PT1286159E - Equipamento e método para medir a concentração e caudal de gás por ultra-sons - Google Patents

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DESCRIÇÃO
"EQUIPAMENTO E MÉTODO PARA MEDIR A CONCENTRAÇÃO E CAUDAL DE GÁS POR ULTRA-SONS" A invenção refere-se a um aparelho e método para medição da concentração de oxigénio gasoso por ultra-sons num gás de amostra, que é fornecido por um concentrador de oxigénio utilizado com uma finalidade médica.
Sabe-se muito bem que a velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas através de um gás de amostra é apresentada por uma função da concentração e da temperatura do gás de amostra. A velocidade de ondas ultra-sónicas C(m/s) propagando-se através de um gás de amostra é apresentada pela seguinte equação (1), com um peso molecular médio M e a temperatura T(K). C=(KRT/M)1/2 ...(1)
Onde; k: relação de calor especifico molecular a volume constante e calor específico molecular a pressão constante R: constante de gás universal
Por conseguinte, a medição da velocidade de ondas ultra-sónicas C (m/s) propagando-se através de um gás de amostra e da temperatura T(K) do gás de amostra irá proporcionar o peso molecular médio M do gás de amostra através de um cálculo. Por exemplo, o peso molecular médio M de um gás de amostra contendo 1 uma mistura de oxigénio gasoso-azoto com uma relação de mistura P: (1-P) (0<P<1) irá ser calculado por M=M02P+MN2 (1-P) , em que M02: Peso Molecular do oxigénio e Mn2 · Peso Molecular do azoto. Por conseguinte, a concentração P de oxigénio será obtida através de um cálculo com base na medição do peso molecular médio M. Quando o gás de amostra é uma mistura de oxigénio-azoto, é razoável que κ = 1,4 ao longo de um amplo intervalo da relação de mistura de oxigénio-azoto.
Quando a velocidade de ondas ultra-sónicas propagando-se através de um gás de amostra é C(m/s) e a velocidade de escoamento do gás de amostra é V(m/s), a velocidade das ondas ultra-sónicas Vi(m/s) propagando-se para a frente em relação ao escoamento do gás de amostra é V2=C+V e a velocidade das ondas ultra-sónicas V2(m/s) propagando-se para a retaguarda em relação ao escoamento do gás de amostra é V2=C+V. Por conseguinte, a velocidade do escoamento do gás de amostra V(m/s) é calculada pela seguinte equação (2) . V=(Vl-V2)/2 ...(2) | 0 caudal (m3/s) do gás de amostra vai ser obtido multiplicando isto pela área transversal (m2) da conduta através da qual o gás de amostra se escoa.
Desenvolveram-se métodos e aparelhos para medir a concentração de um determinado gás ou a velocidade de escoamento de um gás de amostra utilizando o principio acima com base na velocidade de propagação ou no tempo de propagação das ondas ultra-sónicas através do gás de amostra. Por exemplo, a Publicação da Patente Japonesa Não Examinada (Kokai) N° 6-213877 2 descreve um aparelho para medir a concentração e o caudal de um gás de amostra através da medição do tempo de propagação de ondas ultra-sónicas propagando-se entre dois transdutores ultra-sónicos dispostos frente a frente numa conduta através da qual se escoa o gás de amostra. Além disso, as Publicações de Patente Japonesa Não Examinadas (Kokai) N° 7-209265 e N° 8-233718 descrevem um aparelho para medir a concentração de um determinado gás contido num gás de amostra através da medição da velocidade de propagação ou tempo de propagação de ondas ultra-sónicas propagando-se através de um volume com um aparelho de tipo reflector incluindo um transdutor ultra-sónico e um reflector disposto em frente deste.
Num método e aparelho deste tipo para medir a concentração e o caudal utilizando a velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas, é necessário determinar, com precisão, o comprimento de propagação das ondas ultra-sónicas, que é a distância entre os transdutores ou entre o transdutor e o reflector, e o diâmetro interno da conduta. No entanto, o comprimento de propagação e o diâmetro interno de uma conduta são negativamente afectados pelas variações na dimensão da conduta devido a alterações na temperatura do gás de amostra. Além disso, o comprimento de propagação de ondas ultra-sónicas e o diâmetro interno de uma conduta também são afectados pelas precisão com que a conduta é maquinada ou montada, o transdutor ultra-sónico e o reflector são montados e o transdutor ultra-sónico é maquinado. Por conseguinte, é difícil obter o comprimento de propagação de ondas ultra-sónicas e o diâmetro interno de uma conduta de modo preciso, o que reduz a precisão da medição. 3
As Publicações de Patente Japonesa Não Examinadas (Kokai) N° 6-213877 e N° 8-233718 acima descritas descrevem um factor de correcção de temperatura introduzido para melhorar as caracteristicas de temperatura dos resultados de medição de concentração. Além disso, existe um método no qual as relações entre a temperatura, a velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas e a concentração são armazenadas num dispositivo de memória, como uma tabela. No entanto, de modo a obter esse factor de correcção de temperatura ou tabela, um gás de amostra tem que ser fornecido ao dispositivo a várias temperaturas diferentes para se obter previamente as caracteristicas de temperatura do aparelho. Por conseguinte, é necessário um grande esforço.
Além disso, propôs-se um método para minimizar as caracteristicas de temperatura dos resultados de medição, no qual um aparelho é colocado, na sua totalidade, sob um controlo de temperatura para que a medição seja realizada a uma temperatura constante. No entanto, neste método, o problema é que é difícil de controlar com precisão a temperatura do aparelho, em particular, a conduta, para além da necessidade de haver uma unidade separada para realizar o controlo de temperatura. 0 documento US-A1-5247826 divulga um sensor de concentração de gás e/ou de caudal global preparado para medir a concentração de oxigénio e o caudal global de gás fornecido a um doente com uma finalidade medicinal. Dois transdutores piezoeléctricos montados numa placa de circuito impresso estão interligados por um tubo alongado em serpentina. 0 gás escoa-se em torno de um dos transdutores, através do tubo e em torno do outro transdutor. Periodicamente, um dos transdutores é excitado com 4 um impulso de curta duração único para transmitir uma onda sónica através do gás para o outro transdutor. 0 tempo de percurso da onda sónica é medido. Os dois transdutores são utilizados alternadamente como transmissores e receptores de modo a que o tempo de percurso da onda seja medido a favor e contra a direcção de escoamento do gás. Um termistor é posicionado no centro do tubo em serpentina para medir a temperatura do gás. A partir dos tempos medidos, da temperatura medida e de fórmulas armazenadas, um microporocessador calcula a concentração de oxigénio e/ou o caudal global do gás. 0 sensor também pode ser utilizado para medir outros componentes de uma mistura de gás. 0 documento US-A1-5060507 divulga um método e aparelho para a monitorização e controlo de uma mistura de fluido utilizando uma técnica de detecção acústica ao emitir impulsos numa amostra de fluido e num fluido de referência, em câmaras alongadas, com ondas sónicas geradas numa extremidade das câmaras e detectando as frequências de ressonância nas câmaras ou o tempo decorrido pelas ondas sónicas a atravessar as câmaras, com transdutores dispostos próximo da outra extremidade das câmaras e comparando as medições com base no tempo em termos relacionais. 0 documento JP-A-04353751 divulga um aparelho para medir um coeficiente de expansão apto a medir, com precisão, o coeficiente de expansão de uma amostra sem aplicar carga á amostra no momento da medição. Uma amostra é aquecida por um aquecedor ou arrefecida por um refrigerador de modo a ser regulada para o valor de temperatura definido por um painel de operação definindo um valor de temperatura para medir o coeficiente de expansão/factor de contracção da amostra. Uma extremidade da amostra é fixa e a extremidade dianteira da outra 5 extremidade da amostra aquecida ou arrefecida e a sua vizinhança são irradiadas com a luz proveniente de uma parte emissora de luz e a quantidade de alteração do comprimento da amostra é detectada com base na quantidade de luz transmitida. A partir do valor de temperatura definido e da quantidade de alteração detectada do comprimento da amostra, calcula-se o coeficiente de expansão/factor de contracção da amostra.
Um objectivo da presente invenção é proporcionar um aparelho e método de medição de concentração por ultra-sons que permitam a calibração do aparelho através de um método simples e possam medir, com precisão, a concentração de um determinado gás num gás de amostra, independentemente da temperatura do gás de amostra.
Além disso, outro objectivo da presente invenção é proporcionar um aparelho de medição de caudal por ultra-sons que permita a calibração do aparelho através de um método simples e possa medir, com precisão, o caudal de um gás de amostra, independentemente da temperatura do gás de amostra.
De acordo com a presente invenção, proporciona-se um aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, compreendendo: uma conduta para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir; um dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta; um reflector montado no interior da conduta de modo a ficar virado para o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico; um comutador de transmissão-recepção para comutar o modo de funcionamento do dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, entre um modo de transmissão, para a transmissão de ondas ultra-sónicas, e um modo de recepção, para a recepção de 6 ondas ultra-sónicas; uma fonte de gás de calibração para o fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta; um sensor de temperatura, disposto na conduta, para medir a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta; um meio de cálculo de tempo de propagação para o cálculo do período de tempo que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o dispositivo de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas reflectidas pelo reflector; um meio de calibração para calibrar um comprimento de referência entre o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector com base nos resultados do cálculo pelo meio de cálculo de tempo de propagação; um meio de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta; e um meio de correcção para corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração.
Além disso, de acordo com a invenção, proporciona-se um método de medição da concentração de um gás por um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons, que compreende uma conduta para o escoamento do gás, cuja concentração se quer medir, um dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta, um reflector montado no interior da conduta de modo a ficar virado para o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico e um comutador de transmissão-recepção para comutar o modo de funcionamento do 7 dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, entre um modo de transmissão, para a transmissão de ondas ultra-sónicas, e um modo de recepção, para a recepção de ondas ultra-sónicas, e um meio de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta, compreendendo o método, antes do inicio do processo para a medição da concentração do gás a medir, os passos de: fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta; medição da temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta por um sensor de temperatura disposto na conduta; geração de ondas ultra-sónicas pelo dispositivo de transmissão por ultra-sons; comutação do modo de funcionamento do dispositivo de transmissão-recepção do modo de transmissão, para a transmissão das ondas ultra-sónicas, para o modo de recepção, para receber as ondas ultra-sónicas; cálculo do período de tempo de propagação que as ondas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico recebe as ondas ultra-sónicas reflectidas pelo reflector; calibração de um comprimento de referência entre o dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector com base nos resultados do cálculo; medir a temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração; e corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração.
Além disso, de acordo com a invenção, proporciona-se um aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, compreendendo: uma conduta para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir; um primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta; um segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta de modo a ficar virado para o primeiro dispositivo de transmissão-recepção por ultra-sons; um comutador de transmissão-recepção para mudar o modo de funcionamento dos primeiro e segundo dispositivos de transmissão-recepção ultra-sónicos entre um modo de transmissão para a transmissão de ondas ultra-sónicas e um modo de recepção para a recepção de ondas ultra-sónicas; uma fonte de gás de calibração para o fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta; um sensor de temperatura, disposto na conduta, para medir a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta; um meio de cálculo do tempo de propagação para o cálculo de um primeiro período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o segundo dispositivo de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas, e um segundo período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o primeiro dispositivo de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas; e um meio de calibração para calibrar um comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos de transmissão-recepção 9 ultra-sónicos com base nos resultados do cálculo pelo meio de cálculo de tempo de propagação, um meio de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta; e um meio de correcção para corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor de temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração.
Além disso, de acordo com a invenção, proporciona-se um método de medição da concentração de um gás por um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons, que compreende uma conduta para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir, um primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta, um segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta de modo a ficar virado para o primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico e um comutador de transmissão-recepção para mudar o modo de funcionamento dos primeiro e segundo dispositivos de transmissão-recepção ultra-sónicos entre um modo de transmissão para a transmissão de ondas ultra-sónicas e um modo de recepção para a recepção das ondas ultra-sónicas, e um meio de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta, compreendendo o método, antes do inicio do processo para a medição da concentração do gás a medir, os passos de: fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta; medição da temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta por um sensor de temperatura disposto na conduta; geração de ondas 10 ultra-sónicas pelo primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico e recepção das ondas ultra-sónicas pelo segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico; comutação do modo de funcionamento do primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, do modo de transmissão para o modo de recepção, e do modo de funcionamento do segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, do modo de recepção para o modo de transmissão; cálculo de um primeiro período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o segundo dispositivo de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas, e um segundo período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta com base no momento em que o segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o primeiro dispositivo de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas; calibração de um comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos de transmissão-recepção ultra-sónicos com base nos resultados do cálculo; medição da temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração; e correcção e cálculo do comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de concentração. A Figura 1 é um diagrama esquemático de um aparelho de acordo com uma primeira forma de realização da invenção; e 11 A Figura 2 é um diagrama esquemático de um aparelho de acordo com uma segunda forma de realização da invenção.
Uma forma de realização preferida da presente invenção será descrita a seguir. Na forma de realização descrita a seguir, indica-se um caso como um exemplo no qual o gás de amostra é composto por uma mistura de oxigénio e azoto. No entanto, o gás de amostra mensurável não está limitado a um gás de amostra de oxigénio e azoto e a presente invenção pode ser aplicada a uma mistura incluindo outros gases. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons de acordo com uma primeira forma de realização da presente invenção. 0 aparelho 100 inclui uma conduta 102 para o escoamento de um gás de amostra ou de um gás de calibração. A conduta 102 tem uma parte 108 rectilinea e partes 104 e 106 perpendiculares ligadas às extremidades da parte rectilinea. Um transdutor 118 ultra-sónico é fixamente proporcionado numa extremidade do interior da parte 108 rectilinea, enquanto dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, e um reflector 122 é montado fixamente na outra extremidade do interior da parte 108 rectilinea para ficar virado para o transdutor 118 ultra-sónico. Nesta forma de realização, a distância entre o transdutor 118 ultra-sónico e o reflector 122 é definida como um comprimento de teste.
Um comutador 124 de transmissão-recepção está ligado ao transdutor 118 ultra-sónico. O comutador 124 de transmissão-recepção muda o modo de funcionamento do transdutor 118 ultra-sónico entre um modo de transmissão no qual o transdutor 118 ultra-sónico transmite ondas ultra-sónicas e um 12 modo de recepção em que o transdutor 118 ultra-sónico recebe as ondas ultra-sónicas. 0 comutador 124 de transmissão-recepção está ligado a um microcomputador 126 de modo a que a operação de comutação do comutador 124 de transmissão-recepção seja controlada pelo microcomputador 126. A parte 104 perpendicular, disposta no lado a montante em relação à direcção de escoamento do gás através da conduta 102, tem uma porta 104a de entrada. Uma fonte 112 de gás de amostra e uma fonte 114 de gás de calibração estão ligadas ao orifício 104a de entrada através de uma conduta 110 de abastecimento. A fonte 112 de gás de amostra inclui um recipiente (não mostrado) para conter um gás de amostra, ou uma mistura incluindo um gás, cuja concentração se quer medir, e uma válvula redutora de pressão (não mostrada) proporcionada entre o recipiente e a conduta 110 de abastecimento. A fonte 114 de gás de calibração pode incluir um recipiente (não mostrado) para conter um gás de calibração, cujo componente e relação de componente é conhecido, por exemplo, uma mistura gasosa incluindo 20% de oxigénio e 80% de azoto, e uma válvula redutora de pressão (não mostrada) proporcionada entre o recipiente e a conduta 110 de abastecimento. A fonte 114 de gás de calibração também pode incluir um regulador 113 de temperatura, que proporciona meios para mudar a temperatura do dispositivo 100, em particular, da conduta 102. No exemplo mostrado na Figura 1, o regulador 113 de temperatura inclui um fio 113a de aquecimento e uma fonte 113b de energia eléctrica para o fornecimento de energia eléctrica ao fio 113a de aquecimento. 13 A parte 106 perpendicular, disposta no lado a jusante em relação à direcção de escoamento do gás através da conduta 102, tem um orifício 106a de saída. O gás de amostra ou o gás de calibração utilizado para a medição de concentração ou a calibração é evacuado através do orifício 106a de saída. Um aparelho de processamento de gás (não mostrado) pode, de um modo vantajoso, ser disposto a jusante do orifício 106a de saída no caso em que o gás evacuado não pode ser evacuado directamente para a atmosfera.
Os sensores 116 e 120 de temperatura, para medir a temperatura do gás de amostra ou do gás de calibração que se escoa através da conduta 102, estão dispostos, de um modo preferido, nas partes 104 e 106 perpendiculares de modo a não perturbarem o escoamento na parte 108 rectilínea. Os sensores 116 e 120 de temperatura estão ligados ao microcomputador 126. Neste contexto, se as alterações na temperatura do gás de amostra forem pequenas, pode utilizar-se apenas um dos sensores 116 ou 120 de temperatura.
Um controlador 128 para controlar o transdutor 118 ultra-sónico, um receptor 130 para conversão A/D dos sinais provenientes do transdutor 118 ultra-sónico, uma unidade 134 de visualização para indicar, por exemplo, a condição operacional do dispositivo 100 e os resultados de medição, e uma memória 133 incluindo um dispositivo de memória não-volátil ou um dispositivo de disco para armazenar o sistema operativo para o microcomputador 126 e vários parâmetros estão conectados ao microcomputador 126 O funcionamento da primeira forma de realização irá ser descrito em seguida. 14
Em primeiro lugar, antes do inicio do processo normal de medição para medir a concentração de um determinado gás contido no gás de amostra, o comprimento de teste entre o dispositivo 118 de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector 122 é calibrado, de acordo com a sequência descrita abaixo, para obter o comprimento L0 de referência.
Uma mistura de gás, cujo componente e relação de componente são conhecidos, por exemplo, uma mistura de gás de oxigénio-azoto, cuja relação de mistura é P:(l-P) (O^pSsi), é fornecida à conduta 102 como gás de calibração. Nessa altura, as temperaturas do gás de calibração são medidas pelos dois sensores 116 e 120 de temperatura e o seu valor médio é armazenado na memória 132 como uma temperatura To(K) de referência. A temperatura T0(K) de referência pode ser qualquer valor que não exceda o intervalo de temperatura de funcionamento do dispositivo.
Durante o fornecimento do gás de calibração, impulsos para a geração das ondas ultra-sónicas são transmitidos para o controlador 128 a partir do microcomputador 126. Um impulso de tensão é fornecido ao transdutor 118 ultra-sónico a partir do controlador 128 através do comutador 124 de transmissão-recepção. O transdutor 118 ultra-sónico gera ondas ultra-sónicas correspondendo à tensão do impulso. As ondas ultra-sónicas geradas pelo transdutor 118 ultra-sónico propagam-se através do gás de amostra que se escoa através da parte 108 rectilinea da conduta 102 e são reflectidas pelo reflector 122 para regressarem ao transdutor 118 ultra-sónico. De modo a permitir que o transdutor 118 ultra-sónico receba as ondas ultra-sónicas devolvidas, o comutador 124 de transmissão-recepção comuta o modo de funcionamento do transdutor ultra-sónico, do modo de 15 transmissão para o modo de recepção, imediatamente após a aplicação da tensão de impulso ao transdutor 118 ultra-sónico. 0 transdutor 118 ultra-sónico gera um sinal eléctrico correspondente às ondas ultra-sónicas recebidas para o microcomputador 126 através do comutador 124 de transmissão-recepção e do receptor 130. O microcomputador 126 calcula o tempo to(s) de propagação com base no momento em que os impulsos transmitidos são gerados para o primeiro transdutor 118 e no momento em que o sinal eléctrico é recebido do transdutor 118 ultra-sónico.
Neste contexto, a velocidade Co(m/s) de propagação ultra-sónica através do gás de calibração a uma temperatura To(K) é calculada pela equação (3) com base na equação (1) acima descrita. C0= ( (KRT0) / (M02P+MN2 (1-P)} )1/2 . . . (3)
Por outro lado, a relação C0=2L0/t0 ...(4) dá origem à seguinte equação. L0=( (KRToJ/íMojP+M^d-P)) )1/2xt0/2. . . (5)
Além disso, na primeira forma de realização, se a velocidade de propagação dos ultra-sons através de um gás de calibração estático for C(m/s) e a velocidade de escoamento do gás de amostra a partir do transdutor 118 ultra-sónico para o reflector 122 for V(m/s), então a velocidade de propagação dos ultra-sons do transdutor 118 ultra-sónico para o reflector 122 é 16 C+V e a velocidade de propagação dos ultra-sons na direcção das ondas ultra-sónicas reflectidas para o transdutor 118 ultra-sónico pelo reflector 122 é C-V. Por conseguinte, a velocidade de propagação dos ultra-sons medida pelo aparelho 100 da primeira forma de realização é a velocidade média das ondas ultra-sónicas reciprocas. Por conseguinte, a velocidade V de escoamento do gás de amostra é anulada para permitir a velocidade C de propagação dos ultra-sons através do gás de amostra estático.
Estes cálculos são realizados pelo microcomputador 126. O comprimento Lo (m) de teste assim calculado à temperatura To de referência é armazenado na memória 132 como o comprimento de referência. O comprimento Lo(m) de referência entre o transdutor 118 ultra-sónico e o reflector 122 à temperatura To(K) é calibrado de acordo com o método acima pelo fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, ao dispositivo 100 e medindo o tempo to(s) de propagação das ondas ultra-sónicas geradas pelo transdutor 118 ultra-sónico. Este processo de calibração pode ser completado automaticamente pelo microcomputador 126 através de uma operação simples, por exemplo, o premir de um botão (não mostrado) proporcionado no dispositivo 100, quando o gás de calibração é fornecido. Além disso, o processo pode ser concluído no mesmo instante, porque o próprio cálculo é simples. Além disso, se a posição relativa entre o transdutor 118 ultra-sónico e o reflector 122 for alterada devido à alteração temporal do dispositivo 100, o dispositivo pode, facilmente, ser novamente calibrado para renovar a temperatura de referência e o comprimento de referência armazenados na memória 132. 17
Um método para medir a concentração de oxigénio num gás de amostra contendo concentrações desconhecidas de oxigénio e azoto irá ser descrito em seguida.
Em primeiro lugar, a explicação refere-se a um exemplo no qual o coeficiente cx(l/K) de expansão linear da conduta 102 é conhecido.
Quando se realiza a medição de um gás de amostra, o comprimento Ls(m) de teste a uma temperatura TS(K) pode ser obtido lendo o comprimento Lo (m) de referência e a temperatura To(K) de referência que foram armazenados na memória 132 e corrigindo o comprimento Lo (m) de referência de acordo com a seguinte equação (6) . A temperatura TS(K) medida pode ser o valor médio das temperaturas detectadas pelos sensores 116 e 120 de temperatura.
Ls=L0(l+a(Ts-T0)) ...{6) O transdutor 118 ultra-sónico está configurado para o modo de transmissão quando um gás de amostra é fornecido ao aparelho 100, como na calibração do comprimento de teste do aparelho 100. Em seguida, os impulsos transmitidos para as ondas ultra-sónicas são gerados pelo microcomputador 126 para o controlador 128, de modo a que a tensão de impulso seja fornecida ao transdutor 118 ultra-sónico através do comutador 124 de transmissão-recepção. Assim, as ondas ultra-sónicas, correspondendo aos impulsos transmitidos pelo microcomputador 126, são geradas pelo transdutor 118 ultra-sónico. Logo após, o transdutor 118 ultra-sónico funciona no modo de recepção pelo comutador 124 de transmissão-recepção para gerar o sinal eléctrico, correspondendo às ondas ultra-sónicas recebidss, para 18 o microcomputador 126 através do comutador 124 de transmissão-recepção e do receptor 130. O microcomputador 126 calcula o tempo ts(s) de propagação com base no momento em que os impulsos transmitidos são gerados para o controlador 128 e no momento em que o sinal eléctrico é recebido do transdutor 118 ultra-sónico. Então, a velocidade Cs (m/s) de propagação ultra-sónica através do gás de amostra é obtida pela equação (7) seguinte.
Cs=2Ls/ts ...(7)] A concentração Ps de oxigénio é obtida pela seguinte equação (8), com base na equação (3).
Ps=(kRTs/Cs2-Mn2)/(M02-Mm2) ... (8)
Além disso, a concentração de oxigénio no gás de amostra pode ser obtida como uma relação entre a velocidade de propagação dos ultra-sons no gás de amostra e as velocidades de propagação dos ultra-sons em 100% de oxigénio gasoso e 100% de azoto gasoso. Isto é, a velocidade C02(m/s) de propagação dos ultra-sons à temperatura TS(K) através de 100% de oxigénio gasoso e a velocidade CN2(m/s) de propagação dos ultra-sons à temperatura TS(K) através de 100% de azoto gasoso podem ser facilmente obtidas utilizando a equação (1). Assim, a Ps pode ser calculada pela seguinte equação (9) com a velocidade Cs(m/s) de propagação dos ultra-sons através do gás de amostra.
Ps= (1 /Cs2-1 /CN22) / (1 /C022-1 /CN22) .. . (9)
Estes cálculos são realizados pelo microcomputador 126 e os resultados são indicados pela unidade 134 de visualização. 19
Em seguida, a explicação refere-se a um exemplo no qual o coeficiente a(l/K) de expansão linear da conduta 102 é desconhecido. Nesse caso, o coeficiente cx(l/K) de expansão linear pode ser facilmente obtido utilizando o aparelho 100.
Um gás de calibração é fornecido ao aparelho 100 a uma primeira temperatura Ti(K) definida pelo regulador 113 de temperatura. 0 comprimento Li (m) de teste entre o dispositivo 118 de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector 122 é medido pelo método acima descrito para calibrar o comprimento de referência. Em seguida, o gás de calibração é fornecido à temperatura T2(K) (T2^Ti) para medir o comprimento L2 (m) de teste.
Neste caso, quanto maior for a diferença de temperatura entre T2 e T2, melhor será a precisão do coeficiente a(l/K) de expansão linear obtido. Por exemplo, a medição pode ser, de um modo preferido, realizada a temperaturas adjacentes aos valores minimo e máximo do intervalo de temperatura para utilização do aparelho.
Quando T2, Llf T2, L2 são obtidos, o coeficiente cx(l/K) de expansão linear do material constituindo a conduta 102 é obtido pela seguinte equação (10). a-(Li-L,)/1^(1,-¾) ...(10) O cálculo acima é realizado pelo microcomputador 126 e o coeficiente a(l/K) de expansão linear assim obtido é armazenado na memória 132.
De acordo com o método descrito acima, o coeficiente α de expansão linear do material da conduta 102 pode ser obtido com 20 precisão através do fornecimento de um único gás de calibração ao aparelho 100 a duas temperaturas diferentes. Este método pode ser efectuado por uma simples medição e cálculo. Por conseguinte, se o coeficiente de expansão linear do material da conduta 102 for alterado devido à alteração temporal no material da conduta 102, o coeficiente de expansão linear pode ser facilmente medido, novamente, para renovar o coeficiente de expansão linear armazenado na memória 132.
Na descrição acima, explicou-se um exemplo no qual a temperatura do gás de calibração fornecido à conduta 102 é regulada pelo regulador 113 de temperatura, que proporciona meios para mudar a temperatura do aparelho 100, em particular, da conduta 102. Esta configuração é mostrada como um exemplo de meios para alterar a temperatura do aparelho, em particular, a conduta 102, através das alterações na temperatura do gás de calibração com uma premissa de que existe uma correlação entre a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta 102 e a da conduta 102. No entanto, a presente invenção não está limitada a esta configuração e o aparelho 100 pode ser disposto numa câmara termostática no processo de produção do aparelho 100 de modo a que todo o aparelho e a temperatura do gás fornecido ao aparelho 100 sejam regulados com uma temperatura predeterminada, e o coeficiente alfa de expansão linear é obtido nessa condição.
Em seguida, com referência à Figura 2, uma segunda forma de realização da presente invenção será descrita a seguir. A segunda forma de realização tem, substancialmente, a mesma configuração da primeira forma de realização, excepto por o reflector na primeira forma de realização ser substituído por um segundo transdutor ultra-sónico, que proporciona um dispositivo 21 de transmissão-recepção ultra-sónico, disposto de modo a ficar virado para um primeiro transdutor 218 ultra-sónico, que proporciona um primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico.
Um aparelho 200 de medição de concentração e caudal de gás por ultra-sons de acordo com a segunda forma de realização inclui uma conduta 202 para o escoamento de um gás de amostra ou um gás de calibração. A conduta 202 tem uma parte 208 rectilinea e partes 204 e 206 perpendiculares ligadas às extremidades da parte rectilinea. A parte 208 rectilinea compreende um elemento de conduta tendo uma secção circular, cujo diâmetro não muda ao longo do eixo longitudinal. Um primeiro transdutor 218 ultra-sónico, proporcionando um primeiro dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, é proporcionado de modo fixo numa extremidade do interior da parte rectilinea e um segundo transdutor 222 ultra-sónico, proporcionando um segundo dispositivo de transmissão-recepção ultra-sónico, é proporcionado de modo fixo na outra extremidade do interior da parte rectilinea de modo a ficar virado para o primeiro transdutor 218 ultra-sónico. Nesta forma de realização, a distância entre os primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos é definida como um comprimento de teste.
Um comutador 224 de transmissão-recepção está ligado aos primeiro e segundo transdutores 218 e 222. 0 comutador 224 de transmissão-recepção comuta o modo de funcionamento dos primeiro e segundo transdutores 218 e 222, independentemente, entre um modo de transmissão, no qual os primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos transmitem ondas ultra-sónicas, e um modo de recepção, no qual os primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos recebem as ondas ultra- 22 sónicas. 0 comutador 224 de transmissão-recepção está ligado a um microcomputador 226 de modo a que a operação de comutação do comutador 224 de transmissão-recepção seja controlada pelo microcomputador 226. A parte 204 perpendicular, disposta no lado a montante em relação à direcção de escoamento do gás através da conduta 202, tem um orifício porta 204a de entrada. Uma fonte 212 de gás de amostra e uma fonte 214 de gás de calibração estão ligadas ao orifício 204a de entrada através de uma conduta 210 de abastecimento. A fonte 212 de gás de amostra inclui um recipiente (não mostrado) para conter um gás de amostra ou uma mistura incluindo um gás, cuja concentração se quer medir, uma válvula redutora de pressão (não mostrada) proporcionada entre o recipiente e a conduta 210 de abastecimento e uma válvula reguladora de fluxo (não mostrada) para regulação do caudal do gás de calibração proveniente da fonte 214 de gás de calibração. A fonte 214 de gás de calibração pode incluir um recipiente (não mostrado) para conter um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, e uma válvula redutora de pressão (não mostrada) proporcionada entre o recipiente e a conduta 210 de abastecimento. A fonte 214 de gás de calibração também pode incluir um regulador 213 de temperatura, que proporciona meios para mudar a temperatura do dispositivo 200, em particular, da conduta 202. No exemplo mostrado na Figura 2, o regulador 213 de temperatura inclui um fio 213a de aquecimento e uma fonte 213b de energia eléctrica para o fornecimento de energia eléctrica ao fio 213a de aquecimento. A parte 206 perpendicular, disposta no lado a jusante em relação à direcção de escoamento do gás através da conduta 202, 23 tem um orifício 206a de saída. O gás de amostra ou o gás de calibração utilizados para a medição de concentração ou a calibração é evacuado através do orifício 206a de saída. Um aparelho de processamento de gás (não mostrado) pode ser, de um modo vantajoso, disposto a jusante do orifício 206a de saída no caso em gue o gás evacuado não pode ser evacuado directamente para a atmosfera.
Os sensores 216 e 220 de temperatura, para medir a temperatura do gás de amostra ou do gás de calibração gue se escoa através da conduta 202, estão dispostos, de um modo preferido, nas partes 204 e 206 perpendiculares, de modo a não perturbarem o escoamento na parte 208 rectilínea. Os sensores 216 e 220 de temperatura estão ligados ao microcomputador 226. Neste contexto, se as alterações na temperatura do gás de amostra forem peguena, pode eliminar-se apenas um dos sensores 216 ou 220 de temperatura.
Um controlador 228 para controlar o primeiro transdutor 218 ultra-sónico, um receptor 230 para conversão A/D dos sinais provenientes do primeiro transdutor 218 ultra- sónico, uma unidade 234 de visualizaçao para indicar, por exemplo, a condição operacional do dispositivo 200 e os resultados de medição e memória 233 incluindo um dispositivo de memória não-volátil ou um dispositivo de disco para armazenar o sistema operativo para o microcomputador 226 e vários parâmetros estão ligados ao microcomputador 226. 0 funcionamento da segunda forma de realização vai ser descrito em seguida. 2 4
Em primeiro lugar, antes do inicio do processo normal de medição para medir a concentração de um determinado gás contido no gás de amostra, calibra-se o comprimento de teste entre os primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos e o diâmetro D interno da parte 208 rectilínea da conduta 202 para obter o comprimento L0 de referência e o diâmetro D0 de referência.
Na presente forma de realização, o gás de calibração, idêntico ao da primeira forma de realização, é fornecido à conduta 202 proveniente da fonte 214 de gás de calibração com um caudal Qo predeterminado pela válvula de regulação de escoamento. Nessa altura, as temperaturas do gás de calibração são medidas pelos dois sensores 216 e 220 de temperatura e o eu valor médio é armazenado na memória 232 como uma temperatura To(K) de referência.
Durante o fornecimento do gás de calibração, impulsos para a geração de ondas ultra-sónicas são transmitidos para o controlador 228 a partir do microcomputador 226. Uma tensão de impulso é fornecida ao primeiro transdutor 218 ultra-sónico proveniente do controlador 228 através do comutador 224 de transmissão-recepção. O primeiro transdutor 218 ultra-sónico gera ondas ultra-sónicas que correspondem à tensão de impulso. As ondas ultra-sónicas geradas pelo primeiro transdutor 218 ultra-sónico propagam-se através do gás de amostra que se escoa através da parte 208 rectilínea da conduta 202 e são recebidas pelo segundo transdutor 222 ultra-sónico. O segundo transdutor 222 ultra-sónico gera um sinal eléctrico correspondente às ondas ultra-sónicas recebidas para o microcomputador 226 através do comutador 224 de transmissão-recepção e do receptor 230. O microcomputador 226 calcula o 25 tempo ti(s) de propagação para a frente com base no momento em que os impulsos transmitidos são gerados para o controlador 228 e no momento em que o sinal eléctrico é recebido do segundo transdutor 222 ultra-sónico. 0 comutador 224 de transmissão-recepção comuta o modo de funcionamento do primeiro transdutor 218 ultra-sónico do modo de transmissão para o modo de recepção para a direita logo após o sinal eléctrico proveniente do segundo transdutor 222 ultra-sónico ser recebido e também muda o modo de funcionamento do segundo transdutor 222 ultra-sónico do modo de recepção para o modo de transmissão. Depois disso, impulsos para a geração das ondas ultra-sónicas são transmitidos para o controlador 228 a partir do microcomputador 226. Uma tensão de impulso é fornecida ao segundo transdutor 222 ultra-sónico a partir do controlador 228 através do comutador 224 de transmissão-recepção. 0 segundo transdutor 222 ultra-sónico gera ondas ultra-sónicas correspondendo à tensão de impulso. As ondas ultra-sónicas são recebidas pelo primeiro transdutor 218 ultra-sónico. 0 primeiro transdutor 218 ultra-sónico gera um sinal eléctrico correspondente às ondas ultra-sónicas recebidas para o microcomputador 226 através do comutador 224 de transmissão-recepção e do receptor 230. O microcomputador 226 calcula o tempo t2(s) de propagação para trás com base no momento em que os impulsos transmitidos são gerados para o controlador 228 e no momento em que o sinal eléctrico é recebido a partir do primeiro transdutor 218 ultra-sónico.
Ao obter um valor médio de ti e t2, a incidência do escoamento do gás de calibração na conduta 202 pode ser removida. O tempo to de propagação de ultra-sons é definido pela seguinte equação (11). 26
Neste contexto, a velocidade Co(m/s) de propagação de ultra-sons através do gás de calibração a uma temperatura T0(K) é calculada pela equação (3) descrita acima.
Por outro lado, a relação C0=L0/t0 ...(12)1 dá a seguinte equaçao. L0= ( (KRT0) / (Μο,Ρ+Μβ (1 -P)) ) 1/2xt0 ...(13)
Estes cálculos são realizados pelo microcomputador 226. 0 comprimento L0 (m) de teste assim calculado à temperatura To de referência é armazenado na memória 232 como o comprimento de referência.
Além disso, ao utilizar este comprimento L0 de referência, a velocidade Voi(m/s) de propagação para a frente e a velocidade V02(m/s) de propagação para trás em relação à direcção de escoamento do gás de calibração, são representadas por V0i = L0/ti e V02 = L0/t2. Por conseguinte, a velocidade V0(m/s) de escoamento do gás de calibração na conduta 202 é obtida pela seguinte equação (14), com base na equação (2) acima descrita.
Ve=(V01-V0í)/2 ...(14) A multiplicação da velocidade V de escoamento pela área transversal (m2) da parte 208 rectilinea, perpendicular ao eixo 27 da parte 208 rectilínea da conduta 202, dá uma conversão da velocidade (m/s) de escoamento para o caudal (m3/s) . Assim, o diâmetro D0 (m) de referência à temperatura T0(K) de referência da parte 208 rectilínea dá a seguinte equação. V0ji(D0/2)2=Q0 ...(15)
Por conseguinte, o diâmetro D0 (m) de referência à temperatura T0(K) de referência pode ser obtido pela seguinte equação (16). D0=2(Q0/(jiV0))1/2 ...(16) O cálculo acima é realizado pelo microcomputador 226 e o diâmetro D0 (m) de referência assim obtido é armazenado na memória 232.
De acordo com o método acima, o comprimento L0 (m) de referência entre os primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos é calibrado a uma temperatura T0(K) através do fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e concentração são conhecidos, ao aparelho 200, e medindo os tempos ti e t2 de propagação, para a frente e para trás em relação à direcção de escoamento do gás de calibração, a partir dos primeiro e segundo transdutores 218 e 222 ultra-sónicos. Além disso, ao fornecer o gás de calibração ao aparelho 200 a uma velocidade predeterminada, o diâmetro Do (m) de referência também pode ser calibrado ao mesmo tempo. 28
Em seguida, a explicação refere-se a um método para medir o caudal e a concentração de oxigénio de um gás de amostra incluindo oxigénio e azoto, cuja relação é desconhecida.
Em primeiro lugar, a explicação refere-se a um exemplo no qual o coeficiente a(l/K) de expansão linear da conduta 202 é conhecido. O comprimento Ls (m) de teste a uma temperatura TS(K) pode ser obtido a partir da equação (6), com o comprimento Lo (m) de referência e a temperatura To(K) de referência lidos a partir da memória 232. A temperatura TS(K) medida pode ser o valor médio das temperaturas detectadas pelos sensores 216 e 220 de temperatura. O primeiro transdutor 218 ultra-sónico é configurado para o modo de transmissão pelo comutador 224 de transmissão-recepção quando um gás de amostra é fornecido, como na calibração do comprimento de teste do aparelho 200. Em seguida, impulsos transmitidos para as ondas ultra-sónicas são gerados pelo microcomputador 226 para o controlador 228, de modo a que a tensão de impulso seja fornecida ao primeiro transdutor 218 ultra-sónico através do comutador 224 de transmissão-recepção. Assim, as ondas ultra-sónicas correspondendo aos impulsos transmitidos pelo microcomputador 226 são geradas pelo primeiro transdutor 218 ultra-sónico e recebidas pelo segundo transdutor 222 ultra-sónico. O segundo transdutor 222 ultra-sónico gera o sinal eléctrico correspondendo às ondas ultra-sónicas recebidas para o microcomputador 226 através do comutador 224 de transmissão-recepção e do receptor 230. O microcomputador 226 calcula o tempo TSi(s) de propagação para a frente com base no momento em que os impulsos transmitidos são 29 gerados para o controlador 228 e no momento em que o sinal eléctrico é recebido do segundo transdutor 218 ultra-sónico.
Após a medição do tempo tSi(s) de propagação para a frente, o comutador 224 de transmissão-recepção comuta o modo de funcionamento do primeiro transdutor 218 ultra-sónico do modo de transmissão para o modo de recepção e o modo de funcionamento do segundo transdutor 222 ultra-sónico do modo de recepção para o modo de transmissão. Nesta condição, as ondas ultra-sónicas são transmitidas no sentido inverso em relação ao escoamento do gás de amostra para obter o tempo tS2(s) de propagação para trás por um processo idêntico ao utilizado para a obtenção do tempo tSi de propagação para a frente. Com base nos tempos tsi e ts2 de propagação, para a frente e para trás, um tempo tso de propagação, que não inclui a incidência do escoamento, é obtido por tso= (tsi+tS2)/2 (s) . Além disso, com base nestes resultados, a velocidade Cs(m/s) de propagação dos ultra-sons através do gás de amostra é obtida pela seguinte equação (17).
Cs=Ls/tso ...(17) A concentração Ps do oxigénio gasoso é obtida pela equação (8) acima descrita.
Além disso, a concentração de oxigénio na amostra também pode ser obtida como uma relação entre a velocidade de propagação dos ultra-sons no gás de amostra e as velocidades de propagação dos ultra-sons em 100% de oxigénio gasoso e 100% de azoto gasoso, como na primeiro forma de realização, i. e., com base na equação (9), com a velocidade C02(m/s) de propagação dos ultra-sons à temperatura TS(K) através de 100% de oxigénio gasoso 30 e velocidade CN2(m/s) de propagaçao dos ultra-sons à temperatura Ts (K) através de 100% de azoto gasoso.
Estes cálculos são realizados pelo microcomputador 226 e os resultados são indicados pela unidade 234 de visualização.
Em seguida, descreve-se um método para medir o caudal.
Para ultra-sons velocidade retaguarda com o Ls e a frente e medir o caudal, a velocidade VSi(m/s) de propagação dos para a frente em relação ao gás de amostra e a VS2(m/s) de propagação dos ultra-sons para a são obtidas com base nas seguintes equações (18) (19) os tempos tSi e tS2 de propagação acima descritos, para para trás.
Vsl=Ls/tsl ...(18)
Vs2-Ls/ts2 ...(19)
Com base nas equações (18) (19) e na equação (13) acima descrita, a velocidade Vs(m/s) de escoamento do gás de amostra é representada pela seguinte equação (20).
Vs*(V01-V02)/2 ...( 20)
De modo a converter a velocidade Vs(m/s ) de escoamento para o caudal Qs(m3/s) , a área transversal (m2) da parte 208 rectilinea tem de ser previamente obtida. A área transversal Ss(m2) da parte 208 rectilinea é obtida pela seguinte equação (21) com o diâmetro D0 (m) de referência e a temperatura To(K) de referência lidas a partir da memória 232 e o coeficiente 31 α(1/Κ) de expansão linear do material constituindo a conduta 202.
Ss=Ji((D0(l+a(Ts-T0))/2)2 ...(21) A temperatura TS(K) é igual à temperatura Ts no momento da medição. Assim, o caudal Qs (m3/s) do gás de amostra é calculado pela seguinte equação (22).
Qs—VsSs ...(22)
Os cálculos acima são realizados pelo microcomputador 226 e a unidade 234 de visualização indica os seus resultados.
Em seguida, a explicação refere-se a um exemplo no qual o coeficiente a(l/K) de expansão linear da conduta 202 é desconhecido. Nesse caso, o coeficiente a(l/K) de expansão linear pode ser facilmente obtido utilizando o aparelho 200.
Um gás de calibração é fornecido ao aparelho 200 a uma primeira temperatura Ti(K) definida pelo regulador 213 de temperatura. 0 comprimento Li(m) de teste entre os primeiro e segundo dispositivos 218 e 222 de transmissão-recepção ultra-sónicos é medido pelo método acima descrito para calibrar o comprimento de referência, como na primeira forma de realização. Em seguida, o gás de calibração é fornecido à temperatura T2(K) (Ί2¥=Ί1) para medir o comprimento L2 (m) de teste da mesma forma. Neste caso, quanto maior for a diferença de temperatura entre Ti e T2, melhor será a precisão do coeficiente oí(1/K) de expansão linear obtido. 32
Quando Ti, Li, T2, L2 são obtidos, o coeficiente a(l/K) de expansão linear do material constituindo a conduta 202 é obtido pela equação (10) acima descrita. O cálculo acima é realizado pelo microcomputador 226 e o coeficiente a(l/K) de expansão linear assim obtido é armazenado na memória 232.
De acordo com o método descrito acima, o coeficiente α de expansão linear do material da conduta 202 pode ser obtido, com precisão, através do fornecimento de um único gás de calibração ao aparelho 200 a duas temperaturas diferentes.
Na descrição acima, explicou-se um exemplo no qual a temperatura do gás de calibração fornecido à conduta 202 é regulada pelo regulador 213 de temperatura, que proporciona meios para mudar a temperatura do aparelho 200, em particular, da conduta 202. Esta configuração é mostrada como um exemplo de meios para alterar a temperatura do aparelho, em particular, da conduta 202, através das alterações na temperatura do gás de calibração com uma premissa de que existe uma correlação entre a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta 202 e a da conduta 202. No entanto, a presente invenção não está limitada a esta configuração e o aparelho 200 pode ser disposto numa câmara termostática no processo de produção do aparelho 200, de modo a que todo o aparelho e a temperatura do gás fornecido ao aparelho 200 estejam configurados com uma temperatura predeterminada, e o coeficiente α de expansão linear alfa é obtido nessa condição. 33
Como descrito acima, a presente invenção permite que o aparelho seja suportado pelo próprio aparelho com um único gás de calibração e sem um dispositivo de calibração especial.
Além disso, de acordo com a presente invenção, o aparelho pode ser recalibrado em caso de alteração temporal do aparelho. Além disso, a presente invenção proporciona uma medição precisa da concentração e caudal de um gás de amostra, independentemente da temperatura do gás de amostra.
Lisboa, de 30 de Setembro de 2013 34

Claims (12)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, compreendendo: uma conduta (102) para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir; um dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (102); um reflector (122) montado no interior da conduta (102) de modo a ficar virado para o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico; um comutador (124) de transmissão-recepção para comutar o modo de funcionamento do dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico, entre um modo de transmissão, para a transmissão de ondas ultra-sónicas, e um modo de recepção, para a recepção de ondas ultra-sónicas; uma fonte (114) de gás de calibração para o fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta (102); um sensor (116, 120) de temperatura, disposto na conduta (102), para medir a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta (102); 1 um meio (126) de cálculo de tempo de propagação para o cálculo do período de tempo que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (102) com base no momento em que o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o dispositivo (118) de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas reflectidas pelo reflector (122); um meio de calibração para calibrar um comprimento de referência entre o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector (122) com base nos resultados do cálculo pelo meio (126) de cálculo de tempo de propagação; um meio (132) de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (102); e um meio de correcção para corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor (116, 120) de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta (102) para a medição de concentração.
  2. 2 . Aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo, ainda um meio (113) de regulaçao de temperatura para regular a temperatura da conduta (102); e 2 um meio (126) de cálculo de coeficiente de expansão linear para calcular o coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (102) com base nas alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta (102) é alterada.
  3. 3. Método de medição da concentração de um gás por um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons, que compreende uma conduta (102) para o escoamento do gás, cuja concentração se quer medir, um dispositivo (116) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (1029, um reflector (122) montado no interior da conduta (102) de modo a ficar virado para o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico e um comutador (224) de transmissão-recepção para comutar o modo de funcionamento do dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico, entre um modo de transmissão, para a transmissão de ondas ultra-sónicas, e um modo de recepção, para a recepção de ondas ultra-sónicas, e um meio (132) de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (102), compreendendo o método, antes do início do processo para a medição da concentração do gás a medir, os passos de: fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta (102); medição da temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta (102) por um sensor (116, 120) de temperatura disposto na conduta (102); 3 geração de ondas ultra-sónicas pelo dispositivo (118) de transmissão ultra-sónico; comutação do modo de funcionamento do dispositivo (118) de transmissão-recepção do modo de transmissão, do modo transmissão das ondas ultra-sónicas para o modo de recepção, para receber as ondas ultra-sónicas; cálculo do período de tempo de propagação que as ondas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (102) com base no momento em que o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico recebe as ondas ultra-sónicas reflectidas pelo reflector (122); calibração de um comprimento de referência entre o dispositivo (118) de transmissão-recepção ultra-sónico e o reflector (122) com base nos resultados do cálculo; medir a temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta (102) para a medição de concentração; e corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor (116, 120) de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta (102) para a medição de concentração.
  4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 3, compreendendo, ainda os passos de calcular o coeficiente de expansão linear 4 do material constituindo a conduta (102) com base nas alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta (102) é alterada; e medir a temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta (102) para a medição de concentração.
  5. 5. Aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, compreendendo: uma conduta (202) para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir; um primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (202); um segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (202) de modo a ficar virado para o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico; um comutador (224) de transmissão-recepção para mudar o modo de funcionamento dos primeiro e segundo dispositivos (218, 222) de transmissão-recepção ultra-sónicos entre um modo de transmissão para a transmissão de ondas ultra-sónicas e um modo de recepção para a recepção de ondas ultra-sónicas; uma fonte (214) de gás de calibração para o fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta (202); 5 um sensor (216, 220) de temperatura, disposto na conduta (202), para medir a temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta (202); um meio (226) de cálculo do tempo de propagação para o cálculo de um primeiro período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (202) com base no momento em que o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas, e um segundo período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (202) com base no momento em que o segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas; e um meio de calibração para calibrar um comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos (218, 222) de transmissão-recepção ultra-sónicos com base nos resultados do cálculo pelo meio (226) de cálculo de tempo de propagação; um meio (232) de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (202); e 6 um meio de correcção para corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor (216, 220) de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de concentração.
  6. 6. Aparelho ultra-sónico para medir uma concentração de gás, de acordo com a reivindicação 5, compreendendo, ainda um meio (213) de regulação de temperatura para regular a temperatura da conduta (202); e um meio (226) de cálculo de coeficiente de expansão linear para calcular o coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (202) com base nas alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta (202) é alterada.
  7. 7. Método de medição da concentração de um gás por um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons, que compreende uma conduta (202) para o escoamento de gás, cuja concentração se quer medir, um primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (202), um segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico montado no interior da conduta (202) de modo a ficar virado para o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico e um comutador (224) de transmissão-recepção para mudar o modo de funcionamento dos primeiro e segundo dispositivos (218, 222) de transmissão-recepção ultra-sónicos entre um modo de transmissão para a transmissão de ondas ultra-sónicas e um modo de recepção para receber ondas ultra-sónicas, e um 7 meio (232) de armazenamento de coeficiente de expansão linear para o armazenamento do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (202), compreendendo o método, antes do inicio do processo para a medição da concentração do gás a medir, os passos de: fornecimento de um gás de calibração, cujo componente e relação de componente são conhecidos, à conduta (202); medição da temperatura do gás de calibração que se escoa através da conduta (202) por um sensor (216, 220) de temperatura disposto na conduta (202); geração de ondas ultra-sónicas pelo primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico e recepção das ondas ultra-sónicas pelo segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico; comutação do modo de funcionamento do primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico, do modo de transmissão para o modo de recepção, e do modo de funcionamento do segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico, do modo de recepção para o modo de transmissão; cálculo de um primeiro período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (202) com base no momento em que o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o segundo 8 dispositivo (222) de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas, e um segundo período de tempo de propagação que as ondas ultra-sónicas demoram a propagar-se através do gás de calibração na conduta (202) com base no momento em que o segundo dispositivo (222) de transmissão-recepção ultra-sónico transmite as ondas ultra-sónicas e no momento em que o primeiro dispositivo (218) de transmissão-recepção recebe as ondas ultra-sónicas; calibraçao de um comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos (218 , 222) de transmissão-recepção ultra-sónicos com base nos resultados do cálculo; medição da temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de concentração; e correcção e cálculo do comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor (216, 220) de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de concentração.
  8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 7, compreendendo, ainda, os passos de calcular o coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (202) com base nas alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta (202) é alterada; e 9 medir a temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de concentração.
  9. 9. Aparelho ultra-sónico, de acordo com a Reivindicação 5, para medir um caudal de gás na referida conduta (202), em que: a referida fonte de gás de calibração serve, ainda, para fornecer o gás de calibração, cujo componente, relação de componente e caudal são conhecidos, à conduta (202); o referido meio de calibração serve para calibrar o comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos de transmissão-recepção ultra-sónicos e o diâmetro interno da conduta com base nos resultados do cálculo pelo meio de cálculo de tempo de propagação; o referido meio de correcção serve, ainda, para corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta para a medição de caudal.
  10. 10. Aparelho ultra-sónico para a medição de um caudal de gás, de acordo com a reivindicação 9, compreendendo, ainda: um meio de regulação de temperatura para regular a temperatura da conduta; e um meio de cálculo de coeficiente de expansão linear para calcular o coeficiente de expansão linear do 10 material constituindo a conduta com base nas alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta é alterada.
  11. 11. Método, de acordo com a Reivindicação 7, de medição, ainda, do caudal de um gás por um aparelho de medição de concentração de gás por ultra-sons, em que, a referida conduta (202) serve para o escoamento do gás, cujo caudal se quer medir, compreendendo, ainda, o referido método, antes do inicio do processo de medição do caudal do gás a medir, os passos de: fornecer o gás de calibração, cujo componente, relação de componente e caudal são conhecidos, à conduta (202); calibrar o comprimento de referência entre os primeiro e segundo dispositivos (218, 222) de transmissão-recepção ultra-sónicos e o diâmetro interno da conduta (202) com base nos resultados do cálculo; medir a temperatura do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de caudal; e corrigir e calcular o comprimento de referência calibrado e o diâmetro interno da conduta (202) com base no coeficiente de expansão linear e na temperatura, medida pelo sensor (216, 220) de temperatura, do gás de amostra que se escoa através da conduta (202) para a medição de caudal.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 11, compreendendo, ainda, os passos de cálculo do coeficiente de expansão linear do material constituindo a conduta (202) com base nas 11 alterações do comprimento de referência quando a temperatura da conduta (202) é alterada; medição da temperatura do gás que se escoa através da conduta para a medição de caudal. Lisboa, de 30 de Setembro de 2013 12
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