"SISTEMA PARA FAZER MISTURAS GASOSAS PRIMÁRIASPADRÕES, E, APARELHO PARA PRODUZIR MISTURAS GASOSASPRIMÁRIAS PADRÕES"
FUNDAMENTO DA INVENÇÃO
Campo da Invenção
A presente invenção é relativa a um sistema e aparelho para apreparação de misturas padrão primárias de baixa concentração. As misturaspadrão da presente invenção são utilizadas para calibrar detectores analíticos,tais como espectrômetros de massa, e para análise de emissões a partir decâmaras de combustão e ferramentas de processo.
Descrição de Técnica Relacionada
A demanda para misturas gasosas primárias padrões de baixaconcentração na faixa de 100 a 1000 partes por bilhão (ppb) está aumentandoem inúmeras indústrias. E de interesse particular para testes de emissõesambientais uma mistura de óxido nítrico em nitrogênio, uma vez queregulamentos ambientais se tornam crescentemente estritos.
A necessidade para fornecer gás com níveis de pureza UHPconduziu a indústria a desenvolver técnicas analíticas para medir impurezasdo gás. Avanços em instrumentação de análise de gás na mesma faixa deimpurezas que poderiam ser encontradas em instrumentação de análise de gástípica conduziu a demanda crescente por misturas padrão primárias de baixaconcentração empregadas como gases de calibração. Atualmente, misturasprimárias de baixa concentração são preparadas por dois métodos, comodescrito por G. O. Nelson, Gás Mixtures Preparation and Control (Preparaçãoe controle de misturas gasosas), Lewis Publishers, Ann Arbor, Michigan(1992). Uma é uma mistura estática, onde um volume da mistura desejada égerado e então contido em um cilindro ou em pressão baixa ou alta. A misturaé em seguida utilizada para a aplicação particular. Uma outra é a misturadinâmica, onde os componentes de interesse são introduzidos em umacorrente de gás diluente purificado essencialmente em pressão atmosférica, ea concentração desejada é gerada. A mistura é daí em diante consumida comoum gás de calibração para um instrumento analítico.
Durante os anos, inúmeros métodos foram previstos paracontrolar a adição dinâmica dos componentes de interesse ao gás diluente.Com relação a isto, Leggett e outros, na Patente U.S. 5.214.952, divulga umdispositivo de calibração que utiliza uma série de controladores deescoamento de massa altamente precisos, para fornecer distribuição rápida demisturas gasosas de calibração ultra elevada e gás de amostra para umanalisador de gás em temperaturas elevadas.
Ridgeway e outros, na Patente U.S. 5.661.225 divulga umsistema para a diluição dinâmica de um analito de concentração elevada quecontém gás para calibração de detectores analíticos. Os sistemas de calibraçãodescritos em Leggett e outros e Ridgeway e outros, incluem tubos depermeação e controladores de escoamento de massa para adição dinâmica doscomponentes de interesse ao gás diluente.
Algumas das desvantagens associadas com a técnicarelacionada à mistura estática incluem o número de diluições em seqüêncianecessárias para cada componente adicionado chegar à mistura gasosa padrão.Por exemplo, a incerteza na concentração final aumenta com o número dediluições. Como tal, na técnica relacionada é necessário ter um mínimo de trêsdiluições para gerar um padrão primário em concentrações abaixo de umaparte por milhão. Diversas diluições também podem contribuir de maneiranegativa para a contaminação do processo, uma vez que exposição àatmosfera ambiente é aumentada. Em adição, o método de diversas diluiçõesrequer gasto de capital considerável, uma vez que um operador com talento érequerido para monitorar e intervir no processo.
Para superar as desvantagens da técnica relacionada é umobjetivo desta invenção fornecer um sistema e aparelho para produziremmisturas estáticas de baixa concentração, isto é, 10 ppb e até 1000 ppb demisturas padrão primárias.
E um outro objetivo desta invenção utilizar um dispositivo depermeação como um dispositivo dosador preciso, para distribuir componentesmenores diretamente em um cilindro por um período de tempopredeterminado, permitido com isto pesar de forma rastreável de volta paraum padrão do National Institute of Standards Technology (NIST).
Outros objetivos e aspectos da presente invenção se tornarãoevidentes para alguém versado na técnica em uma revisão da especificação ereivindicações anexadas a ela.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Os objetivos precedentes são alcançados pelos sistema eaparelho para a presente invenção, para produzir misturas padrão primárias.
De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecidoum sistema para produzir misturas gasosas primárias padrões.
O sistema inclui fornecer um dispositivo de permeação de gásque tem taxa de difusão constante para um recinto de temperatura controlada,conectar uma fonte de suprimento de um componente a um dispositivo depermeação; rotear o componente a partir do dispositivo de permeação de gásaté um recipiente de produto até que uma quantidade desejada de ditocomponente no recipiente de produto seja alcançada; e suprir umcomplemento de gás purificado para o recipiente de produto, para obter umaconcentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecidosistema para produzir mistura gasosa padrão. O sistema inclui fornecer umafonte de pureza ultra elevada para um componente gasoso; comunicar ocomponente gasoso através de um conduto até um dispositivo de permeaçãocolocado em um recinto de temperatura controlada, difundir o componentegasoso através do dispositivo de permeação e remover dele o componentedifundido; distribuir por um período predeterminado de tempo o componentedifundido até um cilindro de produto através de um conduto; e, ao alcançar oponto ajustado, um complemento de gás purificado é distribuído a partir deuma fonte de alta pressão para o recipiente de produto, para obter umaconcentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
De acordo com um outro aspecto da invenção, um aparelhopara produzir misturas gasosas padrão primária é fornecido. O aparelho incluium dispositivo de permeação de gás que tem taxa de difusão constante,colocado em um recinto de temperatura controlada; uma fonte de suprimentoem comunicação com dispositivo de permeação de gás, para fornecer umcomponente; um recipiente de produto para receber o componente líquido ougasoso a partir do dispositivo de permeação de gás, e uma fonte desuprimento de gás purificado em comunicação com o recipiente de produto,para suprir o complemento do gás e obter uma concentração conhecida docomponente no gás padrão.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A invenção será melhor entendida por meio de referência àsFiguras a seguir, nas quais:
A Figura 1 que ilustra uma vista em perspectiva de umdispositivo de permeação; e
A Figura 2 ilustra vista esquemática de um sistema paracalibrar misturas gasosas padrão.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Os objetivos da invenção são alcançados utilizando umsistema e um aparelho que fornece uma preparação em uma única etapa deuma mistura gasosa padrão primária estática com operação mínima de umoperador. O sistema emprega um dispositivo de permeação de gás que temuma taxa de difusão que pode ser controlada para permanecer dentro de umafaixa ao redor de um ponto de ajuste constante.O sistema é projetado para produzir tal padrão de calibração naforma de uma mistura gasosa de calibração de baixa concentração do gásportador desejado ou diluente, genericamente em forma de pureza ultraelevada e uma quantidade calculada da impureza ou analito apropriado,genericamente fornecido como um componente líquido ou gasoso, parafinalidades de calibrar instrumentos analíticos. Como aqui utilizados, ostermos "gás portador", "diluente", "gás purificado" e "gás portadorpurificado" são utilizados de maneira intercambiável para se referir ao gás decomplemento empregado em gerar a mistura gasosa padrão primária. Damesma maneira, os termos "analito" e "impureza" são empregados demaneira intercambiável para se referir ao componente líquido ou gasosoadicionado para gerar a mistura gasosa padrão calibrada. Equipamento decalibração é utilizado para certificar a pureza de produtos químicos utilizadospara corresponder aos requisitos da indústria eletrônica, ou para monitorar asemissões a partir de um equipamento de processamento de semicondutores,automóveis, indústrias de produtos químicos e de processo. A baixaconcentração do componente líquido ou gasoso no gás portador estátipicamente na faixa de cerca de 10 ppb até 1000 ppb e preferivelmente cercade 10 ppb até 400 ppb.
Para fornecer o nível de precisão e de consistência necessáriosna preparação de tais misturas gasosas primárias padrões, o aparelho éprojetado para fornecer mistura estática de um ou mais componentes líquidosou gasosos com o gás portador em uma única etapa.
Na configuração ilustrada na Figura 1, um dispositivo depermeação 210 é fornecido, o qual distribui uma quantidade conhecida decomponente que é fornecida aí. O dispositivo de permeação contém um meiode permeação 212, por exemplo, um tubo de politetrafluoroetileno poliméricoque tem uma taxa de permeação conhecida na temperatura operacional dodispositivo. Componente líquido ou gasoso tomado como exemplointroduzido e difundido através do dispositivo de permeação, inclui monóxidode carbono, dióxido de carbono, óxido nítrico, óxido dinitrogênio, metano eetc. Os dispositivos de permeação são tipicamente disponível como o TraceSource™ do Kin-Tek Laboratories, Inc. O componente gasoso contata umamembrana e o gás permeia lentamente através de uma membrana em dadascondições.
Gases portadores de pureza elevada típicos, que podem serutilizados no aparelho da presente invenção, incluem nitrogênio, hélio,argônio, oxigênio, dióxido de carbono, etc. Por outro lado, o componentelíquido ou gasoso de baixa concentração, isto é, o analito, pode ser escolhidoentre monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, metano,fluoreto de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, e cloro, hexafluoroetano, ehexafluoreto de enxofre, etc.
Dependendo do componente líquido ou gasoso particularutilizado, o dispositivo de permeação é aquecido até uma temperaturapredeterminada para obter uma taxa de difusão constante. Assim, o tempo dedistribuição a partir do dispositivo de permeação é conhecido, e a massa exatado componente difundido a partir do dispositivo de permeação pode sercalculada. Se o analito está na fase liquida, a temperatura predeterminada éutilizada para estabelecer a pressão de vapor do componente/analito e daí adiferença de pressão através do meio de permeação, para obter uma taxa dedifusão constante.
Por outro lado, se o analito está na fase vapor, um cilindro desuprimento (não mostrado) é fornecido a montante do dispositivo depermeação, e a pressão do componente distribuído para o dispositivo depermeação é mantida em um nível predeterminado para estabelecer umadiferença de pressão constante através da permeação no meio, de modo aobter uma taxa de difusão constante. A concentração de analito naextremidade do meio de permeação 212 é mantida em um nível baixo econstante, preferivelmente próximo a zero, varrendo o componente/analitopermeado com o gás portador para o recipiente de produto.
Mais especificamente, e com referência à Figura 2, o sistemapara produzir uma mistura gasosa padrão primária de acordo com uma outraconfiguração da invenção está ilustrada. A mistura gasosa padrão primária debaixa concentração é gerada misturando quantidades conhecidas de gásportador e o analito. O sistema 200 inclui no mínimo um dispositivo depermeação 210, que distribui uma quantidade conhecida do analito.Naturalmente o dispositivo de permeação deve ser calibrado pelofabricante/vendedor para produzir uma taxa de difusão conhecida constante.Para esta finalidade, o fabricante/vendedor irá encher o dispositivo com ocomponente, pesá-lo, aquecê-lo até uma temperatura constante, e mantê-lopor um tempo conhecido e então removê-lo e pesar. A diferença de pesodividida pelo tempo conhecido fornece a taxa de difusão naquela temperatura.
A Figura 2 está mais explicada com relação a produzir umamistura onde o analito é óxido nitroso. Contudo, será entendido por aquelesversados na técnica que este sistema pode ser utilizado por qualquer dosanalitos gases portadores mencionados anteriormente. Uma fonte 230 deóxido nítrico de pureza ultra elevada é colocada a montante do dispositivo depermeação 210 e em comunicação direta com ele. Um regulador 232 na linhade suprimento mantém a pressão de suprimento em cerca de 50 psig (0,35MPa man.) e fixa a pressão do óxido nítrico suprido para o dispositivo depermeação 210. O dispositivo de permeação é envolvido no recinto 220 ondeo dispositivo de permeação é mantido dentro de um recinto monitorado demaneira próxima, a uma temperatura de cerca de IOO0C. Separadamente eatravés de um pequeno orifício, gás nitrogênio em velocidade de vazãosuficiente para varrer o componente é fornecido de maneira contínua aodispositivo de permeação 210 através de um captador 240 colocado em umalinha. O captador remove impurezas nos gases portadores os quais, deoutra forma, poderiam reagir com o analito. O gás nitrogênio adicionado temum efeito desprezível sobre a taxa de difusão do dispositivo de permeação210, uma vez que existe somente um ligeiro aumento na contrapressão queresulta no cilindro de produto 290. Além disto, esta porção de gás nitrogêniofornecido ao dispositivo de permeação 210 contribui para o equilíbrio de gásnitrogênio de pureza ultra elevada finalmente distribuído para o cilindro deproduto.
Quando o analito difunde através do dispositivo de permeação210, é transportado para o cilindro de produto 290 abrindo a válvula 230 efechando as válvulas 250 e 260. Opcionalmente, quando o dispositivo depermeação não está em utilização, a válvula 230 é fechada e a válvula 250 éaberta para descarregar o analito. Este procedimento mantém a estabilidadedo dispositivo de permeação, e permite que misturas sejam fornecidas sobdemanda, isto é, a taxa de difusão apropriada ao mesmo tempo que mantém aperda do analito em uma quantidade desprezível, isto é, no caso de óxidonítrico 0,5 g por dia, ou menos. Estas válvulas podem ser selecionadas dentrequaisquer válvulas de alta pressão que não poderiam contaminar o gás quepassa através delas.
A massa de analito distribuída para o cilindro de produto éconhecida de forma gravimétrica, a partir da taxa de emissão conhecida dodispositivo de permeação e do tempo de distribuição (o tempo que a válvula230 está aberta). Ao alcançar o peso desejado no cilindro de produto 290, aválvula 230 é fechada. A válvula 260 é aberta e o complemento de gásportador de pureza ultra elevada é suprido para o cilindro de produto 290 apartir da fonte de suprimento de gás portador 270. A massa de gás portadoradicionada é determinada de maneira precisa na balança 280. Com base nataxa de difusão do dispositivo de permeação, o tempo necessário paradistribuir o peso solicitado de analito para o cilindro de produto a massa docomplemento adicionado de gás portador, a concentração da mistura finalpode ser calculada. Com relação a isto, a concentração final é determinadacomo a seguir:
<formula>formula see original document page 10</formula>
onde
c = concentração em peso, ppbp,
t = tempo durante o qual a válvula 230 está aberta, minutos
d = taxa de difusão do componente, gramas por minuto
w = peso de gás portador, g
O nível de concentração pode ser feito sob medida por umfator tão elevado quanto cem, alterando o tempo que o dispositivo depermeação 210 é deixado descarregar o analito para o cilindro de produto290. No caso de uma faixa de concentração mais larga ser desejada, atemperatura operacional do dispositivo de permeação 210 pode ser mudada.Isto iria requerer um dispositivo de permeação calibrado em duastemperaturas diferentes. Alternativamente, o dispositivo de permeação podeser modificado de modo ou aumentar ou diminuir a sua área superficial, o quepoderia, por sua vez, mudar as características de permeação do dispositivo,isto é, a taxa de difusão. Se o dispositivo está em utilização em umatemperatura, então ele será aquecido/resfriado para produzir uma taxa dedifusão diferente porém conhecida na segunda temperatura. Durante esteperíodo de transição, a válvula 230 irá permanecer fechada e a válvula 250será aberta.
Acima de tudo, o sistema 200 pode ser controlado através doemprego de um controlador lógico programável PLC, ou um computador. Ocontrole da válvula, a leitura da balança do cilindro podem ser introduzidospara o PLC, e a adição de analito para interior do cilindro de produtosincronizada de maneira precisa. Daí em diante o PLC poderia realizar oscálculos de concentração. Em adição, o sistema 200 pode ser modificado paraincluir uma linha de purga, onde umidade e oxigênio são monitorados. Nestecaso, por exemplo, o PLC poderia purgar o sistema 200 e contornar aintrodução de analitos para o cilindro de produto até que os níveis decontaminantes alcancem níveis aceitáveis, isto é, menos do que 10 ppb. Umafonte de alta pressão de gás portador nitrogênio tal como o tanque 270colocado a jusante do dispositivo de permeação fornece o complemento degás para o cilindro de produto 290.
O sistema descrito acima pode ser modificado em inúmerasmaneiras. Em uma outra configuração, por exemplo, as misturas gasosaspadrão calibradas podem compreender diversos componentes ou analitos.
Para implementar este sistema, uma quantidade de dispositivos de permeação210 podem ser fornecidos em paralelo. Cada dispositivo difunde um analitoparticular que é roteado para o cilindro de produto. O operador irá monitorar osistema e assegurar que os diversos analitos não têm retro-escoamento parafora do cilindro de produto 290 ao qual eles são distribuídos, sejaseqüencialmente ou simultaneamente.
De acordo com uma outra configuração, o sistema 200 podeser configurado para distribuir os analitos para um número de cilindros deproduto 290 em uma maneira seqüencial. Portanto, um número de cilindros deproduto que contém a mesma mistura gasosa padrão calibrada pode ser geradaem uma maneira de produção em linha de montagem. Para assegurar aprecisão da mistura gasosa calibrada, esta pode ser alcançada colocando cadacilindro de produto em uma balança individual para determinar ocomplemento de gás portador necessário. Será reconhecido que a balança quepode ser empregada inclui balança de onda acústica e balanças de célula decarga, que podem ser utilizadas em conjunto com o PLC para controlardiversos aspectos do processo.
O sistema descrito na Figura 2 da invenção será ainda descritoem detalhe com referência ao exemplo a seguir que é, contudo, construído nãocomo limitativo da invenção.EXEMPLO
A mistura gasosa padrão primária desejada foi ajustada para100 ppb em peso de óxido nítrico (NO) em uma mistura de nitrogênio (N2). Ocomponente/analito óxido nítrico foi suprido para um dispositivo depermeação 210 que tem uma taxa de difusão de 367 microgramas por minutoa 100 °C. O tempo necessário para fornecer 100 ppb de analito NO nocilindro de produto 290 foi calculado como a seguir:
O cilindro de produto mantém 300 cuft (8,5 m3) em CNTP. Adensidade de nitrogênio é conhecida ser 32,86 g/cuft (1095,3 g/m3) em CNTP.
Portanto 300 cuft (8,5 m3) de N2 = 9858 g em CNTP
ppb em peso = g NO/9858 G N2 * 1E9
g NO = 100 ppbp * 9858 g N2 / 1E9
g NO = 0,0009858 ou 0,9868 mg ou 985,8 microgramas
O dispositivo de permeação era um modelo 57 HÁ que tem ataxa de difusão descrita acima.
Assim, 985,8 microgramas/367 microgramas/ minuto é igual a2, 687 minutos ou 161,22 segundos para fornecer 100 ppb de analito para ocilindro de produto.
Ao calcular o tempo necessário para fornecer os 100 ppb deanalito para o cilindro de produto 290, a concentração da mistura gasosacalibrada foi determinada. Como resultado, a concentração da mistura finalfoi calculada como a seguir:
<formula>formula see original document page 12</formula>
onde
c = concentração em peso, ppbp,
t = tempo durante o qual a válvula 230 está aberta, minutos
d = taxa de difusão do componente, gramas por minuto
w = peso de gás portador, g
Daí em diante o complemento de gás portador N2 foifornecido, e a mistura gasosa padrão de calibração foi formada através de umamistura estática e sem diluentes.
Claramente uma mistura gasosa padrão primária é fornecidaatravés de uma mistura primária e sem diversas diluições.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe comreferência à modificações específicas dela, será evidente a alguém versado natécnica que diversas mudanças e modificações podem ser feitas e equivalentesempregados, sem se afastar do escopo das reivindicações anexas.