CN103328937A

CN103328937A - 用于测量气体的质量流率的方法和设备

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Publication number: CN103328937A
Application number: CN2011800662374A
Authority: CN
Inventors: N·A·道尼
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: CA2817813A1; EP2458348B1; US9448094B2; WO2012072597A1; CL2013001504A1; US20130340859A1; BR112013013329A2; TWI448667B; TW201226859A; KR20130103583A; CA2817813C; BR112013013329B1; EP2458348A1; CN103328937B; KR101480370B1; MX2013005949A; PL2458348T3; ES2434260T3

Abstract

提供一种用于测量气体的质量流率的仪器(200；350)。该仪器包括导管(206)，气体在使用中流过导管(206)。导管具有限流孔(212)，在使用中，在限流孔中会出现阻流。限流孔将导管分成在所述孔上游的上游部分(214)和在所述孔下游的下游部分(216)。仪器进一步包括传感器组件(204)，传感器组件包括在所述上游部分中的压电晶体振荡器(218)，使得当仪器在使用中时，所述压电振荡器与所述气体接触。传感器组件布置成：驱动压电晶体振荡器，使得压电晶体振荡器以共振频率共振；测量所述压电晶体振荡器的所述共振频率；以及根据共振频率来确定通过孔的质量流率。

Description

用于测量气体的质量流率的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于测量气体的质量流率的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于使用压电振荡器来测量通过限流孔的气体的质量流量的方法和设备。

背景技术

本文描述的方法和设备可应用于其中存在较高压(例如大约10巴或更高)的流体的系统，诸如例如，高压罐中的流体供应或使用高压流体的加工装置。本发明尤其涉及“清洁”气体，即，具有较少杂质或污染物(诸如水蒸气或灰尘)，或者没有杂质或污染物的气体。

本发明特别适用于永久气体。永久气体是不会单独通过压力液化的气体，而且例如，永久气体可在高达450巴(表压)(bar g)(其中，巴(表压)是大气压力之上的压力的度量)的压力下的罐中供应。示例为氩和氮。但是，这不应理解为限制性的，用语气体而是可认为是包括较广范围的气体，例如，永久气体和液化气的蒸气两者。

液化气的蒸气存在于压缩气体罐中的液体之上。在为了填充到罐中而被压缩时受压液化的气体不是永久气体，并且被更精确地描述成受压液化气，或者液化气的蒸气。作为示例，在罐中以液体的形式供应一氧化二氮，在15℃下平衡蒸气压力为44.4巴(表压)。这样的蒸气不是永久气体或真实气体，因为它们能够被环境条件周围的压力或温度液化。

压缩气体罐是设计成容纳处于高压(即，处于显著大于大气压力的压力)的气体的压力容器。压缩气体罐在广大范围的市场中使用，从低成本的一般工业市场，到医疗市场，到较高成本的应用，诸如使用高纯度的有腐蚀性、毒性或自燃特质的气体的电子制造。通常，加压气体罐包含钢、铝或复合物，并且能够存储压缩、液化或溶解气体，最大填充压力对大多数气体来说高达450巴(表压)，以及对于诸如氢和氦的气体来说高达900巴(表压)。

为了有效且可控地从气体罐或其它压力容器中分配气体，需要阀或调节器。它们两者往往结合起来形成具有集成压力调节器的阀(VIPR)。调节器能够调节气体流，使得气体以恒定的压力或用户可变的压力分配。

对于许多应用，了解来自气体罐的气体的流率是合乎需要的。这对于许多应用可为至关重要的；例如医疗应用。多种不同的质量流量仪器组件是已知的。

在许多工业应用中常用的一系列质量流量仪器是机械质量流量仪器。这样的仪器包括移动或旋转以测量质量流量的机械构件。一个这种类型是惯性流量仪器(或科里奥利(coriolis)流量仪器)，其通过流体对成形管的作用来测量流体流量。科里奥利仪器可以高精度应付广大范围的流率。但是，为了检测流率，需要复杂的系统，诸如促动、感测、电子和计算特征。

备选的机械型质量流量仪器是膜片仪器、旋转式仪器和涡轮仪器。但是，这些类型的仪器一般没那么精确，而且包括活动部件，活动部件可遭受磨损。另外，诸如旋转式仪器的仪器仅可用于测量较低的流率。

一组备选的质量流量仪器是电子流量仪器。两个主要类型是热仪器和超声仪器。热流量仪器测量通过受加热管的热传递，以测量流率。超声流量仪器测量声音在气态介质中的速度，有时对声音在管内的多个路径上的速度取平均数。但是，两种类型的电子流量仪器一般都需要大量的信号处理硬件，而且一般是高成本的项目。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种测量通过孔的气体的质量流率的方法，在该孔中会出现阻流，该方法使用与孔上游的气体接触的压电振荡器，并且包括；a)驱动压电晶体振荡器，使得压电晶体振荡器以共振频率共振；b)测量压电振荡器的共振频率；以及c)根据共振频率来确定通过所述孔的气体的质量流率。

通过提供这种方法，可使用稳定可靠且较廉价的压电晶体振荡器(例如，石英晶体振荡器)来容易地确定通过约束孔的气体的质量流率。压电晶体振荡器将以共振频率振荡，共振频率取决于振荡器浸没在其中的气体的密度。因为，在阻流条件下，在孔上游的气体的密度与通过孔的质量流率成比例，所以晶体振荡器可用来测量质量流率。

这种振荡器用作激励源(通过响应于被驱动电路驱动而振荡)和检测器(通过具有单个共振频率，其取决于振荡器位于其中的环境)。另外，晶体振荡器是稳定可靠的，因此较不受环境干扰的影响。另外，运行这种振荡器所需要的构件紧凑且成本低。

在一个实施例中，在所述孔上游的压力比所述孔下游的压力高至少0.5巴。

在一个实施例中，方法进一步包括确定孔上游的气体的温度。

在一个组件中，从位于压电晶体振荡器的上游的压力调节器或阀分配气体。

在一个组件中，响应于测量到的通过所述孔的气体的质量流率，以电子的方式控制压力调节器。

在一个实施例中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。

在实施例中，石英晶体包括至少一个叉。在变型中，石英晶体包括成对的平叉。

在实施例中，石英晶体是AT切型或SC切型。

在变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。

在一个实施例中，传感器组件包括驱动电路。在变型中，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈配置的复合晶体管对(Darlington pair)。

在一个实施例中，传感器组件包括功率源。在一个组件中，功率源包括锂离子电池。

在一个实施例中，传感器组件包括处理器。

在一个组件中，所述压电晶体振荡器包括至少两个平叉。

在一个实施例中，所述压电晶体振荡器具有32 kHz或更大的共振频率。

根据本发明的第二实施例，提供一种用于测量气体的质量流率的仪器，仪器包括导管，气体在使用中流过导管，导管具有限流孔，在限流孔中会出现阻流，限流孔将导管分成在所述孔上游的上游部分和在所述孔下游的下游部分，仪器进一步包括传感器组件，传感器组件包括在所述上游部分中的压电晶体振荡器，使得当仪器在使用中时，所述压电振荡器与所述气体接触，所述传感器组件布置成：驱动压电晶体振荡器，使得压电晶体振荡器以共振频率共振；测量所述压电晶体振荡器的所述共振频率；以及根据共振频率来确定通过孔的质量流率。

通过提供这种组件，可使用稳定可靠且较廉价的压电晶体振荡器(例如，石英晶体振荡器)来容易地确定通过约束孔的气体的质量流率。压电晶体振荡器将以共振频率振荡，共振频率取决于振荡器浸没在其中的气体的密度。因为，在阻流条件下，在限流孔上游的气体的密度与通过孔的质量流率成比例，所以晶体振荡器可用来测量质量流率。

这种振荡器用作激励源(通过响应于被驱动电路驱动而振荡)和检测器(通过具有单个共振频率，其取决于振荡器位于其中的环境)。另外，晶体振荡器是稳定可靠的，因此，较不受环境干扰的影响。另外，运行这种振荡器所需要的构件紧凑且成本低。

在一个组件中，仪器进一步包括驱动电路、处理器和功率源中的一个或多个。

在一个实施例中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。

在实施例中，石英晶体是AT切型或SC切型。

在变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。

在一个实施例中，传感器组件包括驱动电路。在变型中，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈配置的复合晶体管对。

在一个实施例中，传感器组件包括处理器。

在一个组件中，驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈配置的复合晶体管对。

在一个组件中，仪器进一步包括布置成确定所述压电振荡器附近的气体的温度的温度传感器。

在一个组件中，仪器布置在压力调节器或阀的下游。

在另一个组件中，仪器布置成响应于测量到的通过限流孔的质量流率，以电子的方式控制压力调节器或阀。

在一个组件中，所述压电晶体振荡器包括至少两个平叉。

在一个组件中，所述压电晶体振荡器具有32 kHz或更大的共振频率。

根据本发明的第三实施例，提供一种可由可编程处理设备执行的计算机程序产品，其包括用于执行根据第一方面的步骤的一个或多个软件部分。

根据本发明的第四实施例，提供一种计算机可使用的存储介质，其上存储有根据第四方面的计算机程序产品。

附图说明

现在将参照附图来详细描述本发明的实施例，其中：

图1是气体罐和调节器组件的示意图；

图2是显示根据本发明的第一实施例的调节器组件和仪器组件的示意图；

图3是显示根据本发明的第二实施例的调节器组件和仪器组件的示意图；

图4是用于第一或第二实施例的驱动电路的示意图；

图5是显示用于第一或第二实施例的备选驱动电路的示意图；

图6显示关于多种不同气体的、在Y轴上的石英晶体频率(kHz)随密度(kg/m³)而改变的图表；

图7显示Y轴上的石英晶体频率(kHz)随通过孔的质量流率(单位为升/分钟)而改变的图表；

图8是示出根据描述的实施例的方法的流程图；

图9显示不同晶体类型的频率行为的图表；

图10是显示包括两个石英晶体的备选传感器组件的示意图；以及

图11显示使用远程电子数据单元的备选组件。

具体实施方式

图1显示根据本发明的实施例的气体罐组件10的示意图。图1显示其中可使用本发明的情形的示意图。提供气体罐100、调节器150和仪器组件200。

气体罐100具有气体罐本体102和阀104。气体罐本体102包括大体圆柱形的压力容器，其具有平的基部102a，基部布置成使得气体罐组件10能够独立地竖立在平坦表面上。

气体罐本体102由钢、铝和/或复合材料形成，并且适于和布置成经受住高达大约900巴(表压)的内部压力。孔口106位于气体罐本体102的与基部102a相对的近端处，并且包括适于接收阀104的螺纹(未显示)。

气体罐100限定具有内部容积V的压力容器。任何适当的流体都可容纳在气体罐100内。但是，本实施例涉及(但不独有地限于)没有杂质(诸如灰尘和/或水分)的纯化永久气体。这样的气体的非穷尽性示例可为：氧、氮、氩、氦、氢、甲烷、三氯化氮、一氧化碳、氪或氖。

阀104包括壳体108、出口110、阀本体112和阀座114。壳体108包括用于与气体罐本体102的孔口106接合的互补螺纹。出口110适于且布置成使得气体罐100能够连接到气体组件中的其它构件上；例如，软管、管道，或另外的压力阀或调节器。可选地，阀104可包括VIPR(具有集成减压器的阀)。在此情形中，可省略调节器150。

阀本体112可借助于可握持把手116的旋转而沿轴向调节向或调节远离阀座114，以选择性地打开或关闭出口110。换句话说，阀本体112朝向或远离阀座112的移动选择性控制气体罐本体102的内部和出口110之间的连通通路的面积。这又控制从气体罐组件100的内部到外部环境的气体流。

调节器150位于出口110的下游。调节器150具有入口152和出口154。调节器150的入口152连接到入口管156上，入口管在气体罐100的出口110和调节器150之间提供连通路径。调节器150的入口152布置成接收来自气体罐100的出口110的高压气体。这可为任何适当的压力；但是，大体上，离开出口110的气体的压力将超过20巴，而且很可能在100巴-900巴的范围内。

出口154连接到出口管158上。联接件160位于出口管158的远端处，并且适于连接到需要气体的另外的管或装置(未显示)上。

仪器组件200定位成在出口154和联接件160之间与出口管158连通。仪器组件200位于调节器150的下游不远处，并且布置成确定输送到出口160的气体的质量流率。

在图2中更详细地显示根据本发明的第一实施例的调节器150和仪器组件200。

在这个实施例中，调节器150包括单膜片调节器。但是，本领域技术人员将容易地认识到可用于本发明的变型；例如，双膜片调节器或其它组件。

调节器150包括与入口152和出口154连通的阀区域162。阀区域162包括位于阀座166附近的提升阀164。提升阀164连接到膜片168上，膜片构造成使得提升阀164能够平移向和平移远离阀座166，以分别关闭和打开它们之间的孔口170。膜片168被位于轴174周围的弹簧172弹性地偏置。

调节器150可运行来接收来自出口110的处于满罐压力(例如100巴)的气体，但以基本恒定的固定低压(例如5巴)将气体输送到出口154。这由反馈机构实现，其中，在孔口170下游的气体的压力可运行来以与弹簧172的偏置力相反的方式对膜片168起作用。

如果膜片168附近的区域中的气体的压力超过规定水平，则膜片168可运行来向上移动(相对于图2)。因此，提升阀164移动得更接近阀座166，从而减小孔口170的大小，并且因此，限制从入口152到出口154的气体流。大体上，弹簧172的阻力和气体的压力的竞争的力将产生膜片的平衡位置，并且因此，在出口154处输送压力恒定的气体。

提供可握持把手176，以使得用户能够调节弹簧172的偏置力，从而移动膜片168的位置，并且因此，调节提升阀164和阀座166之间的平衡间隙。这使得能够调节来自出口110的高压气体流可传送通过其中的孔口170的尺寸。

仪器组件200包括本体202和传感器组件204。本体202可包含任何适当的材料；例如钢、铝或复合材料。本体202包括导管206和壳体208。导管206与出口管158的内部连通，并且布置成连接到出口管158上。导管206在出口154和联接件160(以及，相伴地，连接到联接件160上的用户装置或应用)之间提供连通路径。

孔板210位于导管206的内部。孔板210包括界定约束孔212的壁。孔板210在导管206内形成限流装置。孔212具有横截面积A，其小于导管406的横截面积，使得通过孔212的流速处于受阻状态，如稍后将描述的那样。

虽然孔板210在图2中被显示为薄壁板，但不必如此。孔板210可采取任何适当的形式的壁，而且可具有渐缩轮廓，或者可比显示的具有更大的厚度。备选地，可使用任何适当的限流装置来代替孔板210。例如，限流装置可包括管的一部分，该部分比管的剩余部分具有更窄的直径。本领域技术人员将容易地认识到可用来提供限流孔212的备选限流装置，在使用中，在限流孔212中会出现阻流。

在本实施例中，导管206具有大约几厘米的长度。孔板210界定孔212，孔212具有在0.1 mm-4 mm的范围中的直径。这足以提供阻流条件，以及对于诸如氮或氩的气体，将介于11至40升/分钟之间的流率的气体供应通过孔212。对于具有较低分子量的气体，可缩小孔212的直径，以实现类似的流率。备选地，对于较大的流率，可因此放大孔212，只要上游压力充分高于下游压力，以在孔212中产生阻流条件即可。

孔板210将导管206的内部分成在孔板210上游的上游区段214，以及在孔板210下游的下游区段216。在使用中，当气体从调节器150的出口154流到导管206的上游部分214中时，孔板210将用作限流装置，从而在导管206的上游部分214和下游部分216之间产生压差。因此，导管206的上游部分214处于第一压力P₁，而导管的下游部分216则处于第二(以及，在使用中，较低的)压力P₂。这将在后面详细描述。

壳体208位于导管206的上游部分214附近，并且布置成容纳传感器组件204的至少一部分。壳体208的内部可处于大气压力，或者可与导管206的内部连通，并且因此，与出口管158的内部处于相同的压力。这将消除在壳体208和导管206的内部之间对压力馈通件的需要。

备选地，可提供壳体208作为导管206的一部分。例如，导管206的一部分可加宽，以容纳传感器组件204。

这些组件是行得通的，因为发明人已经发现，传感器组件204的仅少数构件对高压敏感。特别地，诸如电池的较大的构件可容易受高压的影响。但是，已经发现，锂离子电池在导管206的上游部分214内遇到的高压下工作特别良好。因此，电池224包括锂离子电池。但是，本领域技术人员将容易地构想到备选的适当功率源。

在构造仪器组件200时，整个传感器组件204潜在地完全定位在导管206内会提供额外的灵活性。特别地，较脆弱的电子构件完全定位在本体202的金属壁或复合壁内而不需要诸如壳体208的突起会提供相当大的保护，以便环境或意外损害。例如，在其中气体罐可位于其它气体罐、重型机器或粗糙表面附近的存储区域或仓库中，这是特别重要的。

另外，传感器组件204的内部位置保护这些构件不受诸如盐、水和其它污染物的环境条件的影响。例如，这将允许使用对盐和水损害高度敏感的高阻抗电路作为传感器组件204的一部分。

仪器组件200布置成测量传送通过孔212的气体的质量流率。这个气体由传感器组件204测量。传感器组件204包括连接到驱动电路220上的石英晶体振荡器218、温度传感器222和电池224。

在这个实施例中，石英晶体振荡器218和温度传感器222定位成与导管206的上游部分214的内部连通，而传感器组件204的其余构件则位于壳体208内。换句话说，石英晶体振荡器218浸没在孔板210上游的气体中。还可单独地提供微处理器240，或者提供微处理器240作为驱动电路220的一部分。

将在后面参照图4和5来详细描述驱动电路220和石英晶体振荡器218。温度传感器222包括热敏电阻器。可使用任何适当的热敏电阻器。热敏电阻器不需要有高精度。例如，对于这个实施例，0.5℃的精度是合适的。因此，可使用廉价且小型的构件。

在这个组件中，石英晶体振荡器218在导管206内恒定地处于等静压力，因此，不会经历压力梯度。换句话说，源自外部大气和仪器组件200的本体202的内部之间的压差的任何机械应力都表现在本体202上。

在图3中显示本发明的第二实施例。图3中显示的第二实施例的与图2的第一实施例相同的特征分配有相同参考标号，并且在这里不会再次描述。

在图3的实施例中，调节器300不同于图2的实施例的调节器150，因为调节器300布置成借助于电磁阀302，对来自出口154的气体提供自动控制。电磁阀302包括电枢304，电枢能够响应于通过电磁阀302的线圈(未显示)的电流而移动。电枢304能够移动，以直接打开或关闭提升阀164，并且因此，打开或关闭孔口170。

图3中显示的电磁阀302处于常开状态。换句话说，在没有电流通过电磁阀302时，电枢304处于伸出位置，使得提升阀164打开，即，孔口170打开。如果有电流施加于电磁阀302，则电枢304将缩回，而且提升阀164将关闭。

本领域技术人员将容易地认识到可用于本发明的电磁阀的备选变型。例如，电枢304可直接对膜片起作用，或者可控制通过与出口154连通的狭窄导管的流量，以便调节膜片168的移动。备选地，可消除提升阀，并且膜片168本身可为直接控制从入口152到出口154的气体流的阀部件。

第二实施例包括仪器组件350。为了清楚，仪器组件350的与仪器组件200相同的构件分配有相同的参考标号。

仪器组件350基本类似于第一实施例的仪器组件200。但是，仪器组件350进一步包括连接到电磁阀302和传感器组件204上的电子螺线管驱动器352。螺线管驱动器352布置成接收来自传感器组件204的信号，以及响应于那个信号来控制电磁阀302，因此，控制通过调节器300的流量。

螺线管驱动器352可包括用于控制电磁阀302的任何适当的驱动电路。一个适当的电路可为运算放大器组件，其具有从传感器组件204到运算放大器的负端的输入。因此，可变电阻器可附连到正端上，可变电阻器设计成提供恒定的基准电平，并且用作比较器。

从传感器组件204到螺线管驱动352的输入将使电磁阀302操作。例如，如果来自传感器组件204(或者，备选地，处理器240)的输入信号超过特定的阈值水平，则螺线管驱动352可激励电磁阀302。可用数字(即，开或关)方式控制电磁阀302，其中，DC电压在最大值和最小值之间改变。备选地，来自螺线管驱动器352的DC电压可持续地改变，以便以模拟方式精确地调节提升阀164的位置。

另外或备选地，螺线管驱动器352可借助于包括AC成分的DC输出来控制电磁阀302。由于电枢304从电磁阀302的伸出大致与施加的电流成比例，所以这使电磁阀302的电枢304振荡。这样的振荡会减轻电枢304的静摩擦，即，协助防止电枢304卡住或阻塞。

备选地，可在合适的时候使用诸如FET、微处理器或ASIC的其它控制组件来控制电磁阀302的操作。另外，如所论述的那样，电磁阀302可在数字(即，开/关)或模拟(即，持续地改变)模式中运行，以使得提升阀164等能够精确地移动。

第一或第二实施例另外可包括用以对用户显示对被检测气体所作的测量的结果的显示器(未显示)。备选地，显示器可位于仪器组件200、350远处，并且有关数据可传送到远处。

为了使石英晶体振荡器218提供精确的测量，必须保持石英晶体振荡器218没有污垢、水分和其它污染物。虽然这对在商业上供应的封装气体(非常干净)不是问题，但仪器组件350可能用于其中环境污染可为严重问题的情形中。

因此，仪器组件200、350设有过滤器354，过滤器位于石英晶体振荡器218和主气体流之间。过滤器354可具有任何适当的孔径。孔径在5-10

的范围中，这特别适合本应用。过滤器354(或类似的过滤器)可应用于前面描述的第一实施例。

备选地，如果石英晶体振荡器218位于小得足以阻止污垢或其它污染物进入的孔口后面，则可省略过滤器354。例如，0.25 mm的孔径将适合在没有过滤器的情况下使用，只要可用这种方式测量气体的全部上游压力。

例如，第一或第二实施例可进一步包括与例如基站进行远程通信的天线(未显示)。这将在后面论述。在这种情况下，天线可位于本体202的外部，并且借助于接线或等效连接器来连接到传感器组件204上。

天线本身可适于且布置成使用任何适当的通信协议；例如，非穷尽性列表可为RFID、蓝牙、红外(IR)，802.11无线，频率调制(FM)发射或蜂窝网络。

备选地，可进行单线通信。单线通信仅需要单个金属导体来进行通信：借助于通过通信装置之间的空气的电容性耦合来提供电路的“回行”路径。本领域技术人员将容易地认识到可用于本文论述的实施例的天线(和相关联的发射硬件)的备选方案。

例如，可借助于来自壳体208内的声学发射来实现通信。位于壳体208内的发射器可实现声学发射。发射器可包括例如简单的频率固定的压电共振器。

还需要互补的接收器，而且这个构件可位于仪器组件200、350远处，并且可包括诸如例如与话筒集成的锁相回路音调检测器的硬件。

现在将参照图4和5来更详细描述传感器组件204。石英晶体振荡器218包括切割石英的平的部分。石英会展现压电行为，即，在晶体上施加电压会使晶体改变形状，从而产生机械力。相反，在晶体上施加机械力会产生电荷。

使石英晶体振荡器218的两个平行表面金属化，以便在整个晶体上提供电连接。当借助于金属触头在晶体上施加电压时，晶体会改变形状。通过对晶体施加交流电压，可使晶体振荡。

石英晶体的物理大小和厚度决定石英晶体的特性或共振频率。实际上，晶体218的特性或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比。石英晶体振荡器在本领域中是众所周知的，所以在这里不进一步描述石英晶体振荡器218的结构。

另外，石英晶体的谐振频率将取决于晶体位于其中的环境而改变。在真空中，晶体将具有特定的频率。但是，这个频率将在不同的环境中改变。例如，在流体中，晶体的振动将被周围分子阻尼，而且这将影响共振频率和使晶体以给定幅度振荡所需的能量。

另外，气体吸附到晶体上或者周围材料淀积到晶体上将影响振动晶体的质量，从而改变共振频率。这种吸附或材料淀积会对常用的选择性气体分析器形成基础，在选择性气体分析器中，吸收层形成于晶体上，并且在质量上随着气体被吸收而提高。

但是，在现在的情况下，在石英晶体振荡器218上没有施加涂层。实际上，在现在的情况下，材料淀积到石英晶体振荡器218上是不合需要的，因为测量的精度可受到影响。

如图4中显示的那样，本实施例的石英晶体振荡器218为音叉形，并且包括大约5mm长的成对的叉218a，叉218a布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。叉218a形成于石英的平坦部分中。音叉的叉218a通常在它们的基本模式中振荡，其中，它们以共振频率同步地移动向和移动远离彼此。

熔凝(或非晶体)石英具有非常低的取决于温度的膨胀系数和低的弹性系数。这会降低基本频率对温度的依赖性，如将显示的那样，温度作用是最小的。

另外，使用AT切型或SC切型的石英是合乎需要的。换句话说，以特定的角度切割石英的平的部分，使得振荡频率的温度系数可布置成在室温附近为具有宽峰的抛物线。因此，晶体振荡器可布置成使得在峰的顶部处的斜率正好为零。

通常可用较低的费用获得这样的石英晶体。与大部分在真空中使用的石英晶体振荡器相比，在本实施例中，石英晶体振荡器210暴露于导管206中的加压气体。

在图4中显示用于驱动石英晶体振荡器218的驱动电路220。驱动电路220必须满足多个特定标准。首先，本发明的石英晶体振荡器218可暴露于一定范围的气体压力；潜在地，压力可从大气压力(当气体罐100为空的时)变化到大约900巴(表压)(如果气体罐含有诸如氢的加压气体的话)。因而，石英晶体218需要在宽范围的压力下运行(以及在非使用时期之后重新启动)。

因此，石英晶体振荡器218的品质(Q)因数将在使用期间有相当大的变化。Q因数是与振荡器或共振器的阻尼速率有关的无量纲参数。同等地，它可表征共振器的与其中心频率有关的带宽。

大体上，振荡器的Q因数越高，与振荡器的存储能量有关的能量损耗速率就越低。换句话说，在没有外部力的情况下，高Q因数振荡器的振荡在振幅上减小得更慢。具有较高的Q因数的正弦驱动式共振器在共振频率下以较大的振幅共振，但在它们的共振频率附近具有较小频率带宽。

驱动电路220必须能够驱动石英晶体振荡器218，而不管Q因数的变化如何。随着气体罐100中的压力增大，石英晶体振荡器218的振荡将变得越来越被阻尼，而且Q因数将降低。降低的Q因数需要驱动电路220中的放大器提供更高的增益。但是，如果驱动电路220提供的放大太高，则来自石英晶体振荡器218的响应可变得难以区分。在这种情况下，驱动电路220可仅以不相关的频率振荡，或者以石英晶体振荡器218的非基本模式的频率振荡。

作为另一个限制，驱动电路220必须为低功率，以便在有或没有补充功率(诸如光伏电池)的情况下，以低功率的小型电池长久地运行。

现在将参照图4来描述驱动电路220。为了驱动石英晶体振荡器218，驱动电路220基本获得来自石英晶体振荡器218的电压信号，将其放大，并且将那个信号馈送回石英晶体振荡器218。石英晶体振荡器218的基本共振频率基本上是石英的膨胀和收缩速率的函数。这大体由晶体的切型和大小确定。

但是，外部因数也会影响共振频率。当产生的输出频率的能量匹配电路中的损耗时，可维持振荡。驱动电路220布置成检测和保持这个振荡频率。频率然后可由处理器240测量，用来计算用户所需的气体的合适属性，而且如果需要的话，输出到适当的显示器件(如将在后面描述的那样)。

驱动电路220由6V的电池224驱动。在这个实施例中，电池224包括锂离子电池。但是，备选功率源对本领域技术人员将是容易显而易见的；例如，其它电池类型(可充电和不可充电的)，以及太阳能电池组件。

驱动电路220进一步包括复合晶体管对共射放大器226。复合晶体管对包括由两个双极NPN晶体管组成的混合结构，双极NPN晶体管配置成使得被晶体管中的第一个放大的电流进一步被第二个晶体管放大。当与被分开的各个晶体管相比时，此配置使得能够获得更高的电流增益。备选地，可使用PNP双极晶体管。

复合晶体管对226与单晶体管(T₁)共射放大器228布置成反馈配置。图4中显示了NPN双极结晶体管。但是，本领域技术人员将认识到可使用的备选晶体管组件；例如，双极结PNP晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

驱动电路220包括另外的NPN射随晶体管T₂，其用作缓冲放大器230。缓冲放大器230布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。但是，这个特征是可选的，而且可能不需要；例如，FET可直接连接到驱动电路220上。

电容器232定位成与石英晶体振荡器218串联。在这个示例中，电容器232具有100 pF的值，并且使得驱动电路220能够在晶体已经被例如盐或其它淀积材料污染的情况下驱动石英晶体振荡器218。

另外，可优化驱动电路220，以快速地启动石英晶体振荡器218。为了实现这一点，另一个电阻器和另一个电容器可连接在晶体管D₁的基极和地线之间。这些构件可包括例如10 ΜΩ的电阻器和10 nF的电容器。

现在将参照图5来描述备选驱动电路260。图5中显示的驱动电路配置成类似于皮尔斯振荡器。从数字IC时钟振荡器得知皮尔斯振荡器。基本上，驱动电路260包括单个数字逆变器(呈晶体管的形式)T、三个电阻器R₁、R₂和R_S、两个电容器C₁、C₂和石英晶体振荡器218。

在这个组件中，石英晶体振荡器218用作高选择性滤波器元件。电阻器R₁用作晶体管T的负载电阻器。电阻器R₂用作反馈电阻器，从而使逆变器T在其线性运行区域中有偏压。这有效地使得逆变器T能够用作高增益逆变放大器。另一个电阻器R_S在逆变器T的输出和石英晶体振荡器218之间用来限制增益，以及阻尼电路中的不合需要的振荡。

石英晶体共振器218与C₁和C₂共同形成Pi网络带通滤波器。这使得能够有180度相移，以及大约在石英晶体振荡器218的共振频率下从输出到输入的电压增益。上面描述的驱动电路260可靠，且制造起来廉价，因为它包括较少构件。这个电路还特别适合低压应用。

如上面论述的那样，传感器组件204可包括接收来自石英晶体振荡器218和驱动电路220的输入的微处理器240。微处理器240可包括适当的组件，诸如ASIC或FPGA。微处理器240编程成计算以及在需要的时候显示和传送确定的通过孔212的气体的质量流率。

当与石英晶体振荡器218一起使用时，微处理器240可配置成测量来自驱动电路220的信号的频率f或周期。这可通过以下方式实现：例如在固定的时间里对振荡计数，并且使用算法或查找表将那个频率转换成密度值。这个值传送到微处理器240。

微处理器240还接收来自温度传感器222的测得温度T。微处理器240布置成基于供应的输入来执行计算，以确定通过孔212的气体的质量流率。

一旦质量流率确定之后，这个数据可存储在本地存储器中，可显示在显示屏上，或者可传输到远程工作站。

可选地，微处理器240可设计成大规模生产成在所有仪器组件200中为相同的，软件和硬件的不同特征使得能够用于不同的气体。

另外，微处理器240还可配置成通过实施待机或“睡眠”模式来最大程度地降低功率消耗，待机或“睡眠”模式可覆盖微处理器240和额外的构件，诸如驱动电路220和石英晶体振荡器218。

可实施各种方案；例如，微处理器240可每11秒待机10秒。另外，微处理器240可控制石英晶体振荡器218和驱动电路220，使得这些构件在大多数时间里是待机的，仅每30秒打开较缺乏功率的构件½秒。

现在将参照图6和7来描述传感组件204的理论和运行。

石英晶体振荡器218具有取决于其所处的流体的密度的共振频率。使振荡的平坦的音叉型晶体振荡器暴露于气体会使晶体的共振频率有变化和阻尼(当与真空中的晶体的共振频率相比时)。对此有多种原因。虽然气体对晶体的振荡有阻尼作用，但音叉晶体振荡器218的振动的叉218a附近的气体会增加振荡器的有效质量。这导致石英晶体振荡器的共振频率根据一侧固定弹性梁的运动而减小：

1)

其中，

是共振角频率的相对变化，

是气体密度，t是石英振荡器的厚度，是石英振荡器的密度，而w是叉的宽度，c₁和c₂是取决于几何结构的常数，而

是气体的表面层的厚度，其由以下限定：

2)

其中，η是取决于温度的气体粘度。

公式1)的两部分与下者有关：a)添加到石英晶体振荡器218的叉上的气体质量；以及b)在振荡期间在叉的最外表面层上引起的剪切力。

因而可按照频率来改写公式，并且将其简化为：

3)

其中，

，，以及C是偏移常数，而

是真空中的晶体的自然共振频率。

发明人已经发现，可通过近似法来获得适当地良好的近似：

4)

因此，对于良好近似，频率变化与石英晶体振荡器所暴露于的气体的密度变化成比例。图6显示了，对于多种不同的气体/气体混合物，石英晶体振荡器218的共振频率随密度而线性地改变。

大体上，石英晶体振荡器218的灵敏度为，例如，当与大气压力相比时，在处于250巴的氧气(具有原子质量数32 AMU)的情况下，有5%的频率变化。这样的压力和气体密度对于用于永久气体的存储罐是典型的，对于大多数气体，存储罐通常介于137巴(表压)和450巴(表压)之间，而对于氦和氢，则高达700巴(表压)或900巴(表压)。

石英晶体振荡器218特别适合用作形成在商业上供应的气体的质量流量仪器的一部分的密度传感器。为了精确地感测气体的密度，使气体没有灰尘和液滴是必要的，在商业上供应的气体对此有保证，但对于空气，或者一般在压力监测情况下就没有保证了。

一旦从石英晶体振荡器218获得密度值，就可确定通过孔212的气体的质量流率。通过孔的质量流率Q被限定为：

5)

其中，k是常数，v是气体的速度，

是气体的上游密度，而A是孔A的横截面积。但是，根据柏努利方程6)：

6)

随着孔的横截面积增大，气体的速度将增大，而气体的压力将减小。

对通过孔212的质量流率的确定取决于被称为“阻流”或“临界”流的条件。当气体速度达到超声状况，即，当孔板210所产生的限流作用使得流过孔212的气体的速度达到声音的速度时，会产生这种情形。当上游压力P₁比下游压力P₂高至少0.5巴时，会出现这种情况。

一旦这个条件满足，通过孔212的空气的速度就有非常小的进一步的增长。因此，在阻流条件下，其中v=c(声音在所讨论的气体中的速度)，公式5)变成：

7)

因此，对于具有固定横截面积A的孔，通过孔212的质量流量仅取决于上游密度。这是石英晶体振荡器218布置成进行测量的参数。

另外，声音的速度c与绝对温度的平方根

成比例。但是，如前面描述的那样，温度传感器222不必特别精确。例如，如果在300K下，温度误差为0.5K，这表示声音的计算速度仅有1:1200的误差。因此，对于许多应用，不需要温度传感器222，并且可消除它。

图7示出质量流率测量的实验数据。图7是Y轴上的共振频率(单位kHz)随X轴上的氮气的气体流率(单位为升/分钟)而改变的图表。如所显示的那样，图表是高度线性的，并且显示了可使用石英晶体振荡器218来精确地测量质量流率。

另外，高精度的石英晶体振荡器218使得测量能够有非常高的精度，分辨率为百万分之一份。与处于高密度和高压的石英密度传感器218的线性响应结合，高精度使得能够精确地测量非常轻的气体的质量流率，诸如H₂和He。

现在将参照图8来描述根据本发明的实施例的方法。下面描述的方法适用于上面描述的第一和第二实施例两者。

步骤400：初始化测量

在步骤400处，初始化对通过孔212的气体的质量流率的测量。例如，这可通过用户按壳体208的外部的按钮而启动。备选地，可借助于远程连接来启动测量，例如，通过无线网络而发送的且由仪器组件200、350通过天线而接收的信号。

作为另一个备选方案或添加方案，仪器组件200、350可配置成远程地初始化，或者用定时器初始化。方法前进到步骤402。

步骤402：驱动石英晶体振荡器

一旦初始化之后，驱动电路220就用来驱动石英晶体振荡器218。在初始化期间，驱动电路220在晶体210上施加随机噪声AC电压。随机电压的至少一部分将处于适当的频率，以使晶体210振荡。然后晶体210将开始与那个信号同步地振荡。

如将理解的那样，石英晶体振荡器218基本上是自持式检测器和驱动器，因为晶体本身的共振频率被测量。

借助于压电效应，石英晶体振荡器218的运动然后将在石英晶体振荡器218的共振频带中产生电压。然后驱动电路220放大石英晶体振荡器218所产生的信号，使得在石英晶体共振器202的频带中产生的信号支配驱动电路220的输出。石英晶体的狭窄共振带过滤掉所有不必要的频率，而驱动电路220则以基本共振频率f驱动石英晶体振荡器218。一旦石英晶体振荡器218已经在特定的共振频率下稳定之后，方法就前进到步骤404。

步骤404：测量石英晶体振荡器的共振频率

共振频率f取决于导管206的上游部分214内的环境条件。在本实施例中，对于良好近似，共振频率的变化

在幅度上与导管206的上游部分214中的气体的密度成比例，并且将随密度的增大而减小。

为了进行测量，测量石英晶体振荡器218的频率达大约1秒的时段。这是要使得读数能够稳定，以及对足够的振荡计数，以便确定精确的测量。在微处理器240中执行对频率的测量。微处理器240还可记录测量开始时的时间T₁。

一旦已经频率测量，方法前进到步骤406。

步骤406：测量气体的温度

在步骤406处，温度传感器222测量导管206的上游部分214内的气体的温度。需要这个测量来精确地确定声音在气体流中的速度。

如前面描述的那样，温度测量不必特别精确。例如，如果温度传感器222精确到0.5℃，则这对应于为计算声音的速度所需的绝对温度值的仅一千二百分之一的误差。

作为备选方案，这个步骤可只是包括对微处理器240输入固定温度值。例如在其中使用已知温度环境，或者其中不需要高精度的情形中，可出现这种情况。在这种情况下，不需要温度传感器222。

步骤408：确定气体的质量流量

使用上面的公式7)来完成这一点，其中，在孔212上游的气体的密度

，以及可选地，气体的温度T是已知的。因此，已知在步骤404中测得的共振频率，步骤406中测得的气体的已知温度T(可选的)，就可精确地测量通过孔212的质量流率。然后方法前进到步骤410。

步骤410：传送和存储结果

可用多种方式显示气体的质量流率。例如，附连到壳体208、本体202或调节器150、300上的屏幕(未显示)可显示通过孔212的气体的质量流率(以及因此，显示离开联接件160的气体的质量流率)。在备选方案中，质量流率测量结果可远程地传送到基站或位于相邻装置上的仪器，如将在后面描述的那样。

作为又一个备选方案，在时间T₁的气体的质量流率可存储在所述微处理器240本地的存储器中，以产生时间日志。

然后方法前进到步骤412。

步骤412：降低传感器组件的功率

不必始终使仪器组件200、350保持运行。相反，通过在不使用时关闭仪器组件200、350来降低功率消耗是有益的。这可延长电池224的寿命。

驱动电路220的配置使得石英晶体振荡器218能够重新启动，而不管导管206的上游部分214中的压力如何。因此，仪器组件200、350可在需要时关闭，以便节省电池功率。

以上实施例的变型对本领域技术人员将是显而易见的。硬件和软件构件的确切配置可有所不同，但仍然落在本发明的范围内。本领域技术人员将容易地认识到可使用的备选配置。

例如，上面描述的实施例使用了具有32.768 kHz的基本频率的石英晶体振荡器。但是，可使用以备选频率运行的晶体。例如，以60 kHz和100 kHz运行的石英晶体振荡器可用于上面描述的实施例。在图9中显示了显示关于不同的晶体，频率随密度而改变的图表。作为另一个示例，可使用以1.8 kHz的频率运行的晶体振荡器。

较高的频率运行使得能够更频繁地监测压力，因为需要较短时段来对给定数量的循环取样。另外，较高频率的晶体使得能够在晶体的“睡眠”模式中使用较少工作循环。以说明的方式，在大多数情况下，晶体和驱动电路将大部分时间是关闭的，仅打开几秒或在需要测量时打开。例如，这可一分钟发生一次。当使用较高频率的晶体时，可较快速地测量压力。因此，可减少其中晶体运行的时间。这可降低功率消耗，以及相伴地改进电池寿命。

另外，已经通过测量石英晶体振荡器的绝对频率来描述了以上实施例。但是，在结合在与气体罐相关联的调节器中的自持式电子器件中，通过比较那个频率与同一类型但密闭在真空或压力包装中的基准晶体来测量传感器的频率变化可为有利的。压力包装可容纳处于选定密度的气体、处于大气条件的气体，或者可对气体罐外部的大气开放。

图10中显示了适当的传感器组件500。传感器组件500包括第一石英晶体振荡器502和第二石英晶体振荡器504。第一石英晶体振荡器402是位于真空下的密封容器506内的基准晶体。第一石英晶体振荡器502由驱动电路508驱动。

第二石英晶体振荡器504是类似于前面的实施例中描述的晶体218的晶体。第二石英晶体振荡器504暴露于壳体208内的气体环境。第二石英晶体振荡器504由驱动电路510驱动。

可使用电子混合器电路512来执行这个比较，电子混合器电路512结合两个频率信号，并且在等于两个晶体之间的差的频率下产生输出。这个布置使得能够消除由于例如温度而引起的小变化。

另外，可简化传感器组件204中使用的电路，因为仅需要测量频率差。另外，这种方法特别适合用于高频率(MHz)晶体振荡器，其中，直接测量晶体频率可为困难的。

另外，测量和显示密度、质量或质量流量所需的所有电子器件都不必安装在气体罐上或其中。例如，电子功能可在永久地安装在罐上的单元和安装在顾客使用站上的或暂时安装在罐的出口上(诸如通常用于传统流量仪器的位置)的单元之间进行分割。

参照图11来显示这个组件的示例。该组件包括气体罐组件60，气体罐组件60包括气体罐600、调节器602和质量流率仪器604。气体罐组件600、调节器602和质量流率仪器604基本类似于前面基本参照之前的实施例所描述的气体罐组件100、调节器150和质量流率仪器200、300。

在这个实施例中，质量流率仪器604包括类似于前面的实施例的石英晶体振荡器218和驱动电路220的石英晶体振荡器和驱动电路(未显示)。提供天线606来通过任何适当的远程通信协议进行通信；例如，蓝牙、红外(IR)或RFID。备选地，可使用单线通信。

作为另一个备选方案，可使用声学通信方法。这样的方法的优点在于，在不需要外部天线的情况下，可实现远程通信。

连接管608连接到气体罐600的出口上。连接管终止于快速连接式连接件610。快速连接式连接件610使得连接管道系统或构件能够容易且快速地与气体罐600连接和断开。

提供快速连接单元650来连接到气体罐600上。提供互补的快速连接连接器612来连接到连接器608上。另外，快速连接单元650设有数据单元652。数据单元652包括显示器554，以及用于与气体罐组件60的天线604通信的天线556。显示器554可包括例如LCD、LED或日光下可读的显示器，以最大程度地降低功率消耗，以及最大程度地提高显示器的可见度。

数据单元652可记录气体罐组件60的传感器组件602所测得的各种参数。例如，数据单元652可记录质量流率与时间。这种记录对于例如焊接承包人可为有用的，焊接承包人想要在对关键构件进行冗长的气体焊接过程期间检查存在气体流和进行校正，或者想要对公司供应关于特定的顾客使用的数据。

备选地，来自数据单元650的数据可输出到计算机启用式焊机(用于焊接应用)或其它使用气体的装备，以允许计算派生参数，以及警告消息。

另外，数据单元650可布置成提供以下功能：在气体类型改变的情况下提供可听或可视警告；容纳和显示关于气体使用的数据；提供多模式运行，例如供应商/填充商模式和顾客模式；允许输入数据；提供数据，诸如可在罐上以概要的形式携带的罐编号、气体类型、分析证书、顾客历史(谁在什么日期拥有罐)、安全数据和运行提示。

作为备选方案，所有以上示例都可以可选地处理、存储，或者得自于完全位于气体罐600或壳体208上(或其内)的系统，如参照仪器组件200、350所论述的那样。

虽然已经参照对石英晶体振荡器的使用来描述了以上实施例，但本领域技术人员将容易地认识到也可使用的备选压电材料。例如，非穷尽性列表可包括包含下者的晶体振荡器：钽酸锂、铌酸锂、硼酸锂、块磷铝矿、砷化镓、四硼酸锂、磷酸铝、锗酸铋、多晶钛酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅锌氧化物复合物，或酒石酸二钾。

特别参照示出的示例来描述了本发明的实施例。虽然在图中显示了具体示例，以及在本文中详细描述了具体示例，但是，应当理解，图和详细描述不意于将本发明局限于公开的特定形式。将理解的是，在本发明的范围内，可对描述的示例进行变型和修改。

Claims

1. 一种测量通过孔的气体的质量流率的方法，在所述孔中会出现阻流，所述方法使用与所述孔上游的气体接触的压电振荡器，并且包括：

a)驱动所述压电晶体振荡器，使得所述压电晶体振荡器以共振频率共振；

b)测量所述压电振荡器的所述共振频率；以及

c)根据所述共振频率来确定通过所述孔的气体的质量流率。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述孔上游的压力比所述孔下游的压力高至少0.5巴。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括确定所述孔上游的气体的温度。

4. 根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，从位于所述压电晶体振荡器上游的压力调节器或阀分配所述气体。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，响应于测量到的通过所述孔的气体的质量流率，以电子的方式控制所述压力调节器或阀。

6. 一种用于测量气体的质量流率的仪器，所述仪器包括导管，气体在使用中流过所述导管，所述导管具有限流孔，在使用中，在所述限流孔中会出现阻流，所述限流孔将所述导管分成在所述孔上游的上游部分和在所述孔下游的下游部分，所述仪器进一步包括传感器组件，所述传感器组件包括在所述上游部分中的压电晶体振荡器，使得当所述仪器在使用中时，所述压电振荡器与所述气体接触，所述传感器组件布置成：

驱动所述压电晶体振荡器，使得所述压电晶体振荡器以共振频率共振；

测量所述压电晶体振荡器的所述共振频率；以及

根据所述共振频率来确定通过所述孔的质量流率。

7. 根据权利要求6所述的仪器，其特征在于，所述仪器进一步包括驱动电路，所述驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈配置的复合晶体管对。

8. 根据权利要求6或7所述的仪器，其特征在于，进一步包括布置成确定所述压电振荡器附近的气体的温度的温度传感器。

9. 根据权利要求6、7或8所述的仪器，其特征在于，所述仪器布置在压力调节器或阀的下游。

10. 根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，所述仪器布置成响应于测量到的通过所述限流孔的质量流率，以电子的方式控制所述压力调节器或阀。

11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法或仪器，其特征在于，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。

12. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法或仪器，其特征在于，所述压电晶体振荡器包括至少两个平叉。

13. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法或仪器，其特征在于，所述压电晶体振荡器具有32 kHz或更大的共振频率。

14. 一种能够由可编程处理设备执行的计算机程序产品，包括用于执行根据权利要求1至5中的任一项所述的步骤的一个或多个软件部分。

15. 一种计算机可用存储介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序产品。