CN104303025B - 用于调整气体的质量流率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种自动控制通过孔的气体的质量流率的方法，在使用中，使扼流出现在孔中。该方法使用了位于气体源下游的电子阀、与孔上游和电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器。方法包括a)以共振频率驱动压电晶体振荡器；b)测量压电振荡器的共振频率；c)测量气体的温度；以及d)响应于压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。

Description

用于调整气体的质量流率的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于调整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调整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力(例如大约10巴或更高)的流体的系统，诸如例如，高压缸体中的流体供应或利用高压流体的制造装置。本发明尤其涉及“清洁”气体，即，很少或没有杂质或污染物(诸如水蒸气或灰尘)的气体。
本发明尤其可应用于永久气体。永久气体是无法单独用压力液化的气体，而且例如可在缸体中以高达450巴(表压)(其中，巴(表压)是高于大气压力的压力的度量)的压力供应。示例为氩气和氮气。但是，这不应理解为限制性，而是可认为用语气体包括较广范围的气体，例如，永久气体和液化气体的蒸气两者。
液化气体的蒸气在压缩气体缸体中存在于液体之上。在被压缩以填充到缸体中时在压力下液化的气体不是永久气体，并且较精确地将它描述成加压的液化气体或液化气体蒸气。作为示例，在缸体中以液体形式供应一氧化二氮，其中，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气体，因为它们被大约为环境条件的压力或温度液化。
压缩气体缸体是设计成容纳处于高压(即，显著大于大气压力的压力)的气体的压力器皿。在广泛的市场范围中使用压缩气体缸体，从一般低成本工业市场，到医疗市场，到较高成本的应用，诸如利用高纯度有腐蚀性、有毒或自燃特性的气体的电子制造。通常，加压气体容器包括钢、铝或复合材料，并且能够存储经压缩、液化或溶解的气体，其中，对于大多数气体，最高填充压力高达450巴(表压)，而对于诸如氢和氦的气体，最高填充压力则高达900巴(表压)。
为了有效且可控制地从气体缸体或其它压力器皿中分配气体，需要阀或调整器。通常将阀或调整器组合起来形成具有一体压力调整器的阀(VIPR)。调整器能够调整气体的流量，使得气体以恒定压力或用户可变的压力分配。
对于许多应用，合乎需要的是从气体缸体提供恒定流率的气体。这对于许多应用是至关重要的；例如医疗应用。为精确地提供恒定流率，首先必须测量流率，然后相应地控制流率。
已经了解多种不同的质量流量测量组件。在许多工业应用中常用的一类质量流量量计是机械质量流量量计。这样的量计包括运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量计(或科里奥利流量量计)，其通过影响成形管上的流体来测量流体流量。科里奥利量计可以高精确性处理大范围的流率。但是，为了检测流率，需要复杂的系统，诸如促动特征、感测特征、电子特征和计算特征。
备选的机械型质量流量量计是膜片量计、旋转量计和涡轮量计。但是，这些类型的量计一般没那么精确，而且包括活动部件，活动部件可经受磨损。另外，量计(诸如旋转量计)仅可用于测量较低的流率。
一类备选的质量流量量计是电子流量量计。两个主要类型是热量计和超声量计。热流量量计测量通过经加热管的热传递，以测量流率。超声流量量计测量声音在气态介质中的速度，有时对管内的多个路径取声音的平均速度。但是，这两种类型的电子流量量计一般都需要重要的信号处理硬件，而且它们一般是高成本物品。
因此，已知组件遭受这样的技术问题：只是为了测量质量流量就需要复杂、体积大且昂贵的硬件，更不用说控制质量流量了。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种自动控制通过孔的气体的质量流率的方法，在使用中，使扼流出现在孔中，该方法使用位于气体源下游的电子阀、与孔上游和电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器，方法包括；a)以共振频率驱动压电晶体振荡器；b)测量压电振荡器的共振频率；c)测量气体的温度；以及d)借助于反馈回路，响应于压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
根据实施例，提供一种自动控制通过孔的气体的质量流率的方法，在使用中，使扼流出现在孔中，该方法使用位于气体源下游的电子阀、与孔上游和电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器，方法包括：a)以共振频率驱动压电晶体振荡器；b)测量压电振荡器的共振频率；c)测量气体的温度；以及d)响应于压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
在一个实施例中，步骤d)包括响应于与压电振荡器的共振频率除以气体的温度的平方根的得数成比例的函数，来控制电子阀。
在一个实施例中，步骤d)进一步包括：e)借助于电子反馈回路来控制电子阀。
在一个实施例中，步骤d)进一步包括步骤：f)存储根据所述共振频率和温度得到的函数的预定目标值；以及g)控制所述电子阀，以最大程度地减小目标值和压电振荡器的测量共振频率和测量温度的函数之间的差。
在一个实施例中，电子阀包括螺线管阀。
在一个实施例中，方法进一步使用与孔下游的气体接触的另一个压电振荡器；以及其中，步骤a)进一步包括以共振频率驱动另一个压电晶体振荡器；步骤b)进一步包括测量另一个压电振荡器的共振频率；以及步骤c)进一步包括响应于压电振荡器的共振频率、另一个压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
在一个实施例中，步骤c)进一步包括：d)根据压电振荡器的共振频率和另一个压电振荡器的共振频率，来确定孔上游的气体的密度和孔下游的气体的密度。
在一个实施例中，步骤c)进一步包括：e)确定孔上游的气体的密度和孔下游的气体的密度的比。
根据本发明的第二方面，提供一种用于调整气体的质量流率的控制器，控制器可运行来自动控制通过孔的气体的质量流率，在使用中，使扼流出现在孔中，控制器包括位于气体源下游的电子阀、与孔上游和电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器，控制器可运行来：以共振频率驱动压电晶体振荡器；测量压电振荡器的共振频率；测量气体的温度；以及借助于电子反馈回路，响应于压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
根据实施例，提供一种用于调整气体的质量流率的控制器，控制器可运行来自动控制通过孔的气体的质量流率，在使用中，使扼流出现在孔中，控制器包括位于气体源下游的电子阀、与孔上游和电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器，控制器可运行来：以共振频率驱动压电晶体振荡器；测量压电振荡器的共振频率；测量气体的温度；以及响应于压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
在一个实施例中，控制器进一步可运行来响应于与压电振荡器的共振频率除以气体的温度的平方根的得数成比例的函数，来控制电子阀。
在一个实施例中，控制器进一步可运行来借助于电子反馈回路，来控制电子阀。
在一个实施例中，控制器进一步可运行来存储根据所述共振频率和温度得到的函数的预定目标值，以及控制所述电子阀，以最大程度地减小目标值和压电振荡器的测量共振频率和测量温度的函数之间的差。
在一个实施例中，电子阀包括螺线管阀。
在一个实施例中，控制器进一步包括与孔下游的气体接触的另一个压电振荡器，并且控制器进一步布置成以共振频率驱动另一个压电晶体振荡器；测量另一个压电振荡器的共振频率；以及响应于压电振荡器的共振频率、另一个压电振荡器的共振频率和气体的温度来控制电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
在一个实施例中，控制器进一步可运行来根据压电振荡器的共振频率和另一个压电振荡器的共振频率来确定孔上游的气体的密度和孔下游的气体的密度。
在一个实施例中，气体从位于压电晶体振荡器上游的压力调整器或阀中分配。
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，驱动电路包括复合晶体管对，其布置成与共射放大器处于反馈构造。
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32kHz或更高的共振频率。
在一个组件中，量计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，石英晶体包括至少一个叉。在变型中，石英晶体包括一对平叉。
在实施例中，石英晶体经AT切割或SC切割。
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，驱动电路包括复合晶体管对，其布置成与共射放大器处于反馈构造。
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，驱动电路包括布置成与共射放大器处于反馈构造的复合晶体管对。
在一个组件中，量计布置在压力调整器或阀下游。
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32kHz或更高的共振频率。
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地描述本发明的实施例，其中：
图1是气体缸体和调整器组件的示意图；
图2是显示根据本发明的第一实施例的调整器组件和量计组件的示意图；
图3针对多个不同的气体显示Y轴上的石英晶体频率(kHz)随密度(kg/m3)改变的曲线图；
图4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)改变的曲线图；
图5针对测量值和两个预测模型显示流率随密度/压力改变的曲线图；
图6针对预测模型和两种极端运行特性显示流率随密度/压力改变的曲线图；
图7是显示根据本发明的第二实施例的调整器组件和控制器组件的示意图；
图8是显示根据本发明的第三实施例的调整器组件和控制器组件的示意图；
图9是用于第一至第三实施例中的任一个的驱动电路的示意图；
图10是显示用于第一至第三实施例中的任一个的备选驱动电路的示意图；
图11是显示用于第一至第三实施例中的任一个的另一个备选驱动电路的示意图；
图12是显示用于第二或第三实施例的调整器驱动电路的示意图；
图13是示出第一实施例的运行方法的流程图；
图14是示出第二或第三实施例的运行方法的流程图；
图15显示不同晶体类型的频率特性的曲线图；
图16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17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缸体组件10的示意图。图1显示其中可使用本发明的情形的示意图。提供气体缸体100、调整器150和量计组件200。
气体缸体100具有气体缸体本体102和阀104。气体缸体本体102包括大体圆柱形的压力器皿，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使得气体缸体组件10能够在不受支承的情况下直立在平坦表面上。
气体缸体本体102由钢、铝和/或复合材料形成，并且适于且布置成经受高达大约900巴(表压)的内部压力。孔口106位于气体缸体本体102的与基部102a相对的近侧端处，并且包括适于接收阀104的螺纹(未显示)。
气体缸体100限定具有内部容积V的压力器皿。任何适当的流体都可容纳在气体缸体100内。但是，本实施例涉及(但不专门局限于)纯化永久气体，其没有杂质，诸如灰尘和/或水分。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、二氧化碳、氪、氖或它们的以永久气体的方式工作的混合物。
阀104包括壳体108、出口110、阀本体112和阀座114。壳体108包括用于与气体缸体本体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缸体100能够连接到气体组件中的其它构件上；例如软管、管，或另外的压力阀或调整器。阀104可以可选地包括VIPR(具有一体压力调整器的阀)。在此情形中，可省略调整器150。
阀本体112可借助于可抓持把手116的旋转，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运动向或运动远离阀座112可选择性地控制气体缸体本体102的内部和出口110之间的连通通路的面积。这进而控制从气体缸体组件100的内部到外部环境的气体的流量。
调整器150位于出口110的下游。调整器150具有入口152和出口154。调整器150的入口152连接到入口管156上，入口管156在气体缸体100的出口110和调整器150之间提供连通路径。调整器150的入口152布置成接收来自气体缸体100的出口110的处于高压的气体。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100-900巴的范围中。
出口154连接到出口管158上。联接件160位于出口管158的远侧端处，并且适于连接到需要气体的另外的管或装置上(未显示)。
量计组件200定位成与出口154和联接件160之间的出口管158处于连通。量计组件200位于调整器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整器150和量计组件200。
在这个实施例中，调整器150包括单个膜片调整器。但是，本领域技术人员将容易地意识到可用于本发明的变型；例如，双膜片调整器或其它组件。
调整器150包括与入口152和出口154处于连通的阀区域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168构造成使得提升阀164能够朝向和远离阀座166进行平移运动，以分别关闭和打开它们之间的孔口170。
膜片168由于围绕轴174定位的弹簧172而弹性地偏压。
调整器150可运行来接收来自出口110的处于满缸体压力(例如100巴)的气体，但将处于基本恒定的固定的低压(例如5巴)的气体输送到出口154。这由反馈机构实现，由此，在孔口170下游的气体的压力可运行来对膜片168起作用，以抵抗弹簧172的偏压力。
如果在膜片168附近的区域中的气体的压力超过规定水平，则膜片168可运行来向上运动(相对于图2)。因此，提升阀164运动得较接近阀座166，从而使孔口170的大小缩小，并且因此，限制从入口152到出口154的气体流量。大体上，弹簧172的阻力和气体的压力的竞争性力将使得膜片处于平衡位置，并且因此，在出口154处输送恒定压力的气体。
提供可抓持的把手176，以使得用户能够调节弹簧172的偏压力，从而使膜片168的位置移动，并且因此，调节提升阀164和阀座166之间的平衡间隔。这使得能够调节来自出口110的高压气体流可穿过的孔口170的尺寸。
量计组件200包括本体202、第一传感器组件204和第二传感器组件206。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208、第一壳体210和第二壳体212。导管208与出口管158的内部处于连通，并且布置成连接到出口管158上。导管208在出口154和联接件160(并且同时，连接到联接件160上的用户装置或应用)之间提供连通通路。
孔板214位于导管208的内部内。孔板214包括界定限流孔216的壁。孔板214在导管208内形成限流器。孔216具有横截面积A，横截面积A比导管406的横截面积更小，使得通过孔216的流速处于扼流状况，如将在后面描述的那样。
虽然孔板214在图2中显示为薄壁板，但不是必须如此。孔板214可采取任何适当的壁形式，并且可具有渐缩轮廓，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器代替孔板214。例如，限流器可包括直径比其余部分更窄的管部分。本领域技术人员将容易地意识到可用来提供限流孔216(在使用中，通过它而出现扼流)的备选限流器。
在本实施例中，导管208具有大约几厘米的长度。孔板214界定直径范围为0.1mm-4mm的孔216。这足以提供扼流条件，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216。对于具有较低分子量的气体，孔216的直径可缩小，以实现相似的流率。备选地，对于较大的流率，孔216可相应地扩大，只要上游压力充分地高于下游压力，以通过孔216产生扼流条件。
孔板214将导管208的内部分成在孔板214上游的上游区段218，以及在孔板214下游的下游区段220。在使用中，当气体从调整器150的出口154流到导管208的上游部分218中时，孔板214将用作限流器，从而在导管208的上游部分218和下游部分220之间产生压差。因此，导管208的上游部分218处于第一压力P1和密度ρ1，而导管的下游部分220则处于第二(并且在使用中，必须较低的)压力P2和密度ρ2。这将在后面详细描述。
第一壳体210位于导管208的上游部分218附近，并且布置成容纳第一传感器组件204的至少一部分。第一壳体210的内部可处于大气压力，或者可与导管208的内部处于连通，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210和导管208的内部之间进行压力馈送的需要。
备选地，可提供第一壳体210作为导管208的一部分。例如，导管208的一部分可加宽，以容纳传感器组件204。
第二壳体212位于导管208的下游部分214附近，并且布置成容纳第二传感器组件206的至少一部分。第二壳体212的内部可处于大气压力，或者可与导管208的内部处于连通，并且因此，与出口管下游部分160的内部处于相同的压力。这将消除在第二壳体212和导管208的内部之间进行压力馈送的需要。
备选地，与第一壳体210相同，可省略第二壳体212，并且第二传感器组件206位于导管208或联接件160的一部分中。例如，导管208的下游部分可加宽，以容纳传感器组件206。
这些组件是可实行的，因为发明人已经发现，第一传感器组件204和第二传感器组件206的仅少数构件对高压敏感。特别地，较大的构件(诸如电池)可易受高压的影响。但是，已经发现，锂电池在可能在导管208的上游部分218和下游部分220中遇到的高压下运行特别好。但是，本领域技术人员将容易地构想到适当的备选功率源。
当构造量计组件200时，第一传感器组件204和/或第二传感器组件206可能完全位于导管208内会提供额外的灵活性。特别地，在不需要诸如壳体210的突起的情况下，较脆弱的电子构件完全位于本体202的金属壁或复合材料壁内会在很大程度上保护其免受环境或意外损伤的影响。这在例如其中气体缸体可位于其它气体缸体、重型机器或粗糙表面附近的存储区域或仓库中是特别重要的。传感器组件204、206的大小较小使得能够容易地实现内部定位。
另外，第一传感器组件204和/或第二传感器组件206的内部定位保护这些构件免受环境条件的影响，诸如盐、水和其它污染物。这将允许例如对盐和水损伤高度敏感的高阻抗电路用作第一传感器组件204和/或第二传感器组件206的一部分。
量计组件200布置成测量传送通过孔216的气体的质量流率。这使用第一传感器组件204和第二传感器组件206测量，如下面描述的那样。
可在特定条件下仅使用第一传感器组件204来精确地确定通过孔216的气体的质量流率。这种确定的精度取决于通过孔216的扼流条件的存在，如将在下面描述的那样。对于也许如上面描述的那样使用孔216的结构参数的许多应用，在大多数运行条件下是这样。但是，在较低的流率下，这个条件可能无法满足，并且由第一传感器组件204确定的质量流率可能没有那么精确。
为了提高质量流量确定的精度，或者指示质量流量确定的有效性，提供第二传感器组件206。第二传感器组件206可运行来确定下游密度，以提高质量流量确定的精度，以及另外或备选地，确定扼流条件是否得到满足。因此，第二传感器组件206可运行来与第一传感器组件204共同确认由量计组件200确定的质量流率是精确的。
第一传感器组件204包括连接到驱动电路224上的石英晶体振荡器222、温度传感器226和电池228。
在这个实施例中，石英晶体振荡器222和温度传感器226定位成与导管208的上游部分218的内部处于连通，而传感器组件204的其余构件则位于壳体210内。换句话说，石英晶体振荡器222浸入孔板214上游的气体中。还可单独提供微处理器238，或者提供微处理器238作为驱动电路224的一部分。
第二传感器组件206基本类似于第一传感器组件204，但在这种情况下，不需要温度传感器。第二传感器组件206包括石英晶体振荡器230、驱动电路232和电池234。第二传感器组件206连接到微处理器238上。
这个实施例，石英晶体振荡器230定位成与导管208的下游部分220的内部处于连通，而传感器组件206的其余构件则位于壳体212内。换句话说，石英晶体振荡器230浸入孔板214下游的气体中。
本领域技术人员将容易地意识到上面描述的组件的变型。例如，第二传感器组件206可简单地包括连接到第一传感器组件204的驱动电路224上的石英晶体振荡器。换句话说，第一传感器组件204和第二传感器组件206可共用公共驱动电路和/或电池和/或微处理器。
将参照图9和10在后面详细地描述驱动电路224、232和石英晶体振荡器222、230。温度传感器226包括热敏电阻。可使用任何适当的热敏电阻。热敏电阻不需要高精度。例如，0.5℃的精度适合这个实施例。因此，可使用廉价且小的构件。
在此组件中，石英晶体振荡器222、230在导管208内始终处于等静压力，因此，不会经历压力梯度。换句话说，在本体202上表现出源自外部大气和量计组件200的本体202的内部之间的压差的任何机械应力。
现在将参照图3和4来描述传感器组件204的理论和运行。
石英晶体振荡器222、230各自具有取决于其所处流体的密度的共振频率。使振荡的音叉型平面晶体振荡器暴露于气体会使得晶体的共振频率转移和衰减(当与晶体在真空中的共振频率相比时)。这有许多原因。虽然气体对晶体的振荡有衰减作用，但在相应的音叉晶体振荡器222、230的振动的叉222a、230a(如图9中显示的那样)附近的气体会提高振荡器的有效质量。这使得石英晶体振荡器的共振频率根据单边固定弹性梁的运动而降低：
1)
其中，f是振荡频率，f0是在真空中的振荡频率，ρ是气体密度，而M0是常数。
密度ρ在几乎所有情况下都将小于M0，使得该公式可由线性方程近似：
2)。
可按照相对于f0的频率偏差Δf来重新表示方程2)，如在方程3)中陈述的那样：
3)。
因此，为了获得良好的近似，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15针对多种不同的气体/气体混合物显示石英晶体振荡器222、230的共振频率随密度线性地改变。
大体上，石英晶体振荡器222、230的灵敏度为：例如对于氧气(具有32 AMU的分子量)，当与大气压力相比时，在250巴下有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缸体来说是典型的，对于大多数气体，压力通常介于137和450巴(表压)之间，而对于氦和氢，则高达700或900巴(表压)。
石英晶体振荡器222特别适合用作形成用于商业供应的气体的质量流量量计的一部分的密度传感器。为了正确地感测气体的密度，气体必须没有灰尘和液滴，这由商业供应的气体保证，但对于空气或者一般的压力监测情形就无法保证。
一旦从石英晶体振荡器222获得密度值，就可确定通过孔216的气体的质量流率。将通过孔的质量流率Q定义为：
4)
其中，k是常数，v是气体的速度，ρ1是气体的上游密度，而A是孔A的横截面积。但是，根据伯努利方程5)：
5)。
随着孔的横截面积减小，气体的速度将提高，并且气体的压力将减小。
仅使用单个上游石英晶体振荡器222来确定通过孔216的质量流率取决于被称为“扼流”或“临界流”的条件。当气体速度满足音速条件时出现这种情形，即，当由孔板214产生的限流使得流过孔216的气体的速度达到声音的速度。这在孔216上的压力比(即，P1/P2)为大约2或更大时发生。作为备选措施，当上游绝对压力P1比下游绝对压力P2(其中那个压力为大气)大至少1巴(表压)时，这个条件大体是适用的。
一旦满足这个条件，通过孔216的空气的速度有非常小的提高。因此，在扼流条件下，其中，v=c(声音在所述气体中的速度)，方程4)变成：
6)。
因此，对于具有固定横截面积A的孔，通过孔216的质量流量仅取决于上游密度。这是石英晶体振荡器222布置成测量的参数。
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，在这个实施例中，温度传感器226不必特别精确。例如，如果在300K下，温度的误差为0.5K，则这仅使计算的声音速度的误差为1:1200。因此，对于许多应用，温度传感器226不是必要的。
图4示出质量流率测量的实验数据。图4是氮气的在Y轴上的共振频率(单位为kHz)随X轴上的气体流率(单位为升/分钟)改变。如显示的那样，曲线图是高度线性的，并且显示可使用石英晶体振荡器222精确地测量质量流率。
另外，石英晶体振荡器222的高精度使得能够以非常高的精度进行测量，分辨率为百万分之一。与石英密度传感器222在高密度和压力下的线性响应结合，高精度使得能够精确地测量非常轻的气体(诸如H2和He)的质量流率。
但是，如上面描述的那样，使用石英晶体振荡器222来测量质量流量将仅在扼流条件下是准确的，即，当通过孔216的流的速度接近或等于声音在气体中的速度时。在实践中，这将要求用户保持特定的最少量气体流进入量计200中，以便提供准确的测量。
因此，单个上游石英晶体振荡器222独自运行无法提供关于在孔216中是否存在扼流条件的指示。因此，提供第二石英晶体振荡器230(形成第二传感器组件206的至少一部分)。在孔216的上游和下游使用压电传感器使得能够实现精确的流量计量。
如上面关于方程7)所陈述的那样，如果通过孔216的流体流的速度为音速或接近音速，则质量流率Q与上游密度ρ1成比例。如上面陈述的那样，如果上游压力与下游压力(即，P1/P2)的比为大约2或更大，则大体满足这个条件。但是。
但是，实际上，压力比可能不够。应用伯努利方程和建立的扼流和声音速度的理论可产生方程7)
7)
其中k'是无量纲常数，A是孔面积，ρ1是上游密度和ρ2是下游密度。
显然，如果ρ1/ ρ2 2，则方程7)可近似为以上方程6)，因为认为在孔216上存在扼流条件。因此，在此情况下，可利用仅来自第一传感器组件240的测量值来提供关于在ρ1/ρ2 2的情形下的质量流率的准确指示。
但是，如果比小于这个，则通过使用第一传感器组件204和第二传感器206来分别测量上游密度ρ1和下游密度ρ2，使用方程7)来计算质量流率，以及确定处于在扼流条件下通过孔216的流率的质量流率。
备选地，量计200可仅提供来自第一传感器组件204的读数(即，仅基于上游密度的测量值的质量流率)，并且可实现第二传感器组件206(包括石英晶体振荡器230)，以提供质量流率测量在精确运行状况之外进行的指示。
图5显示实验数据(菱形)，其包括通过0.5mm的孔的氦气的流率，其单位为升/分钟。直线显示了远高于2:1的上游/下游密度比的上游密度ρ1和流率之间的线性关系与数据拟合(方程6))。曲线显示可使用方程7)如何以高精度预测处于较低密度比的流，方程7)将下游密度ρ2考虑在内。通过在1巴(表压)的范围上随着流率升高围绕处于临界比2:1的密度将方程7)逐渐转换成方程6)来获得这个曲线。
因此，当量计的出口几乎或完全被阻塞时，提供第二传感器组件是有利的。在这种情况下，第二传感器将使量计采用方程7)(比低)，以及正确地指示低流量或零流量。在没有第二传感器的情况下，量计将错误地指示流量，就像已经发生了阻塞那样。
图6显示将下游密度考虑在内所提供的精度优点。图6显示来自图5的拟合线。另外，上曲线显示在下游密度为大气时，仅根据上游传感器将预测出的关系(此线以短虚线显示)。相对于正确值的偏差非常小，以至于在高流量下可忽略它，但它在低流量下是显著的。下面的线(长虚线)显示在相对于大气的下游压力是实验测量结果的两倍时将预测出的曲线。再次，除了在低流量下，偏差小。
在图7中显示本发明的第二实施例。图7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，并且在这里不再描述。
在图7的实施例中，调整器300不同于图2的实施例的调整器150，因为调整器300布置成借助于螺线管阀302，对来自出口154的气体提供自动控制。另外，提供仅单个传感器组件204，这与第一实施例相反。换句话说，在此实施例中省略第二传感器组件。螺线管阀302包括衔铁304，衔铁304可响应于通过螺线管阀302的线圈(未显示)的电流而移动。衔铁304可移动成直接打开或关闭提升阀164，并且因此打开或关闭孔口170。螺线管阀302在此实施例中可连续改变(被称为“大致成比例”)，以调整通过调整器300的气体流。
图7中显示的螺线管阀302处于常开状况。换句话说，在没有电流通过螺线管阀302的情况下，衔铁304处于伸出位置，使得提升阀164打开，即，孔口170打开。如果对螺线管阀302应用电流，则衔铁304将收回，并且提升阀164将关闭。
本领域技术人员将容易地意识到可用于本发明的螺线管阀的备选变型。例如，螺线管阀可在响应方面可为数字形式(即，开/关或者打开/关闭)。还可实现备选结构；例如衔铁304可直接对膜片起作用，或者可控制通过与出口154处于连通的狭窄导管的流量，以便调整膜片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的气体的流量的阀部件。
第二实施例包括控制器350。为了清楚，控制器350的与量计组件200相同的构件标有相同的参考标号。
图7的实施例中的控制器350仅包括位于孔216上游的单个传感器组件204，并且省略第一实施例的第二传感器组件。
控制器350进一步包括连接到螺线管阀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而控制螺线管阀302，并且因此，控制通过调整器300的流量。
螺线管驱动器352可包括任何适合控制螺线管阀302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到运算放大器的负极端子的输入。因此，可将设计成提供恒定基准水平且用作比较器的可变电阻器附连到正极端子上。
从传感器组件204到螺线管驱动器352的输入将使螺线管阀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阈值水平，则螺线管驱动器352可激励螺线管阀302。这将在下面详细描述。可用数字方式(即，开或关)控制螺线管阀302，其中，DC电压在最大值和最小值之间改变。这被称为脉宽调制(PWM)。备选地，来自螺线管驱动器352的DC电压可连续改变(例如成比例)，以用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DC输出(包括AC分量)来控制螺线管阀302。由于衔铁304从螺线管阀302的伸出大致与应用的电流成比例，所以这使得螺线管阀302的衔铁304振荡。这样的振荡会减轻衔铁304的“静摩擦”，即，协助防止衔铁304被卡住或堵住。
备选地，可酌情使用诸如FET、微处理器或ASIC的其它控制组件来控制螺线管阀302的操作。另外，如所论述的那样，螺线管阀302可按数字(即，开/关)或模拟(即，连续改变)模式操作，以使得提升阀164等能够精确地移动。
现在将描述控制器350的运行。如上面描述的那样，传感器组件204(包括石英晶体振荡器222)可用作反馈回路的一部分，以用电子的方式控制压力。
来自传感器组件204的输出在反馈回路中连接到螺线管阀302上。如上面证明的那样，石英晶体振荡器222的共振频率与孔216上游的气体密度成比例，并且，在扼流条件下，孔216上游的气体密度与通过孔的质量流率Q成比例。
因此，石英晶体振荡器222的特定的共振频率将对应于孔上游的气体的特定密度，而且在扼流条件下，对应于通过孔216的特定的质量流率。因此，可在控制器350中实现反馈回路，其可运行来使石英晶体振荡器222的共振频率保持为特定的设定频率，并且同时，使通过孔216的气体流保持为恒定质量流率。
因此一般的运行原理是：将石英晶体振荡器222设定成特定频率。如果上游密度下降，则石英晶体振荡器222的共振频率将提高。然后控制器350将打开螺线管阀302，以提高螺线管阀302下游的气体压力。这将提高压力，并且同时，提高孔216上游的气体的密度。然后这将降低石英晶体振荡器222的共振频率，直到设定点频率重新建立，设定点频率对应于通过孔216的气体的期望质量流率。换句话说，控制器350实现反馈回路，以最大程度地减小设定点质量流率和实际质量流率之间的差。
控制器350还依赖于温度而控制螺线管阀302。那里，反馈回路布置成使压力保持不等于常数，而是等于常数除以绝对温度(以开氏温标为单位)的平方根。
照这样制作而成的电子气体压力控制器可连接到孔，下游将提供质量流量恒定的气体。孔上的压力比(上游/下游)必须足够(大约2或更大)以使孔保持处于临界流，这表示在最窄点，气体流大约为音速。这可从方程7)看出。
在方程6)中，可像方程8)中陈述的那样表示声音在气体中的速度c：
8)
其中，γ是比热的比Cp/Cv，R是气体常数，T是温度，而M是分子量。因此，将c的表达代入方程6)，得到：
9)
其中，ρ1是由石英晶体振荡器222测量的上游密度。
大体上，仅密度和温度在与本发明有关的应用中是可变的。因此，可如方程10)中陈述的那样定义量：
10)。
将这个表达代入方程9)，得到：
11)。
因此，由于是封装气体的常数，所以k对于任何特定的气体都是常数，而且孔的面积A是常数，所以可根据来确定质量流量。因此，可基于密度除以温度的平方根来控制质量流量，或者在实践中，基于石英晶体振荡器222的共振频率除以由温度传感器226测量的温度的平方根。
因此，如果传感器组件204可运行来控制螺线管阀302，以使保持基本恒定，则通过孔216的质量流率将保持恒定。换句话说，可基于石英晶体振荡器222的测量共振频率和测量的温度来控制螺线管阀302。
第一或第二实施例可另外包括显示器(未显示)，以对用户显示对被检测气体的测量结果。备选地，显示器可位于量计组件200、350远处，并且可远程地传送相关数据。
为了使石英晶体振荡器222提供精确测量，必须使石英晶体振荡器222保持无灰尘、水分和其它污染。虽然这对于商业供应的封装气体(非常干净)不成问题，但可在环境污染可能是重大问题的情形中使用控制器350。
因此，对量计组件200、350提供过滤器354，其位于石英晶体振荡器222和主气体流之间。过滤器354可具有任何适当的孔径。孔径的范围为5–10μm，这特别适合本申请。可对前面描述的第一实施例应用过滤器354(或相似的过滤器)。
备选地，如果石英晶体振荡器222位于孔口的后面，则可省略过滤器354，孔口足够小，以阻止污垢或其它污染物进入。例如，0.25mm的孔口大小适合在没有过滤器的情况下使用，只要可用此方式测量气体的全部上游压力即可。
在图8中显示本发明的第三实施例。第三实施例包括控制器450。为了清楚，控制器450的与量计组件200和控制器350相同的构件分配有相同参考标号。
与第一实施例相同，图8的实施例中的控制器450仅包括位于孔216上游的第一传感器组件204和第二传感器组件206。因此，第三实施例是第一和第二实施例的特征的组合。
控制器450进一步包括连接到螺线管阀402和传感器组件204、206上的电子螺线管驱动器452。螺线管驱动器452布置成接收来自传感器组件204、206的信号，以及响应于那个信号而控制螺线管阀402，并且因此控制通过调整器400的流量。
螺线管驱动452可采取螺线管驱动器352及其任何变型的形式，并且不会在这里进一步描述。从传感器组件204、206到螺线管驱动器452的输入将使螺线管阀402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，则螺线管驱动器352可激励螺线管阀302。这将在下面详细描述。可按数字方式(即，开或关)控制螺线管阀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电压可连续改变(例如成比例)，以用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452可借助于DC输出(包括AC分量)来控制螺线管阀302。由于衔铁304从螺线管阀302的伸出大致与应用的电流成比例，所以这使得螺线管阀302的衔铁304振荡。这样的振荡会减轻衔铁304的“静摩擦”，即，协助防止衔铁304被卡住或堵住。
备选地，可酌情使用诸如FET、微处理器或ASIC的其它控制组件来控制螺线管阀302的运行。另外，如所论述的那样，螺线管阀302可按数字(即，开/关)或模拟(即，连续改变)模式运行，以使得提升阀164等能够精确地移动。
现在将描述控制器450的运行。如上面描述的那样，传感器组件204(包括石英晶体振荡器222)和传感器组件206(包括石英晶体振荡器230)可用作反馈回路的一部分，以按电子的方式控制压力。
来自第一传感器组件204和第二传感器组件206的输出在反馈回路中连接到螺线管阀302上。如上面证明的那样，石英晶体振荡器222的共振频率与孔216上游的气体密度成比例，并且，在扼流条件下，孔216上游的气体密度与通过孔的质量流率Q成比例。
因此，石英晶体振荡器222的特定的共振频率将对应于孔上游的气体的特定密度，而且在扼流条件下，对应于通过孔216的特定的质量流率。因此，可在控制器450中实现反馈回路，其可运行来使石英晶体振荡器222的共振频率保持为特定的设定频率，并且同时，使通过孔216的气体流保持为恒定质量流率。
控制器350还依赖于温度而控制螺线管阀302。那里，反馈回路布置成使压力保持不等于常数，而是等于常数除以温度的平方根。
照这样制作而成的电子气体压力控制器可连接到孔，下游将提供质量流量恒定的气体。孔上的压力比(上游/下游)必须足够(大约2或更大)，以使孔保持处于临界流，这表示在最窄点，气体流大约为音速。这可从方程6)看出。
在上面的方程8)中，表示声音在气体中的速度c。因此，将c的表达代入方程7)，得到方程：
12)
ρ1是由石英晶体振荡器222测量的上游密度，而ρ2是由石英晶体振荡器230测量的下游密度。
大体上，如上面陈述的那样，仅上游和下游密度和温度在与本发明有关的应用中是可变的。因此，对于第二实施例，可如方程10)中陈述的那样定义量ρ''：
13)。
将此表达代入方程9)，得到：
14)。
因此，由于是封装气体的常数，所以k是常数，而且孔的面积A是常数，所以可根据ρ''来确定质量流量。因此，传感器组件204和206可运行来控制螺线管阀402，以使ρ''保持基本恒定。换句话说，可基于第一石英晶体振荡器222的共振频率、第二石英晶体振荡器230的共振频率和由温度传感器226测量的温度的平方根来控制螺线管阀302。
第一、第二或第三实施例可另外包括显示器(未显示)，以对用户显示对被检测气体的测量结果。备选地，显示器可位于量计组件200和控制器350、450远处，并且可远程地传送相关数据。
例如，第一、第二或第三实施例可进一步包括用于与例如基站通信的天线(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，并且借助于线材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)传输或蜂窝网络。
备选地，可实现单线通信。单线通信仅需要单个金属导体来进行通信：电路的“回行”路径由通过通信装置之间的空气的电容性耦合提供。本领域技术人员将容易地意识到可用于本文论述的实施例的天线的备选方案(以及相关联的通信硬件)。
例如，可借助于从壳体210内进行声音传输来实现通信。位于壳体210内的发送器可实现声音传输。发送器可包括例如单个固定频率的压电共振器。
还需要互补的接收器，而且此构件可位于量计组件200或控制器350、450远处，并且可包括硬件，诸如例如与话筒结合的相锁回路音调检测器。
现在将参照图9、10和11来更详细地描述传感器组件204。虽然以下描述涉及传感器组件204，但要理解的是，这也可应用于在结构和电子上构造相似的传感器组件206。
石英晶体振荡器222包括成平坦区段的切割石英。石英会展现压电特性，即，在晶体上应用电压会使晶体改变形状，产生机械力。相反，对晶体应用的机械力会产生电荷。
使石英晶体振荡器222的两个平行表面金属化，以便在大晶体上提供电连接。当借助于金属触头在晶体上应用电压时，晶体改变形状。通过对晶体应用交变电压，可使晶体振荡。
石英晶体的物理大小和厚度确定石英晶体的特征频率或共振频率。实际上，晶体222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，所以不在这里进一步描述石英晶体振荡器222的结构。
另外，石英晶体的共振振动频率将取决于晶体所处的环境而改变。在真空中，晶体将具有特定频率。但是，这个频率将在不同的环境中而改变。例如，在流体中，晶体的振动将由于周围的分子而衰减，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，气体的吸附或周围材料淀积到晶体上将影响振荡的晶体的质量，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，其中，吸收层形成于晶体上，并且吸收层的质量随着气体被吸收而增大。
但是，在当前情况下，不对石英晶体振荡器210进行涂覆。实际上，在当前情况下，材料淀积到石英晶体振荡器222上是不合需要的，因为测量的精度可受到影响。
如图9中显示的那样，本实施例的石英晶体振荡器222为音叉形，并且包括一对大约5mm长的叉222a，其布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。叉222a在石英的平坦区段中形成。音叉的叉202a通常以它们的基本模式振荡，其中，它们以共振频率同步地移动向彼此和远离彼此。
熔融(或非晶体)石英具有非常低的依赖于温度的膨胀系数和较低的弹性系数。这会减小基本频率对温度的依赖性，而且如将显示的那样，温度效应是最小的。
另外，使用经AT切割或SC切割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坦区段，使得振荡频率的温度系数可布置成抛物线形，其在大约室温下具有宽峰。因此，晶体振荡器可布置成使得在高峰顶部处的斜率正好为零。
通常可用较低的成本获得这样的石英晶体。与在真空中使用的大多数石英晶体振荡器相反，在本实施例中，石英晶体振荡器222暴露于导管208中的受压气体。
在图9中显示用于驱动石英晶体振荡器222的驱动电路224。驱动电路224必须满足多个特定标准。首先，本发明的石英晶体振荡器222可暴露于一系列气体压力；潜在地，压力可从大气压力(当气体缸体100是空的时候)变到大约900巴(表压)(如果气体缸体容纳加压气体，诸如氢)。因而，要求石英晶体222在大范围的压力下运行(以及在不使用的时期之后重新启动)。
因此，石英晶体振荡器222的品质(Q)因数将在使用期间有相当大的改变。Q因数是与振荡器或共振器的衰减速率有关的无量纲参数。同样，其特征可在于共振器相对于其中心频率的带宽。
大体上，振荡器的Q因数越大，相对于振荡器的存储的能量的能量损失速率就越低。换句话说，Q因数大的振荡器的振荡幅度在没有外力的情况下较缓慢地减小。具有较大的Q因数的以正弦的方式驱动的共振器在共振频率下以较大的幅度共振，但围绕它们共振时所处的频率具有较小的频率带宽。
驱动电路224必须能够驱动石英晶体振荡器222，不管Q因数如何改变。在气体缸体100中的压力增大时，石英晶体振荡器222的振荡将变得越来越衰减，而且Q因数将降低。降低的Q因数需要驱动电路224中的放大器提供较大的增益。但是，如果驱动电路224提供的放大作用太大，则可能难以分辨来自石英晶体振荡器222的响应。在这种情况下，驱动电路224可仅以不相关的频率振荡，或者以石英晶体振荡器222的非基本模式的频率振荡。
作为另一个限制，驱动电路224的功率必须低，以便在有或没有补充功率(诸如光伏电池)的情况下，用低功率的小电池工作较长时间。
现在将参照图9来描述驱动电路224。为了驱动石英晶体振荡器222，驱动电路224实质上获得来自石英晶体振荡器222的电压信号，将它放大，并且将那个信号馈送回石英晶体振荡器222。石英晶体振荡器222的基本共振频率在实质上随石英的膨胀和收缩速率改变。这大体上由晶体的切割和大小决定。
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224布置成检测和保持这个振荡频率。然后频率可由微处理器238测量，用来计算用户所需的气体的合适属性，并且如果需要的话，输出到适当的显示器件(如将在后面描述的那样)。
驱动电路224由6V的电池228提供功率。电池228在这个实施例中包括锂电池。但是，备选功率源对本领域技术人员将是显而易见的；例如，其它电池类型(可再充电和不可再充电的)和太阳能电池组件。
驱动电路224进一步包括复合晶体管对共射放大器250。复合晶体管对包括由两个双极NPN晶体管组成的复合结构，双极NPN晶体管构造成使得由第一晶体管放大的电流进一步被第二晶体管放大。当与单独使用各个晶体管相比时，此构造使得能够获得更大的电流增益。可使用备选的PNP双极晶体管。
复合晶体管对250与单晶体管(T1)共射放大器252布置成反馈构造。在图7中显示NPN双极结型晶体管。但是，本领域技术人员将意识到可使用的备选晶体管组件；例如，双极结型PNP晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
驱动电路224包括另一个NPN放射器跟随器晶体管T2，它用作缓冲器放大器254。缓冲器放大器230布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。但是，此特征是可选的，而且可能不需要；例如，FET可直接连接，以驱动电路220。
电容器256定位成与石英晶体振荡器222串联。电容器232在这个示例中具有100pF的值，并且使得驱动电路224能够在晶体已经被例如盐或其它淀积材料污染的情形中驱动石英晶体振荡器222。
另外，可优化驱动电路224，以快速启动石英晶体振荡器222。为了实现这一点，可在晶体管D1的基部和地线之间连接另一个电阻器和另一个电容器。这些构件可包括例如10MΩ的电阻器和10nF的电容器。
现在将参照图10来描述备选驱动电路240。驱动电路240可用来代替上面描述的驱动电路224。与上面描述的驱动电路224相比，驱动电路240包括共漏金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)放大器242，它代替图9的电路的复合晶体管对。MOSFET 242用作高阻抗输入，它使得放大器级的输入阻抗能够匹配石英晶体振荡器222的高阻抗。换句话说，MOSFET 242提供具有高输入阻抗的偏压，以减小石英晶体振荡器222上的电力负载。
共漏MOSFET放大器242的输出馈送到两个连续的单晶体管(Q2、Q3)共射放大器244。电阻器R6和R8对晶体管提供负反馈和偏压电流。共射放大器244提供高增益，以放大石英晶体振荡器222的振荡，而且在这个实施例中，共射放大器244包括NPN双极结型晶体管。但是，本领域技术人员将意识到可使用的备选晶体管组件；例如，双极结型PNP晶体管或MOSFET。
电容器246连接在石英晶体振荡器222和地线之间。电容器246在这个实施例中可运行来提高对驱动石英晶体振荡器222的驱动力。
电阻器248与石英晶体振荡器222串联连接。电阻器248在这个实施例中具有 56 kΩ的值，并且抑制石英晶体振荡器222的振荡，以便使得电路能够在广泛范围的压力中振荡，波形仅逐步地改变。
驱动电路240由3V的电池249提供功率。电池249在这个实施例中包括锂电池。但是，备选功率源对本领域技术人员将是显而易见的；例如，其它电池类型(可再充电和不可再充电的)和太阳能电池组件。备选地，可在DC整流和合适的电压降低之后使用干线供应组件。
现在将参照图11来描述另一个备选驱动电路260。图11中显示的驱动电路构造成类似于皮尔斯振荡器。从数字IC时钟振荡器中了解到皮尔斯振荡器。实质上，驱动电路260包括单个数字反向器(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222(或振荡器230)。
在此组件中，石英晶体振荡器222用作高选择性滤波元件。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，使反向器T在其线性运行区域中偏压。这有效地使得反向器T能够用作高增益反向放大器。另一个电阻器RS在反向器T的输出和石英晶体振荡器222之间用来限制增益，以及抑制电路中的不合需要的振荡。
石英晶体振荡器222以及C1和C2形成Pi网络带通滤波器。这使得在大约石英晶体振荡器222的共振频率下能够有180度相移和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。这个电路尤其还可应用于低压应用。
如上面论述的那样，传感器组件204可包括微处理器238，微处理器238接收来自石英晶体振荡器222和驱动电路224的输入。微处理器238可包括任何适当的组件，诸如ASIC或FPGA。微处理器238编程成计算确定的通过孔216的气体的质量流率，而且如果需要的话，显示和传送该质量流率。
当用于石英晶体振荡器222时，微处理器238可构造成测量来自驱动电路224的信号的频率f或周期。这可通过下者实现：例如数固定时间里的振荡，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238。
微处理器238还接收来自温度传感器226的测量温度T。微处理器238布置成基于供应的输入，而执行用以确定通过孔216的气体的质量流率的计算。
一旦已经确定质量流率，这个数据就可存储在本地存储器中，可在显示器屏幕上显示，或者可传输到远程站。
微处理器238可以可选地设计成大规模生产，以在所有量计组件200中相同，针对不同的气体实现软件和硬件中的不同特征。
另外，微处理器238还可构造成通过实现待机或“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238和额外的构件，诸如驱动电路224和石英晶体振荡器222。
可实现各种方案；例如，微处理器238在每11秒中可待机10秒。另外，微处理器238可控制石英晶体振荡器222和驱动电路224，使得这些构件在大多数时间都是待机的，仅每30秒才打开较需要功率的构件达1/2秒。
图12显示适合用于本发明的第二或第三实施例的调整器驱动电路270。调整器驱动电路270可运行来将来自石英晶体振荡器222(在第三实施例的情况下，以及/或者石英晶体振荡器230)的输入频率接收到四重(quad)与非门中。四重与非门还接收来自连接到电压调整器上的振荡器的设定点频率。四重与非门用作异或门。
然后将这些频率之间的差输入到频率电压转换器中，以将它转换成电压输出。然后电压输出被741放大器放大，并且用来控制螺线管阀302的位置，以便使来自石英晶体振荡器(一个或多个)222、230的频率输入保持处于由图12中显示的10K电位计上的电压设定的设定点频率。
现在将参照图13来描述根据本发明的第一实施例的运行方法。下面描述的方法可单独应用于第一实施例。
步骤500：开始测量
在步骤500处，开始测量通过孔216的气体的质量流率。例如这可由用户按壳体210的外部上的按钮来启动。备选地，可借助于远程连接来开始测量，例如，在无线网络上传输且由量计组件200通过天线接收的信号。
作为另一个备选方案或添加方案，量计组件200可构造成远程地开始或按定时器开始。方法前进到步骤502。
步骤502：驱动石英晶体振荡器
一旦开始，驱动电路224、232用来驱动石英晶体振荡器222、232。在开始期间，各个驱动电路224、232在相应的石英晶体振荡器222、230上应用随机噪声AC电压。那个随机电压的至少一部分将处于适合使相应的石英晶体振荡器222、230振荡的频率。然后各个石英晶体振荡器222、230将开始以与那个相应的信号同步振荡。
如将理解的那样，石英晶体振荡器222、230实质上是独立的检测器和驱动器，因为各个晶体的共振频率本身正被测量。
借助于压电效应，石英晶体振荡器222、230的运动然后将在相应的石英晶体振荡器222、230的共振频带中产生电压。然后相应的驱动电路224、232放大由石英晶体振荡器222、230产生的信号，使得在石英晶体共振器222、230的频带中产生的信号主导驱动电路224、230的输出。石英晶体的狭窄共振频带会过滤掉所有不合需要的频率，并且驱动电路224、230然后以基本共振频率f驱动相应的石英晶体振荡器222、230。一旦相应的石英晶体振荡器222、230已经在共振频率下稳定，方法就前进到步骤504。
步骤504：测量石英晶体振荡器的共振频率
共振频率f取决于导管208的上游部分218内的环境条件。在本实施例中，共振频率变化Δf在幅度上与导管208的上游部分218中的气体的密度变化大致成比例，并且将随密度增大而减小。
为了进行测量，在大约1秒的时期内测量石英晶体振荡器222的频率。这使得能够使读数稳定，以及数到足够的振荡，以便确定精确的测量。在微处理器238中进行频率测量。微处理器238还可记录当测量开始时的时间T1。
一旦已经测量了频率，方法就前进到步骤506。
步骤506：测量气体的温度
在步骤506处，温度传感器226测量导管208的上游部分218内的气体的温度。需要进行这个测量，以便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226精确到0.5℃，则这相当于对于计算声音的速度所需的绝对温度值仅有大约一千二百分之一的误差。
作为备选方案，此步骤可只是涉及将固定温度值输入到微处理器238。这可在例如其中使用已知温度环境或不需要高精确度的情形中进行。在这种情况下，不需要温度传感器226。
步骤508：确定气体的质量流量
这使用上面的方程8)完成，其中已知孔216上游的气体的密度ρ1， 孔216下游的气体的密度ρ2，并且可选地，已知气体的温度T。因此，由于已知在步骤504中测量的共振频率、在步骤406中测量的气体的(可选的)已知温度T，所以可精确地测量通过孔216的质量流率。即使扼流条件(在方程7)中陈述)不满足，这也适合，因为可使用上游和下游密度。然后方法前进到步骤510。
备选地，对于其中已知孔216上游的气体的密度ρ1且可选地已知气体的温度T的扼流条件，可使用方程7)来测量质量流量。因此，由于已知在步骤504中测量的石英晶体振荡器222的共振频率、在步骤406中测量的气体的(可选的)已知温度T，所以可测量通过孔216的质量流率。另外，石英晶体振荡器230对孔216下游的气体的密度ρ2的测量然后还可用来提供关于石英晶体振荡器222的测量精度的指示。然后方法前进到步骤510。
步骤510：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210、本体202或调整器150、300上的屏幕(未显示)可显示通过孔216的气体的质量流率(并且因此，显示离开联接件160的气体的质量流率)。在备选方案中，质量流率测量值可远程地传送到基站或位于相邻配件上的量计，如将在后面描述的那样。
作为又一个备选方案，在时间T1时的气体质量流率可存储在所述微处理器238本地的存储器中，以产生时间日志。
如上面陈述的那样，在备选实施例中，可对用户显示警报消息，以指示测量的质量流率可能不精确，因为流率太低，以致于扼流条件无法存在于孔216中。
然后方法前进到步骤512。
步骤512：对传感器组件断电
不必使量计组件200时刻保持工作。相反，通过在不使用时关闭量计组件200、350来减少功率消耗是有益的。这会延长电池228的寿命。
驱动电路224的构造使得石英晶体振荡器222能够重新启动，而不管导管208的上游部分218中的压力如何。因此，量计组件200、350可在需要时关闭，以便节约电池功率。
现在将参照图14来描述本发明的第二和第三实施例的运行方法。下面描述的方法可单独应用于第二和第三实施例。
步骤600：开始测量
在步骤600处，开始测量通过孔216的气体的质量流率。例如这可由用户按壳体210的外部上的按钮来启动。备选地，可借助于远程连接件来开始测量，例如，在无线网络上传输且由控制器350、450通过天线接收的信号。
在这个点处，气体的特定的期望质量流率由用户输入。然后这由控制器350、450存储，并且调整器驱动电路270适当地编程成达到石英晶体振荡器222(和石英晶体振荡器230，在第三实施例的情况下)的特定设定点频率，以及使石英晶体振荡器222保持处于那个特定频率，以便保持特定的气体流量。
作为另一个备选方案或补充方案，控制器350、450可构造成远程地开始或按定时器开始。方法前进到步骤602。
步骤602：驱动石英晶体振荡器
一旦开始，驱动电路224用来驱动石英晶体振荡器222。在第二实施例的情况下，驱动电路232也用来驱动石英晶体振荡器230。在开始期间，驱动电路224、232或各个驱动电路224、232在相应的石英晶体振荡器222、230上应用随机噪声AC电压。那个随机电压的至少一部分将处于适合使相应的石英晶体振荡器222、230振荡的频率。然后各个石英晶体振荡器222、230将开始以与那个相应的信号同步振荡。
如将理解的那样，石英晶体振荡器222、230实质上是独立的检测器和驱动器，因为各个晶体的共振频率本身正被测量。
借助于压电效应，石英晶体振荡器222、230的运动然后将在相应的石英晶体振荡器222、230的共振频带中产生电压。然后驱动电路224、232或相应的驱动电路224、232放大由石英晶体振荡器222、230产生的信号，使得在石英晶体共振器222、230的频带中产生的信号主导驱动电路224、230的输出。石英晶体的狭窄共振频带会过滤掉所有不合需要的频率，并且驱动电路224、230然后以基本共振频率f驱动相应的石英晶体振荡器222、230。一旦相应的石英晶体振荡器222、230已经在特定的共振频率处稳定，方法就前进到步骤604。
步骤604：测量石英晶体振荡器的共振频率
共振频率f取决于导管208的上游部分218内的环境条件。在本实施例中，共振频率变化Δf在幅度上与导管208的上游部分218中的气体的密度变化大致成比例(对于石英晶体振荡器222)，并且将随密度增大而减小。这同样适用于在第三实施例的情况下的石英晶体振荡器230。
为了进行测量，在大约1秒的时期内测量石英晶体振荡器222、230或各个石英晶体振荡器222、230的频率。这使得能够使读数稳定，以及数到足够的振荡，以便确定精确的测量。在微处理器238中进行频率测量。微处理器238还可记录当测量开始时的时间T1。
一旦测量了频率，方法就前进到步骤606。
步骤606：测量气体的温度
在步骤606处，温度传感器226测量导管208的上游部分218内的气体的温度。需要进行这个测量，以便精确地确定声音在气体流中的速度。
步骤608：保持反馈回路
控制器350、450可运行来根据上面的方程11)保持反馈回路；即，如果使用包括振荡器230 (如果想要)的第三实施例，通过使用石英晶体振荡器222的频率振荡(或方程13)来实现特定的质量流率。
换句话说，孔216上游的气体的密度ρ1除以温度T的平方根的关系(在第二实施例中)或者孔216上游的气体的密度ρ1和孔216下游的气体的密度ρ2的函数除以温度T的平方根(在第三实施例中)用来使得能够产生成比例的气体流量。
因此，通过成比例地打开/关闭螺线管阀302以使通过孔216的气体流量保持恒定，可使石英晶体振荡器222的共振频率(或第三实施例中的两个振荡器222和振荡器230的函数)除以与温度成比例的信号的平方根保持为预定值。
步骤610：传送和存储结果
用户可规定气体的特定质量流率。因此，只要满足这个条件，就不再需要显示器。但是，可选地，可用多种方式显示气体的实际质量流率。例如，附连到壳体210、本体202或调整器150、300上的屏幕(未显示)可显示通过孔216的气体的质量流率(并且因此，显示离开联接件160的气体的质量流率)。在备选方案中，质量流率测量值可远程地传送到基站或位于相邻配件上的量计，如将在后面描述的那样。
作为又一个备选方案，在时间T1时的气体的质量流率可存储在所述微处理器238本地的存储器中，以产生时间日志。
如上面陈述的那样，在备选实施例中，可对用户显示警报消息，以指示测量的质量流率可能不精确，因为流率太低，以致于扼流条件不存在于孔216中。
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构造可有所不同，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构造。
例如，上面描述的实施例使用了具有32.768kHz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60kHz和100kHz运行的石英晶体振荡器可用于上面描述的实施例。在图15中显示了显示不同晶体的频率随密度改变的曲线图。作为另一个示例，可使用以1.8kHz的频率运行的晶体振荡器。
较高频率的运行使得能够较频繁地监测压力，因为需要较短时段来采样给定数量的循环。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，晶体和驱动电路将在多数时间关闭，仅打开一会儿或在需要测量时才打开一会儿。这可例如一分钟进行一次。当使用较高频率的晶体时，可较快速地测量压力。因此，可减少晶体运行的时间。这可降低功率消耗，并且同时增加电池寿命。
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，在结合在与气体缸体相关联的调整器中的独立的电子器件中，通过比较那个频率与相同类型但密封在真空或压力包装体中的基准晶体来测量传感器的频率转移可为有利的。压力包装体可容纳处于选定密度的气体、在大气条件下的气体，或者可通往气体缸体外部的大气。
在图16中显示适当的传感器组件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702是位于处于真空的密封容器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222的晶体。第二石英晶体振荡器704暴露于壳体210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712来进行这个比较，电子混合器电路712结合两个频率信号，并且产生处于等于两个晶体之间的差的频率的输出。此组件使得能够消除例如温度引起的小变化。
另外，可简化在传感器组件204中使用的电路，因为仅需要测量频率差。另外，此方法特别适合用于高频率(MHz)晶体振荡器，其中，可能难以直接测量晶体频率。
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不必都安装在气体缸体上或安装在其中。例如，电子功能可在永久地安装在缸体上的单元和安装在顾客使用站上或临时安装在缸体的出口(诸如通常用于传统的流量量计的位置)上的单元之间分割。
参照图17来显示这个组件的示例。该组件包括气体缸体组件80，其包括气体缸体800、调整器802和质量流率量计804。气体缸体800、调整器802和质量流率量计804基本类似于基本参照前面的实施例在前面描述的那样的气体缸体100、调整器150和组件200或控制器350、450。
在这个实施例中，质量流率量计804包括石英晶体振荡器和驱动电路(未显示)，其类似于前面的实施例的石英晶体振荡器222和驱动电路224。提供天线806，以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，可利用单线通信。
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，可在不需要外部天线的情况下实现远程通信。
连接管808连接到气体缸体800的出口上。连接管由快速连接连接件810终止。快速连接连接件810使得连接导管系统或构件能够轻易且快速地连接到气体缸体800上，以及轻易且快速地与其断开。
提供快速连接单元850，以连接到气体缸体800上。提供互补的快速连接连接器812，以连接到连接器810上。另外，对快速连接单元850提供数据单元852。数据单元852包括显示器854和用于与气体缸体组件80的天线806通信的天线856。显示器854可包括例如LCD、LED或在日光下可阅读的显示器，以最大程度地减少功率消耗，以及最大程度地提高显示器的可见性。
数据单元852可记录由气体缸体组件80的传感器组件测量的各种参数。例如，数据单元852可记录质量流率与时间的关系。这种记录例如对于想要检查气体流的存在以及在关键构件上的冗长的气体焊接过程期间进行校正的焊接承包人可为有用的，或者可用于对公司供应关于特定顾客的使用量的数据。
备选地，来自数据单元850的数据可输出到启用了计算机的焊接机(用于焊接应用)或其它使用气体的装备，以允许计算获得的参数以及警报消息。
另外，数据单元850可布置成提供以下功能：如果气体类型改变，则提供可听或可见警报；存储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，诸如缸体数量、气体类型、分析证书、顾客历史(谁在何时拥有缸体)、安全数据，并且在缸体上可带有呈简要形式的工作提示。
作为备选方案，可以可选地在完全位于气体缸体800或壳体210上(或位于其内)的系统中处理、存储或获得所有以上示例，如关于量计组件200或控制器350、450所论述的那样。
虽然已经参照石英晶体振荡器的使用来描述以上实施例，但本领域技术人员将容易地意识到，还可使用备选的压电材料。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、焦硼酸锂、正磷酸铝、锗酸铋、多晶钛酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅-锌氧化物复合材料或酒石酸二钾。
已经特别地参照示出的示例来描述了本发明的实施例。虽然在图中显示以及在本文详细描述了具体示例，但应当理解的是，图和详细描述不意于使本发明局限于公开的特定形式。将理解的是，可对在本发明的范围内描述的示例作出变型和修改。

Claims (11)

1.一种自动控制通过孔的气体的质量流率的方法，在使用中，使扼流出现在所述孔中，所述方法使用了包括位于气体源下游的电子阀的控制器、与所述孔上游和所述电子阀下游的气体的接触的压电振荡器，以及温度传感器，其中，所述压电振荡器具有与所述孔上游的气体的密度成比例的共振频率，并且其中，在扼流条件下，所述孔上游的气体的密度与通过所述孔的质量流率成比例，所述方法包括；
a)以共振频率驱动所述压电晶体振荡器；
b)测量所述压电振荡器的共振频率；
c)使用所述温度传感器来测量所述气体的温度；
d)将根据所述共振频率和温度得到的且表示通过所述孔的特定质量流率的函数的预定目标值存储在所述控制器中；以及
e)借助于电子反馈回路来控制所述电子阀，以最大程度地减小所述目标值和所述压电振荡器的测量共振频率和所述气体的测量温度的函数之间的差，以使通过所述孔的气体保持特定质量流率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)包括响应于与所述压电振荡器的共振频率除以所述气体的绝对温度的平方根的得数成比例的函数，来控制所述电子阀。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子阀包括螺线管阀。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步使用与所述孔下游的气体接触的另一个压电振荡器；以及其中，步骤a)进一步包括以共振频率驱动所述另一个压电晶体振荡器；步骤b)进一步包括测量所述另一个压电振荡器的共振频率；以及步骤e)进一步包括响应于所述压电振荡器的共振频率、所述另一个压电振荡器的共振频率和所述气体的温度来控制所述电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤c)进一步包括：
f)根据所述压电振荡器的共振频率和所述另一个压电振荡器的共振频率来确定所述孔上游的气体的密度和所述孔下游的气体的密度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤c)进一步包括：
g)确定所述孔上游的气体的密度和所述孔下游的气体的密度的比。
7.一种用于调整气体的质量流率的控制器，所述控制器可运行来自动地控制通过孔的气体的质量流率，在使用中，使扼流出现在所述孔中，所述控制器包括位于气体源下游的电子阀、与所述孔上游和所述电子阀下游的气体接触的压电振荡器，以及温度传感器，其中，所述压电振荡器具有与所述孔上游的气体的密度成比例的共振频率，并且其中，在扼流条件下，所述孔上游的气体的密度与通过所述孔的质量流率成比例，所述控制器可运行来：以共振频率驱动所述压电晶体振荡器；测量所述压电振荡器的共振频率；使用所述温度传感器来测量所述气体的温度；存储根据所述共振频率和温度得到的且表示通过所述孔的特定质量流率的函数的预定目标值；借助于电子反馈回路来控制所述电子阀，以最大程度地减小所述目标值和所述压电振荡器的测量共振频率和所述气体的测量温度的函数之间的差，以使通过所述孔的气体保持特定质量流率。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步可运行来响应于与所述压电振荡器的共振频率除以所述气体的绝对温度的平方根的得数成比例的函数，来控制所述电子阀。
9.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述电子阀包括螺线管阀。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步包括与所述孔下游的气体接触的另一个压电振荡器，并且所述控制器进一步布置成以共振频率驱动所述另一个压电晶体振荡器；测量所述另一个压电振荡器的共振频率；以及响应于所述压电振荡器的共振频率、所述另一个压电振荡器的共振频率和所述气体的温度来控制所述电子阀，以便调整通过所述孔的气体的质量流率。
11.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步可运行来根据所述压电振荡器的共振频率和所述另一个压电振荡器的共振频率，来确定所述孔上游的气体的密度和所述孔下游的气体的密度。
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