CN104303126B - 用于提供气体混合物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种气体混合器组件，其包括：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；用于调整来自第一气体源和第二气体源的第一气体和第二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置；混合器；以及出口。混合器位于第一流调整装置和第二流调整装置下游，并且布置成在使用中混合第一气体和第二气体，以对出口提供混合气体。气体混合器组件进一步包括量计，量计包括可运行来确定混合气体的平均分子量且包括与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器的第一传感器组件、可运行来确定第一流调整装置或第二流调整装置中的一个下游的气体的压力的第二传感器组件，以及控制器，控制器可运行来响应于混合气体的平均分子量和所述气体压力而自动地控制所述第一流调整装置和第二流调整装置，以控制所述混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例，以及来自出口的混合气体的压力或质量流率。

Description

用于提供气体混合物的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于提供气体混合物的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于提供气体混合物的方法和设备，其中，使用压电晶体振荡器来确定和保持混合物中的气体的比例。
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)是高于大气压力的以巴为单位的压力的度量)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)。
在许多情况下，了解在缸体内部或者在缸体下游的点处的气体的类型是合乎需要的，而且有时是至关重要的；例如，在焊接过程期间的管中。这种情形的示例将是了解何时已经进行吹扫。
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与电荷比，以便直接确定分子量。常用的组件是基质辅助式激光解析/离子化源，以及飞行时间质量分析器(被称为MALDI-TOF)。但是，这样的组件体积大、昂贵且不适合便携性和成本非常重要的许多应用。
可用来测量分子量的备选类型的量计是振动式气体密度量计，这在Suzuki等人的“GD series Vibratory Gas Density Meters (GD系列振动式气体密度量计)”(Yokogawa技术报告No 29(2000))中有显示和描述。这种组件包括薄壁式金属缸体，其布置成使得气体能够在缸体的内部和外部流动。两对压电元件位于缸体上，一对驱动元件和一对检测元件。根据用以补偿温度引起的变化的两个不同的共振频率的测量值来获得气体密度。使用的共振频率非常低，而且是大约几百Hz。
以上组件是复杂、较昂贵的，而且非常容易受振动效应的影响。这是因为使用的共振频率可与外部振动产生的频率相当。另外，需要复杂的激励和检测组件来补偿温度效应。
另外，本领域中需要提供流量受控制的气体混合物。气体流混合器典型地使用两个质量流量计来提供经计量的流量的各个气体。但是，虽然已知各个气体的质量流量，但目前还没有测量这样产生的气体的成分或总的组合流率的可靠方法。因此，本领域中存在以下技术问题：无法使用已知组件来提供精确计量的流率或压力的两种或更多种气体的期望混合物。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种气体混合器组件，其包括：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；用于调整来自第一气体源和第二气体源的第一气体和第二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置；混合器；以及出口，混合器位于第一流调整装置和第二流调整装置的下游，并且布置成在使用中混合第一气体和第二气体，以对出口提供混合气体，其中，气体混合器组件进一步包括量计，量计包括：第一传感器组件，其可运行来确定混合气体的平均分子重量且包括与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器；可运行来确定在第一流调整装置或第二流调整装置中的一个下游的气体的压力的第二传感器组件；以及控制器，其可运行来响应于混合气体的平均分子重量和所述气体压力而自动地控制所述第一流调整装置和第二流调整装置，以控制所述混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例和来自出口的混合气体的压力或质量流率。
在一个实施例中，第一和/或第二流调整装置包括电子阀。
在一个实施例中，第二传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体接触的第二高频率平面压电晶体振荡器。
在一个实施例中，气体混合器组件进一步包括可运行来确定在第一流调整装置或第二流调整装置中的另一个下游的气体的压力的第三传感器组件。
在一个实施例中，第三传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体接触的第三高频率平面压电晶体振荡器。
在一个实施例中，第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，混合气体流过导管，导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，在限流孔中出现扼流，限流孔将导管分成在所述孔上游的上游部分和与出口处于连通的下游部分，其中，所述压电晶体振荡器位于所述上游部分中，第一传感器组件进一步可运行来测量通过所述孔的混合气体的质量流率。
根据本发明的第二方面，提供一种使用气体混合器组件来以相对比例提供气体混合物的方法，气体混合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、用于调整来自第一气体源和第二气体源的第一气体和第二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置、位于第一流调整装置和第二流调整装置下游的混合器、出口和第一传感器组件和第二传感器组件，第一传感器组件包括与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器，方法包括：a)接收来自第一气体源的第一气体；b)接收来自第二气体源的第二气体；c)混合第一气体和第二气体，以形成混合气体；d)测量与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器的共振频率；e)使用第二传感器组件来确定在第一流调整装置或第二流调整装置下游的气体的压力；f)根据所述共振频率和所述压力测量值来确定混合气体的平均分子重量；以及g)响应于所述确定的平均分子重量和所述压力测量值而自动地控制所述第一流调整装置和第二流调整装置，以控制所述混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例和来自出口的混合气体的压力或质量流率。
在一个实施例中，第一和/或第二流调整装置包括电子阀。
在一个实施例中，第二传感器组件包括第二高频率平面压电振荡器，并且步骤e)包括测量与混合器上游的第一气体或第二气体接触的第二高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
在一个实施例中，气体混合器组件进一步包括第三传感器组件，并且方法进一步包括在步骤e)后面的步骤h)：确定在第一流调整装置或第二流调整装置中的另一个下游的气体的压力。
在一个实施例中，第三传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体中的另一个接触的第三高频率平面压电晶体振荡器，并且步骤h)包括测量与混合器上游的第一气体或第二气体接触的第三高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
在一个实施例中，第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，混合气体流过导管，导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，在限流孔中出现扼流，限流孔将导管分成在所述孔上游的上游部分和与出口处于连通的下游部分，方法进一步包括：i)根据共振频率确定通过所述孔的气体的质量流率。
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。平面晶体振荡器紧凑且稳定可靠，并且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(kHz的量级)，振荡器较不受局部振动(往往具有Hz的量级的频率)的影响。这与已知的分子重量检测组件相反。
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，所述压电晶体振荡器具有32kHz或更大的共振频率。
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，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，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括复合晶体管对(Darlington pair)，其布置成与共射放大器处于反馈构造。
在一个实施例中，量计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膜片传感器。
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，压电晶体振荡器具有32kHz或更大的共振频率。
在一个实施例中，量计包括位于入口中的过滤器。在实施例中，过滤器具有范围为5至10μm的孔径。
在一个实施例中，量计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，量计包括显示器。
在实施例中，量计包括天线，天线连接到传感器组件上，并且布置成使得能够无线地传输来自量计的数据。在实施例中，量计可运行来无线地将数据传输到远程显示器单元。
根据本发明的第三方面，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。
根据本发明的第四方面，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是气体缸体和调整器组件的示意图；
图2是显示调整器组件和分子量量计的第一实施例的示意图；
图3是显示调整器组件和分子量量计的第二实施例的示意图；
图4是显示调整器组件和分子量量计的第三实施例的示意图；
图5是显示分子量量计的第四实施例的示意图；
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另一个备选驱动电路的示意图；
图9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和输出参数的示意图；
图10显示多种不同气体的在Y轴上的石英晶体频率(kHz)随密度(kg/m3)改变的曲线图；
图11针对处于高达300巴(表压)的压力的氩、氧和氩:二氧化碳:氧的混合物显示Y轴上的气体密度(以kg/m3为单位)随X轴上的压力(巴(表压))改变的曲线图；
图12针对处于高达100巴(表压)的压力的氩、氧和氩:二氧化碳:氧的混合物显示Y轴上的气体密度(以kg/m3为单位)随X轴上的压力(巴(表压))改变的曲线图；
图13是显示当气体吹扫时，Y轴上的频率变化(以Hz为单位)随X轴上的时间(以秒为单位)改变的曲线图；
图14是对应于图13的曲线图，它显示分子量的计算变化(在Y轴上)随X轴上的时间(以秒为单位)改变；
图15是示出根据描述的实施例的方法的流程图；
图16显示本发明的实施例的示意图，它显示气体混合器组件；
图17显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件；
图18显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件；
图19显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件；
图20显示用于图19和23的实施例的质量流组件；
图21显示用于图19和23的实施例的备选质量流组件；
图22显示晶体频率随质量流率改变的曲线图；
图23显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件；
图24显示不同的晶体类型的频率特性的曲线图；
图25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26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和分子量量计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、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)。
分子量量计200定位成与出口154和联接件160之间的出口管158处于连通。分子量量计200位于调整器150的下游不远处，并且布置成确定调整器150下游的气体的分子量(或气体混合物的平均分子量)。
在图2中更详细地显示调整器150和分子量量计200。
在这个实施例中，调整器150包括单膜片调整器。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进行平移移动，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。在图2的实施例中，调整器150是固定压力调整器，并且布置成从出口154以已知的固定压力输送气体。压力由弹簧172的相对偏压力确定。
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可运行来向上移动(相对于图2)。因此，提升阀164移动得较接近阀座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，与弹簧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。
分子量量计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通过短馈送管208与出口管158的内部处于连通。因此，壳体202的内部206与出口管158的内部处于相同压力。在使用中，壳体202大体被密封且与外部大气隔离。分子量量计200布置成测量壳体202内的气体的分子量。备选地，分子量量计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，传感器组件204的仅一部分可位于管158内，其余部分则位于管158外部或与其隔开。
另外，壳体202可形成调整器150的组成部分。例如，传感器组件204可完全位于调整器150的出口154内。本领域技术人员将容易地意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。这些构件位于壳体202内。
将在后面参照图6和7来描述驱动电路212和石英晶体振荡器210。温度传感器214包括热敏电阻。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。
还可提供处理器230(在后面参照图8来显示和描述)，其可与驱动电路212分开或者作为它的一部分。
在此组件中，石英晶体振荡器210在分子量量计200的壳体202内始终处于等静压力，因此，不会经历压力梯度。换句话说，在壳体202上表现出源自外部大气和分子量量计200的内部构件之间的压差的任何机械应力。
但是，不必是这样。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的其余部分则位于其外部。
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，较大的构件(诸如电池)可易受高压的影响。但是，已经发现，锂电池在气体缸体100中遇到的高压下运行特别好。因此，电池216包括锂电池。但是，本领域技术人员将容易地构想到适当的备选功率源。
当构造调整器150时，传感器组件204完全位于壳体202内会提供额外的灵活性。特别地，较脆弱的电子构件完全位于壳体202的结实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害。这在例如其中包括调整器150的气体缸体100位于气体缸体、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。
另外，传感器组件204定位在内部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传感器组件204的一部分。
传感器组件204定位在内部的好处对于固态传感器装置(诸如石英晶体振荡器210)是独特的。例如，不可用这种方式定位传统的压力传感器，诸如布尔登压力计。虽然基于晶体的传感器在浸入处于恒定压力的气体中时完全可运行，但传统的压力传感器无法测量等静压力，而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。这会增大损害分子量量计200的外部构件的风险。
在图3中显示分子量量计的第二实施例。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有相同的参考标号，而且在这里不再描述。
在图3的实施例中，调整器250不同于图2的实施例的调整器150，因为调整器250布置成从出口154提供出口压力可变的气体。
在这方面，提供可抓持把手252，以使得用户能够调节弹簧172的偏压力。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之间的平衡间隔。这使得能够调节来自出口110的高压气体流可穿过其中的孔口170的尺寸。
压力可典型地改变高达20巴(表压)。但是，本领域技术人员将容易地意识到备选部件和可由调整器250供应的压力。另外，调整器可包括在其中需要精确地调整压力的情形(诸如氧-乙炔焊接)中使用的第二级。
第二实施例包括分子量量计300。为了清楚，对分子量量计300的与分子量量计200相同的构件分配相同的参考标号。
分子量量计300基本类似于第一实施例的分子量量计200。但是，分子量量计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可包括压阻膜片传感器。这种压力传感器典型地包括经机械加工的硅膜片，其具有形成于其中的压阻应变计。将膜片熔接到硅底板或玻璃底板上。应变计通常连接在一起形成惠斯登电桥，其输出直接与测量的压力成比例。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意识到可用于本发明的备选的电子压力传感器。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那个测量值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在分子量量计200的壳体202内始终处于等静压力，并且因此不会经历压力梯度。换句话说，在壳体202上表现出源自外部大气和分子量量计300的内部构件之间的压差的任何机械应力。
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的参考标号，并且在这里不再描述。
在图4的实施例中，调整器250对应于第二实施例的调整器250，并且布置成从出口154提供出口压力可变的气体。已经描述了调整器250的构件，并且在这里不进一步描述。
第三实施例包括分子量量计400。为了清楚，对分子量量计400的与分子量量计200、300相同的构件分配相同的参考标号。
分子量量计400基本类似于第一和第二实施例的分子量量计200、300。但是，分子量量计400可与可变压力调整器250一起运行，而不需要第二实施例的压力传感器302。
分子量量计400包括导管402。导管402的内部与壳体202的内部206处于连通。导管402的近侧端包括限流孔404，限流孔404位于短管208的下游不远处，并且与出口154处于连通。限流孔404布置成提供物理约束，以限制从出口154进入导管402的气体的压力。因此，在限流孔404下游的导管402内的气体的压力大大低于出口154中的压力。
导管402的远侧端406通往大气。远侧端406位于导管402的在壳体202下游的区段的端部处。对于典型应用，适当的导管402将具有在2mm的区域中的膛孔和大约100mm的长度。这是为了确保大气气体不会往回扩散到壳体202的内部206中，以避免测量有潜在误差。
虽然在图4中显示了导管402为基本线性的，但导管402可为任何适当的形状。例如，较紧凑的组件将是把导管402布置成迷宫形或盘管形，以便将导管装进较小的空间。
因此，限流孔404和导管402的远程远侧端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的下游和限流孔404的上游的气体的压力无关。
因此，不需要压力计，因为始终可假设压力为大气压力。如果需要校正(例如，当在大气压力较低的高海拔运行时)，可手动地将这输入到处理器230。
因此，在特定条件下，不需要压力传感器，因为压力值可自动设定或由用户手动地输入，并且感测到处理器230用来确定气体或多种气体的分子量的最终压力值。
在图5中显示分子量量计的第四实施例。第四实施例涉及分子量量计500。分子量量计500基本类似于第一和第二实施例的分子量量计200、300、400。但是，分子量量计500可与可变的压力调整器250(或者其它可变的压力气体源)一起运行，而不需要第二实施例的压力传感器302。
分子量量计500可在气体排到大气的情形中运行，例如，在金属惰性气体(MIG)焊接设备中运行。分子量量计500沿着导管158足够远离调整器150，并且足够接近大气出口160，以确保壳体202中的压力条件为大气。
除了分子量量计200、300、400的组件，提供第二传感器组件504，它包括连接到第二驱动电路512和第二电池516上的石英晶体振荡器510。第二驱动电路512和第二电池516基本类似于驱动电路212和电池216，并且在这里不会进一步描述。
第二石英晶体振荡器510通过开放壳体518而暴露于外部大气。壳体518可运行来使第二石英晶体振荡器510不受机械损伤，但使得第二石英晶体振荡器510能够暴露于大气。壳体518可包括被覆盖壳体，在被覆盖壳体的远侧端处形成有贯通孔。
提供第二传感器组件504(包括石英晶体振荡器510)，以使得能够精确地确定大气压力。虽然图4的实施例在某些条件下可为有效的，但是大气压力变化可导致确定分子量时有误差。如果使用气体混合(如在后面的实施例中描述的那样)，以及在前面的实施例的分子量量计可能提供不准确的测量时，这是特别重要的。
如将在后面描述的那样，第二石英晶体振荡器510按与气体的密度成比例的频率共振。但是，空气的气态成分是众所周知且大体恒定的。因此，使用下面陈述的方程7)，可根据已知密度和已知分子量来确定压力。这个组件提供改进的精度，在制造方面是成本有效的，并且具有较小的大小。
分子量量计500的其余构件类似于第一至第四实施例的那些分子量量计200、300、400，并且在这里不会进行任何进一步的描述。
第一至第四实施例中的任一个可另外包括显示器(未显示)，以对用户显示对被检测气体所作的测量的结果。备选地，显示器可位于分子量量计200、300、400、500远处，并且有关数据可远程地传送。
例如，第一至第四实施例中的任何一个可进一步包括用于与例如基站进行远程通信的天线(未显示)。这将在后面有论述。在这种情况下，天线可位于壳体202的外部，并且借助于线材或等效连接器连接到传感器组件204上。
天线本身可适于且布置成使用任何适当的连通协议；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)通信或蜂窝网络。
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传送：电路的“回行”路径由通过传送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，可借助于来自缸体100内的声学通信来实现通信。位于壳体202内的发送器可实现声学通信。发送器可包括例如单固定频率压电共振器。
还需要互补的接收器，而且这个构件可位于分子量量计200、300、400、500远处，并且可包括硬件，诸如例如与扩音器结合的相锁回路检音器。
现在将参照图6和7更详细地描述传感器组件204。石英晶体振荡器210包括切割石英的平坦区段。石英会展示压电特性，即，在晶体上应用电压会使晶体改变形状，从而产生机械力。相反，应用于晶体的机械力则产生电荷。
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210的特征或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比。石英晶体振荡器在领域中是众所周知的，并且所以在这里不会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，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。这种材料吸附或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施加涂层。实际上，材料这样吸附或淀积到石英晶体振荡器210上在目前的情况下是不合需要的，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，并且包括一对大约5mm长的叉210a，其布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。叉210a形成于石英的平坦区段中。音叉的叉210a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移动远离彼此。
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210暴露于壳体202中的受压气体。
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可暴露于一系列气体压力；潜在地，压力可从大气压力(当气体缸体100为空时)变成大约900巴(表压)(如果气体缸体容纳加压气体，诸如氢)。因而，需要在大范围的压力下运行石英晶体振荡器210(并且在不使用的时段之后重新启动)。
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212必须能够驱动石英晶体振荡器210，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210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212中的放大器提供较大的增益。但是，如果驱动电路212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210的响应。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实质上获得来自石英晶体振荡器210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210。石英晶体振荡器210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212布置成检测和保持这个振荡频率。然后频率可由处理器230(图9)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212由6V的电池216提供功率。电池216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212进一步包括复合晶体管对共射放大器218。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218与单晶体管(T1)共射放大器220布置成反馈构造。在图4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)。
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)。这可采取电势计、可变电阻器或位于例如图6中显示的最右边的22k电阻器的位置上的其它适当构件的形式。
自动增益控制使得能够补偿Q因数随压力的变化，以及在供应电压中的变化(例如，在低电池的条件下)。自动增益控制可特别适用于低压应用。
驱动电路212包括另一个NPN发射器跟随器晶体管T2，它用作缓冲器放大器222。缓冲器放大器222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，而且可不需要它；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。电容器224在此示例中具有 100pF的值，并且使得驱动电路212能够在晶体已经被污染(例如被盐或其它淀积材料污染)的情形中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240。驱动电路240可用来代替上面描述的驱动电路204。与上面描述的驱动电路204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6的电路的复合晶体管对。MOSFET 242用作高阻抗输入，这使得放大器级的输入阻抗能够匹配石英晶体振荡器202的高阻抗。换句话说，MOSFET 242提供具有高输入阻抗的单位增益，以减小石英晶体振荡器202上的电负载。
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202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202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202的驱动力。
电阻器248与石英晶体振荡器202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202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8来描述另一个备选驱动电路260。图8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210。
在此组件中，石英晶体振荡器210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偏压到在其线性运行区域中。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210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210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。
如上面论述的那样，传感器组件204可包括处理器230，处理器230接收来自石英晶体振荡器210和驱动电路212的输入。处理器230可包括任何适当的组件，诸如ASIC或FPGA。
处理器230编程成计算以及(如果需要)显示和传送确定的气体的分子量(或气体的均匀混合物的平均分子量)。在图9中显示处理器230的主要输入和输出的示意图。
当用于石英晶体振荡器210时，处理器230可构造成测量来自传感器组件204(包括驱动电路212)的信号频率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。这个值传送到处理器230。
处理器230还接收来自温度传感器214的测量温度T。另外，处理器230接收来自压力传感器302(如果存在)或固定压力值的压力值。这个值可自动地设定；例如，在以下情形中：分子量量计400、500仅将在大气压力下使用，或者将在固定压力调整器的出口上使用(对于分子量量计200就是这样)。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。
作为另一个备选方案，来自传感器组件504(包括驱动电路512)的信号的频率f或周期可由处理器230接收。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压力值(因为频率与成密度比例，而且当已知空气的气体成分时，密度与压力成比例)。这个值传送到处理器230。
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浸入其中的气体的分子量。处理器230可包括分子量量计200、300、400、500中的任一个的一部分。
一旦已经确定分子量，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。
处理器230可以可选地设计成大规模生产，以在所有分子量量计200中相同，在软件和硬件中针对不同的气体实现不同特征。
另外，处理器230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。
可实现各种方案；例如，处理器230在每11秒中可待机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都是待机的，仅每30秒才打开较需要功率的构件达1/2秒。
现在将参照图10至14来描述传感器组件204的理论和运行。
石英晶体振荡器210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变化和衰减(当与真空中的晶体的共振频率相比时)。这有许多原因。虽然气体对晶体的振荡有衰减作用，但在音叉晶体振荡器210的振动的叉210a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，使得该公式可以线性方程近似：
2)。
可按照相对于f0的频率偏差Δf来重新表达方程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10显示，对于多种不同的气体/气体混合物，石英晶体振荡器210的共振频率随密度线性地改变。
大体上，石英晶体振荡器210的灵敏度为：例如对于氧气(具有原子质量数32)，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210特别适合用作形成用于商业供应的气体的分子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210获得密度值，就可根据下者来确定气体的分子量：
4)
其中，P是气体的压力，V是气体的体积，n是气体分子数，R是气体常数，而T是温度。继续消除V：
5)
以及
6)
其中，MW是气体的分子量，而M是气体的质量。因此，代替方程5)中的V，得到：
7)
其中，α是等于RT的常数，R是气体常数，而T是以开尔文为单位的绝对温度。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。
基于上面的方程7)，如果已知压力(例如在压力为大气或者固定压力调整器的输出的情况下)，则仅需要气体的温度和密度，以提供分子量的精确测定。同时，如果在合理的程度上了解压力和温度，则气体的分子量有效地与密度成比例，或者换句话说，为石英晶体振荡器的共振频率乘以预定因数。
因此，可根据随密度改变的压力梯度来确定气体的分子量(或混合物的平均值)，其中，重新排列方程7)提供下者：
8)。
图11和12示出分子量测量的实验数据。两个曲线图都针对四种相同气体显示Y轴上的密度(单位为kg/m3)随X轴上的压力(单位为巴(表压))改变。两个曲线图相同，只是图10显示高达300巴(表压)的压力，而图11则仅显示高达100巴(表压)的压力。
使用的四种气体是费罗马克思(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对于所有三种气体都是恒定的)，因此，石英晶体振荡器210可容易地确定气体或气体的混合物的分子量。
另外，石英晶体振荡器210的精度高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202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)的分子量。
另外，在图5的实施例的情况下，分子量量计500包括可运行来确定大气压力的额外的石英晶体振荡器510。在这种情况下，可简单地重新整理方程8)，而提供方程9)：
9)。
如上面陈述的那样，空气的成分(即，约78%的氮、约21%的氧、约1%的其它)大体较恒定，所以方程9)可用来根据石英晶体振荡器510测量的密度来确定压力。
此技术的一个有用的应用为吹扫检测。图13和14示出气体吹扫检测的实验数据。这样的信息对于诸如管线的自动轨迹焊接的情形是至关重要的。
图13针对以5升/分种的速率进入氮环境中、后来再填充氮的氩流显示Y轴上的频率(Hz)随X轴上的时间(单位为秒)改变的曲线图。显然，容易地以高精度测量频率的逐步变化。
图14显示相同数据，除了在这种情况下，已经校准Y轴，以读出分子量(以质量单位为单位)。
这些图清楚地示出，对于大部分常规使用，可使用石英晶体振荡器容易地确定气体的分子量。另外，当用一种气体吹扫另一种气体时所发生的分子量变化被明确地限定且是可识别的。因此，可使用石英晶体振荡器210和驱动电路204，以足够的精度和时间分辨率计算在气体吹扫期间的分子量变化。
现在将参照图15来描述实施例的运行方法。下面描述的方法可应用于上面描述的第一至第四实施例中的各个。
步骤550：开始测量
在步骤550处，开始测量壳体202内的气体的分子量。例如这可由用户按压壳体202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200、300、40-、500通过天线接收的信号。
作为另一个备选方案或补充方案，量计200、300、400、500可构造成远程地开始或按定时器开始。方法前进到步骤552。
步骤552：驱动石英晶体振荡器
一旦开始，驱动电路212用来驱动石英晶体振荡器210。在开始期间，驱动电路212在晶体210上应用随机噪声AC电压。随机电压的至少一部分将处于适合使晶体210振荡的频率。然后晶体210将开始以与那个信号同步振荡。
如将理解的那样，石英晶体振荡器210本质上是独立的检测器和和驱动器，因为晶体本身的共振频率正被测量。
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放大由石英晶体振荡器210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主导驱动电路212的输出。石英晶体的狭窄共振频带会过滤掉所有不必要的频率，并且驱动电路212然后以基本共振频率f驱动石英晶体振荡器210。一旦石英晶体振荡器210已经在特定共振频率处稳定，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
共振频率取决于壳体202内的环境条件。在本实施例中，在幅度上，共振频率的变化△f大致与壳体202的内部206中的气体的密度变化成比例，并且将随密度增大而减小。
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值。在处理器230中进行频率测量。处理器230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，以便根据步骤554中测量的频率变化改进分子量的计算精度。
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℃，则这对应于在后面的步骤中计算分子量所需的绝对温度值的仅有大约六百分之一的误差(假设有正常的大气温度)。
作为备选方案，此步骤可只是涉及将固定温度值输入到处理器230。这可在例如其中使用已知温度环境的情形中发生。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，处理器230然后就确定壳体202的内部206内的气体的压力。
这可由来自压力传感器302(如果提供了的话)的输入值完成，输入值提供与在壳体202中测量的压力成比例的电信号。这也适用于第二和第四实施例。
备选地，可手动地将压力值输入到处理器230，或者如果合理地了解压力，则压力值可自动输入到处理器230。这可对应于固定压力调整器的输出(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
使用上面的方程8)来完成这项工作，其中，已知气体的密度ρ、压力P和温度T。因此，由于已知在步骤554中测量的共振频率、在步骤556中测量的壳体202中的气体的已知温度T和在步骤558中确定的气体的已知压力，所以可精确地测量分子量(或者气体的均匀混合物的平均分子量)。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或调整器150、250上的屏幕(未显示)可显示气体的分子量(或平均分子量)。作为备选方案，压力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。
一旦分子量量计200、300、400、500用于后续检索。作为又一个备选方案，在时间T1处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：对传感器组件断电
不必使分子量量计200、300、400、500时刻保持工作。相反，通过在不使用时关闭量计200、300、400、500来减少功率消耗是有益的。这会延长电池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，不管壳体202中的压力如何。因此，分子量量计200、300、400、500可在需要时关闭，以便节约电池功率。
根据本发明的分子量量计的重要应用是在反馈型气体混合器中。在这种组件中，两种不同的气体需要以精确的浓度和比例混合。这可能在以下情形中需要，诸如例如，MIG焊接应用，其中需要氩和二氧化碳的混合物，二氧化碳百分比限定良好。备选地，对于许多保健或医疗应用，需要精确的气体混合物，其中，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16中显示根据本发明的气体混合器的实施例。图16显示待用于前面的实施例分子量量计500的气体混合器600。
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包括布置成存储处于高压的永久气体的气体缸体。各个缸体包括可类似于第一实施例中显示的阀104的阀(未显示)。
容纳在各个气体缸体内的气体是不同的，而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。止回阀610、612在第一供应管线和第二供应管线中分别位于相应的第一气体源602和第二气体源604下游，以阻止气体朝气体源602、604回流。
另外，主阀614在第一供应管线606中位于止回阀610下游。主阀614可手动地操作，而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，或者可包括可调节的流量阀、VIPR或调整器。备选地，主阀614可由在气体混合器600远处的用户以电子的方式控制。气体的混合物的总流率(在后面描述)由主阀614设定。
螺线管阀616在第二供应管线608中位于止回阀612下游。螺线管阀616包括衔铁(未显示)，衔铁可响应于通过位于螺线管阀616的本体中的线圈组(未显示)的电流而移动。衔铁可移动成打开或关闭螺线管阀616，以使得气体能够流经螺线管阀616到达其下游的构件。
螺线管阀616可处于常开状况。换句话说，在没有电流通过螺线管阀616的情况下，衔铁处于收回位置，使得螺线管阀616打开，即，来自第二气体源604的气体能够流过其中而到达螺线管阀616下游的构件。如果对螺线管阀616应用电流，则衔铁将收回，并且螺线管阀616将关闭，从而阻止气体流过其中。在这个实施例中，螺线管阀616可沿线性方向连续改变。
本领域技术人员容易地意识到可用于本发明的不同类型的螺线管阀。例如，衔铁可直接用作可选择地操作的限流器。备选地，衔铁可直接对膜片起作用。作为另一个备选方案，衔铁可控制通过与供应管线608处于连通的在螺线管阀616下游的狭窄导管的流量，以便调整膜片的移动。这种组件被称为膜片导阀。螺线管阀616由分子量量计500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可运行来联合来自第一供应管线606和第二供应管线608的两个流，并且将联合流传送到第三供应管线620。混合器单元618仅用来联合两个流，而且不改变气体的比例或各个流中的压力。
气体混合器600包括第四实施例的分子量量计500。在此组件中，分子量量计500包括第一石英晶体振荡器210，它在第三供应管线620内位于在第三供应管线620的输出622附近的远侧端处。输出622通往大气。因此，第一石英晶体振荡器210所经历的压力大致对应于大气压力。
分子量量计500还包括第二石英晶体振荡器510，它暴露于混合器600外部的大气压力，类似于图5的实施例。在这种情况下，第二石英晶体振荡器510位于输出附近(但不在输出处)，以确保精确的压力读数，同时保持不受来自输出622的气体流的影响。
另外，分子量量计500包括电子螺线管驱动器652，它连接到螺线管阀616和分子量量计500的传感器组件204上。
螺线管驱动器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螺线管阀616。因此，分子量量计500可运行来控制通过螺线管阀616的气体的流量。换句话说，分子量量计500和螺线管阀616形成反馈回路，反馈回路允许精确地且在远处对沿着第二供应管线608流到混合器618的气体进行压力调整。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可包括任何适合控制螺线管阀616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，可变电阻器可附连到正极端子上。可变电阻器可布置成提供恒定基准水平，以及用作比较器。基准水平可自动或手动地改变。
从传感器组件204到螺线管驱动器652的输入将操作螺线管阀616。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，螺线管驱动器652则可激励螺线管阀616。可用数字(即，开或关)方式控制螺线管阀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电压可连续改变，以精确地调节通过螺线管阀616得到的限流量。
另外或备选地，螺线管驱动器652可借助于DC输出(包括AC分量)来控制螺线管阀616。由于衔铁从螺线管阀616的伸出大致与应用的电流成比例，所以这使得螺线管阀616的衔铁振荡。这样的振荡会减轻衔铁的“静摩擦”，即，协助防止衔铁被卡住或堵住。
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616的操作。另外，如所论述的那样，螺线管阀616可按数字(即，开/关)或模拟(即，连续改变)模式操作，以使得衔铁或类似物能够精确地移动。
在图16中，与螺线管阀616分开来显示了分子量量计500的主要构件。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，远程地控制螺线管阀616。
现在将描述气体混合器600的运行。如前面论述的那样，分子量量计500能够确定气体的分子量，或者气体的平均分子量。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个气体的相对比例改变。因此，通过测量混合物的平均分子量，以及了解各个单独气体的分子量和压力(来自第二石英晶体振荡器510)和温度(来自温度传感器214)，可确定混合物中的各个气体的比例。
来自第一气体源602的气体的主要流率由主阀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，分子量量计500就能够控制螺线管阀616，以分配来自第二气体源604的正确量的气体，以便实现期望比例的气体混合物。这通过螺线管驱动器652完成。
因此，如果来自第二气体源604的气体的比例太高，则分子量量计500将通过螺线管驱动器652关闭或部分地关闭螺线管阀616，以限制来自第二气体源604的气体的流量。同时，如果来自第二气体源604的气体的比例太低，则分子量量计500将通过螺线管驱动器652打开或部分地打开螺线管阀616，增大来自第二气体源604的气体的流量。
以上实施例提供低成本、可靠且稳定可靠的提供气体混合物的方法，其中可以可靠且精确地确定和保持混合物中的各个气体的比。
在图17中显示气体混合器700的备选实施例。虽然前面的实施例的气体混合器600可运行来供应处于用户确定的压力的两种不同气体的期望比例的混合物，但气体混合器700可运行来以电子的方式控制气体压力和两种气体的比例。
气体混合器700包括用于分配气体A的第一气体源702和用于分配气体B的第二气体源704。在这个实施例中，气体源702、704包括布置成存储处于高压的永久气体的气体缸体。各个缸体包括阀(未显示)，阀可类似于第一实施例中显示的阀104。容纳在各个气体缸体中的气体A、B是不同的，并且取决于需要的用途来选择气体A、B，如关于图16的实施例那样。
第一气体源702和第二气体源704分别连接到第一供应管线706和第二供应管线708上。止回阀710、712在第一供应管线和第二供应管线中分别位于相应的第一气体源和第二气体源702、704下游，以阻止气体朝气体源702、704回流。
第一螺线管阀714在第一供应管线706中位于止回阀710下游。第一螺线管阀714包括衔铁(未显示)，衔铁可响应于通过位于第一螺线管阀714的本体中的线圈组(未显示)的电流而移动。衔铁可移动成打开或关闭第一螺线管阀714，以使得能够气体流经第一螺线管阀714，到达其下游的构件。气体的混合物的总流率(在后面描述)由螺线管阀714设定，如将在后面描述的那样。
第二螺线管阀716在第二供应管线708中位于止回阀712下游。螺线管阀716基本类似于第一螺线管阀714，并且可运行来打开或关闭，以使得气体能够流经第二螺线管阀716，到达其下游的构件。
第一螺线管阀714和/或第二螺线管阀716可处于常开状况。换句话说，在没有电流通过第一螺线管阀714和/或第二螺线管阀716时，衔铁处于收回位置，使得螺线管阀714、716打开，即，来自第一气体源702和/或第二气体源704的气体能够流过其中，到达螺线管阀714、716下游的构件。如果电流应用于螺线管阀714、716，则衔铁将收回且螺线管阀714、716将关闭，从而阻止气体流过其中。在这个实施例中，螺线管阀714、716可沿线性方向连续改变。
本领域技术人员容易地意识到可用于本发明的不同类型的螺线管阀。例如，衔铁可直接用作可选择性地操作的限流器。备选地，衔铁直接对膜片起作用。作为另一个备选方案，衔铁可控制通过与供应管线706、708处于连通的在螺线管阀714、716下游的狭窄导管的流量，以便调整膜片的移动。这种组件被称为膜片导阀。螺线管阀714、716由分子量量计750控制，如将在后面描述的那样。
第一供应管线706和第二供应管线708都连接到混合器单元718上。混合器单元718可运行来联合来自第一供应管线706和第二供应管线708的两个流(即，气体A和气体B)，以及将联合流(A和B的混合物)传送到第三供应管线720。混合器单元718仅用来联合两个流，并且不改变气体的比例或各个流中的压力。
气体混合器700包括分子量量计750。在这个组件中，分子量量计750包括第一传感器组件752，以及连接到类似于前面描述的处理器230的处理器230上的第二传感器组件754。
第一传感器组件752包括第一石英晶体振荡器756，其在第一供应管线706内位于第一螺线管阀714下游，并且浸入其中的气体中。第一传感器组件752还包括驱动电路和功率源(未显示)，其基本类似于前面的实施例的驱动电路212和电池216。
第二传感器组件756包括第二石英晶体振荡器758，以及在供应管线720内位于混合器单元718下游且浸入其中的气体中的温度传感器260。第二传感器组件756还包括驱动电路和功率源(未显示)，其基本类似于前面的实施例的驱动电路212和电池216。
另外，分子量量计750包括连接到螺线管阀714和处理器230上的第一电子螺线管驱动器762，以及连接到螺线管阀716和处理器230上的第二电子螺线管驱动器764。
螺线管驱动器762布置成接收来自处理器230的信号，以及响应于那个信号来控制螺线管阀714。因此，分子量量计750可运行来控制流出出口722的气体的总量，或者备选地，控制来自出口722的输出压力。换句话说，分子量量计750和螺线管阀714形成反馈回路，反馈回路允许精确地以及在远处对沿着第一供应管线706到混合器718的量的气体流进行压力调整。
螺线管驱动器764也布置成接收来自处理器230的信号，以及响应于那个信号来控制螺线管阀716。因此，分子量量计750可运行来控制来自气体源704的气体流相对于气体源702的气体流的比例。换句话说，分子量量计750和螺线管阀716形成反馈回路，反馈回路允许针对沿着第一供应管线706流动的气体的比例，精确地以及在远处调整沿着第二供应管线708到混合器718的气体的流量。这里，来自第二气体源704的所需比例的气体在混合器单元718中混合。
螺线管驱动器762、764可包括任何适合控制相应的螺线管阀714、716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752、756和处理器230到运算放大器的负极端子的输入。因此，可变电阻器可附连到正极端子上。可变电阻器可布置成提供恒定基准水平，以及用作比较器。基准水平可自动或手动地改变。
从处理器230到螺线管驱动器762、764的输入将操作螺线管阀714、716。例如，如果来自处理器230的输入信号超过特定阈值水平，则螺线管驱动器762或螺线管驱动器764可激励相应的螺线管阀714、716。可按数字(即，开或关)方式控制螺线管阀714、716，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762、764的DC电压可连续改变，以精确地调节通过相应的螺线管阀714、716得到的限流量。
另外或备选地，螺线管驱动器652可借助于DC输出(包括AC分量)来控制螺线管阀616，如关于前面的实施例所描述的那样。
备选地，可酌情使用诸如FET、处理器或ASIC的其它控制组件来控制螺线管阀714、716的操作。另外，螺线管阀714、716可按数字(即，开/关)或模拟(即，不断可变)模式操作，以使得衔铁或类似物能够精确地移动。
在图17中，与螺线管阀714、716分开来显示分子量量计750的主要构件。在这种情形中，可借助于处理器230和螺线管阀714、716之间的无线通信来远程地控制螺线管阀714、716。
将在下面描述气体混合器700的运行。如前面论述的那样，分子量量计750能够确定气体A和B的混合物的平均分子量。另外，分子量量计750可运行来确定气体压力。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个气体的相对比例改变。因此，通过测量混合物的平均分子量，以及了解各个单独气体的分子量和压力和温度，可确定混合物中的各个气体的比例，以及期望压力输出。
来自第一气体源702的气体A的流率由用户设定，或者可自动地设定。这确定处理器230中的设定点。假设来自第一气体源702的气体A为多数气体，以及来自第二气体源704的气体B为少数气体。
传感器组件752用来计算螺线管阀714下游的压力P。由于第一气体源的分子量MWA是已知的(因为来自气体源702的第一气体A是封装气体)，所以然后可根据方程10)来确定在螺线管阀714下游不远处的压力：
10)
其中，P为压力，R是气体常数，T是绝对温度(如由温度传感器760测量的那样)，MWA是来自第一气体源702的气体A的分子量，而是在第一供应管线706中的螺线管阀714的下游不远处测量的密度。
假设在第一供应管线706中测量的压力与在混合器单元718和输出供应管线720中的压力大致相同。如果当与来自第一气体源702的多数气体相比时，来自第二气体源704的气体的比例较小，则此假设适用。
然后由传感器组件752测量的P的测量值输入到处理器230，处理器230可运行来取决于该测量值来控制螺线管阀714，以实现期望输出压力。这可按比例进行，测量压力值减去由处理器230存储的设定点压力，而且使用它们之间的差来控制螺线管阀。
接下来，第三供应管线720中的气体混合物的平均分子量由传感器组件754确定。在这个实施例中，第二石英晶体振荡器758可运行来确定第三供应管线720中的气体混合物的密度。然后可根据方程11)来确定气体混合物的平均分子量MWmix：
11)
其中，P是第一传感器组件752测量的压力。一旦计算出气体混合物的平均分子量(MWmix)，可根据方程12)来确定来自第二气体源704的少数气体B的体积百分比(%B)：
12)。
这然后得到方程13)：
13)。
然后处理器230可比较气体B的体积百分比的值(%B)与期望设定点值，并且据此控制螺线管阀716。因此，分子量量计750能够控制螺线管阀716，以从第二气体源704分配正确量的气体，以便实现期望比例的气体A和B的混合物。这通过螺线管驱动器764完成。
因此，如果来自第二气体源704的气体B的比例太高，则分子量量计750将通过螺线管驱动器764关闭或部分地关闭螺线管阀716，以限制来自第二气体源704的气体B的流量。同时，如果来自第二气体源704的气体的比例太低，则分子量量计750将通过螺线管驱动器754打开或部分地打开螺线管阀716，以增大来自第二气体源704的气体的流量。
以上实施例提供低成本、可靠且稳定可靠的以给定压力提供精确的气体混合物的方法，即，其中，需要恒定压力的气体，以及可以可靠且精确地保持混合物中的各个气体的比。
在图18中显示气体混合器800的备选实施例。气体混合器800可运行来与前面的实施例的气体混合器700相同地以电子的方式控制气体压力和两种气体的比例。气体混合器800的与气体混合器700相同的特征已经分配有相同参考标号，而且在这里不对其进行任何进一步的描述。
气体混合器800包括分子量量计850。在这个组件中，分子量量计850包括第一传感器组件752、第二传感器组件754和第三传感器组件852。各个传感器组件752、754、852连接到处理器230上。第一传感器组件752和第二传感器组件754与气体混合器700的那些相同，并且在这里不对其进行进一步描述。
第三传感器组件852包括第三石英晶体振荡器856，其在第二供应管线708内位于第二螺线管阀716下游，并且浸入其中的气体中。第三传感器组件852还包括驱动电路和功率源(未显示)，其基本类似于前面的实施例的驱动电路212和电池216。
现在将描述气体混合器800的运行。如前面论述的那样，分子量量计850能够确定气体A和B的混合物的分子量。另外，分子量量计850可运行来确定气体压力。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个气体的相对比例改变。因此，通过测量混合物的平均分子量，以及了解各个单独气体的分子量和压力和温度，可确定混合物中的各个气体的比例，以及期望压力输出。
来自第一气体源702的气体A的主要流率由用户设定，或者可自动地设定。这确定处理器230中的设定点。假设来自第一气体源702的气体A是多数气体，而来自第二气体源704的气体B是少数气体。
传感器组件852用来计算第二供应管线708中的螺线管阀716下游的压力P。由于气体B的分子量MWB是已知的(因为来自气体源704的气体B是封装气体)，所以然后可根据方程14)来确定在螺线管阀716下游不远处的压力：
14)
其中，P是压力，R是气体常数，T是绝对温度(如由温度传感器760测量的那样)，MWB是来自第二气体源704的气体B的分子量，而是在第二供应管线708中的螺线管阀716的下游不远处测量的密度。
这个值可用来代替使用传感器组件752在方程9)中作出的计算。备选地，可测量两个压力，并且对其取平均值，以获得混合器单元718下游的压力的较好估计，如方程15)中陈述的那样：
15)。
然后由传感器组件752和传感器组件852测量的P的测量值输入到处理器230，处理器230可运行来取决于该测量值来控制螺线管阀714，以实现期望输出压力。这可按比例进行，可选地包括测量压力P和由处理器230存储的设定点压力之间的差关于时间的积分和/或微分。
接下来，传感器组件754使用上面获得的P值来确定第三供应管线720中的气体混合物的平均分子量。在这个实施例中，第二石英晶体振荡器758可运行来确定第三供应管线720中的气体混合物的密度。然后可根据以上方程10)来确定气体混合物的平均分子量MWmix，并且可根据以上方程12)和13)来确定来自第二气体源704的少数气体B的体积百分比(%B)。
备选地，可使用测量的密度，根据方程16)来计算气体B的体积百分比的值(%B)：
16)。
另外，如果需要，可根据方程17)计算混合器下游的压力：
17)
其中，根据以上方程12)确定MWmix。
以上实施例提供低成本、可靠且稳定可靠的提供处于给定压力的精确的气体混合物的方法，即，其中，需要恒定压力的气体，以及可以可靠且精确地保持混合物中的各个气体的比。
在图19中显示气体混合器900的备选实施例。气体混合器900可运行来与前面的实施例的气体混合器600、700、800相同地以电子的方式控制两种气体的比例。但是，与前面的实施例的气体混合器700、800相比，气体混合器900可运行来以电子的方式控制来自出口722的气体的质量流率。气体混合器900的与气体混合器700、800相同的特征分配有相同参考标号，并且在这里不对其进行任何进一步的描述。
气体混合器900包括分子量量计950。在这个组件中，分子量量计950包括第一传感器组件752和质量流组件952。各个组件752、952连接到处理器230上。第一传感器组件752与气体混合器700、800的那些相同，并且在这里不对其进行进一步的描述。
在图20中显示质量流组件952的实施例。在图21中显示质量流组件952的另一个实施例。
首先转到图20的质量流组件952，质量流组件952包括本体954和传感器组件956。传感器组件956基本类似于前面的实施例的传感器组件，并且对其使用相同参考标号。
本体954可包含任何适当的材料；例如钢、铝或复合材料。本体954包括导管958和壳体960。导管958与供应管720(图19)的内部处于连通，并且布置成与其相连。导管958在出口722和供应管720之间的提供连通路径。
孔板962位于导管958的内部内。孔板962包括界定限流孔964的壁。孔板962在导管958内形成限流器。孔964具有横截面积A，横截面积A比导管958的横截面积更小，使得通过孔964的流速处于扼流状况，如将在后面描述的那样。
虽然孔板962在图20中显示为薄壁板，但不必须如此。孔板962可采取任何适当的壁的形式，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962。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964(在使用中，在它中出现扼流)的备选限流器。
在本实施例中，导管958具有大约几厘米的长度。孔板962界定直径范围为0.1mm-4mm的孔964。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964。对于具有较低分子量的气体的混合物，孔964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964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964产生扼流条件。
孔板962将导管958的内部分成在孔板962上游的上游区段966，以及在孔板962下游的下游区段968。在使用中，当气体从供应管720流到导管958的上游部分966时，孔板962将用作限流器，从而在导管958的上游部分966和下游部分966之间产生压差。因此，导管958的上游部分966处于第一压力P1和密度ρ1，而导管的下游部分968则处于第二(并且在使用中，较低的)压力P2和密度ρ2。这将在后面详细描述。
壳体960位于导管958的上游部分966附近，并且布置成容纳传感器组件956的至少一部分。壳体960的内部可处于大气压力，或者可与导管958的内部处于连通，并且因此，与供应管线720的内部处于相同的压力。这将消除在壳体960和导管958的内部之间进行压力馈送的需要。
备选地，可提供壳体960作为导管958的一部分。例如，导管958的一部分可加宽，以容纳传感器组件956。
质量流组件954布置成测量传送通过孔964的气体的质量流率。这个气体由传感器组件956测量。传感器组件956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，如在前面的实施例中描述的那样。
在这个实施例中，石英晶体振荡器210和温度传感器222定位成与导管958的上游部分966的内部处于连通，而传感器组件956的其余构件则位于壳体960内。换句话说，石英晶体振荡器210浸入孔板962上游的气体中。
一旦从石英晶体振荡器210中获得密度值，处理器230就可确定通过孔964的气体的质量流率。将通过孔的质量流率Q定义为：
18)
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，根据柏努利方程19)：
19)。
随着孔的横截面积减小，气体的速度将增大，而且气体的压力将降低。
通过孔964的质量流率的确定取决于被称为“扼流”或“临界流”的条件。当气体速度满足音速条件时，即，当由孔板962产生的限流器使得流过孔964的气体的速度达到声音的速度时，出现这种情形。这在孔964上的压力比(即，P1/P2)为大约2或更大时发生。作为备选测量，当上游绝对压力P1比下游绝对压力P2大至少0.5-1巴时，这个条件大体是适用的。
一旦满足这个条件，通过孔964的空气的速度有小幅提高。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18)变成：
20)。
因此，对于具有固定横截面积A的孔，通过孔964的质量流量仅取决于上游密度。这是石英晶体振荡器210布置成测量的参数。
图22示出质量流率测量的实验数据。图22是氮气在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)改变的曲线图。如显示的那样，曲线是高度线性的，并且显示可使用石英晶体振荡器210精确地测量质量流率。
另外，石英晶体振荡器210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210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210来测量质量流量仅在扼流条件下将是准确的，即，当通过孔964的流的速度接近或等于声音在气体中的速度时。在实践中，这将要求用户使特定的最少量气体流保持通过供应管线720，以便提供准确的测量。
因此，独自运行的单个上游石英晶体振荡器210无法提供关于通过孔964是否存在扼流条件的指示。图21的实施例可运行来解决此方面。
在图21的质量流组件952中，提供另一个传感器组件970，它包括另一个石英晶体振荡器972。在孔964的上游和下游使用压电传感器使得能够实现精确的流计量。
如上面关于方程19)所陈述的那样，如果通过孔964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，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的速度的理论可产生方程21)
21)
其中k'是无量纲常数，A是孔面积，ρ1是上游密度而ρ2是下游密度。
显然，如果ρ1/ ρ2 2，则方程21)可近似为以上方程20)，因为认为在孔964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956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，则通过使用传感器组件954、970来分别测量上游密度ρ1和下游密度ρ2，使用方程18)来计算质量流率，以及确定在扼流条件下通过孔964的流率下的质量流率。
回头参照图19，图20的质量流组件952或图21的质量流组件952可用于气体混合器900。
现在将描述气体混合器900的运行。如前面论述的那样，分子量量计950能够确定气体A和B的混合物的平均分子量。另外，分子量量计950可运行来确定以及以电子的方式设定来自输出722的质量流率。
当两种气体以不同的比例混合时，气体的平均分子量混合物将根据各个气体的相对比例改变。因此，通过测量混合物的平均分子量，以及了解各个单独气体的分子量和压力和温度，就可确定混合物中的各个气体的比例，以及期望质量流量输出。
气体混合物的期望质量流率由用户设定，或者可自动地设定。这确定处理器230中的设定点。假设来自第一气体源702的气体A是多数气体，并且来自第二气体源704的气体B是少数气体。
与前面的实施例相同，传感器组件752用来计算螺线管阀714下游的压力P。由于第一气体源的分子量MWA是已知的(因为来自气体源702的第一气体A是封装气体)，所以然后可根据以上方程10)来确定在螺线管阀714下游不远处的压力。
由传感器组件752测量的测量值P然后由处理器230使用。第三供应管线720中的气体混合物的平均分子量由形成质量流组件952的一部分的传感器组件956确定。在这个实施例中，石英晶体振荡器210可运行来与前面的实施例的振荡器758相同地确定第三供应管线720或导管954的上游部分966中的气体混合物的密度。然后处理器230可根据以上方程10)来确定气体混合物的平均分子量MWmix。
为了根据方程20)计算质量流率(其中，方程20中的对应于)，然后必要的是根据方程22)计算声音在气体混合物中的速度：
22)
其中，γ是在恒定压力和恒定体积下的比热的比(介于1.3和1.667之间，这取决于可由用户预先设定成例如多数气体的气体)，R是气体常数，而T是孔964前面的混合物的绝对温度。
然后可根据方程23)计算流率：
23)。
然后可比较流率的值Q与预定的设定点值，并且差(成比例，可选地包括相对于时间的积分和/或微分)反馈回阀714，以相应地调节质量流率。
可根据以上方程11)和12)来确定来自第二气体源704的少数气体B的体积百分比(%B)，并且用分子量量计950按需要对其进行调节。
以上实施例提供低成本、可靠且稳定可靠的以给定质量流率提供精确的气体混合物的方法，即，其中，需要恒定质量流量的气体，以及其中，可以可靠且精确地保持混合物中的各个气体的比。
在图23中显示气体混合器1000的备选实施例。气体混合器1000可运行来与前面的实施例的气体混合器600、700、800、900相同地以电子的方式控制两种气体的比例。
与图18的气体混合器800相同，气体混合器100可运行来以电子的方式控制来自出口722的气体的质量流率。气体混合器1000与气体混合器700、800、900相同的特征已经分配有相同参考标号，并且不会在这里对其进行任何进一步的描述。
气体混合器1000包括分子量量计1050。在这个组件中，分子量量计1050包括图18的气体混合器800的第一传感器组件752和第二传感器组件754。另外，分子量量计1050包括质量流组件1052。质量流组件1052在第一供应管线706中位于螺线管阀714下游和传感器组件756上游。
各个组件752、756、1052连接到处理器230上。第一传感器组件752和第二传感器组件756与气体混合器700、800的那些相同，并且不会在这里进一步描述它们。质量流组件1052基本类似于图20或21中显示的质量流组件952。可在这个组件中使用它们中的任一个。为了进行结构描述，这个实施例中的区别在于，质量流组件1052在第一供应管线706中位于混合器单元718上游而非前面的实施例中那样在混合器单元718下游。
现在将描述分子量量计1050的运行。在这个实施例中，质量流组件1052基本独立于分子量的确定，这与其中石英密度传感器210用于两种功能的前面的实施例相反。
在这个实施例中，质量流组件1052首先用来使用石英晶体振荡器210(图20/21)而测量孔964上游的气体A(ρA)的密度。还使用温度传感器214来测量孔964上游的绝对温度。然后可根据方程22)和23)来确定来自第一气体源702的气体A的质量流率：
然后可根据方程24)计算流率：
24)
其中
25)
其中，γ是在恒定压力和恒定体积下的比热的比(介于1.3和1.667之间，这取决于可由用户预先设定成例如多数气体的气体)，R是气体常数，而T是孔964前面的气体A的绝对温度。
然后可使用进入处理器230中的设定点值来控制螺线管阀714，以保持恒定流量的气体A通过孔964。使用此方法具有以下好处：不需要校正声音在气体混合物中的速度，因为在单个气体(气体A)中出现扼流条件。
然后传感器组件752可根据方程26)来确定质量流组件1052下游的压力P：
26)
其中，是由传感器组件752的石英晶体振荡器756测量的在孔964下游的气体A的密度。
另外，石英晶体振荡器756还可用来检查质量流组件1052的运行，而且如果需要，根据图21中描述的实施例的运行来提供校正。
一旦已经确定压力P，可利用上面列出且参照前面的实施例描述的第二传感器组件754和方程11)至13)来确定混合物的平均分子量和%B值。
另外，额外的传感器组件可按图18的实施例的方式位于第二供应管线708中，如果想要这样的话。
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有不同，并且仍然落在本发明的范围内。本领域技术人员将容易地意识到可使用的备选构造。
例如，上面描述的实施例已经使用了具有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24中显示曲线图，其显示不同晶体的频率随密度的变化。作为另一个示例，可使用以1.8MHz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25中显示适当的传感器组件1100。传感器组件1100包括第一石英晶体振荡器1102和第二石英晶体振荡器1104。第一石英晶体振荡器1102是位于处于真空的密封容器1106内的基准晶体。第一石英晶体振荡器1102由驱动电路1108驱动。
第二石英晶体振荡器1104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1104暴露于壳体1106内的气体环境。第二石英晶体振荡器1104由驱动电路1110驱动。
可使用电子混合器电路1114来进行这个比较，电子混合器电路1114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956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26来显示这个组件的示例。该组件包括气体缸体组件1200，其包括气体缸体1200、调整器1202和分子量量计1204。气体缸体1200、调整器1202和分子量量计1204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和分子量量计200、300、400、500。
在这个实施例中，分子量量计1204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210和驱动电路212。提供天线1206，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1208连接到气体缸体1200的出口上。连接管由快速连接连接件1210终止。快速连接连接件1210使得连接管系统或构件能够轻易且快速地连接到气体缸体1200上，以及轻易且快速地与其断开。
提供快速连接单元1250，以连接到气体缸体1200上。提供互补的快速连接连接器1212，以连接到连接器1208上。另外，对快速连接单元1250提供数据单元1252。数据单元552包括显示器1254和用于与气体缸体组件120的天线1204通信的天线1256。显示器1254可包括例如LCD、LED或在日光下可读的显示器，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1252可记录由气体缸体组件1200的传感器组件1202测量的各种参数。例如，数据单元1252可记录分子量与时间的关系。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。
另外，数据单元1250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100或壳体202上(或位于其内)的系统中处理、存储或获得所有以上示例，如关于分子量量计200、300、400、500所论述的那样。
以上示例示出可运行来以任何期望比例以及按预定的质量流率或压力来混合两种气体的混合器组件。但是，可行的是将这些组件级联，以使得能够混合三种或更多种气体。例如，可对输出722添加额外的传感器组件，以及对额外的气体源C添加额外的传感器组件。大体上，为了获得具有N种成分的混合物，必须具有(2N-1个)传感器组件。
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 (10)

1.一种气体混合器组件，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；
第一电子阀和第二电子阀，其用于调整来自所述第一气体源和所述第二气体源的所述第一气体和所述第二气体的相应的流量；
混合器；以及
出口，所述混合器位于所述第一电子阀和所述第二电子阀下游，并且布置成在使用中混合所述第一气体和所述第二气体，以对所述出口提供混合气体，其中，所述气体混合器组件进一步包括量计，所述量计包括：
第一传感器组件，其可运行来确定混合气体的平均分子量，并且包括与所述混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器；
第二传感器组件，其可运行来确定在所述第一电子阀或所述第二电子阀中的相应的一个的下游且在所述混合器的上游的所述第一气体或所述第二气体的压力；以及
控制器，其可运行来响应于所述混合气体的平均分子量和所述气体压力而自动地控制所述第一电子阀和所述第二电子阀，以控制所述混合气体中的所述第一气体和所述第二气体的相对比例，以及来自所述出口的所述混合气体的压力或质量流率。
2.根据权利要求1所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第二传感器组件包括与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体接触的第二高频率平面压电晶体振荡器。
3.根据权利要求1或2所述的气体混合器组件，其特征在于，所述气体混合器组件进一步包括第三传感器组件，其可运行来确定在所述第一电子阀或所述第二电子阀中的另一个下游的气体的压力。
4.根据权利要求3所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第三传感器组件包括与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体中的另一个接触的第三高频率平面压电晶体振荡器。
5.根据权利要求1或2所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，所述混合气体流过所述导管，所述导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，通过所述限流孔出现扼流，所述限流孔将所述导管分成在所述孔上游的上游部分和与所述出口处于连通的下游部分，其中，所述压电晶体振荡器位于所述上游部分中，所述第一传感器组件进一步可运行来测量通过所述孔的混合气体的质量流率。
6.一种使用气体混合器组件来以相对比例提供气体混合物的方法，所述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、用于调整来自所述第一气体源和所述第二气体源的所述第一气体和所述第二气体的相应的流量的第一电子阀和第二电子阀、位于所述第一电子阀和第二电子阀下游的混合器、出口和第一传感器组件以及第二传感器组件，所述第一传感器组件包括与所述混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器，所述方法包括：
a)接收来自所述第一气体源的第一气体；
b)接收来自所述第二气体源的第二气体；
c)混合所述第一气体和所述第二气体，以形成混合气体；
d)测量与所述混合气体接触的所述高频率平面压电晶体振荡器的共振频率；
e)使用所述第二传感器组件来确定在所述第一电子阀或所述第二电子阀中的相应的一个下游且在所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体的压力；
f)根据所述共振频率和所述压力测量值，确定所述混合气体的平均分子量；以及
g)响应于所述确定的平均分子量和所述压力测量值，而自动地控制所述第一电子阀和所述第二电子阀，以控制所述混合气体中的所述第一气体和所述第二气体的相对比例，以及来自所述出口的所述混合气体的压力或质量流率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二传感器组件包括第二高频率平面压电振荡器，并且步骤e)包括测量与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体中的相应的一个接触的所述第二高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述气体混合器组件进一步包括第三传感器组件，并且所述方法进一步包括在步骤e)之后的步骤
h)：确定在所述第一电子阀或所述第二电子阀中的另一个下游的气体的压力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第三传感器组件包括与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体中的另一个接触的第三高频率平面压电晶体振荡器，并且步骤h)包括测量所述第三高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，所述混合气体流过所述导管，所述导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，通过所述限流孔出现扼流，所述限流孔将所述导管分成在所述孔上游的上游部分和与所述出口处于连通的下游部分，所述方法进一步包括：
i)根据所述共振频率来确定通过所述孔的气体的质量流率。
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