Equipo y método para medir ultrasónicamente la concentración y el caudal de un gas.

Un aparato ultrasónico para medir la concentración de un gas, que comprende:

un conducto (102) para hacer fluir un gas, la concentración del cual se va a medir;

un dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (102);

un reflector (122) montado en el interior del conducto (102) para enfrentarse al dispositivo (118) de transmisiónrecepciónultrasónico;

un conmutador (124) de transmisión-recepción para cambiar el modo de operación del dispositivo (118) detransmisión-recepción ultrasónico entre un modo de transmisión para transmitir ondas ultrasónicas y un modo derecepción para recibir ondas ultrasónicas;

una fuente (114) de gas de calibración para suministrar un gas de calibración, el componente y proporción decomponente del cual son conocidos, al conducto (102);

un sensor (116, 120) de temperatura, dispuesto en el conducto (102), para medir la temperatura del gas decalibración que fluye a través del conducto (102);

medios (126) de cálculo del tiempo de propagación para calcular el periodo de tiempo en que las ondas ultrasónicasse propagan a través del gas de calibración en el conducto (102) en base al momento en que el dispositivo (118) detransmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el dispositivo (118) detransmisión-recepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas reflejadas por el reflector (122);

medios de calibración para calibrar una longitud de referencia entre el dispositivo (118) de transmisión-recepciónultrasónico y el reflector (122) en base a los resultados del cálculo por los medios (126) de cálculo del tiempo depropagación;

medios (132) de almacenamiento del coeficiente de expansión lineal para almacenar el coeficiente de expansiónlineal del material que forma el conducto (102); y

medios de corrección para corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansiónlineal y la temperatura, medida por el sensor (116, 120) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través delconducto (102) para la medida de la concentración.

Equipo y método para medir ultrasónicamente la concentración y el caudal de un gas La invención se refiere a un aparato ultrasónico y un método para medir la concentración de gas oxígeno en un gas de muestra, que es suministrado desde un concentrador de oxígeno usada para un fin médico.

Es bien sabido que la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas a través de un gas de muestra es presentada por una función de la concentración y la temperatura del gas de muestra. La velocidad de las ondas ultrasónicas C (m/s) que se propagan a través de un gas de muestra es presentada por la siguiente ecuación (1) , con el peso molecular medio M y la temperatura T (K) .

C = (κRT/M) 1/2 ... (1)

Donde:

κ: relación del calor específico molecular a volumen constante y el calor específico molecular a presión constante R: constante universal de los gases Por lo tanto, medir la velocidad de las ondas ultrasónicas C (m/s) que se propagan a través de un gas de muestra y la temperatura T (K) del gas de muestra proporcionará el peso molecular medio M del gas de muestra mediante un cálculo. Por ejemplo, el peso molecular medio M de un gas de muestra que contiene una mezcla gaseosa de oxígeno-nitrógeno de una relación de mezcla P: (1-P) (0≤P≤1) será calculado por M=MO2P+MN2 (1-P) , donde MO2: peso molecular del oxígeno, y MN2: peso molecular del nitrógeno. Por lo tanto, la concentración de oxígeno P se obtendrá mediante un cálculo en base a la medida del peso molecular medio M. Cuando el gas de muestra es una mezcla de oxígeno-nitrógeno, κ=1, 4, y es razonable sobre un amplio intervalo de la relación de mezcla oxígenonitrógeno.

Cuando la velocidad de las ondas ultrasónicas que se propagan a través de un gas de muestra es C (m/s) y la velocidad de flujo del gas de muestra es V (m/s) , la velocidad de las ondas ultrasónicas V1 (m/s) que se propagan en la dirección hacia delante en relación al flujo del gas de muestra es V1=C+V, y la velocidad de las ondas ultrasónicas V2 (m/s) que se propagan en la dirección hacia atrás en relación al flujo del gas de muestra es V2=C+V. Por lo tanto, la velocidad de flujo del gas de muestra V (m/s) se calcula mediante la siguiente ecuación (2) .

V= (V1-V2) /2 ... (2)

El caudal (m3/s) del gas de muestra se obtendrá multiplicando ésta por el área de sección (m2) del conducto a través del que fluye el gas de muestra.

Se han desarrollado métodos y aparatos para medir la concentración de un cierto gas o la velocidad de flujo de un gas de muestra, usando el principio anterior, en base a la velocidad de propagación o el tiempo de propagación de ondas ultrasónicas a través del gas de muestra. Por ejemplo, la publicación de patente japonesa no examinada (Kokai) Nº 6-213877 describe un aparato para medir la concentración y el caudal de un gas de muestra midiendo el tiempo de propagación de ondas ultrasónicas que se propagan entre dos transductores ultrasónicos dispuestos de manera opuesta en un conducto a través del que fluye el gas de muestra. Además, las publicaciones de patente japonesa no examinadas (Kokai) Nº 7-209265 y Nº 8-233718 describen un aparato para medir la concentración de un cierto gas contenido en un gas de muestra midiendo la velocidad de propagación o el tiempo de propagación de ondas ultrasónicas que se propagan a través de un volumen con un aparato de tipo reflectante que incluye un transductor ultrasónico y un reflector dispuesto de manera opuesta.

En tal método y aparato para medir la concentración y el caudal usando la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas, es necesario determinar de manera precisa la longitud de propagación de las ondas ultrasónicas, esto es, la distancia entre los transductores o entre el transductor y el reflector, y el diámetro interno del conducto. Sin embargo, la longitud de propagación y el diámetro interno de un conducto son afectados de manera adversa por los cambios en el tamaño del conducto debidos a los cambios en la temperatura del gas de muestra. Además, la longitud de propagación de las ondas ultrasónicas y el diámetro interno de un conducto también son afectados por las exactitudes al manufacturar o ensamblar el conducto, ensamblar el transductor ultrasónico y el reflector y manufacturar el transductor ultrasónico. Por lo tanto, es difícil obtener la longitud de propagación de las ondas ultrasónicas y el diámetro interno de un conducto de manera precisa, lo que reduce la exactitud de la medida.

Las publicaciones de patente japonesa no examinadas (Kokai) Nº 6-213877 y Nº 8-233718 descritas anteriormente describen un factor de corrección de temperatura introducido para mejorar las características de temperatura de los resultados de la medida de la concentración. Además, hay un método en el que las relaciones entre la temperatura, la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas y la concentración son almacenadas en un dispositivo de memoria como una tabla. Sin embargo, para obtener tal factor de corrección de temperatura o tabla, se debe suministrar al dispositivo un gas de muestra a diversas temperaturas diferentes para obtener previamente las características de temperatura del aparato. Por lo tanto, se requiere una gran cantidad de esfuerzo.

Además, se ha propuesto un método para minimizar las características de temperatura de los resultados de la medida en el que la totalidad de un aparato es dispuesta bajo un control de temperatura para la medida a una temperatura constante. Sin embargo, en este método hay un problema, que es difícil controlar de manera precisa la temperatura del aparato, en particular el conducto, además de la necesidad de una instalación independiente para realizar el control de temperatura.

El documento US-A1-5.247.826 describe un sensor de concentración de gases y/o de caudal aparente adecuado para medir la concentración de oxígeno y el caudal aparente de un gas administrado a un paciente para fines médicos. Dos transductores piezoeléctricos montados sobre una tarjeta de circuitos impresos están interconectados por un tubo enrollado alargado. Se hace fluir el gas alrededor de uno de los transductores, a través del tubo y alrededor del otro transductor. Periódicamente, uno de los transductores es energizado con un único pulso de duración corta para transmitir una onda sónica a través del gas hacia el otro transductor. Se mide el tiempo de propagación para la onda sónica. Los dos transductores se usan alternativamente como transmisores y como receptores, de tal modo que el tiempo de propagación de la onda se mide tanto en la dirección como contra la dirección del flujo del gas. Está situado un termistor en el centro del tubo enrollado para medir la temperatura del gas. A partir de los tiempos medidos, la temperatura medida y las fórmulas almacenadas, un microprocesador calcula la concentración de oxígeno y/o el caudal aparente para el gas. El sensor también se puede usar para medir otros componentes de una mezcla de gases.

El documento US-A1-5.060.507 describe un método y aparato para monitorizar y controlar una mezcla de fluidos que usa una técnica de detección acústica pulsando una muestra de fluido y un fluido de referencia en cámaras alargadas con ondas sonoras generadas en un extremo de las cámaras y detectando las frecuencias resonantes en las cámaras, o el lapso de tiempo para que las ondas sonoras crucen las cámaras, con transductores dispuestos cerca del otro extremo de las cámaras, y comparando ratiométricamente las medidas basadas en el tiempo.

El documento JP-A-04353751 describe un aparato para medir el coeficiente de expansión capaz de medir de manera precisa el coeficiente de expansión de una muestra sin aplicar carga a la muestra en el momento de la medida. Una muestra en calentada por un calentador o enfriada por un enfriador para que se ajuste al valor de temperatura fijado por un panel de operación que establece un valor de temperatura para medir el coeficiente de expansión/factor de encogimiento de la muestra. Se fija un extremo de la muestra y el borde más extremo del otro extremo de la muestra calentada o enfriada y las proximidades del mismo son irradiados con la luz que proviene de una pieza emisora de luz, y la cantidad de cambio de la longitud de la muestra es detectada en base a la cantidad de luz transmitida. A partir del valor de temperatura fijado y la cantidad detectada de cambio de la longitud de la muestra, se calcula el coeficiente de expansión/factor de encogimiento de la muestra.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato y método ultrasónico medidor de la concentración que permite la calibración del aparato mediante un método sencillo y puede medir de manera... [Seguir leyendo]

1. Un aparato ultrasónico para medir la concentración de un gas, que comprende:

un conducto (102) para hacer fluir un gas, la concentración del cual se va a medir;

un dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (102) ;

un reflector (122) montado en el interior del conducto (102) para enfrentarse al dispositivo (118) de transmisiónrecepción ultrasónico;

un conmutador (124) de transmisión-recepción para cambiar el modo de operación del dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico entre un modo de transmisión para transmitir ondas ultrasónicas y un modo de recepción para recibir ondas ultrasónicas;

una fuente (114) de gas de calibración para suministrar un gas de calibración, el componente y proporción de componente del cual son conocidos, al conducto (102) ;

un sensor (116, 120) de temperatura, dispuesto en el conducto (102) , para medir la temperatura del gas de calibración que fluye a través del conducto (102) ;

medios (126) de cálculo del tiempo de propagación para calcular el periodo de tiempo en que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (102) en base al momento en que el dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas reflejadas por el reflector (122) ;

medios de calibración para calibrar una longitud de referencia entre el dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico y el reflector (122) en base a los resultados del cálculo por los medios (126) de cálculo del tiempo de propagación;

medios (132) de almacenamiento del coeficiente de expansión lineal para almacenar el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (102) ; y

medios de corrección para corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor (116, 120) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto (102) para la medida de la concentración.

2. Un aparato ultrasónico para medir la concentración de un gas según la reivindicación 1, que comprende además medios (113) de regulación de la temperatura para regular la temperatura del conducto (102) ; y

medios (126) de cálculo del coeficiente de expansión lineal para calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma del conducto (102) en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto (102) cambia.

3. Un método para medir la concentración de un gas mediante un aparato ultrasónico medidor de concentraciones de gases que comprende un conducto (102) para hacer fluir el gas, la concentración del cual se va a medir, un dispositivo (116) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (102) , un reflector (122) montado en el interior del conducto (102) para enfrentarse al dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico, y un conmutador (124) de transmisión-recepción para cambiar el modo de operación del dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico entre un modo de transmisión para transmitir ondas ultrasónicas y un modo de recepción para recibir ondas ultrasónicas, y medios (132) de almacenamiento del coeficiente de expansión lineal para almacenar el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (102) ,

comprendiendo el método, antes del inicio del procedimiento para medir la concentración del gas a ser medida, las etapas de:

suministrar un gas de calibración, el componente y proporción de componente del cual son conocidos, al conducto (102) ;

medir la temperatura del gas de calibración que fluye a través del conducto (102) mediante un sensor (116, 120) de temperatura dispuesto en el conducto (102) ;

generar ondas ultrasónicas mediante el dispositivo (118) de transmisión ultrasónico;

cambiar el modo de operación del dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico del modo de transmisión para transmitir las ondas ultrasónicas al modo de recepción para recibir las ondas ultrasónicas;

calcular el periodo de tiempo de propagación en el que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (102) en base al momento en que el dispositivo (118) de transmisión-recepción

ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas reflejadas por el reflector (122) ;

calibrar una longitud de referencia entre el dispositivo (118) de transmisión-recepción ultrasónico y el reflector (122) en base a los resultados del cálculo;

medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto (102) para la medida de la concentración; y

corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor (116, 120) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto (102) para la medida de la concentración.

4. Un método según la reivindicación 3, que comprende además las etapas de calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (102) en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto (102) cambia; y

medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto (102) para la medida de la concentración.

5. Un aparato ultrasónico para medir la concentración de un gas, que comprende:

un conducto (102) para hacer fluir un gas, la concentración del cual se va a medir;

un primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (102) ;

un segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (102) para enfrentarse al primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico;

un conmutador (224) de transmisión-recepción para cambiar el modo de operación del primer y segundo dispositivos (218, 222) de transmisión-recepción ultrasónicos entre un modo de transmisión para transmitir ondas ultrasónicas y un modo de recepción para recibir ondas ultrasónicas;

una fuente (214) de gas de calibración para suministrar un gas de calibración, el componente y proporción de componente del cual se conocen, al conducto (202) ;

un sensor (216, 220) de temperatura, dispuesto en el conducto (202) , para medir la temperatura del gas de calibración que fluye a través del conducto (202) ;

medios (226) de cálculo del tiempo de propagación para calcular un primer periodo de tiempo de propagación en el que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (202) en base al momento en que el primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas, y un segundo periodo de tiempo de propagación en el que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (202) en base al momento en que el segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el primer dispositivo (218) de transmisiónrecepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas; y medios de calibración para calibrar una longitud de referencia entre el primer y segundo dispositivos (218, 222) de transmisión-recepción ultrasónicos en base a los resultados del cálculo por los medios (226) de cálculo del tiempo de propagación;

medios (232) de almacenamiento del coeficiente de expansión lineal para almacenar el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (202) ; y

medios de corrección para corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor (216, 220) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto (202) para la medida de la concentración.

6. Un aparato ultrasónico para medir la concentración de un gas según la reivindicación 5, que comprende además medios (213) de regulación de la temperatura para regular la temperatura del conducto (202) ; y

medios (226) de cálculo del coeficiente de expansión lineal para calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (202) en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto (202) es cambiada.

7. Un método para medir la concentración de un gas mediante un aparato ultrasónico medidor de concentraciones de gases, que comprende un conducto (202) para hacer fluir el gas, la concentración del cual se va a medir, un primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (202) , un segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico montado en el interior del conducto (202) para enfrentarse al primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico, y un conmutador (224) de transmisión-recepción para

cambiar el modo de operación del primer y segundo dispositivos (218, 222) de transmisión-recepción ultrasónicos entre un modo de transmisión para transmitir ondas ultrasónicas y un modo de recepción para recibir ondas ultrasónicas, y medios (232) de almacenamiento del coeficiente de expansión lineal para almacenar el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (202) ,

comprendiendo el método, antes del inicio del procedimiento para medir la concentración del gas a ser medida, las etapas de:

suministrar un gas de calibración, el componente y proporción de componente del cual son conocidos, al conducto (202) ;

medir la temperatura del gas de calibración que fluye a través del conducto (202) mediante un sensor (216, 220) de temperatura dispuesto en el conducto (202) ;

generar ondas ultrasónicas mediante el primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico y recibir las ondas ultrasónicas mediante el segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico;

cambiar el modo de operación del primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico del modo de transmisión al modo de recepción y el modo de operación del segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico del modo de recepción al modo de transmisión;

calcular un primer periodo de tiempo de propagación en el que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (202) en base al momento en que el primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el segundo dispositivo (222) de transmisiónrecepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas, y un segundo periodo de tiempo de propagación en el que las ondas ultrasónicas se propagan a través del gas de calibración en el conducto (202) en base al momento en que el segundo dispositivo (222) de transmisión-recepción ultrasónico transmite las ondas ultrasónicas y el momento en que el primer dispositivo (218) de transmisión-recepción ultrasónico recibe las ondas ultrasónicas;

calibrar una longitud de referencia entre el primer y segundo dispositivos (218, 222) de transmisión-recepción ultrasónicos en base a los resultados del cálculo;

medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto (202) para la medida de la concentración; y

corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor (216, 220) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto (202) para la medida de la concentración.

8. Un método según la reivindicación 7, que comprende además las etapas de calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (202) en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto (202) es cambiada; y

medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto (202) para la medida de la concentración.

9. Un aparato ultrasónico según la reivindicación 5, para medir el caudal de un gas en dicho conducto (202) , en donde:

dicha fuente de gas de calibración es además para suministrar el gas de calibración, el componente, la proporción del componente y el caudal del cual son conocidos, al conducto (202) ;

dichos medios de calibración son para calibrar la longitud de referencia entre el primer y segundo dispositivos de transmisión-recepción ultrasónicos y el diámetro interno del conducto, en base a los resultados del cálculo por los medios de cálculo del tiempo de propagación;

dichos medios de corrección son además para corregir y calcular la longitud de referencia calibrada en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto para la medida del caudal.

10. Un aparato ultrasónico para medir el caudal de un gas según la reivindicación 9, que comprende además:

medios de regulación de la temperatura para regular la temperatura del conducto; y

medios de cálculo del coeficiente de expansión lineal para calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto es cambiada.

11. Un método según la reivindicación 7, para medir además el caudal de un gas mediante un aparato ultrasónico medidor de concentraciones de gases, en donde dicho conducto (202) es para hacer fluir el gas, el caudal del cual

se va a medir, comprendiendo dicho método además, antes del inicio del procedimiento para medir el caudal del gas a ser medido, las etapas de:

suministrar el gas de calibración, el componente, la proporción del componente y el caudal del cual son conocidos, al conducto (202) ;

calibrar la longitud de referencia entre el primer y segundo dispositivos (218, 222) de transmisión-recepción ultrasónicos y el diámetro interno del conducto (202) , en base a los resultados del cálculo; medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto (202) para la medida del caudal; y

corregir y calcular la longitud de referencia calibrada y el diámetro interno del conducto (202) , en base al coeficiente de expansión lineal y la temperatura, medida por el sensor (216, 220) de temperatura, del gas de muestra que fluye a través del conducto (202) para la medida del caudal.

12. Un método según la reivindicación 11, que comprende además las etapas de calcular el coeficiente de expansión lineal del material que forma el conducto (202) en base a los cambios en la longitud de referencia cuando la temperatura del conducto (202) es cambiada;

medir la temperatura del gas de muestra hecho fluir a través del conducto para la medida del caudal.