TWI454700B - 測量一加壓氣體瓶的真正含量的方法、氣體鋼瓶、電腦程式產品及電腦可用儲存媒體 - Google Patents

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Description

測量一加壓氣體瓶的真正含量的方法、氣體鋼瓶、電腦程式產品及電腦可用儲存媒體
本發明係關於一種測量鋼瓶之氣體在壓力下的真正含量的方法及設備。更具體而言，本發明係關於一種使用壓電式振盪器(piezoelectric oscillator)以測量鋼瓶的真正含量的方法及設備。在此所揭述的方法及設備是可應用在例如氣體是存在於相對高壓(例如，約10bar或更高)之系統，例如從高壓鋼瓶來供應氣體、或使用高壓氣體之製造工廠。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。
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450bar g(其中，bar g是高於大氣壓力之壓力的量度(bar))，且對於例如氫氣及氦氣等氣體則為高達900bar g。
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44.4bar 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。
在許多情況下，其係需要監控一特定鋼瓶或耐壓容器之含量而測定殘留氣體的含量。此在例如衛生保健應用的情況是特別重要的關鍵因素。
從在鋼瓶內氣體的壓力的知識，根據氣體定律而可計算得鋼瓶的真正含量是眾所皆知者。壓力測量是眾所皆知的技藝，且有各種各樣具有測量壓力功能的裝置。最傳統的類型是使用一種配備有應變計元件(strain gauge elements)之彈性膜片(elastic diaphragm)。然而，雖然目前已製出一最低成本的壓力感測器，此等感測器是有尺寸較大的傾向，且具有雖然可藉由量產光刻方法(photolithographic method)來製造之機械結構，但是仍然相對複雜且昂貴。彼等也具有某些程度的易碎性，且在彼等可被使用前是需要校正及溫度補償(temperature compensation)。
另一泛用的壓力計是波頓壓力計(Bourdon gauge)。如此的表計(gauge)是包含一脆弱性、扁平薄壁之封閉式管，其係在中空末端連接到含有將加以測量壓力之流體的固定管路。壓力增加時會造成管路之封閉末端顯示弧形。如此的表計是包含容易受到例如暴露於高壓下而損壞之纖弱的構件。
不易準確地測量在氣體容器中之氣體的含量之一難題是在鋼瓶內所含有的氣體之溫度-壓力關係。根據氣體定律，特定數量之氣體在恆定容積所發揮的壓力是直接與其溫度成比例。因此，當氣體的溫度增加時，則氣體的壓力將也會增加。
因此，使用例如波頓壓力計之壓力計所測得壓力會與絕對溫度成比例地上升或降低，例如從20℃之初始溫度至例如50℃之在日光環境下，在波頓壓力計所顯示的壓力將增加10%。
另一問題是欲能使用壓力測量來測定鋼瓶的含量，則壓力計是需要對於氣體的可壓縮性(compressibility)加以校正。此是由於在高壓下氣體之行為並不與理想氣體之行為一致而變得複雜。
另一可行類型之用於測量氣體之物理性質的裝置是一種例如石英晶體之壓電裝置。石英晶體是會顯示壓電行為，亦即對彼等施加電壓會導致固體之稍微的擠壓或延伸，且反之亦然。
「一種基於音叉技術之精確且穩固的石英感測器，用 於SF6 之氣體密度控制(A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For(SF6 )-Gas Density Control)」是Zeisel等人在「感測器與致動器(Sensors and Actuators)」第80期第233至236頁(2000年)中所揭述之一種配置，其中石英晶體感測器是用於在高及中等電壓之電子設備中，在低氣體壓力下測量SF6 氣體的密度。該SF6 氣體的密度之測量對於設備之安全性是重要的關鍵性因素。此文獻揭述一種低壓應用之石英感測器技術，其中所使用的壓力最高為8bar g。
美國發明專利第4,644,796號揭述一種測量流體的壓力的方法及設備，其是使用安置在包含伸縮囊配置(bellows arrangement)之可變容積外罩內的石英晶體振盪器(quartz crystal oscillator)。該外罩之內部容積會由於受到外部流體壓力而使得伸縮囊壓縮/膨脹而變化。因此，在外罩內之流體的密度會隨著該外罩之內部容積的變化而變化。在外罩內的密度是可使用石英晶體振盪器而測得。
上述配置係揭述使用一種例如石英晶體振盪器之固態感測器。然而，上述配置及方法皆不適合準確地測量在耐壓容器例如氣體鋼瓶中之氣體的質量。因此，習知的測量配置所遭受到的技術性難題是彼等不能提供準確測量在例如涉及高壓之氣體鋼瓶的封閉容器中之氣體的質量。
根據本發明之第一形態，其係提供一種使用壓電式振 盪器以測量在壓力下之氣體的質量的方法，該氣體包括一永久氣體或是永久氣體之混合物，其容納在具有固定內部容積之氣體鋼瓶內，而該氣體鋼瓶包含一氣體鋼瓶體、連接至該氣體鋼瓶體並配置成使其能以氣體選擇性充填該氣體鋼瓶、或從該該氣體鋼瓶分配氣體之一閥配置，且該壓電式振盪器是配置在該閥配置上，使該壓電式振盪器是位於該氣體鋼瓶體之內部，並浸沒於氣體鋼瓶內之氣體中，且該方法是包括：a)使用該壓電式振盪器以測量在氣體鋼瓶內之氣體的密度，b)從密度測量及該氣體鋼瓶之內部容積而測定在氣體鋼瓶內之氣體的質量。
藉由提供如此的方法，則可直接測量在耐壓容器例如氣體鋼瓶中之氣體(例如永久氣體)的真正含量(亦即，質量)，並不需要補償例如溫度或可壓縮性等因素。此允許質量之測定可經由直接從在鋼瓶中之氣體的密度而導出，減少額外的感測器或必須進行複雜的補償及近似法(approximation)之需要。此外，壓電式振盪器是一種耐高壓、突然壓力變化或其他環境因素之固態裝置。壓電式振盪器是可在整體浸沒於氣體中作業，此是與需要壓力差異始能發揮作用之傳統的表計(例如波頓壓力計)極不相同。
在一具體實例中，步驟a)是包括：藉由驅動電路(drive circuit)以驅動壓電式振盪器而使得該壓電式振盪器在共振頻率共振；及測量在特定期間之該共振頻率而測定在該氣體鋼瓶中之氣體的密度。
在一具體實例中，步驟a)及b)是重複一次或以上，使其可獲得一系列之測量在一段期間中在氣體鋼瓶內之氣體密度，該一系列之測量是用於測定在該期間中在氣體鋼瓶內之氣體的質量變化。
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(processor)。
在一具體實例中，該氣體鋼瓶配置成可承受內部壓力通常為大於10bar之容器。
根據本發明之第二形態，其係提供一種氣體鋼瓶，其 具有固定內部容積並容納在壓力下之一永久氣體或是永久氣體之混合物，該氣體鋼瓶包含一氣體鋼瓶體，以及連接至該氣體鋼瓶體並配置成使其能以氣體選擇性充填該氣體鋼瓶、或從該該氣體鋼瓶分配氣體之一閥配置，該閥配置包含一感測器組合，其係用於測量在該氣體鋼瓶內在壓力下之氣體的質量，且該感測器組合是包含配置在該閥配置上而位於該氣體鋼瓶體之內部，並浸沒在氣體鋼瓶內之氣體中的壓電式振盪器，該感測器組合是配置成可測量在氣體鋼瓶內之氣體的密度，且係構成為可從密度測量及該氣體鋼瓶之內部容積而測定在氣體鋼瓶內之氣體的質量。
藉由提供如此的配置，則可直接測得在耐壓容器例如氣體鋼瓶中之流體的真正含量(亦即，質量)，並不需要補償例如溫度或可壓縮性等因素。此允許質量之測定可經由直接從在鋼瓶中之氣體的密度而導出，減少額外的感測器或進行複雜的計算之需要。此外，壓電式振盪器是一種耐高壓或壓力突然變化之固態裝置，因此較不易由於壓力「潛變(creep)」或其他環境因素而受到損壞。壓電式振盪器之結構是使得壓電式振盪器能整體浸沒於氣體中，此是與需要壓力差異始能發揮作用之傳統的表計(例如波頓壓力計)極不相同。
在一變異例中，該壓電式振盪器是包含石英晶體振盪器。
在一變異例中，該氣體是永久氣體。
在一具體實例中，該感測器組合是包含驅動電路。在 一具體實例中，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處理器。
在一具體實例中，該感測器組合是配置成可驅動壓電式振盪器而使得該壓電式振盪器在共振頻率共振，且可測量在特定期間之該共振頻率而測定在該氣體鋼瓶中之氣體的密度。
在一具體實例中，該感測器組合是又配置成可實施在不同的時間區間重複測量在氣體鋼瓶內之氣體的質量以獲得數個測量，且從該數個測量而測定許多次在不同的時間區間中流入/流出氣體鋼瓶之氣體的質量流量，使其可獲得一系列之測量在一段期間中在氣體鋼瓶內之氣體密度，該一系列之測量是用於測定在該期間中在氣體鋼瓶內之氣體的質量變化。
在一具體實例中，該感測器組合是包含驅動電路。在一具體實例中，該感測器組合是包含電源。在一變異例中，該電源是包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合是整體設置在該氣體鋼瓶之固定內部容積內。
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。
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。
氣體鋼瓶組合10是包含：具有氣體鋼瓶體(gas cylinder body)102及閥(valve)104之氣體鋼瓶(gas cylinder)100。該氣體鋼瓶體102是包含一般為具有平坦底座(base)102a之圓筒形容器，且配置成使得氣體鋼瓶100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900bar 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。
氣體鋼瓶體102及閥104定義一具有內部容積V之耐壓容器(在此具體實例中，以氣體鋼瓶100的形式)。內部容積V是固定。此是意謂氣體鋼瓶100之結構是使得其內部容積V(且同時，在其中所含有之氣體的體積)可假設在使用時、儲存或視環境條件例如溫度、壓力或濕度而並不會顯著地變化。氣體鋼瓶100之內部容積V是意圖包 括在氣體鋼瓶體102及閥104內之整體容積。換句話說，內部容積V是在氣體保持在壓力下之氣體鋼瓶組合10內的全部內部容積。
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(具有整合型壓力調節器之閥：Valve with Integrated Pressure Regulator)。
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。
貫通孔(through-hole)118是形成在出口110下游之外 罩108中。該貫通孔118是藉由可使得構件(例如電線)從氣體鋼瓶100之外部饋入至氣體鋼瓶100之內部的饋通(feed-through)120而加以封閉。該饋通120作用如同一維持氣體鋼瓶100之完整性的高壓密封。
氣體鋼瓶組合10是配備感測器組合200。該感測器組合200是配置成可測量在氣體鋼瓶100之內部容積V內之氣體的密度。該感測器組合200是更詳細地展示於第2及3圖，且其包含石英晶體振盪器202，其係藉由適當的配線(wiring)208而連接到驅動電路204及電池206。也可配備處理器220(在第2及3圖中未展示)，其可分開或作為驅動電路204之一部份兩者之一皆可。此將敘述於後。
在如第2圖所示之具體實例中，該石英晶體振盪器202是設置在氣體鋼瓶100之內部客積V內，且驅動電路204是設置在氣體鋼瓶100之外部。因此，感測器組合200之至少一部份是設置在貫通孔118中。石英晶體振盪器202及驅動電路204是藉由通過高壓饋通120之配線208而加以連接。
在此配置中，該石英晶體振盪器202在氣體鋼瓶100之內部容積V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，源自介於氣體鋼瓶100之內部容積V與外部環境間之壓力差異的任何機械式應力是橫過饋通120。
另一可行具體實例是展示於第3圖。在第3圖所展示之具體實例的特徵中，與第2圖之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，該感測器組合200整體是設置在氣體鋼瓶100之內部容積V內。因此，石英晶體振盪器202、驅動電路204(及處理器220，若有配備時)及電池206是全部設置在氣體鋼瓶100之內部容積V內。該感測器組合200之構件是完全浸沒於氣體中，且是在氣體鋼瓶100內在等靜氣體壓力下。因此，該感測器組合200經歷到在氣體鋼瓶100內之氣體的完全氣體壓力。
在此具體實例中，該饋通120是可視需要而加以刪除。另一可行方法是該感測器組合200可連接到一用於與例如基地台遠端通訊之天線250。此將討論於後。在此情況下，該天線250是可設置在氣體鋼瓶100之外部，且藉由電線或等效接頭而連接到該感測器組合。該電線可通過饋通120而有效地執行天線250與感測器組合200間之連接。
天線250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250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。
本發明人已發現：僅少數的感測器組合200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氣體鋼瓶100內的性能是特別優良。因此，電池206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。
整個感測器組合200之設置是整體在氣體鋼瓶100內，當構成氣體鋼瓶100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氣體鋼瓶100之強固金屬或複合壁內，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100是設置在與其他氣體鋼瓶100、重型機械或粗糙表面相毗鄰是特別重要的。
此外，該感測器組合之電子構件的設置是整體在氣體鋼瓶100之內部容積V內，則使其可配備較大的構件，否則其可能不適用於鋼瓶100之外部表面。例如，可配備較大的電池以提高感測器組合200之操作使用壽命。
除此以外，該感測器組合200之內部設置是可保護電子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200的零組件。
然而，在上述具體實例之一變異例中，部份感測器組合可為設置在氣體鋼瓶100之內部容積V內，且一部份可為設置在其外部。例如，驅動電路212及處理器220可為設置在氣體鋼瓶100內，但是電池206可為設置在氣體鋼瓶100之外部。此配置可使得更多感測器組合之脆弱性構件受到保護而避免損壞及污染物，同時也可容易地進行維修及更換電池206。
關於外部通訊(external communication)，在一架構中，外部天線(external aerial)或天線(例如天線250)並不是明確地需要。例如，通訊是可藉由來自鋼瓶100內之聲響傳輸而有效地實施。聲響傳輸是可藉由設置在氣體鋼瓶100內之發送器(transmitter)而有效地實施。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鋼瓶100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)。如此的聲響配置所提供的優點是並不需要饋通(如同在天線250的情況)，且全部電子構件是可整體設置在鋼瓶100內。
感測器組合200之內部設置的優點，對於固態感測器裝置例如石英晶體振盪器202是獨特的。例如，傳統的壓 力感測器例如波頓壓力計是無法以此方式設置。同時，晶體系感測器是可完全浸沒於氣體中在恆定壓力下作業，但是傳統的壓力感測器則無法測量等靜壓力，且需要一壓力梯度始能發揮功能。因此，傳統的壓力計必須設置在介於將加以測量的高壓與大氣間。結果此將排除傳統的壓力計之位置可整體在氣體鋼瓶100內的可行性。
感測器組合200，現在將參照第2至4圖更詳細地加以說明。石英晶體振盪器202是包含小而薄的截面之切割石英。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202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202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202之結構在此將不再進一步加以說明。
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流體之分子而發生阻尼，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。
此外，氣體之吸附或周圍物質之況積在晶體上將會影響到振動中晶體的質量、改變共振頻率。在晶體上形成吸附層，且當氣體吸附在吸附層上時質量會增加，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202。事實上，物質之吸附或沉積在石英晶體振盪器202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。
本具體實例之石英晶體振盪器202是音叉形狀，且包含一對叉齒202a(第4圖)，約5毫米長且配置成可在32.768kHz之共振頻率振盪。該叉(fork)之叉齒202a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。
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選擇的角度切割，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202是暴露於在氣體鋼瓶100之內部容積V中在壓力下之氣體中。
用於驅動石英晶體振盪器202之驅動電路204是展示於第4圖。該驅動電路204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202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900bar g。因此，該石英晶體振盪器202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202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204必須能驅動石英晶體振盪器202，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202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204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204、來自石英晶體振盪器202之響應可能會變得不易區別。在此情況下，該驅動 電路204可在非相關的頻率、或在石英晶體振盪器202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204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204，現在將參照第4圖來加以說明。欲能驅動石英晶體振盪器202，該驅動電路204在本質上是取得來自石英晶體振盪器202之電壓訊號，將其放大，且將該訊號回饋至石英晶體振盪器202。該石英晶體振盪器202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204是配置成可偵測及維持此振盪頻率。然後，該頻率可藉由處理器220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204是藉由6V電源206來提供電力。在此具體實例中，該電源206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204是又包含達靈頓對公用射極放大器(Darlington pair Common Emitter amplifier)210。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210是配置成從單電晶體(single transistor)(T1 )公用射極放大器(Common Emitter amplifier)212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204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)214。該緩衝放大器214是配置成作用如同介於電路與外部環境間之緩衝器。
電容器(capacitor)216是設置成與石英晶體振盪器202成串聯。在此實例中，該電容器216具有100pF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204能驅動石英晶體振盪器202。
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202。
在此配置中，該石英晶體振盪器202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202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202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。
如上所述，感測器組合200可包含處理器220，其係接收來自石英晶體振盪器202及驅動電路204之輸入。該處理器220可包含任何適當的配置，例如特定應用積體電路(ASIC：Application Specific Integrated Circuit)或現場可程式化閘陣列(FPGA：Field Programmable Gate Array)。該處理器220是加以程式化以計算、顯示、及將 有用的參數傳輸至鋼瓶100之使用者。
當與石英晶體振盪器202一起使用時，處理器220是可構成為可測量來自驅動電路204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。此數值是傳遞至該處理器220，其係構成為可根據所供應的輸入資訊而實施計算，以測定在氣體鋼瓶100中之氣體的質量。
處理器220是可視需要設計成適用於大量生產而使其在所有的鋼瓶中為完全相同，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，該處理器220也可構成為可將功率消耗最小化，其係經由執行可涵蓋處理器220、及附加的構件例如驅動電路204及石英晶體振盪器202之「待機(standby)」或「睡覺(sleep)」模式。
可執行各種的方案：例如，處理器220在每11秒鐘中可待機10秒鐘。此外，該處理器220可控制石英晶體振盪器202及驅動電路204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½秒鐘。另一可行方法或可附加的是通訊構件例如天線250視需要而可加以關閉或用於啟動感測器組合200。
感測器組合200之理論及操作，現在將參照第6至9圖來加以說明。
石英晶體振盪器202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)，氣體附著在振動中之音叉晶體振盪器202的振動中叉齒會增加振盪器之質量。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202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：
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，其石英晶體振盪器202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202之靈敏度為5%之頻率變化是可例如在250bar(當與大氣壓力相比較)之氧氣(具有原子質量數32)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450bar g間，而對於氦氣及氫氣則為高達700或900bar g。
石英晶體振盪器202是特別適合用作為商品級所供應之氣體的密度感測器。首先，欲能準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。
第二，因為在鋼瓶內之氣體壓力在正常使用時僅會緩慢地變化(亦即，當氣體經由出口110排出時)，事實上，該石英晶體振盪器202是以少量的時間(約1秒鐘)取得讀數，且不會衝擊到測量之準確性。約1秒鐘之時間期間是必要的，由於需要計數振盪及由於石英晶體振盪器202在一新氣體壓力下需要達到平衡。
若氣體在氣體鋼瓶100中為不均勻時，此方法可能較不準確。例如，若氣體為一種非均勻混合物，例如可能發生在部份液體充填之鋼瓶或在最近所調製、及未經充分混合之輕質與重質氣體的混合物中。然而，此情況在大多數的封裝氣體(packaged gas)應用中似乎是不太可能發生。
如前所述，在氣體鋼瓶100內之氣體的內部容積V是固定。因此，一旦在氣體鋼瓶100之內部容積V內之氣體的密度ρ已從藉由感測器組合200之測量而獲得，則在鋼瓶中之氣體的質量M可從下式而獲得：5)M =ρV
因此，氣體的密度ρ之直接測量是可使其能計算得殘留在氣體鋼瓶100中之氣體的質量。
以此方式之氣體的質量之測量是比習知的配置具有許多優點。例如，根據本發明之一具體實例所測得之質量在本質上是經溫度校正。相反地，壓力之測量使用例如波頓壓力計將會隨著絕對溫度而成比例地變化。因此，本配置並不需要如在習知的配置的情況之溫度測量及/或校正。
此外，根據本發明之一具體實例所測得氣體的質量在 本質上是經可壓縮性Z之校正。在傳統的配置中，例如使用波頓壓力計以從壓力獲得氣體含量，則氣體的可壓縮性需要加以校正。此在高壓下是特別重要，其中該可壓縮性Z並不與氣體壓力成比例如同理想氣體所預期的方式。
可壓縮性之自動補償(automatic compensation)是可參照第7及8圖加以例示。第7圖是展示對於氬氣、氧氣、及氬氣：二氣化碳混合物，氣體質量(kg)(在Y-軸)作為壓力(bar g)的函數之圖。如第7圖所示，不同氣體的質量是隨著壓力增加而變化。此外，在超過250bar g之高壓下，質量與壓力間不再具有線性關係。
第8圖是展示對於如第7圖所示相同的三種氣體(氬氣、氧氣、及氬氣：二氧化碳混合物)，氣體質量(kg)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )的函數之圖。與第7圖相反，其係可觀察到氣體的質量作為密度的函數對於各氣體/氣體混合物是完全相同。此外，在高密度下該關係仍然為線性。因此，石英晶體振盪器202可隨著密度而具有高解析性及高線性兩者。
如上所敘述，本發明之配置可使得質量測量至具有百萬分比(ppm)之解析度的非常高準確度。配合石英密度感測器202在高密度及壓力下之線性響應(如在第7及8圖中所例示者)，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)。
除了在氣體鋼瓶100內之靜態壓力之測量以外，感測器組合200是能測量進入或退出氣體鋼瓶100之質量流 量。此在需要知道來自氣體鋼瓶100之氣體的使用速率、或需要計算在鋼瓶出空前之剩餘時間的情況可能是有用的。另一可行或可附加的是可監控質量流量以管理控制精確的氣體的含量。
在大氣壓力下之氣體密度是僅為1克/公升之等級，且正常氣體使用率通常每分鐘只有幾公升。本發明人已發現：石英晶體振盪器202是充分地穩定且準確，使其能藉由所顯示密度之變化而測得退出氣體鋼瓶100之氣體的質量流量。質量流量是從方程式6)計算得：
其中，V是氣體的體積、△ρ是在時間區間△t所顯示密度之變化。在此情況，感測器組合200之作業是需要驅動電路204以整合數個石英晶體振盪器202之振盪周期。因此，其係不可能獲得密度隨著時間之變化的瞬間速率。然而，在正常作業下在氣體鋼瓶100中，密度隨著時間之變化率是相對地低。因此，在正常使用下，測量採取使用感測器組合200是充分地準確。
第9及10圖是例示質量流量偵測之實驗數據。第9圖是展示對於從50公升鋼瓶在所顯示約100bar壓力下之12公升/分鐘流率，頻率(kHz)(在Y-軸)作為時間(mins)(在X-軸)的函數之圖。第10圖是展示對於50公升鋼瓶在約100bar壓力下之所計算得流率(l/min) (在Y-軸)作為時間(mins)(在X-軸)的函數之圖。
此等圖示是例示，對大多數的正常使用者，從氣體鋼瓶100之氣體的質量流率是可從測量密度隨著時間之變化而測定。因此，使用石英晶體振盪器202及驅動電路204，則質量流率是可以充分的準確度及時間解析性(time resolution)而計算得。
第11圖是例示另一實驗數據展示本發明之作業。第11圖是展示頻率(kHz)(在Y-軸)作為總鋼瓶質量(kg)(在X-軸)的函數之圖。如圖所示，該圖是以高準確度為近似線型。因此，第11圖是展示在氣體鋼瓶100內之氣體的質量是可使用石英晶體振盪器202準確地加以測量。
一種根據本發明之一具體實例的方法，現在將參照第12圖來加以說明。如下所述的方法是可應用到如上所述參照第2及3圖之第一及第二具體實例兩者。
步驟300：初始化測量
在步驟300，在氣體鋼瓶100中之氣體的質量之測量是加以初始化(initialised)。此可藉由例如使用者按壓在氣體鋼瓶100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250而被感測器組合200接收(參閱第3圖)。
關於又一可行或附加的方法，感測器組合200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302。
步驟302：驅動石英晶體振盪器
一旦初始化，驅動電路204是用於驅動石英晶體振盪器202。在初始化期間，該驅動電路204施加隨機雜訊交流電壓橫過石英晶體振盪器202。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202振盪。然後，該石英晶體振盪器202將開始與該訊號同步而振盪。
藉由壓電效應，則石英晶體振盪器202之動作將會在石英晶體振盪器202之共振頻帶產生一電壓。然後，驅動電路204將藉由該石英晶體振盪器202所產生的訊號加以放大，使得在石英晶體振盪器202之頻帶所產生的訊號優控驅動電路204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204驅動該石英晶體振盪器202在基本共振頻率f。一旦該石英晶體振盪器202已經穩定在一特定的共振頻率，然後該方法係實施步驟304。
步驟304：測量石英晶體振盪器之共振頻率
共振頻率f是視在氣體鋼瓶之內部容積V內的條件而定。在本具體實例中，該共振頻率△f之變化是與在氣體鋼瓶100內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202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。該頻率之測量是在處理器220中進行。 當測量啟動後，該處理器220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306。
步驟306：測定在氣體鋼瓶中之氣體的質量
一旦該石英晶體振盪器202之頻率已在步驟304中滿意地測得，然後處理器220計算在氣體鋼瓶100中之氣體的質量。
此是藉由使用上述方程式5)來完成，其中該氣體的質量是可直接從在步驟304中所測得的密度及氣體鋼瓶100之已知的內部容積V而計算得。然後，該方法係實施步驟308。
步驟308：儲存測量之結果
一旦該氣體的質量已計算得，則質量可單純地記錄在與感測器組合200之處理器220相關聯的內部記憶體中，作為以後檢索取回使用。關於再一可行方法，在時間T1 之該氣體的質量可暫時儲存在該處理器220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310。
步驟310：通訊結果
關於一選擇性步驟，該氣體的質量是可以數種方式來顯示。例如，附設在氣體鋼瓶100或閥104之螢幕可顯示在氣體鋼瓶100內所含有氣體的質量。在另一可行方法中，該氣體的質量之測量是可以遠端式與基地台或設置在鄰近的配件之量計(meter)進行通訊。
然後，該方法係實施步驟312。
步驟312：省電模式感測器組合(power down sensor assembly)
並不需要維持感測器組合200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感測器組合200關閉以減少功率消耗是有利的。此可延長電池206之使用壽命。
驅動電路204之架構可使得石英晶體振盪器202重新啟動，不論在氣體鋼瓶100中之氣體壓力如何。因此，感測器組合200可視需要而加以停機以節省電池電力。
本發明之一具體實例之作業的方法已參照上述步驟300至310加以說明。然而，下列附加的步驟也可視需要而實施：
步驟314至318：實施更進一步的質量之測定
其可能需要計算進入/退出氣體鋼瓶100之氣體的質量流量。在晚於T1 之時間T2 是實施步驟314,316及318。相對應於步驟304,306及308之步驟314,316及318是分別在時間T2 實施。從步驟314,316及318所獲得之數值是儲存在處理器220之內部記憶體作為在時間T2 之氣體的質量。
介於T1 與T2 間之時間區間可為非常短的數秒鐘之等級，如在第9圖所例示者。另一可行方法是若流率為低、或若其係期望測量在氣體鋼瓶100內由於例如洩漏的損耗，則介於T1 與T2 間之時間區間可為相當大，例如數分鐘、小時或日之等級。
然後，該方法係實施步驟320。
步驟320：計算質量流量
若知道介於時間T1 與T2 間之時間差異及在該等時間之在氣體鋼瓶100中之氣體的質量，則處理器220可根據方程式6)而計算得在介於T1 與T2 間之時間期間的質量流量。
然後，該方法可實施重複步驟314至320以進一步計算質量流量，若有需要時。另一可行方法是該方法可移動至步驟312，且可將感測器組合200實施省電模式(power down)。
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32.768kHz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60kHz及100kHz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13圖所示。關於另一實例，也可使用在頻率為1.8MHz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，且同時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)電子產品併用入一相關聯的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100之外部的大氣之氣體。
一適當的感測器組合400是展示於第14圖。該感測器組合400是包含第一石英晶體振盪器402及第二石英晶體振盪器404。第一石英晶體振盪器402是一種參考晶體，且其係設置在真空下之密封容器406內。第一石英晶體振盪器402是藉由驅動電路408而驅動。
第二石英晶體振盪器404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202的晶體。第二石英晶體振盪器404是暴露於在氣體鋼瓶100之內部容積內的氣體環境中。第二石英晶體振盪器404是藉由驅動電路410而驅動。
此比較係可藉由使用電子式混頻電路(electronic mixer circuit)412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，在氣體鋼瓶100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15圖所展示者。該配置是包含：含有氣體鋼瓶500、及感測器組合502的氣體鋼瓶組合50。該氣體鋼瓶組合50、氣體鋼瓶500及感測器組合502是實質地類似於氣體鋼瓶組合10、氣體鋼瓶100及感測器組合200，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，感測器組合502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202及驅動電路204。天線504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250而可有效地達成。
連接管506是連接到氣體鋼瓶500之出口。該連接管是藉由快速連接之接頭(quick connect connection)508而終接。該快速連接之接頭508可使得輸送管線或構件容易且快速地與氣體鋼瓶500連通及拆卸。
快速連接單元(quick connect unit)550是配備用於連接到氣體鋼瓶500。互補性快速連接之接頭(complementary quick connect connector)510是配備用於連接到接頭(connector)508。此外，該快速連接單元550是配備數據單元(data unit)552。該數據單元552是包含顯示器554及天線556用於與氣體鋼瓶組合50之天線504通訊。該顯示器也可包含例如電子式印墨顯示器(E-ink 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552可測錄藉由氣體鋼瓶組合50之感測器組合502所測得之各種參數。例如，該數據單元552可測錄相對於時間之流率。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數據。
除此以外，獲自氣體鋼瓶500之數據可用於顯示耗盡時間的數據，亦即在鋼瓶500中氣體用完前之時間。此在 例如醫院間之病人運送時所使用的醫院氧氣鋼瓶之應用是特別重要的關鍵因素。如此的時間(Tro )是可從鋼瓶500之流率(如上所述)、質量含量、及目前時間(Tc )的知識經由下式而計算得：
另一可行方法是可將獲自數據單元552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。其非限制性實例可為：每單位燃弧時間(arc time)所使用的氣體、每公斤焊條所使用的氣體(例如，具有關於焊接孔隙度之警告)、標準尺寸之氣球的數目(或用於測量及校正非標準尺寸之氣球)、剩餘的焊接時數、壓力之顯示(藉由使用已知的氣體數據而將所測得密度值轉換成壓力)。
除此以外，該數據單元552是配置成可提供下列功能：提供可聽見或看見的警報，若氣體液位為低於某些液位或流率時；輸出鋼瓶使用期限(例如，對於緩慢地變化之混合物)或鋼瓶有效期；含有及顯示氣體的使用數據，亦即其焊接之類型、焊接何種類型之金屬，或提供連結使得可攜式電話或電腦可獲得詳細的數據；提供多模式操作，例如供應商/充填者模式及客戶模式；對客戶顯示不同的數量，其係再充填鋼瓶之氣體公司所顯示者；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500之上(或之內)的系統而可視需要而加以處理、儲存或獲得，如在感測器組合200,502中所論述者。
除此以外，本發明之具體實例也可用於實施洩漏偵測(leak detection)。石英晶體振盪器是特別適用於此任務，由於如此的感測器的靈敏度大。除此以外，該石英晶體振盪器將不會由於在鋼瓶中之溫度之變化而不正確地讀取壓力變化，如同在當使用壓力計來感測洩漏時的情況。除此以外，本發明之具體實例可用於偵測故障，例如在殘留壓力閥故障之偵測(例如，在一具有壓力為低於3bar g之已使用過的鋼瓶中)。
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。
〔產業上之利用可能性〕
除此以外，雖然上述具體實例已參照氣體鋼瓶而加以說明，也可使用於本發明之其他應用。例如，石英晶體振 盪器可設置在車輛例如汽車、摩托車或卡車之輪胎內。雖然車輛輪胎之形狀在負載或在速度下可能會改變形狀，本應用之本發明人已經展示在使用時該輪胎之內部容積並不會顯著地改變。例如，在本文中，其限制條件為在該內部容積之變化是少於全部內部容積之2至3%時，則本發明是可靠地操作而計算在車輛輪胎內之氣體的質量。
此外，雖然許多應用使用空氣作為車輛輪胎內之氣體，使用例如氮氣之氣體已日益增加。本發明之配置是特別適合於此應用。此外，因為質量之測量本質上是與溫度無關，本發明之配置是特別適用於其中環境條件可能會影響到測量的情況。
關於另一實例，本發明也可應用到車輛用氣浮系統(air suspension systems)。
本發明之具體實例已特別參照所例示之實施例而加以說明。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
118‧‧‧貫通孔
120‧‧‧饋通
200‧‧‧感測器組合
202‧‧‧石英晶體振盪器(音叉晶體振盪器、石英密度感測器)
202a‧‧‧叉齒
204‧‧‧驅動電路
206‧‧‧電池、電源
208‧‧‧配線
210‧‧‧達靈頓對公用射極放大器
212‧‧‧單電晶體(T1 )公用射極放大器
214‧‧‧緩衝放大器
216‧‧‧電容器
220‧‧‧處理器
250‧‧‧天線
260‧‧‧驅動電路
300‧‧‧步驟300：初始化測量
302‧‧‧步驟302：驅動石英晶體振盪器
304‧‧‧步驟304：測量石英晶體振盪器之共振頻率
306‧‧‧步驟306：測定在氣體鋼瓶中之氣體的質量
308‧‧‧步驟308：儲存測量之結果
310‧‧‧步驟310：通訊結果
312‧‧‧步驟312：省電模式感測器組合
314-318‧‧‧步驟314至318：實施更進一步的質量之測定
320‧‧‧步驟320：計算質量流量
400‧‧‧感測器組合
402‧‧‧第一石英晶體振盪器
404‧‧‧第二石英晶體振盪器
406‧‧‧密封容器
408‧‧‧驅動電路
410‧‧‧驅動電路
412‧‧‧電子式混頻電路
50‧‧‧氣體鋼瓶組合
500‧‧‧氣體鋼瓶
502‧‧‧感測器組合
504‧‧‧天線
506‧‧‧連接管
508‧‧‧快速連接之接頭(接頭)
510‧‧‧互補性快速連接之接頭
550‧‧‧快速連接單元
552‧‧‧數據單元
554‧‧‧顯示器
556‧‧‧天線
V‧‧‧固定內部容積
第1圖是氣體鋼瓶組合之示意圖。
第2圖是展示根據本發明之第一具體實例的氣體鋼瓶組合的上部部份之示意圖。
第3圖是展示根據本發明之第二具體實例的氣體鋼瓶 組合的上部部份之示意圖。
第4圖是使用於第一或第二具體實例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圖是展示對於氬氣、氧氣、及氬氣：二氧化碳混合物之氣體質量(kg)(在Y-軸)作為壓力(bar g)(在X-軸)的函數之圖。
第8圖是展示對於如第7圖所示相同的三種氣體(氬氣、氧氣、及氬氣：二氧化碳混合物)之氣體質量(kg)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )的函數(在X-軸)之圖。
第9圖是展示對於從50公升氣體鋼瓶在壓力為100bar g下、流率為12公升/分鐘之頻率(kHz)(在Y-軸)作為時間(mins)(在X-軸)的函數之圖。
第10圖是展示對於50公升鋼瓶在壓力為100bar g下之所計算得流率(l/min)(在Y-軸)作為時間(mins)(在X-軸)的函數之圖。
第11圖是展示對於一典型的氣體鋼瓶之頻率(kHz)(在Y-軸)作為氣體鋼瓶質量(kg)(在X-軸)的函數之圖。
第12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13圖是展示不同的晶體類型之頻率特性之圖。
第14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15圖是展示使用遠端電子式數據單元之另一可行的配置。
100‧‧‧氣體鋼瓶
102‧‧‧氣體鋼瓶體
104‧‧‧閥
106‧‧‧開口
108‧‧‧外罩
110‧‧‧出口
112‧‧‧閥體
114‧‧‧閥座
116‧‧‧可握緊之手柄
120‧‧‧饋通
200‧‧‧感測器組合
202‧‧‧石英晶體振盪器(音叉晶體振盪器、石英密度感測器)
204‧‧‧驅動電路
206‧‧‧電池、電源
208‧‧‧配線
V‧‧‧固定內部容積

Claims (11)

  1. 一種測量在壓力下之氣體的質量的方法，其是使用壓電式振盪器(202)，該氣體包括一永久氣體或是永久氣體之混合物，其容納在具有固定內部容積(V)之氣體鋼瓶(100)內，而該氣體鋼瓶(100)包含一氣體鋼瓶體(102)、連接至該氣體鋼瓶體(102)並配置成使其能以氣體選擇性充填該氣體鋼瓶(100)、或從該該氣體鋼瓶(100)分配氣體之一閥配置(104)，且該壓電式振盪器(202)是配置在該閥配置(104)上，使該壓電式振盪器(202)是位於該氣體鋼瓶體(102)之內部，並浸沒於氣體鋼瓶(100)內之氣體中，且該方法是包括：a)使用該壓電式振盪器(202)以測量在氣體鋼瓶(100)內之氣體的密度，b)從密度測量及該氣體鋼瓶之內部容積(V)而測定在氣體鋼瓶(100)內之氣體的質量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中步驟a)是包括：藉由驅動電路以驅動壓電式振盪器而使得該壓電式振盪器在共振頻率共振；及測量在特定期間之該共振頻率而測定在該氣體鋼瓶中之氣體的密度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中步驟a)及b)是重複一次或以上，使其可獲得一系列之測量在一段期間中在氣體鋼瓶內之氣體密度，該一系列之測量 是用於測定在該期間中在氣體鋼瓶內之氣體的質量變化。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該壓電式振盪器是包含石英晶體振盪器。
  5. 一種氣體鋼瓶(100)，其具有固定內部容積(V)並容納在壓力下之一永久氣體或是永久氣體之混合物，該氣體鋼瓶(100)包含一氣體鋼瓶體(102)，以及連接至該氣體鋼瓶體(102)並配置成使其能以氣體選擇性充填該氣體鋼瓶(100)、或從該該氣體鋼瓶(100)分配氣體之一閥配置(104)，該閥配置(104)包含一感測器組合(200)，其係用於測量在該氣體鋼瓶(100)內在壓力下之氣體的質量，且該感測器組合(200)是包含配置在該閥配置(104)上而位於該氣體鋼瓶體(102)之內部，並浸沒在氣體鋼瓶(100)內之氣體中的壓電式振盪器(202)，該感測器組合(200)是配置成可測量在氣體鋼瓶(100)內之氣體的密度，且係構成為可從密度測量及該氣體鋼瓶(100)之內部容積(V)而測定在氣體鋼瓶(100)內之氣體的質量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體鋼瓶，其中該感測器組合又包含驅動電路，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。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之氣體鋼瓶，其中該感測器組合配置成可驅動壓電式振盪器而使得該壓電式振盪器在共振頻率共振，且可測量在特定期間之該共振 頻率而測定在該氣體鋼瓶中之氣體的密度。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之氣體鋼瓶，其中該感測器組合配置成可實施在不同的時間區間重複測量在氣體鋼瓶內之氣體的質量以獲得數個測量，且從該數個測量而測定許多次在不同的時間區間中流入/流出氣體鋼瓶之氣體的質量流量，使其可獲得一系列之測量在一段期間中在氣體鋼瓶內之氣體密度，該一系列之測量是用於測定在該期間中在氣體鋼瓶內之氣體的質量變化。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之氣體鋼瓶，其中該感測器組合是整體設置在該氣體鋼瓶之固定內部容積內。
  10. 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用於實施如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之步驟的軟體部份。
  11. 一種儲存媒體，其係電腦可用，且其具有如申請專利範圍第10項所述而儲存於其中之電腦程式產品。
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