Método y aparato para medir el caudal másico de un gas.

Un método para medir el caudal másico de un gas a través de un conducto que comprende un orificio (210) através del cual tiene lugar un flujo estrangulado,

donde el orificio divide el conducto en una parte de aguas arriba,situada aguas arriba de dicho orificio y una parte de aguas abajo, situada aguas abajo de dicho orificio;

comprendiendo la parte aguas arriba un oscilador (218) de cristal piezoeléctrico que comprende al menos dospuntas planas y está en contacto con el gas aguas arriba del orificio, comprendiendo el método:

a) activar (402) el oscilador de cristal piezoeléctrico de forma que el oscilador de cristal piezoeléctricoresuene a una frecuencia de resonancia;

b) medir (404) la frecuencia de resonancia del oscilador de cristal piezoeléctrico; y

c) determinar (408) el caudal másico del gas a través de dicho orificio, a partir de la relación entre lafrecuencia de resonancia medida del oscilador de cristal piezoeléctrico y la densidad del gas aguas arriba delorificio, y de la relación entre la densidad del gas aguas arriba del orificio, la superficie de la seccióntransversal del orificio y la velocidad del sonido en el gas.

Método y aparato para medir el caudal másico de un gas La presente invención está relacionada con un método y un aparato para medir el caudal másico de un gas. Más en particular, la presente invención está relacionada con un método y un aparato para medir el flujo másico de un gas a través de un orificio de restricción de flujo, utilizando un oscilador piezoeléctrico.

Los métodos y aparatos descritos en esta memoria pueden ser aplicados a sistemas en los que hay presentes fluidos de presión relativamente alta (por ejemplo, alrededor de 10 bares o más altas) , tales como por ejemplo el suministro de fluidos en cilindros de alta presión o plantas de fabricación que utilizan fluidos a alta presión. La presente invención está relacionada particularmente con gases “limpios”, es decir, gases con pocas o ninguna impureza o contaminantes, tales como vapor de agua o polvo.

La presente invención es particularmente aplicable a gases permanentes. Los gases permanentes son gases que no pueden ser licuados solamente por presión, y por ejemplo pueden ser suministrados en cilindros a presiones de hasta 450 bares g (donde bar g es una medida de la presión por encima de la presión atmosférica) . Ejemplos de ello son el Argón y el Nitrógeno. Sin embargo, esto no debe tomarse como limitativo y el término gas puede considerarse que abarca una amplia gama de gases, por ejemplo, tanto un gas permanente y un vapor de un gas licuado.

Los vapores de los gases licuados están presentes por encima del líquido en un cilindro de gas comprimido. Los gases que se licuan bajo presión a medida que son comprimidos para llenar un cilindro, no son gases permanentes y se describen con más precisión como gases licuados bajo presión o como vapores de gases licuados. Como ejemplo, el óxido nitroso se suministra a un cilindro en forma líquida, con una presión de vapor en equilibrio de 44, 4 bares g a 15º C. Tales vapores no son gases permanentes o verdaderos, ya que se pueden licuar bajo presión o temperatura aproximadamente en condiciones de ambiente.

Un cilindro de gas comprimido es un recipiente a presión diseñado para contener gases a alta presión, es decir, presiones significativamente mayores que la presión atmosférica. Los cilindros de gas comprimido se usan en una amplia variedad de mercados, desde el mercado industrial general de bajo coste, hasta el mercado médico, y hasta aplicaciones de mayor coste, tales como la fabricación de electrónica que utiliza gases corrosivos, tóxicos o de especialidad pirofórica de alta pureza. Comúnmente, los recipientes de gases presurizados comprenden al acero, aluminio o compuestos, y son capaces de almacenar gases comprimidos, licuados o disueltos con una presión de llenado máxima de hasta 450 bares g para la mayoría de los gases, y hasta 900 bares g para gases tales como el hidrógeno y el helio.

Con el fin de dispensar gases eficazmente y de manera controlable desde un cilindro de gas u otro recipiente a presión, se requiere una válvula o regulador. A menudo, se combinan los dos para formar una Válvula con Regulador de Presión Integrado (VIPR) . El regulador es capaz de regular el flujo del gas de manera que el gas se dispensa a una presión constante o variable por el usuario.

Para muchas aplicaciones, es deseable conocer el caudal de gas desde un cilindro de gas. Esto puede ser crítico para muchas aplicaciones, por ejemplo aplicaciones médicas. Se conocen diversas configuraciones de medidores de flujo másico.

Una clase de medidores de flujo másico que se usan comúnmente en muchas aplicaciones industriales son los medidores mecánicos de flujo másico. Tales medidores incluyen componentes mecánicos que se desplazan o giran para medir el flujo másico. Uno de esos tipos es el medidor inercial de flujo (o medidor del flujo de Coriolis) que mide el flujo de fluido a través del efecto del fluido sobre tubos de cierta forma. Los medidores de Coriolis pueden manejar una amplia gama de caudales con alta precisión. Sin embargo, con el fin de detectar el caudal, se requieren sistemas complejos con características tales como accionamiento, detección, electrónica y cálculo.

Medidores de flujo másico alternativos de tipo mecánico son los medidores de diafragma, medidores rotativos y medidores de turbina. Sin embargo, estos tipos de medidores son generalmente menos precisos e implican piezas móviles que pueden ser objeto de desgaste. Además, los medidores tales como los medidores rotativos son útiles solamente para medir caudales relativamente bajos.

Una clase alternativa de medidores de flujo másico son los medidores electrónicos de flujo. Dos tipos principales son los medidores térmicos y los medidores ultrasónicos. Los medidores térmicos de flujo miden la transferencia de calor a través de un tubo caliente para medir el caudal. Los medidores ultrasónicos de flujo miden la velocidad del sonido en un medio gaseoso, promediando algunas veces la velocidad del sonido en múltiples caminos dentro de la tubería. Sin embargo, ambos tipos de medidores electrónicos de flujo requieren generalmente un significativo hardware de proceso de señales y son generalmente elementos de alto coste.

El documento GB-A-1 349 256 divulga un aparato para supervisar el flujo másico y el caudal másico de un fluido que fluye a través de un conducto. El aparato comprende un elemento sensor de densidad y un rotor para medir el caudal volumétrico. El documento US-A-2010/132471 divulga un sensor de presión en forma de sensor de cuarzo configurado para medir la presión de fluido en el cuerpo de un sensor.

El documento DE-A-10 2005 050400 divulga un dispositivo para determinar y/o supervisar el peso de un medio en un recipiente. El dispositivo comprende una unidad de medición del nivel para determinar y/o supervisar el nivel del medio, una unidad de medición de la densidad para determinar y/o supervisar la densidad del medio y una unidad de evaluación para determinar el peso del medio a partir del nivel y la densidad del medio.

El documento WO-A-98/15811 está relacionado con un densitómetro que incluye un plénum de la muestra del gas conectado a una tubería de suministro de gas a través de un conducto de entrada de flujo restringido. Hay una aleta en voladizo posicionada en el plénum de la muestra para mediciones de densidad de gas.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método de medición del caudal másico de un gas a través de un conducto, que comprende un orificio a través del cual tiene lugar un flujo estrangulado, donde el orificio divide el conducto en una parte aguas arriba de dicho orificio y una parte aguas abajo de dicho orificio, y donde la parte aguas arriba comprende un oscilador piezoeléctrico que comprende dos puntas planas y en contacto con el gas aguas arriba del orificio, comprendiendo el método: a) activar el oscilador de cristal piezoeléctrico de forma que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuena a una frecuencia resonante; b) medir la frecuencia resonante del oscilador de cristal piezoeléctrico; y c) determinar el caudal másico de gas a través de dicho orificio a partir de la relación entre la frecuencia resonante medida del oscilador de cristal piezoeléctrico y la densidad del gas aguas arriba del orificio, y a partir de la relación entre el caudal másico, la densidad del gas aguas arriba del orificio, la superficie de la sección transversal del orificio y la velocidad del sonido en el gas.

Al proporcionar tal método, el caudal másico del gas a través de un orificio restrictivo puede ser determinado fácilmente utilizando un oscilador de cristal piezoeléctrico robusto y relativamente económico, por ejemplo, un oscilador de cristal de cuarzo. El oscilador de cristal piezoeléctrico oscilará a una frecuencia resonante que depende de la densidad del gas en el cual está inmerso el oscilador. Como en condiciones de flujo estrangulado, la densidad del gas aguas arriba del orificio es proporcional al caudal másico a través del orificio, puede utilizarse un oscilador de cristal para medir el caudal másico.

Tal oscilador funciona tanto como una fuente de excitación (oscilando como respuesta a ser activado por un circuito de activación) como un detector (al tener una sola frecuencia resonante que depende del entorno en el cual está situado el oscilador) . Además, un oscilador de cristal es robusto y, como resultado, no es relativamente afectado por perturbaciones ambientales. Además, los componentes que se requieren para operar tal oscilador son compactos y de bajo coste.

En un modo de realización, la presión aguas arriba de dicho orificio es al menos 0, 5 bares mayor que la presión aguas abajo de dicho orificio. En un modo... [Seguir leyendo]

1. Un método para medir el caudal másico de un gas a través de un conducto que comprende un orificio (210) a través del cual tiene lugar un flujo estrangulado, donde el orificio divide el conducto en una parte de aguas arriba,

situada aguas arriba de dicho orificio y una parte de aguas abajo, situada aguas abajo de dicho orificio; comprendiendo la parte aguas arriba un oscilador (218) de cristal piezoeléctrico que comprende al menos dos puntas planas y está en contacto con el gas aguas arriba del orificio, comprendiendo el método:

a) activar (402) el oscilador de cristal piezoeléctrico de forma que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuene a una frecuencia de resonancia; b) medir (404) la frecuencia de resonancia del oscilador de cristal piezoeléctrico; y c) determinar (408) el caudal másico del gas a través de dicho orificio, a partir de la relación entre la frecuencia de resonancia medida del oscilador de cristal piezoeléctrico y la densidad del gas aguas arriba del orificio, y de la relación entre la densidad del gas aguas arriba del orificio, la superficie de la sección transversal del orificio y la velocidad del sonido en el gas.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la presión aguas arriba de dicho orificio es al menos 0, 5 bares mas alta que la presión aguas abajo de dicho orificio.

3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en el que el método comprende además la determinación de la temperatura del gas aguas arriba del orificio.

4. Un método según la reivindicación 1, 2 o 3, en el que el gas se dispensa desde un regulador o válvula de presión situados aguas arriba del oscilador de cristal piezoeléctrico 25

5. Un método según la reivindicación 4, en el que el regulador o válvula de presión están electrónicamente controlados como respuesta al caudal másico medido del gas a través de dicho orificio.

6. Un medidor (200, 350) para medir el caudal másico de un gas, comprendiendo el medidor un conducto (206) a

través del cual fluye el gas en uso, tendiendo el conducto un orificio (212) de restricción de flujo a través del cual tiene lugar un flujo estrangulado durante el uso, donde el orificio de restricción de flujo divide el conducto en una parte aguas arriba (214) situada aguas arriba de dicho orificio, y una parte aguas abajo (216) que está situada aguas abajo de dicho orificio, comprendiendo además el medidor un conjunto sensor (204) , donde el conjunto sensor incluye un oscilador (218) de cristal piezoeléctrico que comprende al menos dos puntas planas en dicha parte aguas arriba, de forma que dicho oscilador de cristal piezoeléctrico está en contacto con dicho gas, cuando está en uso el medidor, estando configurado dicho conjunto sensor:

para activar el oscilador de cristal piezoeléctrico de forma tal que el oscilador de cristal piezoeléctrico resuena a una frecuencia de resonancia;

para medir dicha frecuencia de resonancia de dicho oscilador de cristal piezoeléctrico; y para determinar el caudal másico a través del orificio a partir de la relación entre la frecuencia resonante medida del oscilador de cristal piezoeléctrico y la densidad del gas aguas arriba del orificio, y a partir de la relación entre el caudal másico, la densidad del gas aguas arriba del orificio, la superficie de la sección transversal del orificio y la velocidad del sonido en el gas.

7. Un medidor según la reivindicación 6, en el que el medidor comprende además un circuito de activación que comprende una pareja Darlington dispuesta en una configuración de realimentación desde un amplificador de emisor común.

8. Un medidor según la reivindicación 6 o 7, que comprende además un sensor de temperatura configurado para determinar la temperatura del gas contiguo a dicho oscilador de cristal piezoeléctrico.

9. Un medidor según la reivindicación 6, 7 u 8, dispuesto aguas abajo de un regulador o válvula de presión.

10. Un medidor según la reivindicación 9, en el que el medidor está configurado para controlar electrónicamente el regulador o válvula de presión, como respuesta al caudal másico medido a través del orificio de restricción de flujo.

11. Un método o medidor, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que dicho oscilador de cristal piezoeléctrico comprende un oscilador de cristal de cuarzo. 60

12. Un método o medidor, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que dicho oscilador de cristal piezoeléctrico tiene una frecuencia resonante de 32 kHz o mayor.

13. Un producto de programa informático ejecutable por un dispositivo de proceso programable, que comprende una

o más partes de software para realizar los pasos de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.

14. Un medio de almacenamiento utilizable por un ordenador, que tiene almacenado en él un producto de programa informático de acuerdo con la reivindicación 13.