Método y aparato para medir la presión de un gas.

Un método para medir la presión de un gas, el método comprende:

a) medir la frecuencia de oscilación de un oscilador piezoeléctrico (210) en contacto con el gas;

b) determinar la presión del gas a partir de la frecuencia de oscilación del oscilador piezoeléctrico, la temperatura conocida del gas y el peso molecular conocido del gas.

Método y aparato para medir la presión de un gas La presente invención está relacionada con un método y un aparato para medir la presión de un gas. Más particularmente, la presente invención está relacionada con un método y un aparato para medir la presión de un gas utilizando un oscilador piezoeléctrico.

Los métodos y los aparatos descritos en esta memoria son particularmente aplicables a sistemas en los que puede haber presentes fluidos a presión relativamente alta (por ejemplo aproximadamente 10 bar o más) , tal como por ejemplo, el suministro de gas desde cilindros a alta presión o plantas de fabricación que utilizan gases a alta presión. La presente invención está relacionada particularmente con gases "limpios", es decir gases con pocas o sin impurezas o contaminantes, tal como vapor de agua o polvo.

Un cilindro de gas comprimido es un envase a presión diseñado para contener gases a presiones altas, es decir a presiones significativamente mayores que la presión atmosférica. Los cilindros de gas comprimido se utilizan en una gran variedad de mercados, desde el mercado industrial general de coste bajo, pasando por el mercado médico, a aplicaciones de coste más alto, como la fabricación de electrónica utilizando gases específicos de alta pureza, corrosivos, tóxicos o pirofóricos. Comúnmente, los recipientes de gas presurizado comprenden acero, aluminio o compuestos y son capaces de almacenar gases comprimidos, licuados o disueltos con una presión máxima de llenado hasta 450 bar manométricos para la mayoría de gases, y hasta 900 bar para gases tales como hidrógeno y helio.

La presente invención es particularmente aplicable a gases permanentes. Los gases permanentes son gases que no pueden licuarse solo por presión, y por ejemplo pueden suministrarse en cilindros de gas a presiones hasta 450 bar de presión manométrica. Unos ejemplos son el argón y el nitrógeno. Sin embargo, esto debe tomarse como limitativo y el término gas puede considerarse que abarca un abanico más amplio de gases, por ejemplo, un gas permanente y un vapor de un gas licuado.

Los vapores de gases licuados están presentes encima del líquido que hay en un cilindro de gas comprimido. Los gases que se licuan bajo presión cuando son comprimidos para llenar en 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 en un cilindro en forma líquida, con una presión de vapor de equilibrio de 44, 4 bar manométricos a 15° C. Tales vapores no son gases permanentes o verdaderos ya que son licuables por presión o temperatura alrededor de condiciones ambientes.

Con el fin de dispensar gases de manera eficaz y controlable desde un cilindro de gas u otro envase a presión, se necesita un regulador. El regulador puede regular el flujo del gas de tal manera que el gas se dispensa a una presión constante o variable por el usuario.

La medición de la presión en tales sistemas se conoce bien en la técnica y hay una variedad de dispositivos que funcionan para medir la presión. El tipo más convencional utiliza un diafragma elástico equipado con elementos de galga extensiométrica. Otro manómetro comúnmente utilizado es un medidor de Bourdon. Tal medidor comprende un tubo aplanado de extremos cerrados y de pared delgada que se conecta en el extremo hueco a una tubería fija que contiene la presión de fluido a medir. Un aumento de presión hace que el extremo cerrado del tubo describa un arco.

Si bien estos tipos de manómetros son de coste relativamente bajo, tienden a tener un tamaño relativamente grande, y tienen una estructura mecánica que es relativamente compleja y cara de hacer. Adicionalmente, tales medidores comprenden unos componentes delicados que los hacen vulnerables a dañarse con los factores ambientales, tales como la exposición a altas presiones.

Por ejemplo, un manómetro convencional diseñado para funcionar de manera fiable a presión entre 0 -5 bar se dañará irreparablemente si se expone a presiones significativamente más grandes como, por ejemplo, 200 bar. Si ocurre esto, el medidor necesitará sustitución. Además, el medidor puede fallar peligrosamente y puede tener fugas. Esto es un asunto particular si hay presentes gases inflamables o combustibles.

Una situación en la que tal medidor podría quedar expuesto inadvertidamente a presiones excesivamente altas se conoce como "creep o fluencia ". Considérese una disposición por la que se proporciona un manómetro en la salida de un regulador de alta presión de un cilindro de gas a alta presión, y la salida se desconecta. En este caso, el cilindro de gas puede estar, por ejemplo, a 300 bar de presión interna. Cuando se deja durante un periodo de tiempo, incluso una pequeña fuga de gas a través del asiento de válvula del regulador puede llevar a presiones entre el regulador y la salida cerrada que son cercanas y posiblemente iguales a la presión interna del cilindro de gas. Tales presiones pueden dañar un manómetro convencional y quedar irreparable.

Como otro ejemplo, considérese un regulador de presión fija a 300 bar que tiene una entrada conectada, a través de una válvula de aislamiento de alta presión, a un cilindro de gas a alta presión. La salida del regulador se conecta a un manómetro de presión baja. Tales disposiciones de presión fija se configuran para proporcionar una presión constante de salida de, por ejemplo, 5 bar. Sin embargo, cuando se abre primero la válvula de aislamiento de presión alta, la presión dará brevemente un impulso a un valor mucho más alto antes de que el diafragma del regulador sea capaz de ajustarse para regular la presión. Este breve impulso de presión alta puede dañar el manómetro.

Un tipo alternativo de dispositivo utilizado para medir las propiedades físicas de gases es un dispositivo piezoeléctrico tal como un cristal de cuarzo. Los cristales de cuarzo demuestran un comportamiento piezoeléctrico, es decir la aplicación de voltaje a ellos tiene como resultado un ligero encogimiento o estiramiento del sólido, y viceversa.

El documento "A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6) -Gas Density Control" de Zeisel et al, Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236 describe una disposición por la que se utiliza un sensor de cristal de cuarzo para medir la densidad de gas SF6 en equipos eléctricos de alto y medio voltaje. La medición de la densidad del gas SF6 es crítica para la seguridad del aparato. Por lo tanto, esta descripción no concierne a la medición de presión.

El documento US 4.644.796 describe un método y un aparato para medir la presión de un fluido utilizando un oscilador de cristal de cuarzo alojado dentro de un alojamiento de volumen variable que comprende una disposición de fuelles. El volumen interno del alojamiento varía debido a la compresión/expansión de los fuelles por la presión del fluido externo. En consecuencia, la densidad del fluido dentro del alojamiento varía a medida que varía el volumen interno del alojamiento. La densidad dentro del alojamiento puede medirse utilizando un oscilador de cristal de cuarzo. Sin embargo, el oscilador de cristal de cuarzo no está en contacto con el fluido que se mide y, en vez de eso, mide indirectamente la presión de gas por cambios en el volumen interno del alojamiento.

El documento US-A-4.734.609 describe un transductor de densidad de gas que compara la frecuencia resonante de un oscilador de cristal encerrado de diapasón de referencia con la frecuencia resonante de un oscilador de cristal de diapasón detector expuesto al gas circundante. La frecuencia de oscilación del oscilador de cristal detector expuesto varía según la densidad de gas. La frecuencia del oscilador detector se compara con la frecuencia del oscilador de referencia para determinar la densidad de gas.

El documento US-A-5.471.882 describe un conjunto de transductor de presión para medir presión de fluido. El conjunto de transductor incluye un sensor de presión de resonador de modo de cizallamiento en grosor (thicknessshear mode) y un sensor de temperatura de resonador de modo de cizallamiento en grosor para la compensación de temperatura del sensor de la presión. El documento EP-A-0273649 describe unos medios que perciben presión en modo de cizallamiento en grosor y un sensor de temperatura. El aparato puede funcionar para compensar los gradientes de temperatura.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para medir la presión de un gas, el método comprende: a) medir la frecuencia de oscilación de un oscilador piezoeléctrico en contacto con el gas; b) determinar la presión del gas a partir... [Seguir leyendo]

1. Un método para medir la presión de un gas, el método comprende:

a) medir la frecuencia de oscilación de un oscilador piezoeléctrico (210) en contacto con el gas; b) determinar la presión del gas a partir de la frecuencia de oscilación del oscilador piezoeléctrico, la temperatura conocida del gas y el peso molecular conocido del gas.

2. Un método según la reivindicación 1, en donde la etapa a) comprende:

impulsar, por medio de un circuito impulsor (212; 240) , el oscilador piezoeléctrico de tal manera que el oscilador piezoeléctrico resuene a una frecuencia resonante; y medir dicha frecuencia resonante durante un período de tiempo predeterminado para determinar la presión de gas.

3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde el método comprende además:

medir la temperatura del gas utilizando un sensor de temperatura (214) .

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde se proporcionan dos osciladores piezoeléctricos (402, 404) , uno de los osciladores piezoeléctricos tiene un coeficiente de sensibilidad mayor que el otro de los osciladores piezoeléctricos y el método comprende además, antes de la etapa a) , seleccionar uno de los osciladores piezoeléctricos.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho oscilador piezoeléctrico se proporciona aguas abajo de un dispositivo de reducción de presión (150; 250) .

6. Un manómetro (200; 260) para medir la presión de un gas, el manómetro comprende un alojamiento (202) conectable a la fuente de gas y que comprende un interior (206) que, durante el uso, está en comunicación con dicho gas, el manómetro comprende además un conjunto de sensor (204) ubicado dentro de dicho alojamiento y que incluye un procesador (230) y un oscilador piezoeléctrico (210) que, durante el uso, se ubica en contacto con dicho gas, dicho conjunto de sensor se dispone para medir la frecuencia de oscilación de dicho oscilador piezoeléctrico en dicho gas y dicho procesador se configura para determinar, a partir de la medición de frecuencia y la temperatura conocida y el peso molecular conocido del gas, la presión del gas.

7. Un manómetro según la reivindicación 6, en donde el conjunto de sensor comprende además un sensor de temperatura (214) para medir la temperatura del gas dentro de dicho alojamiento.

8. Un manómetro según cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, en donde el conjunto de sensor comprende un circuito impulsor (212; 240) para impulsar dicho oscilador piezoeléctrico a dicha frecuencia resonante.

9. Un manómetro según la reivindicación 8, en donde el circuito impulsor comprende un par Darlington (218) dispuesto en una configuración de realimentación desde un amplificador de emisor común (220) .

10. Un método o manómetro según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el oscilador piezoeléctrico comprende un oscilador de cristal de cuarzo.

11. Un dispositivo de reducción de presión (150; 250) que comprende el manómetro de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10.

12. Un dispositivo de reducción de presión según la reivindicación 11, en forma de un regulador de presión.

13. Un dispositivo de reducción de presión según la reivindicación 12, en donde el regulador de presión es un regulador electrónico de presión (250) y el manómetro puede funcionar para controlar el regulador electrónico de presión.

14. Un dispositivo de reducción de presión según la reivindicación 13, en donde el regulador electrónico de presión comprende una electroválvula (252) , el conjunto de sensor puede funcionar para controlar, durante el uso, la electroválvula.

15. Un producto de programa informático ejecutable por un aparato programable de procesamiento, que comprende una o más partes de software para realizar las etapas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.

16. Un medio de almacenamiento utilizable por ordenador que tiene un producto de programa según la reivindicación 15 almacenado en el mismo.