CN105518421B - 用于监视气瓶的可用资源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定来自气瓶和阀组件的气体的预测用量的方法，所述气瓶和阀组件具有固定的内部容积。该方法包括利用气体传感器确定时间t时气瓶中的气体质量；在时间t时，确定来自气瓶的气体的平均流速；并在时间t时，确定直至气瓶中的气体数量达到预定水平时的剩余时间，所述剩余时间根据时间t时气瓶中的气体质量、时间t时来自气瓶的气体的平均流速、以及预定的换算系数而进行确定，所述预定的换算系数依据时间t时气瓶中剩余气体的比例而进行选择。通过提供这种方法，平均流速基于之前测量值而进行确定，并且这结合了倚赖于气瓶中剩余气体的数量的系数。这种方法可实现更精确地确定直至气瓶用完时的时间。

Description

用于监视气瓶的可用资源的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种确定来自气瓶和阀组件的气体的预测用量(usage)的方法。更具体地说，本发明涉及一种利用浸没在气瓶气体中的压电振荡器而确定来自气瓶的气体的预测用量的方法。

背景技术

压缩气瓶是一种压力容器，其被设计用于容纳高压下的气体，即显著大于大气压的压力下的气体。压缩气瓶用于广泛的市场范围，从低成本的通用工业市场、医疗市场到较高成本的应用，例如电子器件制造，电子器件制造利用高纯度腐蚀性的、有毒的或自燃的特种气体。通常，加压的气体容器包括钢、铝或复合材料，并且能够储存压缩的、液化的或溶解的气体，其对于大多数气体具有高达450巴的最大填充压力(其中巴是高于大气压以上压力测量值(以巴为单位))，并且对于例如氢和氦等气体高达900巴。

本发明特别地适用于永久气体。永久气体是不能单独通过压力液化的气体，并且例如可在高达450巴的压力下供给于气瓶中。示例是氩和氮。然而，这不应被作为限制，并且词语“气体”可被认为包含更广范围的气体，例如永久气体和液化气体的蒸气。液化气体的蒸气存在于压缩气瓶中的液体的上面。随着其被压缩而在压力下液化以便填充到气瓶中的气体不是永久气体，并且更精确地描述为在压力下液化的气体或液化气体的蒸气。作为示例，一氧化二氮在气瓶中以液体形式进行供给，其在15°C下具有44巴的平衡蒸气压力。这种蒸气不是永久气体或真实气体，因为它们可通过周围环境的压力或温度而进行液化。

在许多情况下，必须监视给定的气瓶或压力容器的含量，以便确定气体剩余的数量。这在例如健康护理应用的情况下是特别重要的。

已知的是，根据气体定律，根据知道的气瓶中的气体压力可计算气瓶含量方面的变化。压力测量是众所周知的技术，并且存在各种用于测量压力的装置。最传统的类型使用装备了应变计元件的弹性隔膜。然而，虽然目前其中一个最低成本的压力传感器得以制成，但是这些传感器倾向于是相对大的尺寸，并且具有虽然可以通过大规模照相平版方法进行生产，但制造仍然相对复杂且昂贵的机械结构。它们还具有一定程度的脆弱性，并且在其可被使用之前需要校准和温度补偿。

在EP 2 458 344中显示了一种已知的装置，其涉及利用压电晶体振荡器测量气瓶的真实含量，压电晶体振荡器设置成测量气瓶的质量含量。大体上，质量含量随时间的变化的简单测量可用于提供气瓶可继续提供特定流速的时间指示。

然而，大体上这种逼近对于大多数应用是不够精确的。例如，考虑用于MIG/MAG和TIG焊接应用的保护气流。类似的情形可很好地同等地应用于其它由高压气瓶供给的气体应用，例如食品MAP、饮料分配系统和医疗应用。

储存在极高压力下的气体不遵从理想气体定律；实际上必须考虑气体的可压缩性和周围温度的影响，从而确定含量。因而根据压力和流速对使用时间的基本计算将不会为用户提供精确且可靠的答案。

此外，当气体混合时，它们的可压缩性和对温度变化的响应会在添加和混合成分时随着混合物的分子量的变化而变化。

另外，高压气瓶的使用需要调节器将压力减少到接近应用的使用压力，例如刚好在用于焊接的气氛之上。调节器的使用确定了每次使用气瓶时，用户会经历气体浪涌。

图1显示了用于MIG/MAG焊接的传统装置。气瓶组件10设置成储存高压，例如200至300巴下的气体。气瓶组件10具有气瓶12，其包括大体具有平底的圆柱形的容器，平底设置成可使气瓶12未支撑地站立在平面上。

气瓶12由钢、铝和/或复合材料形成，并且适合并设置成承受由于高压气体的储存而引起的极高的内部压力。

主调节器14定位在气瓶12的下游，主调节器14包括采用反馈机构的控制阀，使得在主调节器14的下游点保持恒定的压力。安全泄压阀16设置在压力调节器14的下游。调节器14在固定的压力下将气体供给所连接的MIG/MAG焊接设备18。

流速大体通过限制气体流量进行控制，这大体通过阀或孔进行。气体流量可通过控制跨固定孔径的上游压力而进行精确地计量，其中下游压力显著低于上游压力。

例如，考虑焊接应用设备，例如图1中所示。在这种装置中，在通向焊炬的焊接机中，穿过软管和管道系统的压力显著低于气瓶中的上游压力。因此，在这种情况下，定位在压力源附近的孔原则上可起到限制作用，其中流速通过孔上游的压力来确定。

然而，如果在软管和管道系统的末端停止流动，例如通过联接在焊弧控制器上的电磁开/关阀，那么压力将在孔的下游系统中升高，直至其等于上游的压力。这种在流动(动态)和静态条件之间的系统压力的升高可能造成不合适宜的影响。

上面的问题在使用过程中组合而引起“浪涌”行为。浪涌是当气体从静态变化至流动状态时所发生的一种现象，例如当最后的闭合阀被打开时。

在打开阀，在首先起动的气体流量和取得稳定状态条件之间存在过渡时间。在此期间，应用设备中的压力从储存的静态压力(其等于上游压力)减少至降低得多的水平，这接近大气压。由于这个压力梯度，流速将较高，导致对于短暂但显著的时间量而言比必要的气体使用量更高的气体使用量。

此外，操作占空比(即气体流动的时间相对于关闭气体供给的时间)也可能影响浪涌量。例如点焊应用中所必要的快速的开/关循环可能需要关机时间的比例类似于“开机”时间的比例，导致显著的浪涌问题。

图2是显示这种现象的图表。从这个图中可看出，在占空比中停止流动之前，流速从没有停留于稳态的恒定的流动状态(例如当阀始终打开时)。如图可见，浪涌可能造成比所需更大体积的气体被短暂地喷发出来。浪涌现象可能造成简单的外推时间，以使仪表运行至非常超出范围的读数，因为在简单的含量和流量计算中不会考虑它。

浪涌只是非线性气体流动行为的一个示例，其可能造成简单直接的时间，使计算运行非常不精确。然而，许多其它问题可能造成气体流量用完的时间测量不精确。对于许多应用，例如健康护理用途，这种误差可为完全不能接受的，并且是潜在危险的。

总之，预测使用气瓶的剩余时间的简单计算不能用于关键的应用。已经使用的气瓶的时间也不能验证用于质量检查的使用速率(流速)。

因此，已知的测量装置遭遇到技术问题，即它们不能提供剩余时间的精确测量，直至气瓶的含量被使用或达到临界的低水平。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种利用包括气体传感器的传感器组件确定来自气瓶和阀组件的气体的预测用量的方法，所述方法包括：a)利用气体传感器确定在时间t时气瓶中的气体质量；b)在时间t时确定来自气瓶的气体的平均流速；和c)在时间t时确定直至气瓶中的气体数量达到预定水平的剩余时间，所述剩余时间根据时间t时气瓶中的气体质量、时间t时来自气瓶的气体的平均流速、以及预定的换算系数而进行确定，换算系数依据时间t时气瓶中剩余气体的比例而进行选择。

根据本发明的第一方面，提供了一种确定来自气瓶组件的气体的预测用量的方法，气瓶组件包括气瓶和阀和调节器组件，所述方法利用包括气体传感器的传感器组件，并包括如下步骤：a) 利用气体传感器确定时间t时气瓶中的气体质量；b)在时间t时确定来自气瓶的气体的平均测量流速；和c)在时间t时确定直至气瓶中的气体数量达到预定水平的剩余时间，所述剩余时间根据时间t时的气瓶中的气体质量、时间t时所确定的来自气瓶的气体的平均测量流速、以及预定的换算系数而进行确定，所述预定的换算系数依据时间t时气瓶中剩余气体的比例而进行选择。

通过这种方法，平均流速基于之前测量值而进行确定，并且这个平均流速结合了倚赖于气瓶中剩余气体的数量的系数。本发明的发明人已经发现从气瓶输出的气体流量的性能依赖于气瓶中剩余气体的比例，即依赖于气瓶的填充水平。因此，剩余气体的比例(其可用最大填充水平的百分比形式来表示)用作计算气瓶运行时间时的系数。这种方法可更精确地确定在气瓶中的气体数量达到预定的水平(例如空的、10%或任何其它合适的值)之前的可用时间。

在一个实施例中，气体传感器包括浸没在气瓶气体中的压电振荡器，并且传感器组件包括用于驱动压电振荡器的驱动电路，并且步骤a)包括：d)通过驱动电路驱动压电振荡器，使得压电振荡器在共振频率发生共振；和e)测量时间t时的压电振荡器的共振频率；和f)根据共振频率确定时间t时的气瓶中的气体质量。

在一个实施例中，步骤b)包括根据以下任一项确定气体的平均流速：

g) 气体的流速的n个之前的测量值，其中n>1；或

h) 在气体的流速存在少于n个之前的测量值的情况下，预定的起动流速。

在一个实施例中，气体流速的各个所述之前的测量值根据压电振荡器在第一时间的共振频率和压电振荡器在更早的第二时间的共振频率之间的差异计算出来。

在一个实施例中，该方法还包括在步骤a)之前：i)当气瓶满时确定气瓶中的气体质量，其中步骤c)还包括：j)根据气瓶满时的气体质量和时间t时气瓶中的气体质量确定时间t时气瓶中的剩余气体的比例。

在一个实施例中，预定的换算系数选自查询表。

在一个实施例中，直至气瓶中剩余预定数量的气体时的剩余时间是基于第一函数和第二函数进行计算的，第一函数依赖于恒定的基本流速，并且第二函数基于气体的平均流速。

在一个实施例中，恒定的基本流速包括预定的固定值。在一个实施例中，恒定的基本流速选自多个恒定的基本流速，其储存在查询表中。在一个实施例中，恒定的基本流速由用户选择。

在一个实施例中，直至气瓶中剩余预定数量的气体时的剩余时间是基于函数进行计算的，该函数包括恒定的基本流速和平均测量的气体流速。

在一个实施例中，计算中的恒定的基本流速分量相对于平均测量流速分量的相对权重依赖于预定的换算系数。

在一个实施例中，该方法还包括如下步骤：k)基于实际流速的测量而更新恒定的基本流速。

在一个实施例中，在每l次流速测量时执行步骤k)中的更新。在一个实施例中，l在五至十五的范围内。

在一个实施例中，计算中的第一函数和第二函数的相对比例依赖于预定的换算系数。

在一个实施例中，气瓶中的气体数量的预定水平基本上为零。在一个实施例中，气瓶中的气体数量的预定水平是大约气瓶满时的气瓶中的气体数量的10%。

根据本发明的一个方面，提供了一种传感器组件，其包括处理器和设置成同来自气瓶的气体相接触的气体传感器，传感器组件配置为利用气体传感器确定时间t时气瓶中的气体质量，确定时间t时来自气瓶的气体的平均流速，并且在时间t时确定直至气瓶中的气体数量达到预定水平时的剩余时间，处理器可操作成根据时间t时气瓶中的气体质量、时间t时来自气瓶的气体的平均流速以及预定的换算系数确定剩余时间，换算系数依据时间t时气瓶中的剩余气体的比例而进行选择。

在一个实施例中，气体传感器包括压电振荡器，传感器组件包括用于在共振频率下驱动压电振荡器的驱动电路。

根据本发明的第二方面，提供了一种传感器组件，其包括处理器和气体传感器，传感器组件配置成执行第一方面的步骤。

在一个实施例中，气体传感器包括用于浸没在气瓶气体中的压电振荡器，并且传感器组件还包括用于在共振频率下驱动压电振荡器的驱动电路。

根据本发明的第二方面，提供了一种传感器组件，其包括处理器、用于浸没在气瓶气体中的压电振荡器和用于在共振频率下驱动压电振荡器的驱动电路，处理器配置成执行第一方面的步骤。

在一个实施例中，传感器组件还包括显示器，其设置成定位在气瓶和阀组件上。

在一个实施例中，传感器组件还包括用于与外部电子装置通信的无线通信装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种气瓶和阀装置，其包括第二方面的传感器组件。

根据本发明的第三方面，提供了一种气瓶组件，其包括阀和调节器装置组件，其包括第二方面的传感器组件。

根据本发明的第四方面，提供了可通过可编程处理装置执行的计算机程序产品，其包括一个或多个用于执行第一方面步骤的软件部分。

根据本发明的第五方面，提供了一种计算机可用存储介质，其储存了根据第四方面的计算机程序产品。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1是连接在MIG/MAG焊接系统上的气瓶组件的示意图；

图2显示了与图1相似的系统中的浪涌问题的曲线图；

图3是示意图，其显示了根据本发明的一个实施例的气瓶组件和传感器组件及数据模块的上边部分；

图4a是图3的数据模块的示意图；

图4b是用于供图3的传感器组件使用的驱动电路的示意图；

图5显示了许多不同气体的在Y轴上的石英晶体频率(千赫兹)的曲线图，其是密度的函数(千克/米³)；

图6显示了氩、氧和氩：二氧化碳混合物的在Y轴上的气体质量(千克)的曲线图，其是在X轴上的压力(巴)的函数；

图7显示了图6中所示相同的三种气体(氩、氧和氩：二氧化碳混合物)的在Y轴上的气体质量(千克)的曲线图，其是在X轴上的密度(千克/米³)的函数；

图8显示了针对在100巴压力下的50升气瓶的12升/分钟的流速的Y轴上的频率(千赫兹)的曲线图，其是X轴上的时间(分钟)的函数；

图9显示了针对100巴压力下的50升气瓶计算的Y轴上的计算流速(升/分钟)的曲线图，其是X轴上的时间(分钟)的函数；

图10显示了针对典型气瓶的Y轴上的频率(千赫兹)的曲线图，其是X轴上的气瓶质量(千克)的函数；

图11a显示了利用15升/分钟的初始流速的示例数据的曲线图，其显示了以升/分钟为单位的流速，其是时间(分钟)的函数；

图11b显示了针对直线预测、实际测量和利用根据本发明方法的预测性测量的基于图11a中所示的示例流速的气瓶含量的曲线图，其是时间(分钟)的函数；

图11c显示了针对直线预测、即时流速测量和利用根据本发明方法的预测性测量的基于图11a中所示的示例流速的气瓶运行时间(分钟)的曲线图，其是时间(分钟)的函数；

图12a显示了利用18升/分钟的初始流速的典型数据的曲线图，其显示了以升/分钟为单位的流速，其是时间(分钟)的函数；

图12b显示了针对直线预测、实际测量和利用根据本发明方法的预测性测量的基于图12a中所示的示例流速的气瓶含量的曲线图，其是时间(分钟)的函数；

图12c显示了针对直线预测、即时流速测量和利用根据本发明方法的预测性测量的基于图12a中所示的示例流速的气瓶运行时间(分钟)的曲线图，其是时间(分钟)的函数；且

图13显示了根据所述实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于预测气瓶运行时间的方法和传感器装置。现在将描述适合于供本发明使用的气瓶装置。

气瓶组件10包括关于图1的示例所述的气瓶12。气瓶12具有由钢、铝和/或复合材料形成的本体102，并且适合于且设置成承受高达大约900巴的内部压力。孔104定位在气瓶本体102的与底座相反的近端，并且包括螺纹(未显示)，其适合于接收阀和调节器组件14。

气瓶本体102以及阀和调节器组件14限定了一种压力容器(在这个实施例中采用气瓶12的形式)，其具有内部容积V。内部容积V是固定的。这意味着气瓶12的结构使得其内部容积V(和相伴地容纳在其里面的气体体积)可被假定在使用、储存时不会发生显著程度的改变，或者不倚赖于例如温度、压力或湿度等环境条件。气瓶12的内部容积V意图包括气瓶本体102及阀和调节器组件14中的整个容积。换句话说，内部容积V是在气瓶组件10中的总的内部容积，其中气体保持在压力下。

任何合适的流体可容纳在气瓶组件10中。然而，本实施例涉及，但不唯一局限于净化的永久气体，其没有杂质，例如灰尘和/或湿气。这种气体非详尽的示例可为：氧、氮、氩、氦、氢、甲烷、三氯化氮、一氧化碳、氪或氖。

阀和调节器组件14包括外壳106，其包括集成的压力控制器和可填充气瓶的填充端口。合适的调节器的非详尽的示例可为单隔膜或双隔膜调节器。然而，技术人员将容易知晓可供本发明使用的变化。

阀和调节器组件14可操作成接收在满气瓶压力(例如100巴)下来自气瓶12内部的气体，但在基本恒定的固定的低压(例如5巴)下将气体传递给出口。这通过反馈机构来实现，由此将提升阀连接在隔膜上，隔膜可操作成朝着和远离阀座而移动。阀下游的气体压力可操作成在与弹簧的偏压力相反的方向作用于隔膜上。

提供了可抓握的手柄108，以便使用户调整弹簧的偏压力，从而移动隔膜的位置，结果调整了在提升阀和阀座之间的平衡间距。这可调整孔的尺寸并因此容许设定输出压力，其中从出口流出的高压气体可穿过该孔。

通孔110成形于外壳108中。通孔110通过进料通路112关闭，进料通路可使构件(例如导线)从气瓶12的外部输送至气瓶12的内部。进料通路112用作高压密封件，从而保持气瓶12的完整性。

提供了保护体114。保护体114包括连接在阀和调节器组件14上的蚌壳式结构。保护体114设置成在使用时包围阀和调节器组件14。保护体114基本上是椭圆形的，并具有圆形的横截面。在保护体114的结构中可提供一个或多个访问端口。这些访问端口可包括例如显示器(如后面所述)，或允许接近出口、填充端口或可抓握手柄106，从而可实现气体分配模式或压力的操作和选择。

保护体114设置成包围阀和调节器组件14，并为阀和调节器组件14和相关构件提供结构和环境保护。换句话说，保护体114形成了用于阀和调节器组件14的外壳或盖子。因此，保护体114共同形成了用于阀和调节器组件14的封装和包围。

此外，保护体114改善了气瓶组件10的美学外观，并可使其它事物容纳在里面；例如后面所述用于操作气瓶组件所需要的电子显示器或额外的电子器件或构件。

保护体114可由任何合适的材料制成。然而，由于制造的简易性和设计自由度的范围，注塑模制的塑料材料是优选的材料选择。在非限制性的和非详尽的示例中可使用塑料材料，例如ABS或聚碳酸酯。

气瓶组件10设有传感器组件200。传感器组件200设置成测量气瓶12的内部容积V中的气体密度。在图3和图4中更详细地显示了传感器组件200，并且在一个部分中包括采用石英晶体振荡器202的形式的气体传感器，其连接在驱动电路204和蓄电池206上。

传感器组件200如图3中所示定位在进料管116的远端，进料管连接在阀和调节器组件14上。进料管116设置成通过阀和调节器组件14将气体供给气瓶12的内部/从气瓶12的内部输出，并且从阀和调节器组件14延伸到气瓶本体102的内部。

因此，出于安装方便起见，传感器组件200可物理地连接在阀和调节器组件14上，但在使用时，气体传感器元件定位在气瓶本体102的内部。这提供了最佳的测量条件，并减少了对传感器组件200上所进行的测量的对流影响和/或热干扰。

在这种布置中，石英晶体振荡器202在气瓶12的内部容积V中的等静压力下是恒定不变的，并因此不会承受压力梯度。换句话说，任何由于气瓶12的内部容积V和外部环境之间的压力差而产生的机械应力是跨进料通路112来表示的。

此外，传感器组件200的部件完全定位在气瓶本体102中提供了在配置气瓶12时的额外的灵活性。具体地说，相对脆弱的电子器件完全定位在气瓶12的强金属壁或复合壁中提供了免于环境或意外损害的极大保护。这在例如储存区域或仓库中是特别重要的，其中气瓶12定位在其它气瓶12、重型机械或粗糙表面附近。

此外，传感器组件200的电子构件在气瓶12的内部容积V中的定位可使更大的构件得以提供，否则其可能不适合在气瓶12的外表面上使用。例如可提供更大的蓄电池，从而增加传感器组件200的操作寿命。

另外，传感器组件200的内部定位保护了电子构件免于环境条件，例如盐、水和其它污染物的影响。这将容许例如高阻抗电路，其对于盐和水的损害是高度敏感的，以便用作传感器组件200的一部分。

然而，在上面实施例的变化中，传感器组件的一部分可定位在气瓶12的内部容积V中，并且一部分可定位在其外部。例如，驱动电路204可定位在气瓶12中，而蓄电池206可定位在气瓶12的外部。这种布置可使传感器组件的更脆弱的构件获得保护，免于损伤和污染，而蓄电池206是很容易接近以便维修和替换的。

传感器组件200还包括数据模块250并连接在数据模块250上。数据模块250如图3中所示，并在图4a中做了示意性显示。数据模块250定位在保护体114的内部。数据模块250通过电气接头252连接在传感器组件200上，电气接头设置成穿过进料通路112。然而，其它连接也可利用；例如通过NFC(近场通信)的无线通信、例如蓝牙或其它无线方法。

数据模块250包括显示屏254，其在这个实施例中被集成到保护体114中。显示器254可包括例如电子墨水显示器，从而最大限度地减小能量消耗，并最大限度地增加显示器的能见度。或者可使用液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)显示器。

还提供了外壳256，其可操作成容纳数据模块的电子构件，其包括处理器258(如图4a中所示)、存储器260以及其它电子构件。处理器258可从石英晶体振荡器202和驱动电路204接收输入。处理器258可包括合适的装置，例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。如将要描述的那样，处理器258经过编程，以计算、显示和发送对于气瓶12的用户有效的参数。如图4a中所示，处理器258可操作成接收来自压电振荡器202的输入、数据输入(例如通过开关或键而来自用户的数据输入)和来自可储存查询表的存储器260的输入，或者其它永久(例如闪式存储器)或临时(例如RAM)存储器中的输入数据。

如将要描述的那样，数据模块250可记录经过传感器组件200的压电振荡器202所测量的各种参数。数据模块250还可包括无线发送器和接收器(未显示)，从而可使数据从数据模块250来回远距离传送至其它装置，其将在后文中进行描述。

现在将参照图4b更详细地描述传感器组件200的压电振荡器202和驱动电路204。石英晶体振荡器202包括一小段的薄的切断的石英。石英呈现压电体行为，即跨晶体应用电压会造成晶体改变形状，产生机械力。相反地，应用于晶体上的机械力会产生电荷。

石英晶体振荡器202的两个平行表面被金属化，从而提供跨大晶体的电气连接。当通过金属接触而跨晶体应用电压时，晶体改变了形状。通过对晶体应用交变电压，可造成晶体振荡。

石英的物理尺寸和厚度确定了石英的特征频率或共振频率。实际上，晶体202的特征频率或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比例。石英晶体振荡器在本领域中是众所周知的，因此在这里将不进一步描述石英晶体振荡器202的结构。

石英的共振频率将依赖于晶体定位所在的环境而变化。在真空中，晶体将具有特殊的频率。然而，这个频率将在不同的环境中变化。例如，在流体中，晶体的振动将受到流体周围分子的抑制，并且这将影响使晶体在给定的振幅下发生振荡所需要的共振频率和能量。

本实施例的石英晶体振荡器202是音叉形状的，并且包括一对大约5mm长的齿202a(图4b)，其设置成在32.768千赫兹的共振频率下发生振荡。音叉的齿202a通常以其基本模式振荡，其中它们在共振频率下同时彼此相向和相离移动。

这种晶体通常可在相对低成本下得到。同用于真空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202暴露于气瓶12的内部容积V中的压力气体下。

在图4b中显示了用于驱动石英晶体振荡器202的驱动电路204的一个示例。驱动电路204必须满足若干特定的准则。首先，本发明的石英晶体振荡器202可暴露于一定范围的气体压力下；潜在地，压力可从大气压(当气瓶12是空的时)变化至大约900巴，如果气瓶容纳加压的气体，例如氢时。因而，需要石英202在较宽的压力范围下操作(和在不使用周期之后再起动)。

随着气瓶12中的压力的增加，石英晶体振荡器202的振荡将逐渐衰减，并且将需要通过驱动电路204中的放大器提供更高的增益。然而，如果驱动电路204提供太高的放大作用，那么来自石英晶体振荡器202的响应可能难以区别。在这种情况下，驱动电路204可简单地在无关频率，或在石英晶体振荡器202的非基本模式的频率下振荡。作为进一步限制，驱动电路204必须是低功率的，从而在有或没有补充功率，例如光伏电池的条件下，在小的低功率蓄电池上运行较长的时间。

为了驱动石英晶体振荡器202，驱动电路204基本采用来自石英晶体振荡器202的电压信号，放大它，并将该信号反馈回石英晶体振荡器202。石英晶体振荡器202的基波共振频率本质上是石英的膨胀率和收缩率的函数。这大体通过晶体的切口和尺寸来确定。

然而，外部因素也会影响共振频率。当产生的输出频率的能量与电路中的损失相匹配时，振荡可得以持续。驱动电路204设置成检测和维持这个振荡频率。然后可通过处理器258测量该频率，用于计算用户需要的合适的气体特性，并且如果需要就输出至合适的显示装置(其将在后文中进行描述)。

当供石英晶体振荡器202使用时，处理器258可配置成测量来自驱动电路204的信号的频率f或周期。这可通过例如在固定的时间计数振荡来实现，并利用算法或查询表将该频率转换成密度值。这个值被传递给处理器258，其配置为基于提供的输入而执行计算，从而为气瓶12中的气体确定气体的质量和额外的参数。

现在将参照图5至10描述传感器组件200的理论与操作。

石英晶体振荡器202具有共振频率，其倚赖于其定位所在的流体的密度。使振荡的音叉类型的晶体振荡器暴露于气体中会导致晶体的共振频率移位和衰减(当同真空中的晶体的共振频率比较时)。这存在许多原因。当气体对晶体振荡具有衰减效应时，气体粘附在音叉晶体振荡器202的振荡齿上，其增加了振荡器的质量。根据一侧固定的弹性梁的运动，这导致了石英晶体振荡器的共振频率的减少：

1)

其中是共振角频率的相对变化，ρ是气体密度，t是石英晶体振荡器的厚度，ρ_q是石英晶体振荡器的密度，并且w是音叉的宽度。c₁和c₂是几何相关的常数，并且是气体表面层的厚度，其通过如下等式来限定：

2)

其中η是温度相关的气体粘度。

等式1)的两个部分涉及a)在石英晶体振荡器202的齿上添加的气体质量和b)在振荡期间于齿的最外的表面层上引起的剪力。等式因而可根据频率重写并简化为：

3)

其中=，B=，且C是偏离常数，并且f ₀是真空中的晶体的固有共振频率。

本发明人已经发现通过逼近可获得合适的良好的近似值：

4)

因此，为了良好的逼近，频率变化与气体密度的变化成正比，其中石英晶体振荡器暴露于该气体中。图6显示了对于许多不同的气体/气体混合物而言，石英晶体振荡器202的共振频率依据密度函数而线性变化。

石英晶体振荡器202特别适合于用作用于商业供气的密度传感器。如上面所述，当频率变化近似等于密度变化时，在实践中实现更全面的关系是相对简单直接的。因此，在物理测量装置中，使用了以下等式(基于等式3))：

5)

在等式5)中，ρ_t是密度，并且f _t是振荡的频率，这两者都是在时间t测量的。a，b和c是在功能上可重新编程的常数。

如之前所述，气瓶12中的气体的内部容积V是固定的。因此，一旦从传感器组件200的测量中获得气瓶12的内部容积V中的气体密度ρ，那么气瓶中的气体质量M可通过以下等式来获得：

6)

因此，气体密度ρ的直接测量可实现气瓶12中的剩余气体的质量计算。实际上，在知晓气瓶容积的真实的系统中，剩余气体的质量可以简单直接的方式从共振频率乘以已知的系数中进行计算。

这样气体质量的测量具有许多超越已知装置的优势。例如，根据本发明一个实施例测量的质量内在地针对温度进行校正。

此外，根据本发明一个实施例测量的气体质量针对可压缩性Z经过内在地校正。在例如利用波登管压力计以便根据压力获得气体含量的传统装置中，气体的可压缩性需要进行校正。这在高压下是特别重要的，其中可压缩性Z并不按照理想气体所预期的方式与气体压力成正比。

参照图6和图7显示了针对可压缩性的自动补偿。图6显示了氩、氧和氩：二氧化碳混合物在Y轴上的气体质量(千克)的曲线图，其是压力(巴)的函数。如图6中所示，不同气体的质量随着压力的增加而变化。此外，在超过250巴的高压下，在质量和压力之间不再具有线性关系。

图7显示了与图6相同的三种气体(氩、氧和氩：二氧化碳混合物)在Y轴上的气体质量(千克)的曲线图，其是密度(千克/米³)的函数。与图6相反，可以看出依据密度函数的气体质量对于各种气体/气体混合物都是相同的。此外，这种关系在高密度下仍是线性的。因此，石英晶体振荡器202可为高分辨率的，且与密度是高度线性的。

如上面所述，本发明的装置可使质量测量达到非常高的精度，具有百万分之一的分辨率。在高密度和压力下与石英密度传感器202的线性响应相伴的是(如图6和图7中所示)，高精度可使非常轻的气体例如H₂和He得以精确地测量。

按照百分比知晓剩余气瓶含量也是有用的。这可根据下面的等式完成：

7) 含量(%)=

其中ρ是测量的密度，并且ρ _f 是当气瓶满时的密度。在实践中，ρ _f 可为直接测量的。或者，假定已知的气体和已知的条件(例如300巴，15°C)，那么可假定ρ _f 的值采用恒定值，并且这例如可储存在处理器258的查询表中。

除了测量气瓶12中的静压力之外，传感器组件200还能够测量进出气瓶12的质量流速。

在大气压下的气体密度仅仅为大约1克/升，并且正常的气体使用速率时常只是几升/分钟。本发明已经发现石英晶体振荡器202是足够稳定和精确的，从而可使离开气瓶12的气体的质量流量通过指示的变化的密度进行测量。质量流速从等式8)进行计算：

8)

其中V是体积，Δρ是在时间间隔Δt上指示的密度变化。在这种情况下，传感器组件200的操作需要驱动电路204在石英晶体振荡器202的若干个振荡周期上求积分。

图8和图9显示了质量流量检测的试验数据。图8显示了针对在~100巴的指示压力下来自50升气瓶的12升/分种的流速的在Y轴上的频率(千赫兹)的曲线图，其是在X轴上的时间(分钟)的函数。图9显示了针对在~100巴的压力下来自50升气瓶的在Y轴上的计算流速(升/分钟)的曲线图，其是X轴上的时间(分钟)的函数；

这些图显示了来自气瓶12的气体的质量流速可通过测量随时间的密度变化来确定。因此，质量流速可在足够的精度和时间分辨率下利用石英晶体振荡器202和驱动电路204进行计算。

图10进一步显示了试验数据，并显示了Y轴上的频率的曲线图(千赫兹)，其是X轴上的总的气瓶质量(千克)的函数。从图中可看出，该曲线图在高精度下是接近线性的。因此，图11显示了气瓶12中的气体质量可利用石英晶体振荡器202进行精确地测量。

重要的是，从传感器组件200获得的数据可用于呈现关于用完时间的数据，即在气瓶12中的气体被用完之前的时间。这在某些应用中是特别重要的，例如在医院之间转移病人时所使用的医院氧瓶。

已知的装置是基于给定的设定的流速来计算用完时间。然而，这种用完时间出于上面所述的原因而一般是不精确的。这种方法不能考虑变化的流速、气体浪涌以及其它现象。其可能被过度向下或向上读取未知的量。

此外，用于执行这种时间(T_run)测量的已知方法可由知晓的流速(如上面论述)、气瓶12的质量含量和当前时间(T_c)通过以下等式进行计算：

9)

这被称为用完时间，其是根据即时流速进行计算，即当前测量的流速的外推。这种方法提供了更精确的测量，其可根据流速变化进行调整。然而，这种方法可为不精确的，因为其只能够考虑流速的当前情形。如上面论述的那样，等式9)的使用大体将过度估算了气瓶中的剩余气体数量，因为其不能考虑过去使用模式的因素，其可能包括浪涌行为。对于某些应用，例如健康护理应用，这种过度读取可为关键问题。

本发明涉及一种方法，其中除了其它事物之外，气瓶运行时间可根据实际的消耗率进行估算。此外，剩余时间、使用时间、平均流速和储存的流速可用作质量检查，以验证该方法。

本发明的方法基于下面的等式10)：

10)

其中M是气瓶12中剩余的气体质量，其是以千克(kg)为单位进行测量的，并F _AVG是平均流速(千克/分钟)，其如下面所述进行确定。

平均流速F _AVG基于下面等式11)进行确定：

11)

其中D是基本流速，E是可变的换算系数(其将在后面进行描述)，并且F _i是流速的测量值，其中第二函数是n个流速测量值之和，i在0至n的范围内。

因此，等式11)包括两个函数。一个是基本流速的函数，而另一个是平均测量流速的函数。换算系数E是预定的，并且随着E的变化，包括等式11)的第一函数和第二函数的比例变化。

本发明人第一次已经发现来自气瓶的气体流动的行为倚赖于气瓶的含量。因此，引入换算系数E，从而可实现气瓶的不同状况之间的过渡，其依赖于气瓶是否是满的、空的或部分满的。参数E是从下面表1中所述的查询表进行选择的：

。

因此，如表1中所示，随着气瓶含量的减少，E的值伴随着减少。随着气瓶12清空，这造成等式11)的第一函数相对于第二函数降低了权重。

结果，在气瓶的高填充水平下，流速大约为基本流速D，其被平均流速修改为十分之二。这可被设为任何所需的值；例如15升/分钟。按千克/分钟，这相当于大约0.03的D值。

在气瓶的低填充水平下，F _AVG受控于之前n个流速测量平均值。

本发明人已经发现这个等式很好地为气瓶的行为构建了模型。那是因为在高气瓶填充水平下，可能更容易获得基本流速。在低填充水平下，传送更为漂忽不定，因此需要掌控流速的测量。换句话说，当气瓶满时，典型地使用一般固定的流速，但随着气瓶清空，本发明人已经发现更精确地预测流量是必须的。

对于许多应用，可假定D是常数。例如，如果阀和调节器组件14设置成将固定的流速输送到末端应用(例如15升/分钟)，那么D的值可能固定在处理器258的存储器中，并用作常数。

或者，如果调节器和/或用户可操作而选择不同的流速，那么D可依赖于起动流速而进行选择。流速可在气瓶12的初始化时通过用户输入或选择。或者，D的值可从多个储存在查询表中的D值进行选择。

作为进一步的备选，如果需要，D的值可与测量的流速进行交叉检查和修改。当计算的平均流速根据等式11)的第二函数的一部分而设置为基于常数(或有效常数)随各个测量值进行更新时，用于D的值可周期性地进行检查，从而确定在起动值和实际值之间是否存在差异。例如，流速可每隔十个测量值进行检查，并同储存的D值进行比较，其中如果必要的话就更新D。或者，其可每隔五至十五个测量值而进行更新。

重要的是要注意，等式11)的第二函数可操作成考虑流速的局部变化，从而更精确地预测剩余的运行时间。然而，D是基于设定流速的更为全局的参数，并因此需要较少频繁地，或根本不更新。

图11和图12显示了这种方法的有效性的两个理论示例。图11显示了用于15升/分钟的初始流速的理论数据。图11a)显示了依据时间函数的流速。注意，流速以周期性的间隔发生变化。图11b)显示了气瓶的气体含量，其是时间的函数。线1是基于15升/分钟的初始流速的线性拟合。线2是根据等式9)的即时流速测量曲线。线3是根据本发明方法的曲线，如等式10)和11)中所述。

图11c)显示了与图11b)相同的三个曲线，但显示了各种方法的预测运行时间。如图所示，如果流量变化的话，线性曲线是不精确的。在高的气瓶压力和低的流速下，极大地过度读取了即时流速的测量值(线2)。本发明的方法(线3)更为精确。

图12a)至c)显示了相似的数据，但是用于18升/分钟的起动流速。

现在将参照图13描述根据本发明一个实施例的方法。

步骤300：初始化测量

在步骤300中，气瓶12中的测量过程已被初始化。在这个阶段，在时间T₀时，气瓶是满的，即得以100%地填充。

或者，测量可通过例如用户按压气瓶12外部的按钮而被激励。作为进一步的备选，测量可通过远程连接而启动，例如跨无线网络而发送并由数据模块250无线接收的信号。

作为进一步的备选或附加，数据模块250和传感器组件200可配置为远程地或定时地启动。该方法继续至步骤302。

步骤302：驱动石英晶体振荡器

一旦被启动，驱动电路204就用于驱动石英晶体振荡器202。在初始化期间，驱动电路204跨晶体202应用随机噪声交流电压。至少一部分随机电压将处于合适的频率下，从而造成晶体202振荡。晶体202然后将开始与该信号同步振荡。

通过压电效应，石英晶体振荡器202的运动然后将在石英晶体振荡器202的谐振频带下产生电压。驱动电路204然后放大石英晶体振荡器202所产生的信号，使得石英晶体谐振器202的频带中所产生的信号控制驱动电路204的输出。石英晶体的狭窄的共振带过滤了所有不需要的频率，然后驱动电路204在基波共振频率f下驱动石英晶体振荡器202。一旦石英晶体振荡器202稳定在某个特殊的共振频率时，该方法继续至步骤304。

步骤304：石英晶体振荡器的共振频率的测量

共振频率f倚赖于气瓶的内部容积V中的条件。在本实施例中，共振频率的变化Δf在大小上与气瓶12中的气体密度的变化成正比，并且将随密度的增加而降低。

为了进行测量，石英晶体振荡器202的频率以大约1s的周期进行测量。这可使读数稳定，并且计数足够的振荡，以确定精确的测量值。频率的测量是在处理器258中执行的。处理器258还可记录启动测量时的时间T₀。

一旦已经测量了频率，该方法继续至步骤306。

步骤306：确定气瓶中的气体质量

一旦在步骤304中已经满意地测量了石英晶体振荡器202的频率，那么处理器258就计算气瓶12中的气体质量。

这是在气体质量可直接根据步骤304所确定的密度以及已知气瓶12的内部容积V计算得出的。这被记录为时间T₀时所测量的气瓶100%的填充水平。

在备选例中，如果气体是已知的，并填充至已知的条件(例如300巴，15摄氏度)，那么不需要执行步骤302和304，并且T₀时的值可简单地储存在查询表中。

总之，质量可简单地记录在与传感器组件200的处理器258相关联的内存储器中，以便后面检索。作为进一步的备选，时间T₀时的气体质量可储存在所述处理器258本地的存储器中。该方法然后继续至步骤308。

步骤308：驱动振荡器

在时间周期到期时，例如5分钟，驱动电路204再次用于驱动石英晶体振荡器202，如步骤304中所述。如上所述，石英晶体的狭窄的共振带过滤了所有不需要的频率，然后驱动电路204在基波共振频率f下驱动石英晶体振荡器202。一旦石英晶体振荡器202稳定在某个特殊的共振频率时，该方法继续至步骤310。

步骤310：石英晶体振荡器的共振频率的测量

共振频率f倚赖于气瓶的内部容积V中的条件。在本实施例中，共振频率的变化Δf在大小上与气瓶12中的气体密度的变化成正比，并且将随密度的增加而降低。

为了进行测量，石英晶体振荡器202的频率以大约1s的周期进行测量。这可使读数稳定，并且计数足够的振荡，以确定精确的测量值。频率的测量是在处理器258中执行的。处理器258还可记录测量发生时的时间T_m(m>0)。一旦已经测量了频率，该方法继续至步骤312。

步骤312：确定气瓶中的气体质量

一旦在步骤310中已经满意地测量了石英晶体振荡器202的频率，那么处理器258就计算时间T_m时气瓶12中的气体质量。

质量可简单地记录在与传感器组件200的处理器258相关联的内存储器中，以便后面检索。作为进一步的备选，时间T_m时的气体质量可储存在所述处理器258本地的存储器中。该方法然后继续至步骤314。

步骤314：计算流速

在步骤314中计算流速。这可根据时间T_m时所测量的共振频率以及在时间T_m-1时所测量的共振频率之间的差异来完成。该差异然后除以T_m和T_m-1之间的时间。作为时间函数的频率变化如上所述与气体质量方面的变化，即流速成正比。

步骤316：计算平均流速

然后基于等式11)利用步骤314中得出的流速测量值针对之前n次测量的流速可计算出平均流速，其中n>1，且优选n=10。

如果m<n，那么可根据初始的基本流速D，或规定的另一流速确定平均流速。该方法然后继续至步骤318。

步骤318：计算运行时间

然后基于步骤316中所测量的平均流速计算运行时间，并且还会使用步骤312中所测量的气体质量以及从步骤312中和步骤306中所测量的气体质量而确定的换算系数E。

运行时间的值可被确定为运行至某个特殊的气瓶填充水平时的时间，即直至剩下预定的气体数量的时间。在一个实施例中，这可为直至气瓶12完全清空的时间。或者，运行时间可计算为直至气瓶下降至其全部容量的10%的时间。作为进一步备选，任何所需的预定的水平都可用于运行时间的终点。

步骤320：发送结果

运行时间可以许多方式来显示。例如，连接在气瓶12或阀和调节器组件14上的显示器254可显示运行时间。在备选例中，运行时间可远程传送给基站、智能电话或其它定位在气瓶和数据模块250的无线通信范围内的装置。如果运行时间不够的话，例如只剩余几分钟，或者气瓶的容量低，那么在气瓶12上可显示告警灯，例如告警灯形成了显示器258的一部分或定位在保护装置114上。该方法然后继续至步骤322。

步骤322：延迟

然后该方法在移动回到步骤308之前等待预定的时间(例如5分钟)，以便在进一步的测量循环m+1中重复用于进一步测量的步骤顺序。

使传感器组件200始终保持操作是不必要的。相反地，在不使用时通过关闭传感器组件200而减少能量消耗是有利的。这延长了蓄电池206的寿命。

驱动电路204的配置可使石英晶体振荡器202再次被起动，而不管气瓶12中的气体压力如何。因此，传感器组件200可根据需要且在需要时被关闭，从而节省蓄电池的功率。

或者，如果流速较慢，或者如果需要测量气瓶12中由于例如泄漏而产生的损失，那么在T_m和T_m+1之间的时间间隔可为相当地大；例如大约几分钟、几小时或几天。

一旦时间周期已经到期，那么该方法然后继续返回步骤308。

上面实施例的变化对于技术人员是很明显的。硬件和软件构件的精确配置可能不同，并仍然落在本发明的范围内。技术人员将很容易意识到可使用的备选配置。

例如，上面所述的实施例已经利用了具有32.768千赫兹基波频率的石英晶体振荡器。然而，在备选频率下操作的晶体也是可以使用的。例如，在60千赫兹和100千赫兹下操作的石英晶体振荡器可供上述实施例使用。

此外，虽然已经参照石英晶体振荡器的使用描述了上面的实施例，但是技术人员应该很容易意识到还可使用备选压电材料。例如，非详尽的列表可包括晶体振荡器，其包括：钽酸锂、铌酸锂、硼酸锂、柏林石、砷化镓、焦硼酸锂、磷酸铝、铋氧化锗、复晶钛酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅氧化锌复合物或酒石酸二钾。

另外，其它用于测量气体质量和流速的传感器和方法都可加以使用或组合。例如，传统的流量计可结合石英密度传感器用于质量测量。

作为进一步的备选，可使用不同于压电振荡器的气体传感器。压力传感器、固态或波氏管压力计都可加以使用。或者，气瓶内容物的质量可通过称重来获得，并且在结合传统流量计的条件下，这可用于确定气体消耗的最后阶段时的质量。

本发明的实施例已经特别参照所示的示例进行了描述。虽然在图中显示并在这里详细地描述了特定的示例，然而应该懂得，附图和详细说明并不意图将本发明限制于所公开的特殊形式。应该懂得，在本发明的范围内可对所述的示例做出变化和修改。

Claims (19)

1.一种确定来自气瓶组件的气体的预测用量的方法，所述气瓶组件包括气瓶和阀和调节器组件，所述方法利用包括气体传感器的传感器组件，并包括如下步骤：

a) 利用气体传感器确定时间t时的所述气瓶中的气体质量；

b) 在时间t时，确定来自所述气瓶的气体的平均测量流速；和

c) 在时间t时，确定直至所述气瓶中的气体量达到预定水平的剩余时间，所述剩余时间根据时间t时所述气瓶中的气体质量、时间t时所确定的来自所述气瓶的气体的平均测量流速以及预定的换算系数来确定，所述预定的换算系数依据在时间t时所述气瓶中剩余的气体的比例进行选择。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体传感器包括浸没在所述气瓶内的气体中的压电振荡器，并且所述传感器组件包括用于驱动所述压电振荡器的驱动电路，并且步骤a)包括：

d) 通过所述驱动电路驱动所述压电振荡器，使得所述压电振荡器在共振频率下共振；和

e) 测量所述压电振荡器在时间t时的共振频率；和

f) 根据所述共振频率确定在时间t时所述气瓶中的气体质量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括根据以下任一项确定所述气体的平均测量流速：

g) 所述气体的流速的n个之前的测量值，其中n>1；或

h) 在所述气体的流速存在少于n个之前的测量值的情况下，预定的起动流速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述气体的测量流速的各个所述之前的测量值根据所述压电振荡器在第一时间的共振频率和所述压电振荡器在更早的第二时间的共振频率之间的差异计算出来。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤a)之前：

i) 当所述气瓶满时确定所述气瓶中的气体质量，其中步骤c)还包括：

j) 根据所述气瓶满时所述气瓶中的气体质量和时间t所述气瓶中的气体质量确定时间t时所述气瓶中剩余的气体的比例。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述预定的换算系数从查询表中进行选择。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，直至所述气瓶中剩余预定量的气体时的剩余时间是基于函数进行计算的，所述函数包括所述气体的恒定的基本流速和平均测量流速。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述计算中，所述恒定的基本流速分量相对于所述平均测量流速分量的相对权重依赖于所述预定的换算系数。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述恒定的基本流速包括预定的固定值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述恒定的基本流速由用户选择。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述恒定的基本流速从多个储存在查询表中的恒定的基本流速中进行选择。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

k) 基于实际流速的测量值而更新所述恒定的基本流速。

13.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述气瓶中的预定的气体量水平基本上为零。

14.一种传感器组件，包括处理器和气体传感器，所述传感器组件配置成执行根据权利要求1至13中的任一权利要求所述的步骤。

15.根据权利要求14所述的传感器组件，其特征在于，所述气体传感器包括用于浸没在所述气瓶内的气体中的压电振荡器，并且所述传感器组件还包括用于在共振频率下驱动所述压电振荡器的驱动电路。

16.根据权利要求14或15所述的传感器组件，其特征在于，还包括显示器，其设置成定位在所述气瓶和阀和调节器组件上。

17.根据权利要求14或15所述的传感器组件，其特征在于，还包括用于与电子仪器通信的无线通信装置。

18.一种气瓶组件，包括阀和调节器组件和根据权利要求14至17中的任一权利要求所述的传感器组件。

19.一种计算机可用存储介质，其包括能够由可编程处理装置执行的一个或多个软件部分，用于执行根据权利要求1至13中的任一权利要求所述的步骤。