TWI448667B - 測量氣體的質量流率的方法及設備 - Google Patents

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Description

測量氣體的質量流率的方法及設備
本發明係關於一種用於測量氣體的質量流率的方法及設備。更具體而言，本發明係關於一種使用壓電式振盪器(piezoelectric oscillator)測量通過節流孔口(flow restriction orifice)之氣體的質量流量的方法及設備。
在此所揭述的方法及設備是可應用在例如流體可能存在於相對高壓(例如，約10 bar或更高)之系統，例如從高壓鋼瓶來供應流體、或使用高壓流體之製造工廠。本發明係關於特別是「潔淨」氣體，亦即具有少量或無雜質或污染物例如水蒸氣或粉塵之氣體。
本發明是特別適用於永久氣體類。永久氣體類是無法僅藉由壓力來加以液化之氣體，且例如可在壓力高達450 bar g之鋼瓶中來供應(其中，bar g是高於大氣壓力之壓力的量度)。其實例是氬氣及氮氣。然而，此並不作為限制性，且術語「氣體」是可視為涵蓋較廣泛範圍之氣體，例如永久氣體及液化氣體之蒸氣兩者。
在壓縮氣體鋼瓶中，液化氣體類之蒸氣是存在於液體的上方。當被壓縮以充填入鋼瓶而在壓力下液化之氣體並非為永久氣體類，而是更準確地敘述為在壓力下之液化氣體類或液化氣體類之蒸氣。關於一實例，一氧化二氮(笑氣：nitrous oxide)是在鋼瓶中以液態來供應，具有在15℃為44.4 bar g之平衡蒸氣壓。由於此等蒸氣是可藉由在周圍條件之壓力或溫度下而加以液化，彼等並非為永久或真實氣體類。
壓縮氣體鋼瓶是一種設計用於容納在高壓下，亦即在壓力顯著地大於大氣壓力下之氣體的耐壓容器(pressure vessel)。壓縮氣體鋼瓶是使用於廣泛範圍之市場，從低成本之一般工業市場、醫療市場到較高成本之應用，例如使用高純度腐蝕性、毒性或自燃性特用氣體之電子產品製造。一般而言，加壓氣體容器是包含鋼、鋁或複合材料所構成且能儲存壓縮、液化、或溶解之氣體，具有最大充填壓力對於大多數氣體為高達450 bar g，且對於例如氫氣及氦氣等氣體則為高達900 bar g。
欲有效地控制從氣體鋼瓶或其他耐壓容器分配氣體，則需要閥或調節器。通常是兩種組合而形成一具有整合型壓力調節器之閥(VIPR：Valve with Integrated Pressure Regulator)。調節器是能調節氣體的流動而使得氣體在恆定、或使用者可變的壓力下加以分配。
對於許多應用而言，則期望知道來自氣體鋼瓶之氣體的流率。此對於許多應用而言，例如醫療應用可能是重要的關鍵因素。數種不同的質量流量計配置是已習知。
在許多工業應用一般使用的質量流量計之一類別是機械式質量流量計。此等量計包括以移動或轉動而測量質量流量之機械式構件。一如此類型是慣性流量計(或科氏流量計(Coriolis flow meter))，其係測量流體流經形狀管之流體的效應。科氏流量計可以高準確度處理廣泛範圍之流率。然而，欲能偵測流率，則需要例如啟動、感測、電子及計算功能之複雜的系統。
另一可行機械式質量流量計是膜片式量計、旋轉式量計及渦輪式量計。然而，此等類型之量計通常是較不準確且涉及可能會磨損的活動零組件。此外，例如旋轉式量計之量計是僅用於測量相對低流率。
另一可行類型之質量流量計是電子式流量計。兩種主要類型是熱量計及超音波量計。熱流量計是測量通過加熱管之熱傳導而測量流率。超音波流量計是測量在氣體介質中之聲音速度，有時候是將在管路內之多重路徑的聲音速度加以平均。然而，兩種類型之電子式流量計通常是需要重要的訊號處理硬體且通常為高成本的項目。
根據本發明之第一形態，其係提供一種測量氣體的質量流率的方法。該氣體係通過在通過時發生扼流(choked flow)之孔口(orifice)，該方法是使用壓電式振盪器而與孔口之上游的氣體相接觸，且是包括：a)驅動該壓電式晶體振盪器(piezoelectric crystal oscillator)而使得壓電式晶體振盪器在共振頻率共振；b)測量壓電式振盪器之共振頻率；及c)從該共振頻率而測定通過該孔口之氣體的質量流率。
藉由提供如此的方法，則通過節流孔口(restrictive orifice)之氣體的質量流率是可容易地藉由使用穩固且相對廉價之壓電式晶體振盪器例如石英晶體振盪器(quartz crystal oscillator)而測得。該壓電式晶體振盪器將在視其中振盪器所浸沒之氣體的密度而定之共振頻率而振盪。在扼流條件下，因為孔口之上游的氣體的密度是與通過孔口的質量流率成比例，因此晶體振盪器可用於測量質量流率。
如此的振盪器作用包括作為：一激發源(excitation source)(藉由響應經驅動電路(drive circuit)所驅動而振盪)、及一偵測器(藉由具有視振盪器所設置的環境而定之單一共振頻率)。除此以外，該晶體振盪器是穩固，因此是相對地較不會受到環境干擾的影響。此外，欲能使得如此的振盪器作業所需要的構件是小型化且低成本。
在一具體實例中，該孔口之上游的壓力是至少0.5 bar高於該孔口之下游的壓力。
在一具體實例中，該方法係又包括測定孔口之上游的氣體的溫度。
在一配置例中，該氣體是從設置在壓電式晶體振盪器之上游的壓力調節器或閥加以分配。
在一配置例中，該壓力調節器是以電子式控制，以響應所測得通過該孔口之氣體的質量流率。
在一具體實例中，該壓電式振盪器是包含石英晶體振盪器。
在一具體實例中，該石英晶體是包含至少一叉齒(tine)。在一變異例中，該石英晶體是包含一對平面叉齒。
在一具體實例中，該石英晶體是AT切割(AT cut)或SC切割(SC cut)。
在一變異例中，該石英晶體之表面是直接暴露於氣體。
在一具體實例中，該感測器組合(sensor assembly)是包含驅動電路。在一變異例中，該感測器組合是包含驅動電路，其係含有配置成從公用射極放大器(common emitter amplifier)之反饋架構(feedback configuration)的達靈頓對(Darlington pair)。
在一具體實例中，該感測器組合是包含電源。在一配置例中，該電源是包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合是包含處理器。
在一配置例中，該壓電式晶體振盪器是包含至少兩個平面叉齒。
在一具體實例中，該壓電式晶體振盪器具有共振頻率為32 kHz或以上。
根據本發明之第二具體實例，其係提供一種用於測量氣體的質量流率之量計(meter)。該量計是包含：在使用時氣體流動通過之導管(conduit)，該導管具有在使用時在通過時發生扼流之節流孔口，該節流孔口將導管分開成該孔口之上游的上游部份、及該孔口之下游的下游部份；且該量計是又包含：感測器組合，在該上游部份該感測器組合是包含壓電式晶體振盪器而使得當量計在使用時該壓電式振盪器係與該氣體相接觸，且該感測器組合是配置成：可驅動壓電式晶體振盪器而使得壓電式晶體振盪器在共振頻率共振，可測量該壓電式晶體振盪器之共振頻率，及可從共振頻率而測定通過孔口的質量流率。
藉由提供如此的配置，則通過節流孔口(restrictive orifice)之氣體的質量流率是可容易地藉由使用穩固且相對廉價之壓電式晶體振盪器例如石英晶體振盪器而測得。該壓電式晶體振盪器將在視其中振盪器所浸沒之氣體的密度而定之共振頻率而振盪。在扼流條件下，因為節流孔口之上游之氣體的密度是與通過孔口的質量流率成比例，因此晶體振盪器可用於測量質量流率。
如此的振盪器作用包括作為：一激發源(藉由響應經驅動電路所驅動而振盪)、及一偵測器(藉由具有視振盪器所設置的環境而定之單一共振頻率)。除此以外，該晶體振盪器是穩固，因此是相對地較不會受到環境干擾的影響。此外，欲能使得如此的振盪器作業所需要的構件是小型化且低成本。
在一配置例中，該量計是又包含：一個或以上之驅動電路、微處理器及電源。
在一具體實例中，該壓電式振盪器是包含石英晶體振盪器。
在一具體實例中，該石英晶體是包含至少一叉齒。在一變異例中，該石英晶體是包含一對平面叉齒。
在一具體實例中，該石英晶體是AT切割或SC切割。
在一變異例中，該石英晶體之表面是直接暴露於氣體。
在一具體實例中，該感測器組合是包含驅動電路。在一變異例中，該感測器組合是包含驅動電路，其係含有配置成從公用射極放大器之反饋架構的達靈頓對。
在一具體實例中，該感測器組合是包含電源。在一配置例中，該電源是包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合是包含微處理器。
在一配置例中，該驅動電路是包含配置成從公用射極放大器之反饋架構的達靈頓對。
在一配置例中，該量計是又包含溫度感測器，配置成可測定鄰近該壓電式振盪器之氣體的溫度。
在一配置例中，該量計是配置在壓力調節器或閥之下游。
在又一配置例中，該量計是配置成可以電子式控制之壓力調節器或閥，以響應所測得通過節流孔口的質量流率。
在一配置例中，該壓電式晶體振盪器是包含至少兩個平面叉齒。
在一配置例中，該壓電式晶體振盪器具有共振頻率為32 kHz或以上。
根據本發明之第三具體實例，其係提供一種可藉由可程式化處理設備而執行之電腦程式產品，且其包含一種或以上用於實施第一形態之步驟的軟體部份。
根據本發明之第四具體實例，其係提供一種電腦可用之儲存媒體，且其具有根據第四形態而儲存於其中之電腦程式產品。
本發明之具體實例將參照附加的圖式詳細地加以說明。
第1圖是展示根據本發明之一具體實例的氣體鋼瓶組合(gas cylinder assembly) 10之示意圖。第1圖是展示本發明也可使用的情況之示意圖，其係配備氣體鋼瓶(gas cylinder) 100、調節器150及量計組合(meter assembly) 200。
氣體鋼瓶100係具有氣體鋼瓶體(gas cylinder body) 102及閥(valve) 104。該氣體鋼瓶體102是包含一般為具有平坦底座(base) 102a之圓筒形耐壓容器，且配置成使得氣體鋼瓶組合10能未經支撐而站立於平坦表面上。
氣體鋼瓶體102是由鋼、鋁及/或複合材料所形成，且使其適配且配置成可承受高達約900 bar g之內部壓力。開口(aperture) 106是設置在氣體鋼瓶體102在底座102a的對面側之近極端，且包含螺紋(未展示)以使其適配於閥104。
氣體鋼瓶100定義一具有內部容積V之耐壓容器。任何適當的流體皆可容納在氣體鋼瓶100內。然而，本具體實例是關於(但是並不受限於此)不含雜質例如粉塵及/或水份之純化永久氣體類。此等氣體之非限制性實例可為：氧氣、氮氣、氬氣、氦氣、氫氣、甲烷、三氟化氮、一氧化碳、氪氣或氖氣。
閥104是包含：外罩(housing)108、出口(outlet)110、閥體(valve body)112及閥座114。該外罩108是包含：互補螺紋(complementary screw thread)，用於銜接氣體鋼瓶體102之開口106。該出口110是使其適配且配置成可使得氣體鋼瓶100連接到在氣體鋼瓶組合中之其他構件，例如軟管、管線或其他壓力閥或調節器。該閥104是可視需要而包含一VIPR(具有整合型壓力降低之閥：Valve with Integrated Pressure Reduction)。在此情況下，調節器150是可加以省略。
閥體112是可藉由轉動可握緊之手柄(graspable handle)116，以軸向調整朝向或遠離閥座114而可選擇性地開放或關閉出口110。換句話說，該閥體112朝向或遠離閥座114之移動，則可選擇性地控制介於氣體鋼瓶體102之內部與出口110間之輸送通道的區域。此可連續不斷地輪流控制從氣體鋼瓶100之內部到外部環境之氣體的流動。
調節器150是設置在出口110之下游。該調節器150具有入口152及出口154。該調節器150之入口152是連接到入口管156，其係提供一介於氣體鋼瓶100之出口110與調節器150間之溝通路徑。該調節器150之入口152是配置成可接收來自氣體鋼瓶100之出口110在高壓下之氣體。此可為任何適當的壓力；然而，一般而言，退出出口110之氣體的壓力將為超過20 bar，且更可能為在100至900 bar之範圍。
出口154是連接到出口管158。聯結器(coupling) 160是設置在出口管158之遠側末端，且使其適配而連接到需要氣體之又一管路或裝置(未展示)。
量計組合200是設置在介於出口154與聯結器160間且與出口管158溝通。該量計組合200是設置在緊鄰調節器150之下游，且配置成可測定輸送至出口160之氣體的質量流率。
根據本發明之第一具體實例的該調節器150及量計組合200是更詳細地展示於第2圖。
在此具體實例中，該調節器150是包含單膜片調節器(single diaphragm regulator)。然而，熟習此技藝者將可容易地瞭解的是可使用於本發明之變異例，例如雙膜片調節器或其他配置。
調節器150是包含與入口152及出口154溝通之閥區162。該閥區162是包含設置在鄰近閥座166之提動閥(poppet valve) 164。該提動閥164是連接到膜片(diaphragm) 168，其係構成為可使得提動閥164之直移運動朝向及遠離閥座166而可分別關閉及開放介於其間之開口170。該膜片168是藉由設置在軸174周圍之彈簧172而可彈性回復地偏置。
調節器150是可操作而接收來自在全鋼瓶壓力(例如，100 bar)之出口110的氣體，但是將實質地恆定的固定低壓(例如，5 bar)之氣體輸送至出口154。此是藉由反饋機制來達成，藉此開口170之下游之氣體的壓力是可操作而與彈簧172之偏置力(biasing force)成相反地作用在膜片168上。
若在鄰近膜片168區域之氣體的壓力超過特定的範圍，則該膜片168是可動作而向上移動(相關於第2圖)。因此，提動閥164移動至更接近閥座166而縮減開口170之大小，因此可限制從入口152至出口154之氣體的流動。一般而言，彈簧172的阻力與氣體的壓力間之競爭力將導致膜片之一平衡位置，因此可在出口154輸送恆定壓力之氣體。
其係配備可握緊之手柄176以使得使用者可調整彈簧172之偏置力，藉此而可移動膜片168之位置，因此可調整介於提動閥164與閥座166間之平衡間隔。此使其可調整來自出口110之高壓氣流可通過的開口170之大小。
量計組合200是包含本體(body)202及感測器組合204。該本體202可包含任何適當的材料，例如鋼、鋁或複合材料。該本體202是包含導管206及外罩208。導管206是與出口管158的內部溝通且配置成與其連接。該導管206提供一介於出口154與聯結器160間(且同時，使用者之裝置或應用連接到聯結器160)之溝通路徑。
孔口板(orifice plate)210是設置在導管206之內部。該孔口板210是包含劃定節流孔口(restricted orifice)212界限之壁。該孔口板210在導管206內形成流動限制。該孔口(orifice) 212具有截面積A相對於導管406之截面積為較小，使得通過孔口212之流速是在扼流條件，如稍後將加以說明者。
雖然孔口板210如第2圖所示為一薄壁板，此並不需要為如此。該孔口板210可採用任何適當的壁之形態，且可具有錐形外形、或可具有比如圖所示較大的厚度。另一可行方法是也可使用任何適當的流動限制以取代該孔口板210。例如，該流動限制是可包含一部份為比其餘更狹窄直徑之管。熟習此技藝者將可容易地瞭解的是也可使用其他可行的流動限制，以提供在使用時通過會發生扼流之節流孔口212。
在本具體實例中，該導管206具有長度為數公分之等級。孔口板210劃定一具有直徑範圍為在0.1毫米至4毫米之孔口212的界限。對於例如氮氣或氬氣之氣體而言，此足以提供扼流條件，且供應通過孔口212之氣體的流率為介於11至40公升/分鐘間。對於具有較低分子量之氣體而言，孔口212之直徑可加以縮小而達到類似的流率。另一可行方法是對於較大的流率，該孔口212可按照比例而加以擴大，其限制條件為上游壓力是充分地高於下游壓力以產生通過孔口212之扼流條件。
孔口板210將導管206之內部分成孔口板210之上游的上游區域214、及孔口板210之下游的下游區域216。在使用時，當氣體是從調節器150之出口154流入導管206之上游部214時，該孔口板210將作用如同一流動限制，結果導致介於導管206之上游214與下游216部份間之壓力差異。因此，該導管206之上游部份214是在第一壓力P1 ，而導管之下游部份216是在第二壓力P2 (因此，在使用時為較低)。此稍後將詳細地加以說明。
外罩208是設置在鄰近導管206之上游部份214，且配置成可容納感測器組合204之至少一部份。該外罩208之內部可為在大氣壓力、或可為與導管206的內部溝通，因此是在與出口管158之內部相同的壓力下。此將排除對於介於外罩208與導管206之內部間之壓力饋通的需要。
另一可行方法是該外罩208是可配備成為導管206之一部份。例如，該導管206之一部份可加寬以收納感測器組合204。
此等配置是具有實務應用性，因為本發明人已發現：僅少數的感測器組合204之構件對於高壓是具有敏感性。特別是較大的構件例如電池是易受到高壓的影響。然而，已發現鋰離子電池在涉及高壓之導管206的上游部份214內的性能是特別優良。因此，電池224是包含鋰離子電池。然而，熟習此技藝者將可容易地預期其他可行適當的電源。
感測器組合204之潛在性位置是可整體在導管206內，當構成量計組合200時，則可提供額外的適應性。特別是相對脆弱性電子構件之設置是整體在本體202之金屬或複合壁內，並不需要例如外罩208之突出部，則可提供相當大的保護而免於環境或意外的損壞。此對於例如在儲存區域或補給站(depots)，氣體鋼瓶可能是設置在與其他氣體鋼瓶、重型機械或粗糙表面相毗鄰是特別重要。
除此以外，該感測器組合204之內部設置可保護此等構件免於環境條件例如鹽、水及其他污染物的損壞。此將允許例如對於鹽及水之損壞具有高度敏感性的高阻抗電路(high impedance circuit)可用作為感測器組合204的零組件。
量計組合200是配置成可測量通過通過孔口212之氣體的質量流率。此氣體是藉由感測器組合204加以測量。該感測器組合204是包含：連接到驅動電路220之石英晶體振盪器218、溫度感測器222及電池224。
在此具體實例中，該石英晶體振盪器218及溫度感測器222是設置成與導管206之上游部份214的內部溝通，然而感測器組合204之其餘構件是設置在外罩208內。換句話說，該石英晶體振盪器218是浸沒於孔口板210之上游的氣體中。也可配備微處理器(microprocessor) 240，其可分開或作為驅動電路220之一部份兩者之一皆可。
驅動電路220及石英晶體振盪器218稍後將參照第4及5圖加以說明。溫度感測器222是包含溫度計。也可使用任何適當的溫度計。溫度計是不需要高準確度，例如0.5℃之準確度是適用於此具體實例。因此，可使用廉價且小的構件。
在此配置中，該石英晶體振盪器218在導管206內是經常在等靜壓力(isostatic pressure)下，因此並不會經歷到壓力梯度(pressure gradient)。換句話說，源自介於外部大氣與該量計組合200之本體202的內部間之壓力差異的任何機械式應力是表示橫過該本體202。
本發明之第二具體實例是展示於第3圖。在第3圖所展示之第二具體實例的特徵中，與第2圖之第一具體實例相同的部份是賦予相同的元件代表符號(reference numerals)，因此在此將不再加以說明。
在第3圖之具體實例中，調節器300與第2圖具體實例之調節器150不同的是該調節器300是配置成可藉由電磁閥(solenoid valve) 302而提供來自出口154之氣體的自動化控制。該電磁閥302是包含電樞(armature) 304，其係可響應通過電磁閥302的線圈(未展示)之電流而移動。該電樞304是可移動而直接開放或關閉提動閥164，因此也包括開口170。
在第3圖所展示之電磁閥302是在正常開啟條件。換句話說，並無電流通過該電磁閥302，電樞304是在伸展位置而使得提動閥164是開放，亦即開口170是開放。若電流施加到該電磁閥302，則該電樞304將會撤回且該提動閥164將會關閉。
熟習此技藝者將可容易地瞭解的是可使用於本發明之電磁閥之其他可行的變異例。例如，電樞304可直接作用在膜片，或可控制通過狹窄導管而與出口154溝通之流動，以調節膜片168之移動。另一可行方法是該提動閥可加以刪除，且該膜片168本身可為閥構件而直接控制從入口152至出口154之氣體的流動。
第二具體實例是包含量計組合350。為清楚之目的，該量計組合350之構件中，與該量計組合200相同的部份是賦予相同的元件代表符號。
量計組合350是實質地類似於第一具體實例之量計組合200。然而，該量計組合350是又包含電子式螺線管驅動裝置(electronic solenoid drive) 352，連接到電磁閥302及連接到感測器組合204。該螺線管驅動裝置352是配置成可接收來自感測器組合204之訊號，且可控制電磁閥302以響應該訊號，因此可控制通過調節器300之流動。
螺線管驅動裝置352是可包含任何適當的用於控制電磁閥302之驅動電路。一適當的電路可為運算放大器配置(operational amplifier arrangement)，其係具有一從感測器組合204至運算放大器之負極端子的輸入。因此，對於正極端子可搭接一設計成可提供一恆定參考位準且作用如同一比較器(comparator)之可變式電阻器。
從感測器組合204至螺線管驅動裝置352的輸入將會造成電磁閥302之動作。例如，若來自該感測器組合204(或另一選擇為微處理器240)的輸入訊號超過特定的臨限位準(threshold level)，則該螺線管驅動裝置352可激發該電磁閥302。該電磁閥302是可以數位式(亦即，on或off)方式加以控制，其中DC電壓是在介於最大與最小值間變化。另一可行方法是來自該螺線管驅動裝置352之DC電壓可為可連續地變化而以類比式方式準確地調整提動閥164之位置。
除此以外或另一可行方法是螺線管驅動裝置352藉由包含交流分量之直流輸出而可控制電磁閥302。因為電樞304從該電磁閥302之伸展是約與所施加的電流成比例，此會造成該電磁閥302之電樞304振盪。如此的振盪可減輕該電樞304之「靜摩擦(stiction)」，亦即有助於防止該電樞304變得卡住或塞住。
另一可行方法是其他控制配置，例如FETs(場效電晶體類：Field Effect Transistors)、微處理器或ASICs(特定應用積體電路：Application Specific Integrated Circuits)可適當地用於控制電磁閥302之動作。此外，如前所述，該電磁閥302是可以數位式(亦即，on/off)或類比式(亦即，可連續地變化)兩者之一皆可的模式而動作，使得提動閥164或類似物可準確的移動。
第一或第二具體實例可額外地包含顯示器(未展示)，以對使用者展示在所偵測之氣體實施測量的結果。另一可行方法是該顯示器可設置在量計組合200,350之遠端，且相關的數據是可進行遠端通訊。
欲能使得石英晶體振盪器218可提供準確的測量，石英晶體振盪器218必須保持不含粉塵、水份及其他污染。雖然此對於商品級所供應之封裝氣體(其係極潔淨)並不是問題，但是該量計組合350也可使用在環境污染可能是顯著的問題的情況。
因此，量計組合200,350是配備一設置在石英晶體振盪器218與主氣流間之濾網354。該濾網354是可具有任何適當的孔徑。孔徑為在5至10 μm之範圍是特別適合於此應用。該濾網354(或類似的濾網)是可應用到先前所揭述的第一具體實例。
另一可行方法是該濾網354可加以省略，若石英晶體振盪器218是設置在充分地小而可防止粉塵或其他污染物之進入之開口的後方。例如，0.25 mm之開口大小將適合使用而並不需要濾網，其限制條件為氣體的全部上游壓力是可以此方式而測量。
例如，第一或第二具體實例兩者之一又包含天線，用於與例如基地台遠端通訊(未展示)。此將討論於後。在此情況下，該天線是可位於該本體202之外部，且藉由電線或等效接頭而連接到感測器組合204。
天線本身是可使其適配且配置成可使用任何適當的通訊協定(communication protocol)，例如其非限制性例示可為：RFID(無線射頻識別技術：Radio-frequency identification)、藍牙(Bluetooth)、紅外線(IR：Infra Red)、802.11無線、調頻(FM：Frequency Modulation)傳輸或蜂窩網路(cell network)。
另一可行方法是可執行一線式通訊(one-wire communication)。一線式通訊僅需要一單金屬導體以進行通訊。電路之「回程通路(return path)」是藉由經由介於通訊裝置間之空間的電容耦合(capacitive coupling)而提供。熟習此技藝者將可容易地瞭解的是天線之其他替代方式(及相關的傳輸硬體)也可使用於在此所論述的具體實例。
例如，通訊是可藉由來自在外罩208內之聲響傳輸而有效地實施。設置在外罩208內之發送器(transmitter)是可有效地實施聲響傳輸。該發送機是可包含例如簡單的固定頻率壓電式共振器。
互補接收器(complementary receiver)也是需要，且此構件例如可設置在量計組合200,350之遠端，且可包含硬體例如與麥克風(microphone)整合之鎖相回路音調偵測器(phase-locked loop tone detector)。
感測器組合204，現在將參照第4及5圖更詳細地加以說明。石英晶體振盪器218是包含一平面截面之切割石英。石英是會顯示壓電行為，亦即施加電壓橫過晶體，則會造成晶體改變形狀而產生一機械力。相反地，對晶體施加一機械力，則會產生電荷。
石英晶體振盪器218之兩個平行表面是加以金屬化，以提供電氣連接橫過塊狀晶體。當藉由金屬接觸而施加電壓橫過晶體時，則晶體會改變形狀。藉由對晶體施加交變電壓(alternating voltage)，則會造成晶體振盪。
石英晶體之外形尺寸及厚度決定石英晶體之特性或共振頻率。事實上，石英晶體振盪器218之特性或共振頻率是與兩個金屬化表面間之外形厚度成反比例。石英晶體振盪器是在此技藝中眾所皆知者，因此石英晶體振盪器218之結構在此將不再進一步加以說明。
除此以外，該石英晶體之共振振動頻率將視其晶體所設置的環境而變化。在真空中，晶體將具有一特定頻率。然而，此頻率在不同的環境中將會改變。例如，在流體中，晶體之振動將會受到周圍的分子而發生阻尼，且此將會影響共振頻率及晶體在一特定的振幅振盪所需要的能量。
除此以外，氣體之吸附或周圍物質之沉積在晶體上將會影響到振動中晶體的質量、改變共振頻率。如此物質之吸附或沉積會在晶體上形成吸附層，且當氣體吸附時質量會增加，此是構成一般使用的選擇性氣體分析儀之理論基礎。
然而，在本情況，並無覆層(coating)施加到石英晶體振盪器218。事實上，物質之沉積在石英晶體振盪器218上在本情況為非吾所欲，因為測量之準確度可能會受到影響。
如第4圖所示，本具體實例之石英晶體振盪器218是音叉形狀，且包含一對叉齒218a，約5毫米長且配置成可在32.768 kHz之共振頻率振盪。該叉齒218a係形成於石英之平面截面。該叉(fork)之叉齒218a通常是在彼等之基本模態振盪，且彼等是在共振頻率同步地移動朝向及遠離彼此。
熔合型(非結晶性)石英具有非常低溫度-相依性膨脹係數及低彈性係數。此會減少基本頻率對於溫度之相依性，且溫度效應減至最小，如將展示於後者。
除此以外，較佳為使用AT切割或SC切割之石英。換句話說，該石英之平面截面是在特定的角度切割，使得振盪頻率之溫度係數可配置成在室溫附近具有寬幅波峰之拋物線。因此，該晶體振盪器可配置成使得在波峰頂部的斜率是精確地為零。
此等石英晶體通常是可以相對低成本獲得。與在真空中使用之大多數的石英晶體振盪器相反，在本具體實例中之石英晶體振盪器218是暴露於在導管206中在壓力下之氣體中。
用於驅動石英晶體振盪器218之驅動電路220是展示於第4圖。該驅動電路220必須符合數個特定的關鍵條件。第一，本發明之石英晶體振盪器218是可暴露於一定範圍之氣體壓力；若氣體鋼瓶含有經加壓之氣體例如氫氣，則壓力是具有潛力可變化從大氣壓力(當氣體鋼瓶100是空瓶時)至約900 bar g。因此，石英晶體振盪器218是需要可在寬廣範圍之壓力下作業(及在未使用一段期間後重新啟動)。
因此，石英晶體振盪器218之品質(Q)因素在使用期間將會顯著地變化。該Q因素是與振盪器(oscillator)或共振器(resonator)之阻尼化率(rate of damping)相關的無因次參數。此相當於其可定性共振器相對於其中心頻率之帶寬(bandwidth)。
一般而言，振盪器之Q因素愈高，則振盪器之能量損失率相對於所儲存能量愈低。換句話說，高Q因素振盪器之振盪在無外力下振輻之減少更緩慢。具有較高Q因素之正弦驅動共振器(sinusoidally driven resonators)在共振頻率以較大的振幅共振，但是在該彼等共振的頻率附近具有較小的帶寬。
驅動電路220必須能驅動石英晶體振盪器218，不管變化中的Q因素如何。當在氣體鋼瓶100中之壓力增加時，石英晶體振盪器218之振盪阻尼將會變得增加，且該Q因素將會下降。該下降的Q因素是需要藉由在驅動電路220中之放大器(amplifier)提供較高的增益。然而，若所提供的放大率太高，則該驅動電路220、來自石英晶體振盪器218之響應可能會變得不易區別。在此情況下，該驅動電路220可在非相關的頻率、或在石英晶體振盪器218之非基本模態的頻率單純地振盪。
關於又一限制是該驅動電路220必須為低功率，使其可在具有或無補充電力例如光電伏打電池下，以低功率電池長時間運轉。
驅動電路220，現在將參照第4圖來加以說明。欲能驅動石英晶體振盪器218，該驅動電路220在本質上是取得來自石英晶體振盪器218之電壓訊號，將其放大，且將該訊號回饋至石英晶體振盪器218。該石英晶體振盪器218之基本共振頻率在本質上是石英之膨脹與收縮速率的函數。此通常是藉由晶體之切割及大小而決定。
然而，外部因素也會影響到共振頻率。當所產生的輸出頻率之能量符合在電路中的損失時，則振盪可持續。該驅動電路220是配置成可偵測及維持此振盪頻率。然後，該頻率可藉由微處理器240加以測量而用於計算使用者所需要的氣體之適當的性質，且若有需要時可輸出至一適當的顯示器裝置(如後所揭述者)。
驅動電路220是藉由6 V電池224來提供電力。在此具體實例中，該電池224是包含鋰離子電池。然而，另一可行電源對於熟習此技藝者將是顯而易見，例如其他電池類型是包括可再充電與非可再充電兩者、及太陽能電池配置。
驅動電路220是又包含達靈頓對公用射極放大器(Darlington pair Common Emitter amplifier) 226。該達靈頓對是包含由兩個雙極型NPN電晶體(bipolar NPN transistor)所構成之複合結構，使得藉由第一電晶體(transistor)加以放大之電流進一步藉由第二者加以放大。此架構，當與各電晶體是採用分離方式者相比較時，則其可獲得較高的電流增益。另一可行方法是也可使用PNP雙極型電晶體。
達靈頓對226是配置成從單電晶體(single transistor)(T1 )公用射極放大器(Common Emitter amplifier) 228之反饋架構。NPN雙極型接面電晶體(NPN bipolar junction transistor)是展示於第4圖。然而，熟習此技藝者將可瞭解的是也可使用另一可行電晶體配置，例如雙極型接面PNP電晶體或金屬氧化物半導體場效電晶體類(MOSFETs：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)。
驅動電路220是又包含一NPN射極隨動器電晶體(NPN emitter follower transistor) T2 ，其作用如同一緩衝放大器(buffer amplifier) 230。該緩衝放大器230是配置成作用如同介於電路與外部環境間之緩衝器。然而，此功能是視需要而選用且可能不需要，例如FET可直接連接而驅動電路220。
電容器(capacitor) 232是設置成與石英晶體振盪器218成串聯。在此實例中，該電容器232具有100 pF之值，且在晶體例如受到鹽類或其他沉積物而已被污染的情況，則使得驅動電路220能驅動石英晶體振盪器218。
除此以外，該驅動電路220可為石英晶體振盪器218之快速啟動而加以最適化。為達成此目的，在介於電晶體D1 之基極(base)與接地(ground)間可進一步連接另一電阻及另一電容器。此等構件也可包含例如10 MΩ電阻及10 nF電容器。
另一可行驅動電路260，現在將參照第5圖來加以說明。如第5圖所示之驅動電路是構成為類似於一皮爾斯振盪器(Pierce oscillator)。皮爾斯振盪器是一種習知的數位式IC時鐘振盪器(digital IC clock oscillator)。在本質上，該驅動電路260是包含：一單數位反相器(single digital inverter)(以電晶體的形式)T、三個電阻R1 ,R2 及RS 、兩個電容器C1 ,C2 、及石英晶體振盪器218。
在此配置中，該石英晶體振盪器218作用如同高選擇性濾波器元件(filter element)。電阻R1 作用如同電晶體T之負載電阻(load resistor)。電阻R2 作用如同反饋電阻(feedback resistor)，在其作業之線性區域對反相器(inverter) T加偏壓(biasing)。此可有效地使得反相器T作業如同高增益反相放大器(inverting amplifier)。另一電阻RS 是使用於反相器T之輸出與石英晶體振盪器218間，以限制增益及在電路中非所欲之振盪阻尼化。
石英晶體振盪器218與C1 及C2 組合而形成Pi網路帶通濾波器(Pi network band-pass filter)。此使其能在約石英晶體振盪器218之共振頻率獲得180度相位位移(phase shift)及從輸出至輸入之電壓增益(voltage gain)。如上所述之驅動電路260是可靠且可以廉價製造，因為其包含較少的構件。此電路是也特別適用於低壓力應用。
如上所述，感測器組合204是可包含微處理器240，其係接收來自石英晶體振盪器218及驅動電路220之輸入。該微處理器240是可包含任何適當的配置，例如ASIC(特定應用積體電路：Application Specific Integrated Circuit)或FPGA(現場可程式化閘陣列：Field Programmable Gate Array)。該微處理器240是加以程式化以計算、且若有需要時可顯示及傳輸通過孔口212之氣體的質量流率之測定結果。
當與石英晶體振盪器218一起使用時，微處理器240是可構成為可測量來自驅動電路220之訊號的頻率f或週期。此可藉由例如計數在固定時間之振盪來達成，且使用演算法(algorithm)或查表法(look-up table)而將該頻率換算成密度值。此數值是傳遞至該微處理器240。
微處理器240也接收從溫度感測器222所測得溫度T。微處理器240是配置成可根據所供應的輸入資訊而實施計算，以測定通過孔口212之氣體的質量流率。
一旦該質量流率已測得，此數據是可儲存在定域記憶體(local memory)、也可顯示在顯示器螢幕上、或也可傳送至遠端站。
微處理器240是可視需要設計成適用於大量生產而使其在所有的量計組合200中為完全相同，且在軟體及硬體中具有不同的功能而可用於不同的氣體。
除此以外，該微處理器240也可構成為可將功率消耗最小化，其係經由執行可涵蓋微處理器240、及附加的構件例如驅動電路220及石英晶體振盪器218之「待機(standby)」或「睡覺(sleep)」模式。
可執行各種的方案：例如，微處理器240在每11秒鐘中可待機10秒鐘。此外，該微處理器240可控制石英晶體振盪器218及驅動電路220使得此等構件大部份時間是處於待機狀態，僅對於更高耗電構件切換成每30秒鐘為接通秒鐘。
感測器組合204之理論及操作，現在將參照第6及7圖來加以說明。
石英晶體振盪器218具有一共振頻率，且其係視其所設置之流體的密度而定。在振盪中之音叉型平面晶體振盪器暴露於氣體中會導致晶體之共振頻率發生位移及阻尼化(當與晶體在真空中之共振頻率相比較時)。對於此是有數個理由。然而，氣體對於晶體之振盪是具有阻尼化效應(damping effect)，氣體鄰近在振動中之音叉晶體振盪器218的振動中叉齒218a會增加振盪器之等效質量。根據單側固定彈性樑(one-sided,fixed elastic beam)之動作，此會導致石英晶體振盪器之共振頻率降低：
其中，是共振角頻率(resonant angular frequency)的相對變化、ρ是氣體密度、t是石英振盪器的厚度、ρq 是石英振盪器的密度且w是叉的寬度。c1 及c2 是幾何形狀相依性常數，且是如下所定義之氣體之表面層的厚度：
其中，η是氣體的溫度相依性黏度。
方程式1)之兩部份係相關於：a)在石英晶體振盪器218之叉齒上之氣體的附加質量；及b)在振盪期間，在叉齒之最外表層上出現的剪切力。
因此，該方程式是可加以重寫而以頻率來表示且簡化成：
其中，A=、B=、C是偏置常數(offset constant)且f0 是晶體在真空中之自然共振頻率。
本發明人已發現：一適當的最佳近似法(good approximation)是可藉由下式之近似法來獲得：
4)　Δf Aρ 。
因此，以最佳近似法，則頻率之變化是與石英晶體振盪器所暴露之氣體的密度之變化成比例。第6圖是展示對於數種不同的氣體/氣體混合物之石英晶體振盪器218之共振頻率作為密度的函數而以線性變化。
一般而言，石英晶體振盪器218之靈敏度為5%之頻率變化是可例如在250 bar(當與大氣壓力相比較)之氧氣(具有分子量為32原子質量單位(AMU))觀察到。此等壓力及氣體密度是永久氣體類所使用的儲存鋼瓶之典型數值，對於大多數的氣體通常為介於137與450 bar g間，而對於氦氣及氫氣則為高達700或900 bar g。
石英晶體振盪器218是特別適合用作為商品級所供應之氣體的密度感測器而形成質量流量計之一部份。欲能正確地感測氣體的密度，其係需要氣體為不含粉塵及液滴，此是商品級所供應之氣體所保證者，但是並不保證不含空氣或在一般的壓力監控狀態下。
一旦從石英晶體振盪器218獲得該密度值，則可測定通過孔口212之氣體的質量流率。該通過孔口之質量流率Q是定義為：
5)　Q =kvρA
其中，k是常數、v是氣體的速度、ρ是氣體的上游密度且A是孔口A之截面積。然而，從白努利方程式(Bernoulli’s equation) 6)：
當孔口之截面積減少，則氣體的速率將會增加而氣體的壓力將會降低。
通過孔口212之質量流率的測定是視習知的「扼流(choked)」或「臨界(critical)」流動的條件而定。當氣體速度達到音速條件，亦即當由於孔口板210所造成的流動限制是使得氣體流經孔口212的速度達到聲音速度時，則會出現如此的情況。當上游壓力P1 是至少0.5 bar高於下游壓力P2 ，此會發生。
一旦符合此條件時，空氣通過孔口212之速度進一步增加是非常少。因此，在扼流條件，其中該v=c(在此所討論的在氣體中之聲音速度)，則方程式5)變成為：
7)　Q =kcρA
因此，對於具有固定截面積A之孔口而言，通過孔口212之質量流動是僅視上游密度而定。此是石英晶體振盪器218配置成可測量所欲的參數。
除此以外，聲音速度c是與絕對溫度之平方根√T成比例。然而，如前所述，溫度感測器222並不需要特別準確。例如，若在300°K時溫度之誤差為0.5°K，則在所計算得之聲音速度，此轉換成僅為1:1200誤差。因此，對於許多應用而言，並不需要溫度感測器222而可加以刪除。
第7圖係例示質量流率測量之實驗數據。第7圖是對於氮氣之共振頻率(kHz)(在Y-軸)作為氣體流率(公升/分鐘)(在X-軸)的函數之圖。如所展示者，該圖是高度地線性且顯示質量流率是可使用石英晶體振盪器218而準確地加以測量。
此外，該石英晶體振盪器218之高準確度可使得測量至具有百萬分比(ppm)之解析度的高準確度。配合石英密度感測器218在高密度及壓力下之線性響應，則高準確度使其可準確地測量非常輕的氣體例如H2 (氫氣)及He(氦氣)之質量流率。
一種根據本發明之一具體實例的方法，現在將參照第8圖來加以說明。如下所述的方法是可應用到如上所述第一與第二具體實例之任一者。
步驟400：初始化測量
在步驟400，通過孔口212之氣體的質量流率之測量是加以初始化(intialised)。此可藉由例如使用者按壓在外罩208之外部的按鈕來加以啟動。另一可行方法是測量可藉由遠端連接而加以初始化，例如訊號是藉由無線網路而傳送，且經由天線而被量計組合200,350接收。
關於又一可行或附加的方法，該量計組合200,350可使其構成為以遠端式或計時器初始化。然後，該方法係實施步驟402。
步驟402：驅動石英晶體振盪器
一旦初始化，驅動電路220是用於驅動石英晶體振盪器218。在初始化期間，該驅動電路220施加隨機雜訊交流電壓橫過石英晶體振盪器218。該隨機電壓之至少一部份將在適當的頻率造成石英晶體振盪器218振盪。然後，該石英晶體振盪器218將開始與該訊號同步而振盪。
應該暸解的是石英晶體振盪器218在本質上是一種自足式偵測器及驅動器，因為晶體本身之共振頻率將被測得。
藉由壓電效應，則石英晶體振盪器218之動作將會在石英晶體振盪器218之共振頻帶產生一電壓。然後，驅動電路220將藉由該石英晶體振盪器218所產生的訊號加以放大，使得在石英晶體振盪器218之頻帶所產生的訊號優控驅動電路220之輸出。石英晶體之狹幅共振頻帶濾除全部非所欲之頻率，然後該驅動電路220驅動該石英晶體振盪器218在基本共振頻率f。一旦該石英晶體振盪器218已經穩定在一特定的共振頻率，然後該方法係實施步驟404。
步驟404：測量石英晶體振盪器之共振頻率
共振頻率f是視在導管206之上游部份214內的環境 條件而定。在本具體實例中，以最佳近似法，則該共振頻率Δf之變化是與在導管206之上游部份214之氣體的密度之變化大小成比例，且將隨著密度增加而減少。
欲能實施測量，石英晶體振盪器218之頻率是測量歷時約1秒鐘。此是為使得讀數穩定化而計數足夠的振盪以測定準確的測量。該頻率之測量是在微處理器240中進行。當測量啟動後，該微處理器240也可測錄(log)時間T1 。
一旦該頻率已測得，然後該方法係實施步驟406。
步驟406：測量氣體的溫度
在步驟406，溫度感測器222測量在導管206之上游部份214內之氣體的溫度。欲能準確地測定在氣流中之聲音速度，則此測量是需要的。
如前所述，溫度測量並不需要特別準確。例如，若溫度感測器222是準確至0.5℃，以在稍後步驟中聲音速度之計算所需要的絕對溫度值為基準，則此是相對應於誤差為僅約1200分之1。
關於另一可行方法是此步驟可簡單地涉及將一固定溫度值輸入至微處理器240。此可能發生，例如在其是使用已知的溫度環境、或其係並不需要高準確度的情況。在此情況下，並不需要溫度感測器222。
步驟408：測定氣體的質量流率
此是藉由使用上述方程式7)來完成，其中該孔口212之上游之氣體的密度ρ、及視需要之氣體的溫度T是已知。因此，若知道經在步驟404所測得之共振頻率、(視需要而定)經在步驟406所測得之氣體之已知的溫度T，則可達成通過孔口212的質量流率之準確的測量。然後，該方法係實施步驟410。
步驟410：通訊及儲存結果
氣體的質量流率是可以數種方式來顯示。例如，附設在外罩208、本體202或調節器150,300之螢幕(未展示)可顯示通過孔口212之氣體的質量流率(且因此，從聯結器160吐出之氣體的質量流率)。在另一可行方法中，該質量流率測量是可以遠端式與基地台或位於鄰近的配件之量計進行通訊，如稍後將加以說明者。
關於再一可行方法，在時間T1 之該氣體的質量流率可暫時儲存在該微處理器240之記憶體中而產生一時間測錄(time log)。
然後，該方法係實施步驟412。
步驟412：省電模式感測器組合
其並不需要維持該量計組合200,350在所有的時間皆可作業的狀態。相反地，藉由當不在使用時將量計組合200,350關閉以減少功率消耗是有利的。此可延長電池224之使用壽命。
驅動電路220之架構可使得石英晶體振盪器218重新啟動，不論在導管206之上游部份214之壓力如何。因此，該量計組合200,350可視需要而加以停機以節省電池電力。
上述具體實例之變異例對於熟習此技藝者將是明顯可見。硬體與軟體構件之精確的架構可能會不同，但是仍然屬於本發明之範圍內。熟習此技藝者將可容易地瞭解的是也可使用之其他可行的架構。
例如，如上所述之具體實例是使用具有基本頻率為32.768 kHz之石英晶體振盪器。然而，也可使用在其他可行頻率作業之晶體。例如，在60 kHz及100 kHz作業之石英晶體振盪器也可使用於上述具體實例。一展示對於不同的晶體之頻率隨著密度之變化之圖是如第9圖所示。關於另一實例，也可使用在頻率為1.8 MHz作業之晶體振盪器。
較高頻率作業可使其更頻繁地監控壓力，由於取樣一特定周期數所需要的時間期間較短。除此以外，較高頻率晶體可使其在晶體之「睡覺」模式所使用的工作週期較小。舉例來說明，在大多數的情況下，該晶體及驅動電路將花費大部份的時間關閉，僅在測量需要時將其開啟歷時約1秒鐘。此可能發生例如每分鐘一次。當使用較高頻率晶體時，則可較快速地測得壓力。因此，可縮減其中晶體是在作業中的時間。此可減少功率消耗，且伴隨著可改善電池使用壽命。
除此以外，上述具體實例已藉由測量石英晶體振盪器之絕對頻率而加以說明。然而，在自足式(self-contained)電子產品併用入一搭配調節器之氣體鋼瓶中，藉由與完全相同類型但是封閉在真空或耐壓封裝的參考晶體(reference crystal)之頻率相比較而測量感測器之頻率位移可能也是有利的。該耐壓封裝可含有在所選擇的密度之氣體、在大氣條件下或可開放至氣體鋼瓶之外部的大氣之氣體。
一適當的感測器組合500是展示於第10圖。該感測器組合500是包含第一石英晶體振盪器502及第二石英晶體振盪器504。第一石英晶體振盪器502是一種參考晶體，且其係設置在真空下之密封容器506內。第一石英晶體振盪器502是藉由驅動電路508而驅動。
第二石英晶體振盪器504是一種類似於在先前具體實例中所揭述之石英晶體振盪器218的晶體。第二石英晶體振盪器504是暴露於在外罩208內的氣體環境中。第二石英晶體振盪器504是藉由驅動電路510而驅動。
此比較係可藉由使用電子式混頻電路(electronic mixer circuit) 512而實施，其係組合雙頻訊號，且在等於兩個晶體間之差異的頻率產生一輸出。此配置可使其忽視由於例如溫度之小變化。
此外，在感測器組合204中所使用的電路可加以簡化，由於僅差異頻率是需要加以測量。此外，此手段是特別適合使用於其可能不易直接測量晶體頻率之高頻(MHz)晶體振盪器。
除此以外，測量及顯示密度、質量或質量流量所需要的全部電子產品並不需要安裝在氣體鋼瓶上或其中。例如，根據電子產品功能可分成：永久安裝在鋼瓶上的單元、及安裝在客戶之使用站或暫時安裝在鋼瓶之出口例如一般傳統的流量計所使用的位置上兩者之一皆可的單元。
此配置之一實例是可參照如第11圖所展示者。該配置是包含：含有氣體鋼瓶600、調節器602及質量流率計(mass flow rate meter) 604的氣體鋼瓶組合60。該氣體鋼瓶600、調節器602及質量流率計604是實質地類似於氣體鋼瓶100、調節器150及量計組合200,350，如先前在參照先前具體實例已實質地加以說明者。
在此具體實例中，質量流率計604是包含：石英晶體振盪器及驅動電路(未展示)，類似於先前具體實例之石英晶體振盪器218及驅動電路220。天線606是配備用於經由任何適當的遠端通訊協定(remote communication protocol)之通訊，例如藍牙、紅外線(IR)或RFID(無線射頻識別技術)。另一可行方法是也可使用一線式通訊。
關於另一可行方法是也可使用聲響通訊方法(acoustic communication method)。此方法之優點是遠端通訊並不需要外部天線而可有效地達成。
連接管608是連接到氣體鋼瓶600之出口。該連接管是藉由快速連接之接頭(quick connect connection) 610而終接。該快速連接之接頭610可使得輸送管線或構件容易且快速地與氣體鋼瓶600連通及拆卸。
快速連接單元(quick connect unit) 650是配備用於連接到氣體鋼瓶600。互補性快速連接之接頭(complementary quick connect connector) 612是提供用於連接到接頭(connector) 610。此外，該快速連接單元650是配備數據單元(data unit) 652。該數據單元652是包含顯示器654及天線656用於與氣體鋼瓶組合60之天線606通訊。該顯示器654也可包含例如LCD、LED或日光可讀顯示器(daylight-readable display)以將功率消耗最小化、及將顯示器之視認性最大化。
數據單元652可測錄藉由氣體鋼瓶組合60之質量流率計604所測得之各種參數。例如，該數據單元652可測錄相對於時間之質量流率。如此的測錄是有用的，例如，對於焊接包商希望檢查該氣流是存在且在長時間的氣體焊接程序對於關鍵的構件是正確、或對特定客戶的使用量提供公司數據。
另一可行方法是可將獲自數據單元652之數據輸出至一電腦啟動式(computer-enabled)焊接機(用於焊接應用)或其他使用氣體之設備，以允許計算所導出的參數、以及警告訊息。
除此以外，該數據單元652是配置成可提供下列功能：若氣體類型改變時，提供可聽見或看見的警報；含有及顯示氣體的使用數據；提供多模式操作，例如供應商/充填者模式及客戶模式；允許數據之輸入；提供數據，例如鋼瓶數目、氣體之類型、產品檢驗報告書、客戶歷史記錄(何人何日擁有鋼瓶)、安全資料及操作提示是可記載在鋼瓶之摘要表中。
關於另一可行方法是全部上述實例是可從一種整體設置在氣體鋼瓶600或外罩208之上(或之內)的系統而可視需要而加以處理、儲存或獲得，如在量計組合200,350中所論述者。
雖然上述具體實例已參照石英晶體振盪器之用途而加以說明，但是熟習此技藝者將可容易地瞭解的是也可使用另一可行壓電材料類。例如，非限制性例示是可包括晶體振盪器類：包含鉭酸鋰、鈮酸鋰、硼酸鋰、塊磷鋁石、砷化鎵、四硼酸鋰、磷酸鋁、氧化鍺鉍、多晶形鈦酸鋯陶瓷、高氧化鋁陶瓷、矽-氧化鋅複合物、或酒石酸二鉀。
本發明之具體實例已特別參照所例示的實例加以說明。雖然特定的實例是展示於圖式且在本文中加以詳細說明，然而應瞭解該等圖式並不意圖限制本發明為如同所揭示之特定形態。應瞭解的是可在本發明之範圍內對所揭述之實施例作各種變異及改良。
10．．．氣體鋼瓶組合
100．．．氣體鋼瓶
102．．．氣體鋼瓶體
102a．．．底座
104．．．閥
106．．．開口
108．．．外罩
110．．．出口
112．．．閥體
114．．．閥座
116．．．可握緊之手柄
150．．．調節器
152．．．入口
154．．．出口
156．．．入口管
158．．．出口管
160．．．聯結器
162．．．閥區
164．．．提動閥
166．．．閥座
168．．．膜片
170．．．開口
172．．．彈簧
174．．．軸
176．．．可握緊之手柄
200．．．量計組合
202．．．本體
204．．．感測器組合
206．．．導管
208．．．外罩
210．．．孔口板
212．．．孔口(節流孔口)
214．．．上游部份(上游區域、上游部、上游)
216．．．下游部份(下游區域、下游)
218‧‧‧石英晶體振盪器(音叉晶體振盪器)
218a‧‧‧叉齒
220‧‧‧驅動電路
222‧‧‧溫度感測器
224‧‧‧電池
226‧‧‧達靈頓對公用射極放大器
228‧‧‧單電晶體(T1 )公用射極放大器
230‧‧‧緩衝放大器
232‧‧‧電容器
240‧‧‧微處理器
260‧‧‧另一可行驅動電路
300‧‧‧調節器
302‧‧‧電磁閥
304‧‧‧電樞
350‧‧‧量計組合
352‧‧‧螺線管驅動裝置(電子式螺線管驅動裝置)
354‧‧‧濾網
400‧‧‧步驟400：初始化測量
402‧‧‧步驟402：驅動石英晶體振盪器
404‧‧‧步驟404：測量石英晶體振盪器之共振頻率
406‧‧‧步驟406：測量氣體的溫度
408‧‧‧步驟408：測定氣體的質量流率
410‧‧‧步驟410：通訊及儲存結果
412‧‧‧步驟412：省電模式感測器組合
500‧‧‧感測器組合
502‧‧‧第一石英晶體振盪器
504‧‧‧第二石英晶體振盪器
506‧‧‧密封容器
508‧‧‧驅動電路
510‧‧‧驅動電路
512‧‧‧電子式混頻電路
60‧‧‧氣體鋼瓶組合
600‧‧‧氣體鋼瓶
602‧‧‧調節器
604‧‧‧質量流率計
606‧‧‧天線
608‧‧‧連接管
610‧‧‧快速連接之接頭(接頭)
612‧‧‧互補性快速連接之接頭
650‧‧‧快速連接單元
652‧‧‧數據單元
654‧‧‧顯示器
656‧‧‧天線
M‧‧‧量計
P1 ‧‧‧第一壓力(上游壓力)
P2 ‧‧‧第二壓力(下游壓力)
第1圖是氣體鋼瓶及調節器組合(regulator assembly)之示意圖。
第2圖是展示根據本發明之第一具體實例的調節器組合及量計組合之示意圖。
第3圖是展示根據本發明之第二具體實例的調節器組合及量計組合之示意圖。
第4圖是使用於第一或第二具體實例兩者之一的驅動電路之示意圖。
第5圖是展示使用於第一或第二具體實例兩者之一的另一可行驅動電路之示意圖。
第6圖是展示對於數種不同的氣體之石英晶體頻率(kHz)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )的函數之圖。
第7圖是展示石英晶體頻率(kHz)(在Y-軸)作為通過孔口的質量流率(公升/分鐘)的函數之圖。
第8圖是例示一種根據所揭述之一具體實例的方法之流程圖。
第9圖是展示不同的晶體類型之頻率特性之圖。
第10圖是展示包含兩個石英晶體之另一可行的感測器組合之示意圖。
第11圖是展示使用遠端電子式數據單元之另一可行的配置。
150‧‧‧調節器
152‧‧‧入口
154‧‧‧出口
156‧‧‧入口管
158‧‧‧出口管
160．．．聯結器
162．．．閥區
164．．．提動閥
166．．．閥座
168．．．膜片
170．．．開口
172．．．彈簧
174．．．軸
176．．．可握緊之手柄
200．．．量計組合
202．．．本體
204．．．感測器組合
206．．．導管
208．．．外罩
210．．．孔口板
212．．．孔口(節流孔口)
214．．．上游部份(上游區域、上游部、上游)
216．．．下游部份(下游區域、下游)
218．．．石英晶體振盪器(音叉晶體振盪器)
220．．．驅動電路
222．．．溫度感測器
224．．．電池
240．．．微處理器
P1 ．．．第一壓力(上游壓力)
P2 ．．．第二壓力(下游壓力)

Claims (16)

  1. 一種測量氣體的質量流率的方法，該氣體係通過具有一孔口(212)的導管，在通過該孔口時發生扼流，該孔口將該導管分開成該孔口之直接上游的上游部份、及該孔口之下游的下游部份，該上游部份包含一包含至少兩個平面叉齒的壓電式晶體振盪器(218)而與孔口之上游的氣體相接觸，該方法包括：a)驅動該壓電式晶體振盪器而使得壓電式晶體振盪器在共振頻率共振(402)；b)測量壓電式晶體振盪器之共振頻率(404)；及c)測定通過該孔口之氣體的質量流率(408)，其係從被測得的該壓電式晶體振盪器的共振頻率與該孔口之上游的氣體密度的關係，及從該質量流率與該孔口之上游的氣體密度、該孔口之截面積及於該氣體的音速之間的關係而測定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該孔口之上游的壓力是至少0.5bar高於該孔口之下游的壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該方法係又包括測定孔口之上游的氣體的溫度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該氣體是從設置在壓電式晶體振盪器之上游的壓力調節器或閥加以分配。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該壓力調節器或閥是以電子式控制，以響應所測得通過該孔口之 氣體的質量流率。
  6. 如前述申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中該壓電式晶體振盪器是包含石英晶體振盪器。
  7. 如前述申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中該壓電式晶體振盪器具有共振頻率為32kHz或以上。
  8. 一種量計(200、350)，其係用於測量氣體的質量流率，且該量計是包含：在使用時氣體流動通過之導管(206)，該導管具有在使用時在通過時發生扼流之節流孔口(212)，該節流孔口將導管分開成該孔口之直接上游的上游部份(214)、及該孔口之下游的下游部份(216)；且該量計是又包含：感測器組合(204)，在該上游部份該感測器組合是包含壓電式晶體振盪器(218)而使得當量計在使用時該壓電式振盪器係與該氣體相接觸，該壓電式晶體振盪器是包含至少兩個平面叉齒，且該感測器組合是配置成：可驅動壓電式晶體振盪器而使得壓電式晶體振盪器在共振頻率共振，可測量該壓電式晶體振盪器之共振頻率，及測定通過孔口的質量流率，其係從被測得的該壓電式晶體振盪器的共振頻率與該孔口之上游的氣體密度的關係，及從該質量流率與該孔口之上游的氣體密度、該孔口之截面積及於該氣體的音速之間的關係而測 定。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之量計，其中該量計是又包含驅動電路，其係含有配置成從公用射極放大器之反饋架構的達靈頓對。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之量計，其係又包含溫度感測器，配置成可測定鄰近該壓電式晶體振盪器之氣體的溫度。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之量計，其係配置在壓力調節器或閥之下游。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之量計，其中該量計是配置成可以電子式控制之壓力調節器或閥，以響應所測得通過節流孔口的質量流率。
  13. 如前述申請專利範圍第8至12項中任一項所述的量計，其中該壓電式晶體振盪器是包含石英晶體振盪器。
  14. 如前述申請專利範圍第8至12項中任一項所述的量計，其中該壓電式晶體振盪器具有共振頻率為32kHz或以上。
  15. 一種電腦程式產品，其係可藉由可程式化處理設備而執行，且其包含一種或以上的軟體部份，該軟體部份用於實施如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之方法。
  16. 一種儲存媒體，其係電腦可用，且其具有儲存於其中的如申請專利範圍第15項所述之電腦程式產品。
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