadamente una parte de 600 (suponiendo temperaturas atmosféricas normales) sobre el valor de temperatura absoluta requerido para el cálculo del peso molecular en etapas posteriores.

Como alternativa, esta etapa puede incluir simplemente un valor de temperatura fijo que se introduce en el procesador 230. Esto puede ocurrir, por ejemplo, en situaciones en las que se usa un entorno de temperatura conocida. En este caso, no se requiere el sensor de temperatura 214.

Etapa 558: determinar la presión del gas

Una vez que ha sido medida satisfactoriamente la frecuencia del oscilador 210 de cristal de cuarzo en la etapa 554 y la temperatura medida en la etapa 556, el procesador 230 determina a continuación la presión del gas en el interior

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del espacio 206 del alojamiento 202.

Esto puede hacerse con un valor de entrada procedente del sensor de presión 302 (si lo hay) que proporciona una señal eléctrica proporcional a la presión medida en el alojamiento 202. Esto se aplica para la segunda y la cuarta realizaciones.

Alternativamente, el valor de presión puede ser introducido en el procesador 230 manualmente o automáticamente sí la presión es conocida hasta un grado razonable. Esto puede corresponder con la salida de un regulador de presión fija (como en la primera realización) o puede corresponder a la presión atmosférica (como en la tercera realización).

Etapa 560: determinar el peso molecular del gas

Esto se hace usando la ecuación 8) anterior donde la densidad p, la presión P y la temperatura T del gas son conocidas. Por lo tanto, conociendo la frecuencia resonante según se ha medido en la etapa 554, la temperatura T conocida del gas en el alojamiento 202 medida en la etapa 556 y la presión conocida del gas según se ha determinado en la etapa 558, se puede realizar una medición precisa del peso molecular (o del peso molecular medio para una mezcla homogénea de gases). El método avanza entonces a la etapa 562.

Etapa 562: comunicar y almacenar resultados

El peso molecular del gas puede ser mostrado según un número de formas. Por ejemplo, una pantalla (no representada) unida al alojamiento 202 o al regulador 150, 250 podría mostrar el peso molecular (o el peso molecular medio) del gas. Como alternativa, la medición de la presión podría ser comunicada remotamente a una estación de base o a un medidor situado en una instalación adyacente según va a ser descrito más adelante.

Una vez en el medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular para su posterior recuperación. Como una alternativa adicional más, la presión del gas en el instante T1 podría ser almacenada en una memoria local de dicho procesador 230 para generar un registro de tiempo.

El método avanza a continuación a la etapa 564.

Etapa 564: Conjunto sensor de apagado

No es necesario mantener el medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular operativo en todo momento. Por el contrario, resulta beneficioso reducir el consumo de potencia apagando el medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular cuando no esté en uso. Esto prolonga la vida de la batería 216.

La configuración del circuito excitador 212 permite que el oscilador 210 de cristal de cuarzo sea reiniciado con independencia de la presión en el alojamiento 202. Por lo tanto, el medidor 200 300, 400, 500 de peso molecular puede ser apagado cuando y como se requiera con el fin de ahorrar energía de la batería.

Una aplicación importante del medidor de peso molecular conforme a la presente invención consiste en un mezclador de gas de tipo realimentado. En una disposición de ese tipo, se requiere mezclar dos gases distintos en concentraciones y proporciones precisas. Esto puede ser necesario en situaciones tales como, por ejemplo, aplicaciones de soldadura MIG en las que se requiere una mezcla de argón y dióxido de carbono, estando el porcentaje de dióxido de carbono bien definido. Alternativamente, para muchas aplicaciones de asistencia sanitaria o médicas, se requieren mezclas precisas de gases donde puede ser necesario conocer el porcentaje relativo de un tipo particular de gas con un alto grado de precisión.

Una realización de un mezclador de gas conforme a la presente invención ha sido mostrada en la Figura 16. La Figura 16 muestra un mezclador de gas 600 que va a ser usado con el medidor 500 de peso molecular de la realización anterior.

El mezclador de gas 600 comprende una primera fuente de gas 602 y una segunda fuente de gas 604. En esta realización, las fuentes de gas 602, 604 comprenden cilindros de gas que están dispuestos para almacenar gases permanentes bajo alta presión. Cada cilindro comprende una válvula (no representada) que puede ser similar a la válvula 104 mostrada en la primera realización.

Los gases contenidos en el interior de cada cilindro de gas son diferentes y se seleccionan dependiendo del uso requerido. Por ejemplo, en aplicaciones de soldadura, se usa una mezcla de argón y dióxido de carbono. Alternativamente, para aplicaciones médicas, se puede necesitar una mezcla de oxígeno y nitrógeno.

La primera y la segunda fuentes de gas 602, 604 están conectadas a un primer y un segundo conductos de suministro 606, 608, respectivamente. Válvulas de no retorno 610, 612 están situadas en el primer y segundo conductos de suministro, respectivamente corriente abajo de las respectivas primera y segunda fuentes de gas 602, 604 para evitar el retroceso de los gases hacia las fuentes de gas 602, 604.

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Además, una válvula principal 614 se encuentra situada en el primer conducto de suministro 606 corriente abajo de la válvula de no retorno 610. La válvula principal 614 es operable manualmente y puede adoptar cualquier forma adecuada. Por ejemplo, la válvula principal 614 puede adoptar forma de una simple válvula de apertura/cierre, o puede comprender una válvula de flujo ajustable, VIPR o un regulador. Alternativamente, la válvula principal 614 puede estar controlada electrónicamente por parte de un usuario remoto del mezclador de gas 600. La tasa de flujo global de la mezcla de gases (descrita más adelante) se establece mediante la válvula principal 614.

Una válvula de solenoide 616 se encuentra situada en el segundo conducto de suministro 608 corriente abajo de la válvula de no retorno 612. La válvula de solenoide 616 comprende una armadura (no representada) que es móvil en respuesta a una corriente eléctrica a través de un conjunto de bobinas (no representadas) situadas en el cuerpo de la válvula de solenoide 616. La armadura es móvil para abrir o cerrar la válvula de solenoide 616 para permitir que el gas fluya más allá de la válvula de solenoide 616 hasta los componentes corriente abajo de la misma.

La válvula de solenoide 616 puede estar en condición de normalmente abierta. En otras palabras, en ausencia de corriente eléctrica a través de la válvula de solenoide 616, la armadura está en posición retraída de tal modo que la válvula de solenoide 616 está abierta, es decir, el gas procedente de la segunda fuente de gas 614 está en condiciones de fluir a través de la misma hasta los componentes corriente abajo de la válvula de solenoide 616. Si se aplica una corriente a la válvula de solenoide 616, la armadura se retraerá y la válvula de solenoide 616 se cerrará, impidiendo que el gas circule a través de la misma. En esta realización, la válvula de solenoide 616 es continuamente variable en dirección lineal.

El experto en la materia podría idear fácilmente diferentes tipos de válvula de solenoide que podrían ser usadas con la presente invención. Por ejemplo, la armadura puede actuar directamente como restricción de flujo operable selectivamente. Alternativamente, la armadura podría actuar directamente sobre un diafragma. Como alternativa adicional, la armadura podría controlar el flujo a través de un conducto estrecho en comunicación con el conducto de suministro 608 corriente abajo de la válvula de solenoide 616 con el fin de regular el movimiento de un diafragma. Una disposición de ese tipo se conoce como válvula piloto de diafragma. La válvula de solenoide 616 está controlada por el medidor 500 de peso molecular según se va a describir más adelante.

El primer y el segundo conductos de suministro 606, 608 están conectados a una unidad mezcladora 618. La unidad mezcladora 618 es operable para combinar los dos flujos procedentes del primer y del segundo conductos de suministro 606, 608 y para hacer que pase el flujo combinado hasta un tercer conducto de suministro 620. La unidad mezcladora 618 simplemente actúa para combinar los dos flujos y no altera la proporción de gas o de presión en cada flujo.

El mezclador de gas 600 comprende el medidor 500 de peso molecular de la cuarta realización. En esta disposición, el medidor 500 de peso molecular comprende un primer oscilador 210 de cristal de cuarzo situado en el interior del tercer conducto de suministro 620 en un extremo distal del mismo adyacente a la salida 622 del mismo. La salida 622 es a la atmósfera. Por lo tanto, la presión experimentada por el primer oscilador 210 de cristal de cuarzo corresponde, en una buena aproximación, a la presión atmosférica.

El medidor 500 de peso molecular comprende también un segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo expuesto a la presión atmosférica por el exterior del mezclador 600, de forma similar a la realización de la Figura 5. En este caso, el segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo está situado en las proximidades de (pero no en) la salida para asegurar una lectura de presión precisa mientras que se mantiene sin verse afectado por el flujo de gas procedente de la salida 622.

Adicionalmente, el medidor 500 de peso molecular comprende un excitador de solenoide electrónico 652 conectado a la válvula de solenoide 616 y al conjunto sensor 204 del medidor 500 de peso molecular.

El excitador de solenoide 652 está dispuesto para recibir una señal procedente del conjunto sensor 204 y para controlar la válvula de solenoide 616 en respuesta a esa señal. Por consiguiente, el medidor 500 de peso molecular es operable para controlar el flujo de gas a través de la válvula de solenoide 616. En otras palabras, el medidor 500 de peso molecular y la válvula de solenoide 616 forman un bucle de realimentación que permite una regulación remota y precisa de la presión del flujo de gas a lo largo del segundo conducto de suministro 608 hasta el mezclador 618. Por lo tanto, la proporción de los gases mezclados en la unidad mezcladora 618 puede ser controlada de manera precisa según se va a describir más adelante.

El excitador de solenoide 652 puede comprender cualquier circuito excitador adecuado para controlar la válvula de solenoide 616. Un circuito adecuado puede ser una disposición de amplificador operacional que tenga una entrada desde el conjunto sensor 204 hasta el terminal negativo del amplificador operacional. En consecuencia, un resistor variable podría estar conectado al terminal positivo. El resistor variable podría estar dispuesto de modo que proporcione un nivel de referencia constante y actúe como comparador. El nivel de referencia puede ser variado automáticamente o manualmente.

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Una señal de entrada desde el conjunto sensor 204 hasta el excitador de solenoide 652 provocará la operación de la válvula de solenoide 616. Por ejemplo, si la señal de entrada procedente del conjunto sensor 204 (o alternativamente, del procesador 230) excede un nivel de umbral particular, el excitador de solenoide 652 puede energizar la válvula de solenoide 616. La válvula de solenoide 616 puede ser controlada de manera digital (es decir, abierta o cerrada) cuando una tensión de DC se hace variar entre un valor máximo y uno mínimo. Alternativamente, la tensión de DC procedente del excitador de solenoide 652 puede ser continuamente variable para ajustar de manera precisa la cantidad de restricción de flujo a través de la válvula de solenoide 616.

Adicional o alternativamente, el excitador de solenoide 652 puede controlar la válvula de solenoide 616 por medio de una salida de DC que comprende una componente de AC. Puesto que la extensión de la armadura desde la válvula de solenoide 616 es aproximadamente proporcional a la corriente aplicada, esto provoca que la armadura de la válvula de solenoide 616 oscile. Tales oscilaciones mitigan la fricción de la armadura, es decir, ayudan a impedir que la armadura se pegue o se atasque.

Alternativamente, se pueden usar otras disposiciones de control, tal como FETs, procesadores o ASICs como medios apropiados para controlar la operación de la válvula de solenoide 616. Además, la válvula de solenoide 616 puede operar tanto en modo digital (es decir, apertura/cierre) como en modo analógico (es decir, continuamente variable) para permitir el movimiento preciso de la armadura o similar.

En la Figura 16, los componentes principales del medidor 500 de peso molecular han sido mostrados por separado de la válvula de solenoide 616. En esa situación, la válvula de solenoide 616 puede estar controlada remotamente por medio de comunicación inalámbrica entre el conjunto sensor 204 y el excitador de solenoide 652.

La operación del mezclador de gas 600 va a ser descrita en lo que sigue. Según se ha mencionado previamente, el medidor 500 de peso molecular está capacitado para determinar el peso molecular de un gas, o el peso molecular medio de un gas. Cuando se mezclan dos gases en proporciones diferentes, el peso molecular medio de la mezcla de gas variará conforme a la proporción relativa de cada gas. Por lo tanto, realizando una medición del peso molecular medio de la mezcla, y conociendo los pesos moleculares de cada gas individual y la presión (a partir del segundo oscilador 510 de cristal de cuarzo) y la temperatura (a partir del sensor de temperatura 214), se puede determinar la proporción de cada gas en la mezcla.

La tasa de flujo principal del gas desde la primera fuente de gas 602 se establece mediante la válvula principal 614 que, según se ha descrito anteriormente, es operable por el usuario. Una vez que la misma ha sido establecida, el medidor 500 de peso molecular está en condiciones de controlar la válvula de solenoide 616 para que dispense la cantidad correcta de gas procedente de la segunda fuente de gas 604 con el fin de conseguir una mezcla de gases con las proporciones deseadas. Esto se hace a través del excitador de solenoide 652.

Por lo tanto, sí la proporción de gas procedente de la segunda fuente de gas 604 es demasiado alta, el medidor 500 de peso molecular cerrará, o cerrará parcialmente, a través del excitador de solenoide 652, la válvula de solenoide 616 para restringir el flujo de gas procedente de la segunda fuente de gas 604. De manera correspondiente, sí la proporción de gas procedente de la segunda fuente de gas 604 es demasiado baja, el medidor 500 de peso molecular abrirá, o abrirá parcialmente, a través del excitador de solenoide 652, la válvula de solenoide 616 para incrementar el flujo de gas procedente de la segunda fuente de gas 604.

La realización anterior proporciona un método fiable, robusto y de bajo coste para la provisión de una mezcla de gas en la que la relación de cada gas de la mezcla puede ser determinada y mantenida de forma fiable y precisa.

Una realización alternativa de un mezclador de gas 700 ha sido mostrada en la Figura 17. Mientras que el mezclador de gas 600 de la realización anterior es operable para suministrar una mezcla proporcional deseada de dos gases diferentes a una presión determinada por un usuario, el mezclador de gas 700 es operable para controlar electrónicamente tanto la presión del gas como la proporción de los dos gases.

El mezclador de gas 700 comprende una primera fuente de gas 702 para dispensar un gas A y una segunda fuente de gas 704 para dispensar un gas B. En esta realización, las fuentes de gas 702, 704 comprenden cilindros de gas que están dispuestos para almacenar gases permanentes bajo alta presión. Cada cilindro comprende una válvula (no representada) que puede ser similar a la válvula 104 mostrada en la primera realización. Los gases A, B contenidos en el interior de cada cilindro de gas son diferentes y se seleccionan dependiendo del uso requerido como en el caso de la realización de la Figura 16.

La primera y la segunda fuentes de gas 702, 704 están conectadas a un primer y un segundo conductos de suministro 706, 708, respectivamente. Válvulas de no retorno 710, 712 han sido colocadas en el primer y segundo conductos de suministro, respectivamente corriente abajo de la primera y la segunda fuentes 702, 704 respectivas de gas para impedir el flujo de retorno de los gases hacia las fuentes de gas 702, 704.

Una primera válvula de solenoide 714 está situada en el primer conducto de suministro 706 corriente abajo de la

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válvula de no retorno 710. La primera válvula de solenoide 714 comprende una armadura (no representada) que es móvil en respuesta a una corriente eléctrica a través de un conjunto de bobinas (no representadas) situadas en el cuerpo de la primera válvula de solenoide 714. La armadura es móvil para abrir o cerrar la primera válvula de solenoide 714 para permitir que el gas fluya más allá de la primera válvula de solenoide 714 hasta los componentes corriente abajo de la misma. La tasa de flujo global de la mezcla de gases (descrita más adelante) se establece mediante la válvula de solenoide 714 según se va de escribir más adelante.

Una segunda válvula de solenoide 716 se encuentra dispuesta en el segundo conducto de suministro 708 corriente abajo de la válvula de no retorno 712. La válvula de solenoide 716 es sustancialmente similar a la primera válvula de solenoide 714 y es operable para abrir o cerrar de modo que permita que el gas fluya más allá de la segunda válvula de solenoide 716 hasta los componentes corriente abajo de la misma.

La primera y/o la segunda válvulas de solenoide 714, 716 pueden estar en la condición de normalmente abiertas. En otras palabras, en ausencia de una corriente eléctrica a través de la primera y/o la segunda válvulas de solenoide 714, 716, la armadura está en una posición retraída de tal modo que las válvulas de solenoide 714, 716 están abiertas, es decir, el gas procedente de la primera y/o la segunda fuente de gas 702, 704 está en condiciones de circular a través de las mismas hasta los componentes corriente abajo de las válvulas de solenoide 714, 716. Si se aplica una corriente a las válvulas de solenoide 714, 716 la armadura se retraerá y las válvulas de solenoide 714, 716 se cerrarán, impidiendo que el gas circule a través de las mismas. En esta realización, las válvulas de solenoide 714, 716 son continuamente variables en dirección lineal.

El experto en la materia podrá idear fácilmente diferentes tipos de válvula de solenoide que podrían ser usados con la presente invención. Por ejemplo, la armadura puede actuar directamente como restricción de flujo selectivamente operable. Alternativamente, la armadura podría actuar directamente sobre un diafragma. Como alternativa adicional, la armadura podría controlar el flujo a través de un conducto estrecho en comunicación con las líneas de suministro 706, 708 corriente abajo de las válvulas de solenoide 714, 716 con el fin de regular el movimiento de un diafragma. Una disposición de ese tipo se conoce como válvula piloto de diafragma. Las válvulas de solenoide 714, 716 están controladas por el medidor 750 de peso molecular según se va de escribir más adelante.

El primer y el segundo conductos de suministro 706, 708 están conectados a una unidad mezcladora 718. La unidad mezcladora 718 es operable para combinar los dos flujos (es decir, el gas A y el gas B) procedentes del primer y segundo conductos de suministro 706 708 y de modo que pase el flujo combinado (una mezcla de A y B) hasta un tercer conducto de suministro 720. La unidad mezcladora 718 simplemente actúa para combinar los dos flujos y no altera la proporción de gas o la presión de cada flujo. El mezclador de gas 700 comprende un medidor 750 de peso molecular. En esta disposición, el medidor 750 de peso molecular comprende un primer conjunto sensor 752 y un segundo conjunto sensor 754 conectado a un procesador 230 similar al procesador 230 descrito con anterioridad.

El primer conjunto sensor 752 comprende un primer oscilador 756 de cristal de cuarzo situado en el interior del primer conducto de suministro 706 corriente abajo de la primera válvula de solenoide 714 y sumergido en el gas presente en el mismo. El primer conjunto sensor 752 comprende también un circuito excitador y una fuente de alimentación (no representados) sustancialmente similares al circuito excitador 212 y a la batería 216 de realizaciones anteriores.

El segundo conjunto sensor 756 comprende un segundo oscilador 758 de cristal de cuarzo y un sensor de temperatura 260 ubicado en el interior del conducto de suministro 720 corriente abajo de la unidad mezcladora 718 y sumergido en el gas presente en el mismo. El segundo conjunto sensor 756 comprende también un circuito excitador y una fuente de alimentación (no representados) sustancialmente similares al circuito excitador 212 y a la batería 216 de realizaciones anteriores.

Adicionalmente, el medidor 750 de peso molecular comprende un primer excitador de solenoide electrónico 762 conectado a la válvula de solenoide 714 y al procesador 230, y un segundo excitador de solenoide electrónico 764 conectado a la válvula de solenoide 716 y al procesador 230.

El excitador de solenoide 762 está dispuesto para recibir una señal procedente del procesador 230 y para controlar la válvula de solenoide 714 en respuesta a esa señal. Por consiguiente, el medidor 750 de peso molecular es operable para controlar la cantidad total de flujo de gas que sale de la salida 722 o, alternativamente, la presión de salida desde la salida 722. En otras palabras, el medidor 750 de peso molecular y la válvula de solenoide 714 forman un bucle de realimentación que permite la regulación de presión precisa y remota de la cantidad de flujo de gas a lo largo del primer conducto de suministro 706 hasta el mezclador 718.

El excitador de solenoide 764 está también dispuesto para recibir una señal procedente del procesador 230 y para controlar la válvula de solenoide 716 en respuesta a esa señal. Por consiguiente, el medidor 750 de peso molecular es operable para controlar la proporción de flujo de gas procedente de la fuente de gas 704 con respecto al flujo de gas procedente de la fuente de gas 702. En otras palabras, el medidor 750 de peso molecular y la válvula de solenoide 716 forman un bucle de realimentación que permite la regulación precisa y remota de la cantidad de flujo

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de gas a lo largo del segundo conducto de suministro 708 hasta el mezclador 718 con respecto a la proporción de gas que fluye a lo largo del primer conducto de suministro 706. En este, una proporción requerida del gas procedente de la segunda fuente de gas 704 se mezcla en la unidad mezcladora 718.

Los excitadores de solenoide 762, 764 pueden comprender cualquier circuito excitador adecuado para controlar las válvulas de solenoide 714, 716 respectivas. Un circuito adecuado puede ser un amplificador operacional dispuesto de modo que tenga una entrada procedente de los conjuntos sensores 752, 756 y del procesador 230 en el terminal negativo del amplificador operacional. Por consiguiente, un resistor variable podría estar conectado al terminal positivo. El resistor variable puede estar dispuesto para proporcionar un nivel de referencia constante y actuar como comparador. El nivel de referencia puede ser modificado automáticamente o manualmente.

Una entrada procedente del procesador 230 en los excitadores de solenoide 762, 764 provocará la operación de las válvulas de solenoide 714, 716. Por ejemplo, sí la señal de entrada procedente del procesador 230 excede un nivel de umbral particular, el excitador de solenoide 762 o el excitador de solenoide 764 puede energizar la válvula de solenoide 714, 716 respectiva. Las válvulas de solenoide 714, 716 pueden estar controladas de una manera digital (es decir, abiertas o cerradas) donde una tensión de DC se hace que varíe entre un valor máximo y un mínimo. Alternativamente, la tensión de DC procedente de los excitadores de solenoide 762, 764 puede ser continuamente variable para ajustar de manera precisa la cantidad de restricción de flujo a través de las respectivas válvulas de solenoide 714, 716.

Adicional o alternativamente, el excitador de solenoide 652 puede controlar la válvula de solenoide 616 por medio de una salida de DC que comprende una componente de Ac según se ha descrito en relación con la realización anterior.

Alternativamente, se pueden usar otras disposiciones de control, tal como FETs, procesadores o ASICs según sea apropiado para controlar la operación de las válvulas de solenoide 714, 716. Además, las válvulas de solenoide 714, 716 pueden operar tanto en modo digital (es decir, abierta/cerrada) como analógico (es decir, Continuamente Variable) para permitir el movimiento preciso de la armadura o similar.

En la Figura 17, los componentes principales del medidor 750 de peso molecular han sido mostrados separadamente de la válvula de solenoide 714, 716. En esa situación, la válvula de solenoide 714, 716 puede ser controlada remotamente por medio de una comunicación inalámbrica entre el procesador 230 y las válvulas de solenoide 714, 716.

La operación del mezclador de gas 700 va a ser descrita a continuación. Según se ha mencionado previamente, el medidor 750 de peso molecular está capacitado para determinar el peso molecular medio de una mezcla de gases A y B. Adicionalmente, el medidor 750 de peso molecular es operable para determinar la presión del gas. Cuando se mezclan dos gases en diferentes proporciones, el peso molecular medio de la mezcla de gas variará conforme a las proporciones relativas de cada uno de los gases. Por lo tanto, realizando una medición del peso molecular medio de la mezcla, y conociendo los pesos moleculares de cada gas individual y la presión y la temperatura, se puede determinar la proporción de cada gas en la mezcla, junto con la salida de presión deseada.

La tasa de flujo principal del gas A procedente de la primera fuente de gas 702 la establece un usuario o puede ser establecida de forma automática. Esto determina un punto de ajuste en el procesador 230. Se supone que el gas A procedente de la primera fuente de gas 702 es el gas mayoritario y que el gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 es el gas minoritario.

El conjunto sensor 752 se utiliza para calcular la presión P corriente abajo de la válvula de solenoide 714. Puesto que el peso molecular de la primera fuente de gas, MWA es conocido (debido aquel primer gas A procedente de la fuente de gas 702 es un gas envasado), se puede determinar entonces la presión inmediatamente corriente abajo de la válvula de solenoide 714 por medio de la ecuación 10):

imagen7

donde P es la presión, R es la constante del gas, T es la temperatura absoluta (según se mide mediante el sensor de temperatura 760), MWA es el peso molecular del gas A procedente de la primera fuente de gas 702 y pA es la densidad medida inmediatamente corriente abajo de la válvula de solenoide 714 en el primer conducto de suministro 706.

Se hace la suposición de que la presión según se mide en el primer conducto de suministro 706 es aproximadamente la misma que en la unidad mezcladora 718 y en el conducto de suministro 720 de salida. Esta suposición se aplica si la proporción de gas procedente de la segunda fuente de gas 704 es la minoritaria cuando se compara con el gas mayoritario procedente de la primera fuente de gas 702.

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El valor medido de P según se mide por medio del conjunto sensor 752, se introduce a continuación en el procesador 230, el cual es operable para controlar la válvula de solenoide 714 en función del mismo a efectos de conseguir una presión de salida deseada. Esto puede hacerse sobre una base proporcional, con la presión del punto de ajuste almacenada por el procesador 230 restada del valor de presión medida, y la diferencia entre ambas usada para controlar la válvula de solenoide.

A continuación, se determina el peso molecular medio de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720 por medio del conjunto sensor 754. En esta realización, el segundo oscilador 758 de cristal de cuarzo es operable para determinar la densidad pmix de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720. El peso molecular medio MWmix de la mezcla de gas puede ser determinado entonces a partir de la ecuación 11):

11)

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RTP*t

P

Donde P es la presión según se mide mediante el primer conjunto sensor 752. Una vez que se ha calculado el peso molecular medio (MWmix) de la mezcla de gas, se puede determinar el porcentaje en volumen (%B) del gas minoritario B procedente de la segunda fuente de gas 704, conforme a la ecuación 12):

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la cual conduce a continuación a la ecuación 13):

13)

%B =

(MWm, -MWa) (MWb -MWa)

El valor del porcentaje en volumen de gas B (%B) puede ser comparado a continuación por medio del procesador 230 con un valor de punto de ajuste deseado y la válvula de solenoide 716 controlada de acuerdo con el mismo. Por lo tanto, el medidor 750 de peso molecular está en condiciones de controlar la válvula de solenoide 716 para que dispense la cantidad correcta de gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 con el fin de lograr una mezcla proporcional deseada de los gases A y B. Esto se hace por medio del excitador de solenoide 764.

Por lo tanto, sí la proporción de gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 es demasiado alta, el medidor 750 de peso molecular cerrará, o cerrará parcialmente, a través del excitador de solenoide 764, la válvula de solenoide 716 para restringir el flujo de gas B procedente de la segunda fuente de gas 704. De manera correspondiente, sí la proporción de gas procedente de la segunda fuente de gas 704 es demasiado baja, el medidor 750 de peso molecular abrirá, o abrirá parcialmente, a través del excitador de solenoide 754, la válvula de solenoide 716 para incrementar el flujo de gas procedente de la segunda fuente de gas 704.

La realización anterior proporciona un método fiable y robusto, de bajo coste, de provisión de una mezcla precisa de gases a una presión dada, es decir a una presión constante de un gas en que la relación de cada gas en la mezcla puede ser mantenida de forma fiable y precisa.

Una realización alternativa de un mezclador de gas 800 ha sido mostrada en la Figura 18. El mezclador de gas 800 es operable para controlar electrónicamente tanto la presión del gas como la proporción de los dos gases en común con el mezclador de gas 700 de la realización anterior. Las características del mezclador de gas 800 comunes con las del mezclador de gas 700 han sido asignadas con los mismos números de referencia y no van a ser aquí descritas con mayor detalle.

El mezclador de gas 800 comprende un medidor 850 de peso molecular. En esta disposición, el medidor 850 de peso molecular comprende el primer conjunto sensor 752, el segundo conjunto sensor 754 y un tercer conjunto sensor 852. Cada conjunto sensor 752, 754, 852 está conectado al procesador 230. El primer y el segundo conjuntos sensores 752, 754 son idénticos a los del mezclador de gas 700 y no van a ser descritos aquí adicionalmente.

El tercer conjunto sensor 852 comprende un tercer oscilador 856 de cristal de cuarzo situado en el interior del segundo conducto de suministro 708 corriente abajo de la segunda válvula de solenoide 716 y sumergido en el gas presente en el mismo. El tercer conjunto sensor 852 comprende también un circuito excitador y una fuente de alimentación (no representados) sustancialmente similares al circuito excitador 212 y a la batería 216 de realizaciones anteriores.

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Ahora se va a describir la operación del mezclador de gas 800. Según se ha comentado anteriormente, el medidor 850 de peso molecular está capacitado para determinar el peso molecular medio de una mezcla de gases A y B. Además, el medidor 850 de peso molecular es operable para determinar la presión del gas. Cuando se mezclan dos gases en diferentes proporciones, el peso molecular medio de la mezcla de gas variará conforme a la proporción relativa de cada gas. Por lo tanto, realizando una medición del peso molecular medio de la mezcla, y conociendo los pesos moleculares de cada gas individual, la presión y la temperatura, se puede determinar la proporción de cada gas en la mezcla, junto con la salida de presión deseada.

La tasa principal de flujo del gas A procedente de la primera fuente de gas 702 se establece por el usuario o puede ser establecida automáticamente. Esto determina un punto de ajuste en el procesador 230. Se supone que el gas A procedente de la primera fuente de gas 702 es el gas mayoritario y que el gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 es el gas minoritario.

El conjunto sensor 852 se utiliza para calcular la presión P corriente abajo de la válvula de solenoide 716 en el segundo conducto de suministro 708. Puesto que el peso molecular del gas B, MWb es conocido (debido a que el gas B procedente de la fuente de gas 704 es un gas envasado), la presión inmediatamente corriente abajo de la válvula de solenoide 716 puede ser calculada entonces por medio de la ecuación 14):

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Donde P es la presión, R es la constante del gas, T es la temperatura absoluta (según se mide por medio del sensor de temperatura 760), MWb es el peso molecular del gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 y pe es la densidad medida inmediatamente corriente abajo de la válvula de solenoide 716 en el segundo conducto de suministro 708.

Este valor podría ser usado en lugar del cálculo realizado en la ecuación 9) usando el conjunto sensor 752. Alternativamente, ambas presiones podrían ser medidas y tomar un promedio para obtener una mejor estimación de la presión corriente abajo de la unidad mezcladora 718 según se define en la ecuación 15):

15) p = ^f_£d_ + _£s_l

2 \MWa MWb)

El valor medido de P según se mide mediante el conjunto sensor 752 y el conjunto sensor 852, se introduce a continuación en el procesador 230 que es operable para controlar la válvula de solenoide 714 dependiente del mismo para conseguir la presión de salida deseada. Esto puede hacerse sobre una base proporcional, con la inclusión opcional de una integral y/o una derivada con respecto al tiempo de la diferencia entre la presión P medida y la presión de punto de ajuste almacenada por el procesador 230.

A continuación, se determina el peso molecular medio de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720 por medio del conjunto sensor 754 usando el valor de P obtenido con anterioridad. En esta realización, el segundo oscilador 758 de cristal de cuarzo es operable para determinar la densidad pmix de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720. El peso molecular medio MWmix de la mezcla de gas puede ser determinado a continuación a partir de la ecuación 10) anterior, y el porcentaje en volumen (%B) del gas B minoritario procedente de la segunda fuente de gas 704 puede ser determinado conforme a las ecuaciones 12) y 13) anteriores.

Alternativamente, el valor del porcentaje en volumen del gas B (%B) puede ser calculado usando las densidades medidas conforme a la ecuación 16):

16) %B =

Adicionalmente, la presión corriente abajo del mezclador puede ser calculada, si se necesita, a partir de la ecuación 17):

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donde MWmix se determina a partir de la ecuación 12) anterior.

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La realización anterior proporciona un método fiable y robusto, de bajo coste, de provisión de una mezcla de gases precisa a una presión dada, es decir a una presión constante de un gas donde la relación de cada gas en la mezcla puede ser mantenida de manera fiable y precisa.

Una realización alternativa de un mezclador de gas 900 ha sido mostrada en la Figura 19. El mezclador de gas 900 es operable para controlar electrónicamente la proporción de los dos gases en común con el mezclador de gas 600, 700, 800 de la realización anterior. Sin embargo, en contraste con el mezclador de gas 700, 800 de las realizaciones anteriores, el mezclador de gas 900 es operable para controlar electrónicamente la tasa de flujo masivo de gas procedente de la salida 722. Las características del mezclador de gas 900 comunes con los mezcladores de gas 700, 800 han sido asignadas con los mismos números de referencia y no van a ser descritas aquí con mayor detalle.

El mezclador de gas 900 comprende un medidor 950 de peso molecular. En esta realización, el medidor 950 de peso molecular comprende un primer conjunto sensor 752 y un conjunto de flujo masivo 952. Cada conjunto 752, 952 está conectado al procesador 230. El primer conjunto sensor 752 es idéntico a los de los mezcladores de gas 700, 800 y no va a ser descrito aquí con mayor detalle.

Una realización de un conjunto de flujo masivo 952 ha sido mostrada en la Figura 20. Una realización adicional de un conjunto de flujo masivo 952 ha sido mostrada en la Figura 21.

Volviendo en primer lugar al conjunto de flujo masivo 952 de la Figura 20, el conjunto de flujo masivo 952 comprende un cuerpo 954 y un conjunto sensor 956. El conjunto sensor 956 es sustancialmente similar a los conjuntos sensores de las realizaciones anteriores y se han utilizado por lo tanto los mismos números de referencia.

El cuerpo 954 puede comprender cualquier material adecuado; por ejemplo, acero, aluminio o materiales compuestos. El cuerpo 954 comprende un conducto 958 y un alojamiento 960. El conducto 958 está en comunicación con el interior del conducto de suministro 720 (Figura 19) y está dispuesto para conectar con el mismo. El conducto 958 proporciona un paso de comunicación entre la salida 722 y el conducto de suministro 720.

Una placa de orificio 962 está situada dentro del espacio interior del conducto 958. La placa de orificio 962 comprende una pared que delimita un orificio restringido 964. La placa de orificio 962 constituye una restricción del flujo en el interior del conducto 958. El orificio 964 tiene un área A en sección transversal que es pequeña con relación al área en sección transversal del conducto 958, de tal modo que la velocidad de flujo a través del orificio 964 está en una condición de estrangulamiento, según se describirá más adelante.

Mientras que la placa de orificio 962 ha sido mostrada como una placa de pared delgada en la Figura 20, esto no necesita ser así. La placa de orificio 962 puede adoptar cualquier forma adecuada de pared y puede tener un perfil ahusado, o puede tener un espesor mayor que el representado. Alternativamente, se puede usar cualquier restricción de flujo adecuada en lugar de la placa de orificio 962. Por ejemplo, la restricción de flujo puede comprender una porción de un tubo de diámetro más estrecho que el resto del mismo. El experto en la materia podrá idear fácilmente restricciones de flujo alternativas que puedan ser usadas para proporcionar un orificio 964 de restricción de flujo a través del cual, durante el uso, se produce un flujo estrangulado.

En la presente realización, el conducto 958 tiene una longitud del orden de unos pocos centímetros. La placa de orificio 962 delimita un orificio 964 que tiene un diámetro comprendido en la gama de 0,1 mm - 4 mm. Esto es suficiente para proporcionar una condición de flujo estrangulado y para suministrar una tasa de flujo de gas a través del orificio 964 de entre 11 y 40 litros/minuto para gases tales como el nitrógeno y el argón. Para una mezcla de gases que tenga un peso molecular más bajo, el diámetro del orificio 964 puede ser reducido a escala para conseguir una tasa de flujo similar. Alternativamente, para tasas de flujo más grandes, el orificio 964 puede ser aumentado a escala de manera correspondiente, siempre que la presión corriente arriba sea suficientemente más alta que la presión corriente abajo para crear condiciones de flujo estrangulado a través del orificio 964.

La placa de orificio 962 divide el interior del conducto 958 en una sección corriente arriba 966, corriente arriba de la placa de orificio 962, y una sección corriente abajo 968, corriente abajo de la placa de orificio 962. Durante el uso, cuando el gas está fluyendo desde el conducto de suministro 720 hacia la parte corriente arriba 966 del conducto 958, la placa de orificio 962 actuará como restricción de flujo, dando como resultado un diferencial de presión entre las porciones corriente arriba 966 y corriente abajo 966 del conducto 958. En consecuencia, la porción corriente arriba 966 del conducto 958 está a una primera presión Pi y una densidad pi y la porción corriente abajo 968 del conducto está a una segunda (y durante el uso, más baja) presión P2 y una densidad p2. Esto va a ser descrito con detalle más adelante.

El alojamiento 960 está situado adyacente a la porción corriente arriba 966 del conducto 958 y está dispuesto para contener al menos una parte del conjunto sensor 956. El interior del alojamiento 960 puede estar a presión atmosférica o puede estar en comunicación con el interior del conducto 958 y, por consiguiente, a la misma presión que el interior del conducto de suministro 720. Esto eliminaría el requisito de una alimentación de presión entre el

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alojamiento 960 y el interior del conducto 958.

Alternativamente, el alojamiento 960 podría ser proporcionado como parte del conducto 958. Por ejemplo, una parte del conducto 958 podía estar ensanchada para albergar el conjunto sensor 956.

El conjunto de flujo masivo 954 está dispuesto para medir la tasa de flujo masivo del gas que pasa a través del orificio 964. Este gas se mide por medio del conjunto sensor 956. El conjunto sensor 956 comprende un oscilador 210 de cristal de cuarzo conectado a un circuito excitador 212, un sensor de temperatura 214 y una batería 216 según se ha descrito en realizaciones anteriores.

En la presente realización, el oscilador 210 del cristal de cuarzo y el sensor de temperatura 222 están situados en comunicación con el interior de la porción corriente arriba 966 del conducto 958, mientras que los restantes componentes del conjunto sensor 956 están situados en el interior del alojamiento 960. En otras palabras, el oscilador 210 de cristal de cuarzo está sumergido en la corriente de gas de la placa de orificio 962.

Una vez que se ha obtenido el valor de la densidad a partir del oscilador 210 de cristal de cuarzo, la tasa de flujo masivo del gas a través del orificio 964 puede ser determinada por medio del procesador 230. La tasa de flujo masivo, Q, a través de un orificio se define como:

18) Q — kvpjA

Donde k es una constante, v es la velocidad del gas, p1 es la densidad corriente arriba del gas, y A es el área en sección transversal del orificio A. Sin embargo, a partir de la ecuación de Bernoulli 19), se deduce:

1 2 1 ,

19) P,+jplvl = P2 + —P2%

Según disminuye el área de sección transversal de un orificio, la velocidad del gas se incrementará y la presión del gas se reducirá.

La determinación de tasa de flujo masivo a través del orificio 964 depende de una condición conocida como flujo “estrangulado” o “crítico”. Tal situación se presenta cuando la velocidad del gas alcanza condiciones sónicas, es decir cuando la restricción de flujo causada por la placa de orificio 962 es tal que la velocidad del gas que fluye a través del orificio 964 alcanza la velocidad del sonido. Esto ocurre cuando la relación de presión a través del orificio 964 (es decir, P1/P2) es de aproximadamente 2 o más. Como medida alternativa, la condición es aplicable en general cuando la presión absoluta P1 corriente arriba es de al menos 0,5-1 bar más alta que la presión absoluta P2 corriente abajo.

Una vez que se cumple esta condición, existe un incremento adicional muy pequeño en la velocidad del aire que pasa a través del orificio 964. Por lo tanto, en la condición de flujo estrangulado en la que v = c (la velocidad del sonido en el gas en cuestión), la ecuación 18) se convierte en:

20) Q = kcp{A

Por consiguiente, para un orificio que tiene un área A en sección transversal fija, el flujo masivo a través del orificio 964 depende solamente de la densidad corriente arriba. Éste es el parámetro que el oscilador 210 de cristal de cuarzo está previsto que mida.

La Figura 22 ilustra datos experimentales de la medición de tasa de flujo masivo. La Figura 22 es un gráfico de frecuencia resonante (en kHz) sobre el eje Y como función de la tasa de flujo de gas (en litros/minuto) sobre el eje X para el gas nitrógeno. Según se ha mostrado, el gráfico es altamente lineal y muestra que la tasa de flujo masivo puede ser medida de manera precisa usando el oscilador 210 de cristal de cuarzo.

Además, la alta precisión del oscilador 210 de cristal de cuarzo permite la medición con una precisión muy alta con una reducción de las partes por millón. Junto con la respuesta lineal del sensor 210 de densidad de cuarzo a densidades y presiones altas, la alta precisión permite que se mida de manera precisa la tasa de flujo masivo de gases muy ligeros tal como H2 y He.

Sin embargo, según se ha descrito con anterioridad, la medición del flujo masivo usando el oscilador 210 de cristal de cuarzo solamente será precisa bajo condiciones de flujo estrangulado, es decir cuando la velocidad de flujo a través del orificio 964 está próxima, o es igual, a la velocidad del sonido en el gas. Esto puede requerir, en la

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práctica, que el usuario mantenga un flujo mínimo particular de gas a través del conducto de suministro 720 con el fin de proporcionar una medición precisa.

Como resultado, un único oscilador 210 de cristal de cuarzo corriente arriba que ópera por sí solo, está incapacitado para proporcionar una indicación de si una condición de flujo estrangulado está presente a través del orificio 964. La realización de la Figura 21 es operable para direccionar este aspecto.

En el conjunto 952 de flujo masivo de la Figura 21, se ha previsto un conjunto sensor 970 adicional que comprende un oscilador 972 de cristal de cuarzo adicional. El uso de sensores piezoeléctricos tanto corriente arriba como corriente abajo del orificio 964, permite que se consiga una medición precisa del flujo.

Según se ha expuesto con anterioridad en relación con la ecuación 19) la tasa de flujo masivo Q es proporcional a la densidad p1 corriente arriba si la velocidad del flujo de fluido a través del orificio 964 es sónica o está cerca de ser sónica. Según se ha mencionado en lo que antecede, esta condición se cumple generalmente si la relación de la presión corriente arriba respecto a la presión corriente abajo (es decir, P1/P2) es de aproximadamente 2 o mayor.

Sin embargo, en la práctica, la relación de presión puede ser insuficiente. La aplicación de la ecuación de Bernoulli y la teoría establecida de flujo estrangulado y de velocidad de sonido, conduce a la ecuación 21):

21) Q ík k' Acy¡(pi -p{p2)

donde k' es una constante sin dimensiones, A es el área del orificio, P1 es la densidad corriente arriba y P2 es la densidad corriente abajo.

De manera clara, sí p1/p2 > 2, entonces la ecuación 21) puede aproximarse a la ecuación 20) anterior debido a que se estima que está presente una condición de flujo estrangulado a través del orificio 964. Por lo tanto, en este caso, se puede utilizar la medición procedente solamente del primer conjunto sensor 956 para proporcionar una indicación precisa de tasa de flujo masivo en situaciones en las que P1/P2 > 2.

Sin embargo, sí la relación es más baja que esta, entonces se puede utilizar la ecuación 18) para calcular la tasa de flujo masivo utilizando ambos conjuntos sensores 954, 970 para medir la densidad P1 corriente arriba y la densidad P2 corriente abajo respectivamente, y para determinar la tasa de flujo masivo a tasas de flujo a través del orificio 964 por debajo de las condiciones de flujo estrangulado.

Haciendo de nuevo referencia a la Figura 19, el conjunto 952 de flujo masivo de la Figura 20 o bien el conjunto 952 de flujo masivo de la Figura 21, pueden ser usados con el mezclador de gas 900.

La operación del mezclador de gas 900 va a ser descrita a continuación. Según se ha mencionado previamente, el medidor 950 de peso molecular está capacitado para determinar el peso molecular medio de una mezcla de gases A y B. Adicionalmente, el medidor 950 de peso molecular es operable para determinar y establecer electrónicamente la tasa de flujo masivo a partir de la salida 722.

Cuando se mezclan dos gases en diferentes proporciones, el peso molecular medio de la mezcla de gas variará conforme a la proporción relativa de cada gas. Por lo tanto, realizando una medición del peso molecular medio de la mezcla, y conociendo los pesos moleculares de cada gas individual y las presiones y la temperatura, la proporción de cada gas en la mezcla puede ser determinada, junto con la salida de flujo masivo deseada.

La tasa de flujo masivo deseada de la mezcla de gas la establece un usuario o puede ser establecida automáticamente. Esto determina un punto de ajuste en el procesador 230. Se supone que el gas A procedente de la primera fuente de gas 702 es el gas mayoritario, y que el gas B procedente de la segunda fuente de gas 704 es el gas minoritario.

En común con las realizaciones anteriores, el conjunto sensor 752 se usa para calcular la presión P corriente abajo de la válvula de solenoide 714. Puesto que el peso molecular de la primera fuente de gas, MWa es conocido (debido a que el primer gas A procedente de la fuente de gas 702 es un gas envasado), la presión inmediatamente corriente abajo de la válvula de solenoide 714 puede ser determinada a partir de la ecuación 10) anterior.

El valor medido de P según ha sido medido por el conjunto sensor 752, es utilizado a continuación por el procesador 230. El peso molecular medio de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720 se determina por medio del conjunto sensor 956 que forma parte del conjunto de flujo masivo 952. En esta realización, el oscilador 210 de cristal de cuarzo es operable, en común con el oscilador 758 de realizaciones anteriores, para determinar la densidad pmix de la mezcla de gas en el tercer conducto de suministro 720 o en la porción corriente arriba 966 del conducto 954. El peso molecular medio MWmix de la mezcla de gas puede ser determinado a continuación por el

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procesador 230 a partir de la ecuación 10) anterior.

Con el fin de calcular la tasa de flujo masivo conforme a la ecuación 20) (donde pi en la ecuación 20) corresponde a Pmix), es necesario entonces calcular la velocidad del sonido en la mezcla de gas a partir de la ecuación 22 ):

imagen13

donde y es la relación de los calores específicos a presión constante y volumen constante (entre 1,3 y 1,667, dependiendo del gas - ésta puede ser preestablecida por el usuario, por ejemplo para el gas mayoritario), R es la constante del gas y T es la temperatura absoluta de la mezcla con anterioridad al orificio 964.

La tasa de flujo puede ser calculada a continuación conforme a la ecuación 23):

23) Q = kcpmixA

El valor de la tasa de flujo Q puede ser comparado a continuación con el valor de punto de ajuste predeterminado y la diferencia (proporcional, que incluye opcionalmente la integral y/o la derivada con respecto al tiempo) realimentada a la válvula 714 para ajustar la tasa de flujo masivo apropiadamente.

El porcentaje en volumen (%B) del gas B minoritario procedente de la segunda fuente de gas 704 puede ser determinado conforme a las ecuaciones 11) y 12) anteriores, y ajustado según sea apropiado por el medidor 950 de peso molecular.

La realización anterior proporciona un método fiable y robusto, de bajo coste, de provisión de una mezcla precisa de gases a una tasa de flujo masivo dada, es decir donde se requiera un flujo masivo constante de un gas y donde la relación de cada gas en la mezcla pueda ser mantenida de manera fiable y precisa.

Una realización alternativa de un mezclador de gas 1000 ha sido mostrada en la Figura 23. El mezclador de gas 1000 es operable para controlar electrónicamente la proporción de los dos gases de forma común con los mezcladores de gas 600, 700, 800, 900 de las realizaciones anteriores.

En común con el mezclador de gas 800 de la Figura 18, el mezclador de gas 100 es operable para controlar electrónicamente la tasa de flujo masivo del gas procedente de la salida 722. Las características del mezclador de gas 1000 que son comunes con los mezcladores de gas 700, 800, 900 han sido asignadas con los mismos números de referencia y no van a ser descritas aquí con mayor detalle.

El mezclador de gas 1000 comprende un medidor 1050 de peso molecular. En esta realización, el medidor 1050 de peso molecular comprende el primer conjunto sensor 752 y el segundo conjunto sensor 754 del mezclador de gas 800 de la Figura 18. Adicionalmente, el medidor 1050 de peso molecular comprende un conjunto de flujo masivo 1052. El conjunto de flujo masivo 1052 está situado en el primer conducto de suministro 706 corriente abajo de la válvula de solenoide 714 y corriente arriba del conjunto sensor 756.

Cada conjunto 752, 756, 1052 está conectado al procesador 230. El primer conjunto sensor 752 y el segundo conjunto sensor 756 son idénticos a los de los mezcladores de gas 700, 800, y no van a ser descritos aquí con mayor detalle. El conjunto de flujo masivo 1052 es sustancialmente similar a los conjuntos de flujo masivo 952 mostrados en la Figura 20 ó 21. Cualquiera puede ser usado en esta realización. A los efectos de descripción estructural, la diferencia de esta realización consiste en que el conjunto de flujo masivo 1052 está situado en el primer conducto de suministro 706 corriente arriba de la unidad mezcladora 718 en vez de corriente abajo de la misma como en la realización anterior.

La operación del medidor 1050 de peso molecular va a ser descrita a continuación. En esta realización, el conjunto de flujo masivo 1052 es esencialmente independiente de la determinación de peso molecular, en contraste con la realización anterior donde el sensor 210 de densidad de cuarzo se utilizaba para ambas funciones.

En esta realización, el conjunto de flujo masivo 1052 se utiliza en primer lugar para medir la densidad del gas A (pa) corriente arriba del orificio 964 usando el oscilador 210 de cristal de cuarzo (Figura 20/ 21). La temperatura absoluta corriente arriba del orificio 964 se mide también usando el sensor de temperatura 214. La tasa de flujo masivo del gas A procedente de la primera fuente de gas 702 puede ser determinada a continuación a partir de las ecuaciones 22) y 23).

La tasa de flujo puede ser entonces calculada conforme a la ecuación 24):

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donde

24)

Q = kcpAA

25)

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donde y es la relación de los calores específicos a presión constante y volumen constante (entre 1,3 y 1,667, dependiendo del gas - ésta puede ser preestablecida por el usuario por ejemplo para el gas mayoritario), R es la constante del gas y T es la temperatura absoluta del gas A con anterioridad al orificio 964.

Se puede usar entonces un valor de punto de ajuste introducido en el procesador 230 para controlar la válvula de solenoide 714 con el fin de mantener un flujo de gas A constante a través del orificio 964. El uso de esta alternativa tiene la ventaja de que no se requiere ninguna corrección para la velocidad del sonido en una mezcla de gases debido a que está ocurriendo la condición de flujo estrangulado en un solo gas, el gas A.

La presión P corriente abajo del conjunto de flujo masivo 1052 puede ser determinada a continuación por medio del conjunto sensor 752 conforme a la ecuación 26):

imagen15

donde p'a es la densidad del gas A corriente abajo del orificio 964 según se mide por medio del oscilador 756 de cristal de cuarzo del conjunto sensor 752.

Adicionalmente, el oscilador 756 de cristal de cuarzo puede ser usado también para comprobar la operación del conjunto de flujo masivo 1052 y, si se requiere, proporcionar una corrección conforme a la operación de la realización descrita en la Figura 21.

Una vez que se ha determinado la presión P, se puede determinar el peso molecular medio de la mezcla, y los valores de %B utilizando el segundo conjunto sensor 754 y las ecuaciones 11) a 13) relacionadas con anterioridad y descritas con referencia a realizaciones anteriores.

Además, un conjunto sensor adicional podría estar situado en el segundo conducto de suministro 708 de la misma manera que en la realización de la Figura 18, si se desea.

Las variaciones con las realizaciones que anteceden resultarán evidentes para el experto en la materia. La configuración precisa de los componentes de hardware y software pueden diferir y caer aún dentro del alcance de la presente invención. El experto en la materia podría idear fácilmente configuraciones alternativas que podían ser usadas.

Por ejemplo, las realizaciones descritas con anterioridad han utilizado un oscilador de cristal de cuarzo que tiene una frecuencia fundamental de 32,768 kHz. Sin embargo, se pueden usar cristales que operen a frecuencias alternativas. Por ejemplo, se pueden usar osciladores de cristal de cuarzo que operen a 60 kHz y 100 kHz con las realizaciones descritas con anterioridad. Un gráfico que muestra el cambio de frecuencia con la densidad para diferentes cristales ha sido mostrado en la Figura 24. Como ejemplo adicional, se podría utilizar un oscilador de cristal que opere a una frecuencia de 1,8 MHz.

La operación a una frecuencia más alta permite que la presión sea monitorizada con mayor frecuencia debido a que se requiere un periodo de tiempo más corto para muestrear un número dado de ciclos. Adicionalmente, los cristales de frecuencia más alta permiten que se use una relación de ciclo más pequeña en un modo de “reposo” de un cristal. A título explicativo, en la mayor parte de los casos, el cristal y el circuito excitador consumirán la mayor parte del tiempo apagados, siendo solamente conectados durante más o menos un segundo cuando se necesite una medición. Esto puede ocurrir, por ejemplo, una vez por minuto. Cuando se use un cristal de frecuencia más alta, la presión puede ser medida de manera más rápida. Por lo tanto, se puede reducir el tiempo durante el que esté operativo el cristal. Esto puede reducir el consumo de potencia y consiguientemente mejorar la vida de la batería.

Adicionalmente, las realizaciones anteriores han sido descritas midiendo la frecuencia absoluta de un oscilador de cristal de cuarzo. Sin embargo, en la electrónica autocontenida incorporada en un regulador asociado a un cilindro de gas, puede resultar ventajoso medir el cambio de frecuencia del sensor comparando la frecuencia con un cristal

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65

de referencia de un tipo idéntico pero incluido en un envase de vacío o de presión. El envase de presión puede contener gas con una densidad seleccionada, gas bajo condiciones atmosféricas o puede estar abierto a una atmósfera externa al cilindro de gas.

Un conjunto sensor 1100 adecuado ha sido mostrado en la Figura 25. El conjunto sensor 1100 comprende un primer oscilador 1102 de cristal de cuarzo y un segundo oscilador 1104 de cristal de cuarzo. El primer oscilador 1102 de cristal de cuarzo es un cristal de referencia que está situado en el interior de un contenedor 1106 hermetizado bajo vacío. El primer oscilador 1102 de cristal de cuarzo está excitado por un circuito excitador 1108.

El segundo oscilador 1104 de cristal de cuarzo es un cristal similar al cristal 210 descrito en las realizaciones anteriores. El segundo oscilador 1104 de cristal de cuarzo está expuesto al ambiente del gas en el interior del alojamiento 1106. El segundo oscilador 1104 de cristal de cuarzo está excitado por un circuito excitador 1110.

Se puede realizar esta comparación usando un circuito mezclador electrónico 1114 que combina las dos señales de frecuencia y genera una salida a una frecuencia igual a la diferencia entre los dos cristales. Esta disposición permite pequeños cambios debido, por ejemplo, a la temperatura que será negada.

Además, la circuitería utilizada en el conjunto sensor 956 puede ser simplificada debido a que solamente se requiere medir la diferencia de frecuencia. Además, esta alternativa es particularmente adecuada para su uso con un oscilador de cristal de alta frecuencia (MHz), donde puede resultar difícil medir la frecuencia del cristal directamente.

Adicionalmente, toda la electrónica requerida para medir y visualizar la densidad, la masa o el flujo masivo no necesita estar montada sobre, o en, el cilindro de gas. Por ejemplo, las funciones electrónicas podrían estar divididas entre unidades montadas en el cilindro permanentemente y unidades montadas ya sea en una estación de uso de un consumidor o ya sea montadas temporalmente en la salida del cilindro tal como en la posición usada normalmente para un medidor de flujo convencional.

Un ejemplo de esta disposición ha sido mostrado con referencia a la Figura 26. La disposición comprende un conjunto 1200 de cilindro de gas que comprende un cilindro de gas 1200, un regulador 1202 y un medidor 1204 de peso molecular. El cilindro de gas 1200, el regulador 1202 y el medidor 1204 de peso molecular son sustancialmente similares al cilindro de gas 100, al regulador 150 y al medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular sustancialmente como se han descrito anteriormente con referencia a las realizaciones anteriores.

En esta realización, el medidor 1204 de peso molecular comprende un oscilador de cristal de cuarzo y un circuito excitador (no representados) similares al oscilador 210 de cristal de cuarzo y al circuito excitador 212 de realizaciones precedentes. Se ha previsto una antena 1206 para comunicaciones a través de cualquier protocolo de comunicación remota adecuado; por ejemplo, Bluetooth, infrarrojos (IR) o RFID. Alternativamente, se puede utilizar comunicación de un solo cable.

Como alternativa adicional, se pueden usar métodos de comunicación acústica. La ventaja de tales métodos consiste en que se puede efectuar la comunicación remota sin el requisito de ninguna antena externa.

Un conducto de conexión 1208 está conectado a la salida del cilindro de gas 1200. El conducto de conexión termina en una conexión rápida 1210. La conexión rápida 1210 permite que el conducto de conexión en uso o los componentes sean conectados y desconectados fácilmente y de forma rápida en el cilindro de gas 1200.

Una unidad 1250 de conexión rápida ha sido prevista para su conexión al cilindro de gas 1200. Un conector 1212 de conexión rápida complementario ha sido previsto para su conexión al conector 1208. Además, la unidad 1250 de conexión rápida está provista de una unidad de datos 1252. La unidad de datos 552 comprende un visualizador 1254 y una antena 1256 para la comunicación con la antena 1204 del conjunto 120 de cilindro de gas. El visualizador 1254 puede comprender, por ejemplo, un LCD, LEDs o un visualizador legible con luz diurna para minimizar el consumo de potencia y optimizar la visibilidad del visualizador.

La unidad de datos 1252 puede registrar diversos parámetros según son medidos por el conjunto sensor 1202 del conjunto de cilindro de gas 1200. Por ejemplo, la unidad de datos 1252 podría registrar el peso molecular respecto al tiempo. Un registro de ese tipo podría ser útil, por ejemplo, a los profesionales de la soldadura que deseen comprobar que el flujo de gas ha estado presente, y hacer correcciones durante procedimientos prolongados de soldadura de gas en componentes críticos, o para suministrar datos de una compañía sobre el uso de un cliente en particular.

Adicionalmente, la unidad de datos 1250 puede estar dispuesta para proporcionar las siguientes funciones: proporcionar una alarma audible o visible si el tipo de gas cambia; contener y visualizar datos sobre el tipo de gas; proporcionar funcionamiento multimodo, por ejemplo en modo suministrador/llenador y en un modo cliente; permitir la introducción de datos; proporcionar datos tales como el número de cilindro, el tipo de gas, un certificado de análisis, un historial del cliente (de las fechas en las que tuvo el cilindro), datos de seguridad y consejos operativos

que pueden ser establecidos en forma de resumen sobre el cilindro.

Como alternativa, todos los ejemplos anteriores pueden ser, opcionalmente, procesados, almacenados u obtenidos a partir de un sistema localizado completamente en el (o dentro del) cilindro de gas 100 o en el alojamiento 202 5 según se ha considerado en términos del medidor 200, 300, 400, 500 de peso molecular.

Los ejemplos anteriores ilustran disposiciones mezcladoras operables para mezclar dos gases en cualquier proporción deseada y a tasa de flujo masivo o presión predeterminadas. Sin embargo, es posible disponer en cascada estas disposiciones para permitir la mezcla de tres o más gases. Por ejemplo, se podría añadir un conjunto 10 sensor adicional a la salida 722 y un conjunto sensor adicional a una fuente de gas C adicional. En general, para obtener una mezcla con N componentes, se necesita tener (2N-1) conjuntos sensores.

Mientras que las realizaciones anteriores han sido descritas con referencia al uso de un oscilador de cristal de cuarzo, el experto en la materia puede considerar fácilmente materiales piezoeléctricos alternativos que podrían ser 15 usados también. Por ejemplo, una lista no exhaustiva puede incluir osciladores de cristal que comprendan: tantalato de litio, niobiato de litio, borato de litio, berlinita, arseniuro de galio, tetraborato de litio, fosfato de aluminio, óxido de bismuto y germanio, cerámica de titanato de zirconio policristalina, cerámica de alta alúmina, compuesto de silicio- óxido de zinc, o tartrato de dipotasio.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1. - Un método para proporcionar una mezcla de gases en una proporción relativa, comprendiendo la mezcla al menos un primer gas y un segundo gas diferente del primer gas, comprendiendo el método:

a) suministrar el primer gas desde una primera fuente de gas (602) a una primera tasa de flujo;

b) suministrar el segundo gas desde una segunda fuente de gas (604) a una segunda tasa de flujo;

c) mezclar el primer y el segundo gases para formar un gas mezclado; y,

d) suministrar el gas mezclado a una salida (622) a presión atmosférica, en donde el método comprende además:

e) medir una frecuencia resonante de un oscilador (210) de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas mezclado;

f) medir la presión atmosférica;

g) determinar la densidad del gas mezclado a partir de dicha frecuencia resonante medida;

h) determinar, a partir de la densidad, de la medición de presión atmosférica y de la temperatura determinada o predeterminada del gas, el peso molecular medio del gas mezclado; y,

i) controlar automáticamente, en respuesta a dicho peso molecular medio determinado, una de entre la primera y la segunda tasas de flujo para controlar la proporción relativa del primer y segundo gases en dicho gas mezclado.
2. - Un método según la reivindicación 1, en donde la etapa e) comprende:

j) utilizar un circuito excitador para excitar el oscilador piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una única frecuencia resonante.
3. - Un método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se ha previsto una primera válvula corriente abajo de dicha primera fuente de gas para regular dicha primera tasa de flujo, se ha previsto una segunda válvula corriente abajo de dicha segunda fuente de gas para regular la citada segunda tasa de flujo, y la etapa i) comprende controlar una de dichas primera y segunda válvulas.
4. - Un método según la reivindicación 3, en donde la otra de dichas primera y segunda válvulas es operable manualmente.
5. - Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la etapa f) comprende:

k) medir una frecuencia resonante de un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con la atmósfera;

l) determinar la densidad atmosférica a partir de dicha frecuencia resonante; y,

m) determinar la presión atmosférica a partir de la composición conocida del aire y de la densidad atmosférica medida.
6. - Una disposición (600) mezcladora de gas que comprende:

una primera fuente de gas (602) para suministrar un primer gas;

una segunda fuente de gas (604) para suministrar un segundo más diferente de dicho primer gas; una primera válvula (614) para regular el flujo del primer gas; una segunda válvula (616) para regular el flujo del segundo gas;

un mezclador (618) situado corriente abajo de la primera y la segunda válvulas (614, 616) y dispuesto, durante el uso, para mezclar el primer y el segundo gases para proporcionar un gas mezclado; una salida (622) para dicho gas mezclado a presión atmosférica;

un medidor (500) dispuesto para medir el peso molecular medio del gas mezclado, que comprende un oscilador (210) de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto con el gas mezclado, y un sensor (510) operable para determinar la presión atmosférica, siendo el medidor (500) operable para determinar la densidad del gas mezclado a partir de dicha frecuencia resonante medida, y para determinar a partir de la densidad, de la medición de presión atmosférica y de la temperatura determinada o predeterminada del gas mezclado, el peso molecular medio del gas mezclado; y,

un controlador (652) operable, en respuesta al peso molecular medio medido de dicho gas mezclado, para controlar al menos una de dichas primera y segunda válvulas (614, 616) con el fin de controlar la proporción relativa del primer y segundo gases en dicho gas mezclado.
7. - Un mezclador de gas según la reivindicación 6, en donde el medidor comprende además un circuito excitador para excitar el oscilador piezoeléctrico de tal modo que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una única frecuencia resonante.
8. - Un mezclador de gas según la reivindicación 6 ó 7, en donde el medidor comprende además un sensor de

temperatura.
9. - Un mezclador de gas según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde dicho sensor operable para medir la presión atmosférica comprende un oscilador de cristal piezoeléctrico planar de alta frecuencia en contacto

5 con el aire a presión atmosférica.
10. - Un mezclador de gas según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en donde una de dichas primera y segunda válvulas comprende una válvula de solenoide operable electrónicamente por dicho controlador.

10 11.- Un mezclador de gas según la reivindicación 10, en donde la otra de dichas primera y segunda válvulas es

operable manualmente.
12. - Un producto de programa informático ejecutable por medio de un aparato de procesamiento programable, que comprende una o más porciones de software para llevar a cabo las etapas de una cualquiera de las reivindicaciones

15 1 a 5.
13. - Un medio de almacenaje utilizable con ordenador que tiene un producto de programa informático según la reivindicación 12 almacenado en el mismo.