Aparato para la medición del contenido verdadero de un cilindro de gas bajo presión.

Una unidad de medición (200) para la medición de propiedades físicas de un gas bajo presión en el interior de un cilindro de gas (100) que comprende un cuerpo de cilindro de gas (102) y un dispositivo de válvula (104) que definen un volumen interno fijo (V) del cilindro de gas,

comprendiendo la unidad de medición (200) una carcasa, un oscilador piezoeléctrico (202) para su inmersión en el gas en el interior del cilindro de gas (100) y un circuito de control operable para controlar el oscilador piezoeléctrico de forma tal que el oscilador piezoeléctrico vibra a una frecuencia de resonancia, estando dispuesta la unidad de medición (200) para determinar la densidad del gas en el interior del cilindro de gas (100) a partir de la frecuencia de resonancia del oscilador piezoeléctrico (202) cuando está sumergido en dicho gas, en la cual, durante el uso, la carcasa (250) está ubicada en el interior del volumen interno fijo (V) del cilindro de gas y comprende una primera cámara y una segunda cámara, estando la primera cámara en comunicación fluida con la segunda cámara y conteniendo sustancialmente a dicho oscilador piezoeléctrico, y estando la segunda cámara en comunicación fluida con el interior del cilindro de gas (100).

Aparato para la medición del contenido verdadero de un cilindro de gas bajo presión

La presente invención se refiere a un aparato para la medición del contenido verdadero de un cilindro de gas bajo presión. Más particularmente, la presente invención se refiere a un aparato para la medición precisa del contenido verdadero o de la tasa de cambio del contenido verdadero, de un cilindro de gas, que utiliza un oscilador piezoeléctrico y una carcasa de protección.

El aparato descrito en este documento puede aplicarse a sistemas en los que está presente un gas a presión relativamente alta (por ejemplo, a alrededor de 10 bar o mayor) tal como, por ejemplo, el suministro de gases en cilindros de alta presión o en plantas manufactureras que utilizan gases a alta presión. La presente invención se refiere particularmente a gases "limpios", es decir, a gases con pocas o ninguna impureza o contaminantes tales como vapor de agua o partículas.

Un cilindro de gas comprimido es un recipiente sometido a presión diseñado para contener gases a altas presiones, es decir, a presiones significativamente mayores que la presión atmosférica. Los cilindros de gas comprimido se utilizan en un amplio rango de mercados, desde el mercado industrial general de bajo coste, pasando por el mercado de la medicina, hasta aplicaciones de alto coste, tales como la manufactura de productos electrónicos que utilizan gases de especialidad corrosiva, tóxica o pirofórica de alta pureza. Comúnmente, los recipientes de gas sometidos a presión están constituidos de acero, aluminio o materiales compuestos y son capaces de almacenar gases comprimidos, licuados o disueltos con una presión máxima de llenado de hasta 450 bar g (donde bar g es una medida de la presión (en bar) con respecto a la presión atmosférica) para la mayoría de los gases, y de hasta 900 bar g para gases tales como hidrógeno y helio.

La presente invención es aplicable particularmente a gases permanentes. Los gases permanentes son gases que no pueden licuarse sólo por presión, y pueden ser proporcionados, por ejemplo, en cilindros a presiones de hasta 450 bar g. Ejemplos de éstos son el Argón y el Nitrógeno. Sin embargo, esto no debe tomarse como limitante y puede considerarse que el término gas Incluye un rango más amplio de gases, por ejemplo, tanto un gas permanente como el vapor de un gas licuado. El vapor de un gas licuado está presente por encima del líquido en un cilindro de gas comprimido. Los gases que se licúan bajo presión a medida que se comprimen para rellenar 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 un equilibro de presión de vapor de 44,4 bar g a 15° C. Tales vapores no son permanentes o gases verdaderos dado que éstos son capaces de licuarse mediante presión o temperatura en condiciones aproximadamente ambientales.

En muchos casos, es necesario monitorizar el contenido de un cilindro o recipiente a presión dado para determinar la cantidad de gas restante. Esto es particularmente crítico en situaciones tales como aplicaciones médicas.

Es conocido calcular, de acuerdo con las leyes de los gases, el contenido verdadero de un cilindro a partir del conocimiento de la presión del gas en el interior de un cilindro. La medición de la presión es una técnica muy conocida y hay una variedad de dispositivos que funcionan con el fin de medir la presión. El tipo más convencional utiliza un diafragma elástico equipado con elementos de galga extensiométrica. Sin embargo, aunque se trata de uno de los sensores de presión de coste más bajo que se realizan en la actualidad, estos sensores tienden a ser de tamaño relativamente grande y tienen una estructura mecánica que, aunque se pueden producir con métodos fotolltográflcos de producción en masa, es, a pesar de eso, relativamente compleja y cara de realizar. Éstos tienen también un cierto grado de fragilidad y requieren calibración y compensación de temperatura antes de que puedan ser utilizados.

Otro medidor de presión utilizado comúnmente es un manómetro de Bourdon. Un medidor como tal comprende un tubo frágil de extremo cerrado, de pared delgada aplanada, el cual está conectado por el extremo hueco a un tubo fijo que contiene el fluido a presión, cuya presión se debe medir. Un incremento en la presión hace que el extremo cerrado del tubo describa un arco. Un medidor como tal comprende componentes delicados que son vulnerables al daño provocado por, por ejemplo, la exposición a altas presiones.

Un problema que hace difícil medir de forma precisa la cantidad de gas en un recipiente de gas es la relación entre la temperatura y la presión de los gases contenidos en el interior del cilindro. Según las leyes de los gases, la presión ejercida por una cantidad dada de gas a volumen constante es directamente proporcional a su temperatura. Por lo tanto, a medida que la temperatura de un gas aumenta, también lo hace la presión del gas.

Consecuentemente, la medición de la presión utilizando un medidor de presión tal como el manómetro de Bourdon aumenta y disminuye en proporción a la temperatura absoluta; por ejemplo, a partir de una temperatura inicial de 20° C hasta, por ejemplo, 50° C en un entorno iluminado por el sol, la presión indicada sobre un manómetro de Bourdon aumentará en un 10%.

Una cuestión adicional es que, con el fin de determinar el contenido de un cilindro que utiliza un medidor de presión, se requiere que el medidor de presión sea corregido de acuerdo con la compresibilidad del gas. Esto es complicado por el comportamiento de un gas a alta presión, que no cumple con el comportamiento de un gas ideal.

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 exhiben un comportamiento piezoeléctrico, es decir, la aplicación de tensión sobre éstos genera un acortamiento o estiramiento del sólido, y viceversa.

El documento "A Precise And Robust Quarz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SFe) - Gas Density Control" de Zeisel et al, Sensors and Actuators 80 (2000) 233 - 236 describe un dispositivo en el cual se utiliza un sensor de cristal de cuarzo para medir la densidad de un gas SF6 en un equipo eléctrico de media y alta tensión a presiones bajas de gas. La medición de la densidad del gas SF6 es crítica para la seguridad del aparato. Este documento describe una aplicación de baja presión para la tecnología de sensor de cuarzo en la cual se utilizan presiones de hasta 8 bar.

El documento US 4.644.796 describe un método y un aparato para la medición de la presión de un fluido utilizando un oscilador de cristal de cuarzo alojado en el interior de una carcasa de volumen variable que comprende una disposición de fuelles. El volumen interno de la carcasa varía debido a la comprensión / expansión de los fuelles mediante la presión externa del fluido. Consecuentemente, la densidad del fluido en el interior de la carcasa varía a medida que varía el volumen interno de la carcasa. Puede medirse la densidad en el interior de la carcasa utilizando un oscilador de cristal de cuarzo.

El documento US - A - 5.421.190 se refiere a un dispositivo para la medición de la densidad de un gas aislante en una instalación eléctrica aislada con gas. Se proporcionan dos resonadores de cristal piezoeléctrico. Un primer resonador está ubicado en el interior de la cámara que contiene el gas a ser medido y el segundo resonador está ubicado en una cámara sellada apartada de la medición de gas.

Los dispositivos anteriores describen el uso de un sensor de estado sólido tal como un oscilador de cristal de cuarzo. Sin embargo, ninguno de los dispositivos y métodos anteriores es adecuado para la medición precisa de la masa de gas en un recipiente a presión tal como un cilindro con gas.

Una complicación adicional en lo que respecta a la medición de las propiedades físicas de un gas contenido en un cilindro de gas es el movimiento del gas en el interior del cilindro. Por ejemplo, si la parte superior de un cilindro de gas está frío, se pueden formar corrientes convectivas enérgicas que pueden distorsionar las mediciones de las propiedades físicas del gas.

El número de Grashof (Gr) es un número adimensional que aproxima el cociente entre las fuerzas de flotación y las fuerzas viscosas que actúan sobre un fluido. El valor de Gr proporciona una indicación de la probabilidad de ocurrencia de la convección en fluidos particulares - cuanto más alto es el valor de Gr, mayor probabilidad de que se produzca la convección.

1. Una unidad de medición (200) para la medición de propiedades físicas de un gas bajo presión en el interior de un cilindro de gas (100) que comprende un cuerpo de cilindro de gas (102) y un dispositivo de válvula (104) que definen un volumen interno fijo (V) del cilindro de gas, comprendiendo la unidad de medición (200) una carcasa, un oscilador piezoeléctrico (202) para su Inmersión en el gas en el interior del cilindro de gas (100) y un circuito de control operable para controlar el oscilador piezoeléctrico de forma tal que el oscilador piezoeléctrico vibra a una frecuencia de resonancia, estando dispuesta la unidad de medición (200) para determinar la densidad del gas en el Interior del cilindro de gas (100) a partir de la frecuencia de resonancia del oscilador piezoeléctrico (202) cuando está sumergido en dicho gas, en la cual, durante el uso, la carcasa (250) está ubicada en el interior del volumen Interno fijo (V) del cilindro de gas y comprende una primera cámara y una segunda cámara, estando la primera cámara en comunicación fluida con la segunda cámara y conteniendo sustancialmente a dicho oscilador piezoeléctrico, y estando la segunda cámara en comunicación fluida con el interior del cilindro de gas (100).

2. Una unidad de medición según la reivindicación 1, en la cual la unidad de medición (200) comprende además un procesador dispuesto para determinar, a partir de la medición de la densidad y a partir del volumen Interno (V) de dicho cilindro de gas (100), la masa del gas en el Interior del cilindro de gas (100).

3. Una unidad de medición según la reivindicación 2, en la cual el procesador está dispuesto además para llevar a cabo repetidas mediciones de la masa del gas en el Interior del cilindro de gas a intervalos discretos de tiempo, para obtener una pluralidad de mediciones y para determinar, a partir de dicha pluralidad de mediciones, el caudal másico de gas hacia / desde el cilindro de gas durante los intervalos discretos de tiempo.

4. Una unidad de medición según la reivindicación 3, en la cual el procesador está dispuesto para definir dichos intervalos discretos de tiempo como del orden de segundos.

5. Una unidad de medición según la reivindicación 3 ó 4, en la cual el procesador está dispuesto para aplicar filtrado numérico a dichas mediciones.

6. Una unidad de medición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual la primera cámara tiene una pared que comprende una primera abertura que permite la comunicación fluida entre las cámaras primera y segunda, y la segunda cámara que tiene una pared que comprende una segunda abertura para permitir una comunicación fluida entre la segunda cámara y el volumen interior del cilindro de gas.

7. Una unidad de medición según la reivindicación 6, en la cual la primera y / o la segunda abertura tiene unas dimensiones de 0,35 mm o menos.

8. Una unidad de medición según la reivindicación 7, en la cual la primera y / o la segunda abertura tiene unas dimensiones de 0,22 mm o menos.

9. Una unidad de medición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual la carcasa es sustancialmente cilindrica.

10. Una unidad de medición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual la carcasa tiene una longitud de 230 mm o menos.

11. Una unidad de medición según la reivindicación 10, en la cual la carcasa tiene una longitud de 80 mm o menos.

12. Una unidad de medición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la cual dicho oscilador piezoeléctrico comprende un oscilador de cristal de cuarzo.

13. Un cilindro de gas (100) para contener un gas bajo presión, teniendo el cilindro de gas (100):

un cuerpo del cilindro de gas (102) que define un volumen interno fijo (V);

un dispositivo de válvula (104) conectado a dicho cuerpo de cilindro de gas (102) y dispuesto para permitir el llenado selectivo del cilindro de gas o la dispensación de gas desde dicho cilindro de gas (100); y la unidad de medición (200) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Un cilindro de gas según la reivindicación 13, en el cual la unidad de medición está ubicada enteramente en el interior del volumen interno fijo del cilindro de gas.