CN103328965A - 用于测量气体的分子量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于测量气体的分子量的仪器，仪器包括：壳体，其具有入口和用于接收待测量的所述气体的内部；传感器组件，其包括高频平面型压电晶体振荡器，高频平面型压电晶体振荡器位于所述壳体内，使得在使用中，压电晶体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单个共振频率共振；测量所述压电晶体振荡器的所述单个共振频率，以确定气体的密度；以及根据气体的密度、气体的确定的或预先确定的压力，以及气体的确定的或预先确定的温度来确定气体的分子量。

Description

用于测量气体的分子量的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于测量气体的分子量的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于使用压电晶体振荡器来测量气体的分子量(或者在气体的混合物的情况下，平均分子量)的方法和设备。
背景技术
本文描述方法和设备可应用于其中存在处于较高压力(例如大约10巴或更高)的流体的系统，诸如例如，高压罐中的气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而液化的气体，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(以巴为单位)的度量)的压力下在罐中供应。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。
液化气体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压缩时受压而液化的气体不是永久气体，而是被更精确地描述成受压液化气体，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附近的压力或温度液化。
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，最大填充压力对于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)。
在许多情况下，了解在罐的内部，或者在罐下游的点处(例如，在焊接过程期间的管中)的气体的类型是合乎需要的，而且有时是至关重要的。当已经进行吹扫时将了解这种情形的示例。
通常使用质谱仪来测量分子量。这样的组件测量气体的质量-电荷比，以便直接确定分子量。常用组件是与渡越时间质量分析器(被称为MALDI-TOF)结合的基质辅助式激光解吸/离子化源。但是，这样的组件体积大、昂贵，而且不适合其中可能涉及轻便性和成本的许多应用。
可用来测量分子量的备选类型的仪器是振动式气体密度仪，例如在Yokogawa技术报告第29期(2000)中Suzuki等人的“GD series Vibratory Gas Density Meters(GD系列振动式气体密度仪)”中显示和描述的。这种组件包括薄壁式金属罐，其布置成使得气体能够流到罐的内部和外部。两对压电元件位于罐上，一对驱动元件和一对检测元件。通过测量两个不同的共振频率以补偿温度引起的变化来获得气体密度。所使用的共振频率非常低，而且为大约几百Hz。
以上组件复杂、较昂贵，并且相当易受振动作用的影响。这是因为所使用的共振频率与外部振动所产生的频率相当。另外，需要复杂的激励和检测组件来补偿温度效应。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种使用与气体接触的高频平面型压电晶体振荡器来测量气体的分子量的方法，该方法包括；a)通过以下方式，通过下者而使用所述压电晶体振荡器来测量气体的密度：使用驱动电路来驱动压电振荡器，使得压电晶体振荡器以单个共振频率共振；以及测量所述压电晶体的所述单个共振频率，以确定气体的密度；以及b)根据密度、气体的确定的或预先确定的压力，以及气体的确定的或预先确定的温度来确定气体的分子量。
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)来容易地确定气体的分子量(或者在气态混合物的情况下，平均分子量)。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)两者。
平面型晶体振荡器紧凑且稳定可靠，因此，较不受环境干扰的影响。另外，因为振荡器的振荡频率高(大约几kHz)，所以振荡器较不受局部振动(其往往具有大约几Hz的频率)的影响。这与已知的分子量检测组件相反。
在一个实施例中，方法包括测量气体的压力。
在一个实施例中，使用电子压力传感器来测量气体的压力。在一个实施例中，电子压力传感器包括压阻性膜片传感器。
在实施例中，气体的预先确定的压力是位于所述振荡器上游的气体调节器的固定输出压力。
在实施例中，气体的预先确定的压力是大气压力。
在实施例中，方法进一步包括用温度传感器测量气体的温度。在一个实施例中，温度传感器包括热敏电阻器或依赖于温度的电阻器。
在实施例中，石英晶体包括至少一个叉。在一个组件中，所述压电晶体振荡器包括至少两个平叉。
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，所述压电晶体振荡器具有32 kHz或更高的共振频率。
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。
根据本发明的第二实施例，提供一种用于测量气体的分子量的仪器，仪器包括：壳体，其具有入口和用于接收待测量的所述气体的内部；传感器组件，其包括高频平面型压电晶体振荡器，高频平面型压电晶体振荡器位于所述壳体内，使得在使用中，压电晶体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单个共振频率共振；测量所述压电晶体振荡器的所述单个共振频率，以确定气体的密度；以及根据密度、气体的确定的或预先确定的压力，以及气体的确定的或预先确定的温度来确定气体的分子量。
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)来容易地确定气体的分子量(或者在气态混合物的情况下，平均分子量)。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)两者。
平面型晶体振荡器紧凑且稳定可靠，因此，较不受环境干扰的影响。另外，因为振荡器的振荡频率高(大约几kHz)，所以振荡器较不受局部振动(其往往具有大约几Hz的频率)的影响。这与已知的分子量检测组件相反。
在一个实施例中，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，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，仪器进一步包括用于测量气体的压力的压力传感器。
在一个实施例中，所述压力传感器是电子压力传感器。在一个实施例中，电子压力传感器包括压阻性膜片传感器。
在一个实施例中，仪器位于固定压力调节器的下游，并且气体的压力基于所述固定压力调节器的输出而具有预先确定的值。
在一个实施例中，仪器进一步包括在所述入口上游的约束孔和在所述入口下游的通往大气的出口，其中，气体的所述预先确定的压力是大气压力。
在实施例中，方法进一步包括用温度传感器测量气体的温度。在一个实施例中，温度传感器包括热敏电阻器或取决于温度的电阻器。
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，压电晶体振荡器具有32 kHz或更高的共振频率。
在一个实施例中，仪器包括位于入口中的过滤器。在实施例中，过滤器具有在5至10                                               的范围中的孔径。
在一个实施例中，仪器包括位于壳体内的加热器元件。在实施例中，加热器元件位于压电晶体振荡器附近。在另一个组件中，加热器元件定位成与压电晶体振荡器接触。
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。
在一个实施例中，仪器包括显示器。
在实施例中，仪器包括天线，天线连接到传感器组件上，并且布置成使得数据能够无线地传输自仪器。在实施例中，仪器可运行来将数据无线地传输到远程显示单元。
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，提供一种计算机可用存储介质，其上存储有根据第四方面的计算机程序产品。
另外，提供一种气体混合器组件，气体混合器组件包括用于供应第一气体的第一气体源、用于供应不同于所述第一气体的第二气体的第二气体源，以及混合器，混合器位于第一和第二气体源下游，并且布置成在使用中混合第一和第二气体，以提供混合气体，气体混合器组件进一步包括仪器，仪器布置成测量混合气体的平均分子量，以及响应于所述混合气体的测得平均分子量来控制所述混合气体中的第一和第二气体的相对比例。
在一个实施例中，第一和第二气体源各自包括压力调节装置，其布置成选择性地控制来自相应的气体源的气体流。在一个实施例中，所述压力调节装置中的一个或各个包括压力调节器或阀。
在一个实施例中，仪器响应于混合气体的测得平均分子量来控制压力调节装置中的至少一个。在一个实施例中，压力调节装置中的至少一个是电子压力调节装置。在一个实施例中，压力调节装置中的至少一个包括电磁阀。
在一个实施例中，仪器包括传感器组件，传感器组件包括压电晶体振荡器，在使用中，压电晶体振荡器与所述混合气体接触，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共振频率，以确定气体的密度；以及根据密度、气体的确定的或预先确定的压力，以及气体的确定的或预先确定的温度来确定气体的分子量。
在实施例中，仪器包括根据第二方面的仪器。
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分子量仪器的示意图；
图3是显示根据本发明的第二实施例的调节器组件和分子量仪器的示意图；
图4是显示根据本发明的第三实施例的调节器组件和分子量仪器的示意图；
图5是显示根据本发明的第四实施例的分子量仪器的示意图；
图6是用于第一至第四实施例中的任一个的驱动电路的示意图；
图7是显示用于第一至第四实施例中的任一个的备选驱动电路的示意图；
图8是显示用于第一至第四实施例中的任一个的处理器的输入参数和输出参数的示意图；
图9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10显示关于处于直到300巴(表压)的压力的氩、氧和氩：二氧化碳：氧混合物的、在Y轴上的气体密度(单位为kg/m)随X轴上的压力(巴(表压))而改变的图表；
图11显示关于处于直到100巴(表压)的压力的氩、氧和氩：二氧化碳：氧混合物的、在Y轴上的气体密度(kg/m3)随X轴上的压力(巴(表压))而改变的图表；
图12是显示在Y轴上的频率变化(单位为Hz)随X轴上的吹扫气体的时间(单位为秒)而改变的图表；
图13是对应于图13的图表，其显示计算的分子量变化(Y轴)随X轴上的时间(单位为秒)而改变；
图14是示出根据描述的实施例的方法的流程图；
图15显示本发明的第五实施例的示意图，其显示气体混合器组件；
图16显示不同的晶体类型的频率行为的图表；
图17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18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和分子量仪器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，基部布置成使得能够气体罐组件10能够独立地竖立在平的表面上。
气体罐本体102由钢、铝和/或复合材料形成，并且适于且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(具有集成减压装置的阀)。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。
分子量仪器200定位成在出口154和联接件160之间与出口管158连通。分子量仪器200位于调节器150的下游不远处，并且布置成确定调节器150下游的气体的分子量(或者在气体混合物的情况下，平均分子量)。
在图2中较详细地显示根据本发明的第一实施例的调节器150和分子量仪器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。在图2的实施例中，调节器150是固定压力调节器，并且布置成以已知的固定压力从出口154中输出气体。压力由弹簧172的相对偏置力确定。
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。
分子量仪器200包括壳体202和传感器组件204。壳体202可包含任何适当的材料；例如钢、铝或复合材料。壳体具有内部206，内部206通过短的馈送管208而与出口管158的内部连通。因此，壳体202的内部206与出口管158的内部处于相同的压力。在使用中，壳体202大体与外部大气密封和隔离开。分子量仪器200布置成测量壳体202内的气体的分子量。备选地，分子量仪器200可测量壳体202内的气体的均匀混合物的平均分子量。
备选地，可提供壳体202作为出口管158的一部分。例如，出口管158的一部分可加宽，以容纳传感器组件204。备选地，可仅传感器组件204的一部分位于管158内，其余部分位于其外部或与其隔开。
另外，壳体202可形成调节器150的组成部分。例如，传感器组件204可完全位于调节器150的出口154内。本领域技术人员将容易地认识到落在本发明的范围内的变型和备选方案。
传感器组件204包括连接到驱动电路212上的石英晶体振荡器210、温度传感器214和电池216。这些构件都位于壳体202内。
将在后面参照图6和7来详细描述驱动电路212和石英晶体振荡器210。温度传感器214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。
可单独地提供处理器230(在后面参照图8来显示和描述)，或者提供处理器作为驱动电路212的一部分。
在这个组件中，石英晶体振荡器210恒定地经受分子量仪器200的壳体202内的等静压力，并且因此，不会经受压力梯度。换句话说，源自外部大气和分子量仪器200的内部构件之间的压差的任何机械应力都表现在壳体202上。
但是，不必如此。例如，仅石英晶体振荡器210和温度传感器214可位于壳体202内，传感器组件204的其余部分位于其外部。
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，锂离子电池在气体罐100内遇到的高压下工作特别良好。因此，电池216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。
当配置调节器150时，传感器组件204完全定位在壳体202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壳体202的结实的金属壁或复合壁内会提供相当大的保护，以防环境或意外损害。例如，在其中气体罐100(包括调节器150)位于气体罐、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的内部定位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。
传感器组件204的内部定位的好处对于诸如石英晶体振荡器210的固态传感器装置是独特的。例如，无法照这样定位诸如波尔登压力计的传统压力传感器。虽然基于晶体的传感器可完全浸没在处于恒定的压力下的气体中运行，但传统的压力传感器无法测量等静压力，并且需要压力梯度来工作。因此，传统压力计必须位于待测量的高压和大气之间。这就增加了分子量仪器200的外部构件受损的风险。
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250不同于图2的实施例的调节器150，因为调节器250布置成提供来自出口154的出口压力可变的气体。
就此而言，提供可握持把手252，以使得用户能够调节弹簧172的偏置力。这会移动膜片168的平衡位置，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。
典型地，压力可改变高达大约20巴(表压)。但是，本领域技术人员将容易地认识到备选组件和可由调节器250供应的备选压力。另外，调节器可包括用于在诸如氧乙炔焊接(需要精确的压力调节)的情形中使用的二级阶段。
第二实施例包括分子量仪器300。为了清楚，分子量仪器300的与分子量仪器200相同的构件分配有相同的参考标号。
分子量仪器300基本类似于第一实施例的分子量仪器200。但是，分子量仪器300进一步包括位于壳体202内的压力传感器302。可使用任何适当的压力传感器。
例如，压力传感器302可包括压阻性膜片传感器。这种压力传感器典型地包括其中形成有压阻性应变计的经加工的硅膜片。膜片熔融到硅底板或玻璃底板上。应变计通常连接在一起形成惠斯通电桥，其输出与测得压力直接成比例。然后来自压力传感器302的输出可输入到处理器230。
本领域技术人员将容易地认识到可用于本发明的备选电子压力传感器。换句话说，压力传感器302可包括能够测量气体的压力以及提供该测量结果的电子输出的任何传感器。
在这个组件中，石英晶体振荡器210和压力传感器302恒定地处于压力分子量仪器200的壳体202内的等静压力，并且因此，不会经受压力梯度。换句话说，源自外部大气和分子量仪器300的内部构件之间的压差的任何机械应力都表现在壳体202上。
在图4中显示本发明的第三实施例。图4中显示的第三实施例的与图3的第二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4的实施例中，调节器250对应于第二实施例的调节器250，并且布置成提供来自出口154的出口压力可变的气体。已经描述了调节器250的构件，所以在这里不再进一步描述。
第三实施例包括分子量仪器400。为了清楚，分子量仪器400的与分子量仪器200、300相同的构件分配有相同的参考标号。
分子量仪器400基本类似于第一和第二实施例的分子量仪器200、300。但是，分子量仪器400可与压力可变的调节器250一起运行，而不需要第二实施例的压力传感器302。
分子量仪器400包括导管402。导管402的内部与壳体202的内部206连通。导管402的近端包括位于短管208的下游不远处且与出口154连通的约束孔404。约束孔404布置成提供物理约束，以限制从出口154离开导管402的气体的压力。因此，在约束孔404下游的导管402内的气体的压力大大低于出口154中的气体的压力。
导管402的远端406对大气开放。远端406位于壳体202下游的导管402的区段的端部处。对于典型的应用，适当的导管402将具有大约2 mm的孔口，以及大约100 mm的长度。这确保大气气体不会扩散回到壳体202的内部206中，以避免潜在的测量误差。
虽然导管402在图4中显示为基本直线的，但导管402可为任何适当的形状。例如，较紧凑的布置将是把导管402布置成迷宫形或线圈形，以便使导管适合较小的空间。
因此，约束孔404和导管402的遥远的远端406(处于大气压力)的联合作用在于，壳体202的内部206始终处于或接近大气压力。这与出口154下游和约束孔404上游的气体的压力无关。
因此，不需要压力计，因为可假设该压力始终处于大气压力。如果需要修正(例如，当在大气压力较低的高海拔下运行时)，可将这手动地输入到处理器230。
因此，在特定条件下，不需要压力传感器，因为可自动地设定压力值，或者用户可手动地输入压力值，而且处理器230使用产生的压力值，以确定感测的气体或多种气体的分子量。
在图5中显示本发明的第四实施例。第四实施例涉及分子量仪器500。分子量仪器500可为便携式的，并且可在想要快速且容易地确定具体位置(例如在轨道焊接过程期间，在管内)内的气体的类型的情况下布置就位。备选地，分子量仪器500可置于管的出口处，以检测例如用一种类型的气体对另一种类型的气体的吹扫。
分子量仪器500包括壳体502。壳体502具有界定孔口506的壁504。孔口506在壳体504的内部和外部提供连通路径。分子量仪器500的其余构件类似于第一至第三实施例的分子量仪器200、300、400的那些，并且在这里不再对它们进行进一步的描述。
为了使石英晶体振荡器210提供精确测量，必须保持石英晶体振荡器210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，但分子量仪器500可能用于其中环境污染可为严重问题的情形中。
因此，分子量仪器500设有过滤器508，过滤器位于孔口506中。过滤器508可具有任何适当的孔径。孔径在5-10
Figure 335110DEST_PATH_IMAGE002
的范围中，这特别适合该应用。过滤器508(或类似的过滤器)可应用于前面描述的第一至第三实施例中的任一个。
备选地，如果孔口506小得足以阻止污垢或其它污染物的进入，则可省略过滤器508。例如，0.25 mm的孔径将适合在没有过滤器的情况下使用。
另外，分子量仪器500可经受其中存在水分的环境。可如果有任何水分冷凝在石英晶体振荡器210上，就可导致错误测量。因此，为了减轻这些影响，可在石英晶体振荡器210附近提供加热器510，以便确保水分不在振荡器210上冷凝。加热器510可包括单个加热丝，或者可包括用以将电能转换成热能的固体电阻元件。加热器510可定位成与石英晶体振荡器210接触。
如果使用加热器，则合乎需要的是，温度传感器214定位成尽可能地靠近石英晶体振荡器210，使得可精确地测量石英晶体振荡器210周围的气体的温度。加热器510或任何其它适当的加热器也可用于第一至第三实施例中的任一个。
在图5中显示包括压力传感器302的分子量仪器500，其与第二实施例的分子量仪器300相同。当在诸如高压管或压力容器的加压设备内使用时，这种组件可为有益的。
但是，在其中已经在一般精度上知道压力的情形中，可以第一和第三实施例的方式省略压力传感器302。当在大气压力下使用分子量仪器500时，可出现这种情形；例如，当测量离开管到大气的或者在处于大气压力的管内的气体的分子量(或平均分子量)时。在此情形中，需要压力传感器，因为压力值可自动地输入，或者由用户手动地输入，并且处理器230使用产生的压力值来确定被感测的气体或多种气体的分子量。
第一至第四实施例中的任一个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，显示器可位于分子量仪器200、300、400、500远处，并且有关数据可传送到远处。
例如，第一至第四实施例中的任一个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，天线可位于壳体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，可借助于来自罐100内的声学发射来实现通信。声学发射可由位于壳体202内的发射器实现。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分子量仪器200、300、400、500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6和7来更详细描述传感器组件204。石英晶体振荡器210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210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210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210的结构。
另外，石英晶体的共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振幅振荡所需的能量。
另外，周围的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。材料的这种吸收或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210上没有施加涂层。实际上，在现在的情况下，材料吸收或淀积到石英晶体振荡器210上是不合需要的，因为测量的精度可受到影响。
如图6中显示的那样，本实施例的石英晶体振荡器210为音叉形，并且包括大约5mm长的成对的叉210a，叉210a布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。叉210a形成于石英的平的部分中。音叉的叉210a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彼此和远离彼此。
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暴露于壳体202中的加压气体。
在图6中显示用于驱动石英晶体振荡器210的驱动电路212。驱动电路212必须满足多个特定标准。首先，本发明的石英晶体振荡器210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，石英晶体振荡器210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210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幅度共振，但围绕它们共振的频率具有较小的频率带宽。
驱动电路212必须能够驱动石英晶体振荡器210，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210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212中的放大器提供较高的增益。但是，如果驱动电路212提供的放大太高，则来自石英晶体振荡器210的响应可变得难以区分。在这种情况下，驱动电路212可仅以不相关的频率振荡，或者以石英晶体振荡器210的非基本模式的频率振荡。
作为另一个限制，驱动电路212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，以小型低功率电池长久地运行。
现在将参照图6来描述驱动电路212。为了驱动石英晶体振荡器210，驱动电路212基本获得来自石英晶体振荡器210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210。石英晶体振荡器210的基本共振频率其实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损耗时，可维持振荡。驱动电路212布置成检测和保持这个振荡频率。频率然后可由处理器230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212由6V的电池216驱动。在这个实施例中，电池216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212进一步包括复合晶体管对公共放射器放大器218。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218布置成与单晶体管(T1)共射放大器220呈反馈配置。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)。
作为变型，可在复合晶体管对218和共射放大器220之间的反馈回路中实现自动增益控制(未显示)。这可采取电位计、可变电阻器或定位成代替例如图6中显示的最右边的22 k电阻器的其它适当的构件的形式。
自动增益控制使得能够补偿Q因子随压力的变化和供应电压的变化(例如，在低电量电池条件下)。自动增益控制可特别适用于低压应用。
驱动电路212包括另外的NPN射随晶体管T2，其用作缓冲放大器222。缓冲放大器222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212上。
电容器224定位成与石英晶体振荡器210串联。在这个示例中，电容器224具有100 pF的值，并且使得驱动电路212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210。
现在将参照图7来描述备选驱动电路260。图7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RS、两个电容器C1、C2和石英晶体振荡器210。
在这个组件中，石英晶体振荡器210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RS在逆变器T的输出和石英晶体振荡器210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210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。
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210和驱动电路212的输入的处理器230。处理器230可包括适当的组件，诸如ASIC或FPGA。
处理器230编程成计算且(如果需要的话)显示和传送确定的气体的分子量(或者在气体的均匀混合物的情况下，平均分子量)。在图8中显示处理器230的主要输入和输出的示意图。
当与石英晶体振荡器210一起使用时，处理器230可配置成测量来自驱动电路212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。这个值传送到处理器230。
处理器230还接收来自温度传感器214的测得温度T。另外，处理器230接收来自压力传感器302(如果存在的话)或固定压力值的压力值。这个值可自动地设定；例如，在这样的情形下，即，分子量仪器400、500将仅在大气压力下使用，或者将在固定压力调节器的出口上使用，就像在分子量仪器200的情况下那样。在此情形中，固定压力值输入到处理器230。备选地，固定压力值可由用户手动地输入。
处理器230布置成基于供应的输入来执行计算，以确定石英晶体振荡器210浸没在其中的气体的分子量。
一旦分子量确定之后，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，处理器230可设计成大规模生产成在所有分子量仪器200中是相同，软件和硬件的不同特征使得能够用于不同的气体。
另外，处理器230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”模式可覆盖处理器230和额外的构件，诸如驱动电路212和石英晶体振荡器210。
可实施各种方案；例如，处理器230可每11秒待机10秒。另外，处理器230可控制石英晶体振荡器210和驱动电路212，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?秒。
现在将参照图9至13来描述传感组件204的理论和运行。
石英晶体振荡器210具有取决于位于其中的流体的密度的共振频率。使振荡的平面型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210的振动的叉210a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) 
Figure 2011800662406100002DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 376884DEST_PATH_IMAGE004
是共振角频率的相对变化，
Figure 2011800662406100002DEST_PATH_IMAGE005
是气体密度，t是石英振荡器的厚度，
Figure 782720DEST_PATH_IMAGE006
是石英振荡器的密度，而w是音叉的宽度，c1和c2是取决于几何结构的常数，而
Figure 2011800662406100002DEST_PATH_IMAGE007
是气体的表面层的厚度，其由以下限定：
2) 
Figure 302563DEST_PATH_IMAGE008
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210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，
Figure 946296DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2011800662406100002DEST_PATH_IMAGE011
，C是偏移常数，而
Figure 690130DEST_PATH_IMAGE012
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) 
Figure DEST_PATH_IMAGE013
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9显示了，对于多种不同的气体/气体混合物，石英晶体振荡器210的共振频率随密度而线性地改变。
大体上，石英晶体振荡器210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)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，该存储罐通常介于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210特别适合用作形成在商业上供应的气体的分子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210获得密度值，就可根据下者确定气体的分子量：
5) 
Figure 583262DEST_PATH_IMAGE014
其中，P是气体的压力，V是气体的体积，n是气体的摩尔数，R是气体常数，而T是温度。接着消掉V：
6) 
Figure DEST_PATH_IMAGE015
以及
7) 
其中，MW是气体的分子量，而M是气体的质量。因此，公式5)中的V的替代产生：
8) 
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，α是等于RT的常数，R是气体常数，而T是以开氏温标为单位的绝对温度。因此，对于气体的已知压力、密度和温度，可确定气体的分子量(或者在气体的混合物的情况下，平均分子量)。以上推导假设气体接近理想气体。
基于上面的公式8)，如果压力是已知的(例如其中，压力处于大气压力，或者处于固定压力调节器的输出)，则仅需要气体的温度和密度来提供对分子量的精确确定。相伴地，如果在合理的程度上已知压力和温度，则气体的分子量有效地与密度成比例，或者换句话说，与石英晶体振荡器的共振频率和预先确定的因数的乘积成比例。
因此，可根据随密度改变的压力的梯度来确定气体的分子量(或混合物的平均分子量)，其中，重新排列的公式8提供：
9) 
Figure 326407DEST_PATH_IMAGE018
图10和11示出分子量测量的实验数据。两张图表都显示关于相同的四种气体的、在Y轴上的密度(单位为kg/m)随X轴上的压力(单位巴(表压))而改变。两张图表是相同的，只是图10显示高达300巴(表压)的压力，而图11仅显示高达100巴(表压)的压力。
使用的四种气体是 Ferromax 15(氩：二氧化碳：氧的混合物)氦、二氧化碳和氧，如图9中显示的那样。线的梯度与分子量成比例(假设RT在所有三种情况下是恒定的)，因此，石英晶体振荡器210可容易地确定气体或气体混合物的分子量。
另外，石英晶体振荡器210的高精度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202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分子量，诸如H2和He。
这项技术的一种有用的应用是吹扫检测。图12和13示出气体吹扫检测的实验数据。这种信息在诸如管线的自动轨道焊接的情形中是至关重要的。
图12显示Y轴上的频率(Hz)随X轴上的关于氩流以5升/分钟进入到氮环境中(然后重新填充氮)的时间(单位为秒)而改变的图表。显然，能够容易地以高精度测量频率的逐步变化。
图13显示相同的数据，只是在这种情况下，Y轴已被校准，以读出分子量(单位为质量单位)。
这些图清楚地示出，对于大多数正常使用，可使用石英晶体振荡器来容易地确定气体的分子量。另外，清楚地限定在用一种气体吹扫另一种气体时发生的分子量变化，而且它是可识别的。因此，可使用石英晶体振荡器210和驱动电路204来以足够的精度和时间分辨率计算气体吹扫期间的分子量变化。
现在将参照图14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至第四实施例中的各个。
步骤550：初始化测量
在步骤550处，初始化对壳体202内的气体的分子量的测量。例如，这可通过用户按压壳体202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分子量仪器200、300、400、500通过天线而接收的信号。
作为另一个备选方案或添加方案，分子量仪器200、300、400、500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552。
步骤552：驱动石英晶体振荡器
一旦初始化之后，驱动电路212就用来驱动石英晶体振荡器210。在初始化期间，驱动电路212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210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210的运动然后将在石英晶体振荡器210的共振频带中产生电压。然后驱动电路212放大石英晶体振荡器210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212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212则以基本共振频率f驱动石英晶体振荡器210。一旦石英晶体振荡器210已经在特定的共振频率下稳定之后，方法就前进到步骤554。
步骤554：测量石英晶体振荡器的共振频率
共振频率f取决于壳体202内的环境条件。在本实施例中，对于良好近似，共振频率变化在幅度上与壳体202的内部206中的气体的密度变化成比例，并且将随密度的升高而减小。
为了进行测量，测量石英晶体振荡器210的频率达大约1秒的时期。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。在处理器230中执行对频率的测量。处理器230还可记录测量开始的时间T1。
一旦测量了频率，方法前进到步骤556。
步骤556：测量气体的温度
在步骤556处，温度传感器214测量壳体202内的气体的温度。进行这个测量是为了根据步骤554中测得的频率变化来改进分子量计算的精度。
温度测量不必特别精确。例如，如果温度传感器214精确到0.5℃，则这对应于为在后面的步骤中计算分子量所需的绝对温度值的仅大约六百分之一(假设为正常大气温度)的误差。
作为备选方案，这个步骤可仅仅包括将固定温度值输入到处理器230。例如在使用了已知温度环境的情形中可发生这种情况。在这种情况下，不需要温度传感器214。
步骤558：确定气体的压力
一旦已经在步骤554中满意地测量了石英晶体振荡器210的频率，以及在步骤556中测量了温度，则处理器230计算壳体202的内部206内的气体的压力。
可用来自压力传感器302的输入值(如果提供了的话)来完成这一点，压力传感器302提供与壳体202中的测得压力成比例的电信号。这适用于第二和第四实施例。
备选地，如果在合理的程度上已知压力，则压力值可手动或自动地输入到处理器230。这可对应于固定压力调节器的输出(如在第一实施例中那样)，或者可对应于大气压力(如在第三实施例中那样)。
步骤560：确定气体的分子量
使用上面的公式8)来完成这一点，其中，气体的密度、压力P和温度T是已知的。因此，已知在步骤554中测得的共振频率，步骤556中测得的壳体202中的气体的已知温度T，以及步骤558中确定的气体的已知压力，就可精确地测量分子量(或者对于气体的均匀混合物，平均分子量)。然后方法前进到步骤562。
步骤562：传送和存储结果
可用多种方式显示气体的分子量。例如，附连到壳体202或调节器150、250上的屏幕(未显示)可显示气体的分子量(或平均分子量)。在备选方案中，压力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。
一旦分子量仪器200、300、400、500用于今后的读取。作为又一个备选方案，在时间T1的气体的压力可存储在所述处理器230本地的存储器中，以产生时间日志。
然后方法前进到步骤564。
步骤564：降低传感器组件的功率
不必始终使分子量仪器200、300、400、500保持运行。相反，通过在不使用时关闭分子量仪器200、300、400来降低功率消耗是有益的。这可延长电池216的寿命。
驱动电路212的构造使得石英晶体振荡器210能够重新启动，而不管壳体202中的压力如何。因此，可按需要以及在需要的时候关闭分子量仪器200、300、400、500，以便节省电池功率。
根据本发明的分子量仪器的另一个应用是在反馈型气体混合器中。在这种组件中，需要以精确的浓度和比混合两种不同的气体。在诸如例如焊接应用的情形中可能需要这个，其中，需要混合氩和二氧化碳，而良好地限定二氧化碳百分比。另外，对于医疗应用，可能需要以高的精度了解特定类型的气体的相对百分比。
在图15中显示本发明的实施例。图15显示根据本发明的第五实施例的气体混合器600和分子量仪器650。
气体混合器600包括第一气体源602和第二气体源604。在这个实施例中，气体源602、604包括布置成存储高压永久气体的气体罐。各个罐包括可类似于第一实施例中显示的阀104的阀(未显示)。
容纳在各个气体罐内的气体是不同的，并且取决于所需用途来选择气体。例如，在焊接应用中，使用氩和二氧化碳的混合物。备选地，对于医疗应用，可能需要氧和氮的混合物。
第一气体源602和第二气体源604分别连接到第一供应管线606和第二供应管线608上。单向阀610、612分别位于相应的第一气体源602和第二气体源604下游的第一供应管线和第二供应管线中，以阻止气体回流向气体源602、604。
另外，主阀614位于单向阀610下游的第一供应管线606中。主阀614能够手动操作，并且可采取任何适当的形式。例如，主阀614可采取简单的开/关阀的形式，或者可包括可调流量阀、VIPR或调节器。备选地，用户可在气体混合器600远处以电子的方式控制主阀614。气体的混合物的总流率(在后面描述)由主阀614设定。
电磁阀616位于单向阀612下游的第二供应管线608中。电磁阀616包括电枢(未显示)，电枢能够响应于通过位于电磁阀616的本体中的一组线圈(未显示)的电流而移动。电枢能够移动，以打开或关闭电磁阀616，以使得气体能够流经电磁阀616，以到达其下游的构件。
电磁阀616处于常开状态。换句话说，在没有电流通过电磁阀616时，电枢处于缩回位置，使得电磁阀616打开，即，来自第二气体源604的气体能够流过其中到达电磁阀616下游的构件。如果有电流施加于电磁阀616，则电枢将缩回，而且电磁阀616将关闭。从而阻止气体流过其中。在这个实施例中，电磁阀616不断沿直线方向改变。
本领域技术人员容易地认识到可用于本发明的不同类型的电磁阀。例如，电枢可直接用作可选择性地操作的限流装置。备选地，电枢可直接作用于膜片。作为另一个备选方案，电枢可控制通过与电磁阀616下游的供应管线608连通的狭窄导管的流，以便调节膜片的移动。这种组件被称为膜片引导阀。电磁阀616由分子量仪器650控制，如将在后面描述的那样。
第一供应管线606和第二供应管线608两者都连接到混合器单元618上。混合器单元618可运行来结合来自第一供应管线606和第二供应管线608的两个流，以及将结合的流传送到第三供应管线620。混合器单元618仅用来结合两个流，并且不改变各个流中的气体的比例或压力。
固定压力调节器622位于混合器单元618下游的第三供应管线620中。压力调节器622基本类似于参照第一实施例所描述的固定压力调节器150，所以在这里不再对其进一步描述。固定压力调节器622布置成调节接收自混合器单元618的气体的压力，以及以恒定的压力将气体提供给固定压力调节器622下游的第三供应管线620的一部分。这个压力可为例如5巴。
第五实施例包括分子量仪器650。分子量仪器650的构件基本类似于第一实施例的分子量仪器200的那些，所以在这里不再对其进一步描述。
但是，分子量仪器650进一步包括连接到电磁阀616和分子量仪器650的传感器组件204上的电子螺线管驱动器652。
螺线管驱动652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616，因此，分子量仪器650可运行来控制通过电磁阀616的气体流。换句话说，分子量仪器650和电磁阀616形成反馈回路，反馈回路允许精确且远程地对沿着第二供应管线608到混合器618的气体流进行压力调节。因此，可精确地控制在混合器单元618中混合的气体的比例，如将在后面描述的那样。
螺线管驱动器652可包括用于控制电磁阀616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。可变电阻器可布置成提供恒定的基准电平，并且用作比较器。可自动地或手动地改变基准电平。
从传感器组件204到螺线管驱动652的输入将使电磁阀616操作。例如，如果来自传感器组件204(或者，备选地，处理器230)的输入信号超过特定的阈值水平，则螺线管驱动652可激励电磁阀616。可用数字(即，开或关)方式控制电磁阀616，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652的DC电压可持续地改变，以便精确地调节通过电磁阀616的限流量。
另外或备选地，螺线管驱动器652可借助于包括AC成分的DC输出来控制电磁阀616。由于电枢从电磁阀616的伸出大致与施加的电流成比例，所以这使电磁阀616的电枢振荡。这样的振荡会减轻电枢的静摩擦，即，协助防止电枢卡住或阻塞。
备选地，可在合适的时候使用诸如FET、处理器或ASIC的其它控制组件来控制电磁阀616的操作。另外，电磁阀616可在数字(即，开/关)或模拟(即，持续地改变)模式中操作，以使得电枢等能够精确地移动。
在图15中，显示分子量仪器650的主要构件与电磁阀616分开。在这种情形中，可借助于传感器组件204和螺线管驱动器652之间的无线通信，远程地控制电磁阀616。
虽然已经参照分子量仪器650和固定压力调节器622来描述了以上实施例，但可使用其它变型。例如，可省略固定压力调节器622，或者被可变压力调节器取代，诸如图3中显示的调节器250。在这个备选方案中，分子量仪器650将需要压力传感器，诸如第二实施例的分子量仪器300的压力传感器302。
备选地，可省略固定压力调节器622，并且分子量仪器650可具有通往大气的导管，如在第三实施例的分子量仪器300中展示的那样。在这种情形中，不需要压力计，因为分子量仪器650的壳体202内的压力将始终处于大气压力。
现在将描述气体混合器600的运行。如前面论述的那样，分子量仪器650能够确定气体的分子量，或气体的平均分子量。当两种气体以不同的比例混合时，气体混合物的平均分子量将根据各种气体的相对比例而改变。因此，通过测量混合物的平均分子量，以及了解各种单独的气体的分子量，可确定混合物中的各种气体的比例。
来自第一气体源602的气体的主流率由主阀614设定，如前面描述的那样，用户可操作主阀614。一旦这已经设定好，分子量仪器650就能够控制电磁阀616从第二气体源604分配正确气体量，以便实现气体的期望比例混合物。通过螺线管驱动器652来完成这一点。
因此，如果来自第二气体源604的气体的比例太高，则分子量仪器650将通过螺线管驱动器652来关闭或部分地关闭电磁阀616，以限制来自第二气体源604的气体流。相伴地，如果来自第二气体源604的气体的比例太低，则分子量仪器650将通过螺线管驱动器652来打开或部分地打开电磁阀616，以增加来自第二气体源604的气体流。
以上实施例提供成本低、可靠且稳定可靠的方法，该方法提供气体混合物，其中可以可靠且精确地确定和保持混合物中的各种气体的比。
以上实施例的变型对本领域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16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关闭，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17中显示了适当的传感器组件700。传感器组件700包括第一石英晶体振荡器702和第二石英晶体振荡器704。第一石英晶体振荡器402是位于在真空下的密封容器706内的基准晶体。第一石英晶体振荡器702由驱动电路708驱动。
第二石英晶体振荡器704是类似于前面的实施例中描述的晶体210的晶体。第二石英晶体振荡器704暴露于壳体202内的气体环境。第二石英晶体振荡器704由驱动电路710驱动。
可使用电子混合器电路714来执行这个比较，电子混合器电路714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。这个组件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气体罐中。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计的位置)的单元之间进行分割。
参照图18来显示这个组件的示例。该组件包括气体罐组件80，气体罐组件80包括气体罐800、调节器802和分子量仪器804。气体罐组件800、调节器802和质量流率仪器804基本类似于气体罐组件100、调节器150和分子量仪器200、300、400、500，如前面基本参照之前的实施例所描述的那样。
在这个实施例中，分子量仪器804包括类似于前面的实施例的石英晶体振荡器210和驱动电路212的石英晶体振荡器和驱动电路(未显示)。提供天线806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808连接到气体罐800的出口上。连接管终止于快速连接式连接件810。快速连接式连接件810使得连接管道系统或构件能够容易且快速地与气体罐800连接和断开。
提供快速连接单元850来连接到气体罐800上。提供互补的快速连接连接器812来连接到连接器808上。另外，快速连接单元850设有数据单元852。数据单元552包括显示器554，以及用于与气体罐组件80的天线804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852可记录气体罐组件80的传感器组件802所测得的各种参数。例如，数据单元852可记录分子量与时间的关系。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。
另外，数据单元850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类型的数据；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800或壳体202上(或其内)的系统，如根据分子量仪器200、300、400、500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晶体振荡器，包括：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 (17)

1. 一种使用与气体接触的高频平面型压电晶体振荡器来测量气体的分子量的方法，所述方法包括：
a)通过下者而使用所述压电晶体振荡器来测量所述气体的密度：
使用驱动电路来驱动所述压电晶体振荡器，使得所述压电晶体振荡器以单个共振频率共振；以及
测量所述压电晶体的所述单个共振频率，以确定气体的密度；以及
b)根据所述密度、所述气体的确定的或预先确定的压力，以及所述气体的确定的或预先确定的温度来确定所述气体的分子量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括测量所述气体的压力。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用电子压力传感器来测量所述气体的压力。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体的预先确定的压力是位于所述振荡器上游的气体调节器的固定输出压力。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体的预先确定的压力是大气压力。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括用温度传感器测量所述气体的温度。
7. 一种用于测量气体的分子量的仪器，所述仪器包括：壳体，其具有入口和用于接收待测量的所述气体的内部；传感器组件，其包括高频平面型压电晶体振荡器，所述高频平面型压电晶体振荡器位于所述壳体内，使得在使用中，所述压电晶体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单个共振频率共振；
测量所述压电晶体振荡器的所述单个共振频率，以确定气体的密度；以及
根据所述密度、所述气体的确定的或预先确定的压力，以及所述气体的确定的或预先确定的温度来确定所述气体的分子量。
8. 根据权利要求7所述的仪器，其特征在于，所述传感器组件包括驱动电路，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。
9. 根据权利要求7或8所述的仪器，其特征在于，进一步包括用于测量所述气体的压力的压力传感器。
10. 根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，所述压力传感器是电子压力传感器。
11. 根据权利要求7或8所述的仪器，其特征在于，所述仪器位于固定压力调节器的下游，其中，所述气体的压力基于所述固定压力调节器的输出而具有预先确定的值。
12. 根据权利要求7或8所述的仪器，其特征在于，进一步包括在所述入口上游的约束孔和在所述入口下游的通往大气的出口，其中，气体的所述预先确定的压力是大气压力。
13. 根据权利要求7至12中的任一项所述的仪器，其特征在于，所述传感器组件进一步包括温度传感器。
14. 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。
15. 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。
16. 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6中的任一项所述的步骤的一个或多个软件部分。
17. 一种计算机可用的存储介质，其上存储有根据权利要求16所述的计算机程序产品。
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