TWI473995B - 用於測量一加壓氣體瓶的真正含量的方法及設備 - Google Patents

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Description

用於測量一加壓氣體瓶的真正含量的方法及設備
本發明關於一種用於測量一加壓氣體瓶的真正含量(true content)的方法及設備。更具體而言，本發明關於一種使用壓電振盪器(piezoelectric oscillator)及屏蔽外罩(shielding housing)，準確地測量一氣體瓶的真正含量、或真正含量的變化率的方法及設備。
在此所揭述的方法及設備可應用在例如氣體可能存在於相對高壓(例如，約10bar或更高)的系統，例如從高壓鋼瓶來供應氣體、或利用高壓氣體的製造工廠。本發明特別是關於「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的氣體。
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的氣體的壓力容器(pressure vessel)。壓縮氣體鋼瓶是使用於廣泛範圍的市場，從低成本 的一般工業市場、醫療市場到較高成本的應用，例如使用高純度腐蝕性、毒性或自燃性(pyrophoric)特用氣體的電子設備製造。一般而言，加壓氣體容器包含由鋼、鋁或複合材料所構成且能儲存壓縮、液化、或溶解的氣體，具有最大充填壓力對於大多數氣體為高達450bar g(bar g是高於大氣壓力的壓力的量度(單位為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(permanent gas)。永久氣體是無法僅藉由壓力來加以液化的氣體，例如可在壓力為高達450bar g的鋼瓶中來供應，其實例為氬氣及氮氣。然而，並不受限於此，且術語「氣體」是可視為涵蓋較廣泛範圍的氣體，例如永久氣體及液化氣體的蒸氣兩者。在壓縮氣體鋼瓶中，液化氣體的蒸氣是存在於液體的上方。當彼等被壓縮以充填入鋼瓶而在壓力下液化的氣體並非為永久氣體，而其更準確地敘述為在壓力下的液化氣體、或液化氣體的蒸氣。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的平衡蒸氣壓。由於此等蒸氣可藉由在周圍條件的壓力或溫度下而加以液化，因此彼等並非為永久或真實氣體(true gas)。
在許多情況，需要監測一特定鋼瓶或壓力容器的含量以確定殘留氣體的數量。此在例如衛生保健應用的情況是特別重要的關鍵因素。
從在鋼瓶內的氣體的壓力的知識，根據氣體定 律(gas laws)可計算得鋼瓶的真正含量是眾所皆知。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)的彈性隔膜(elastic diaphragm)。然而，雖然目前已製出一最低成本的壓力感測器，此等感測器是具有尺寸較大的傾向，且具有雖然可藉由量產光刻方法(photolithographic method)來製造的機械結構，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準及溫度補償(temperature compensation)。
另一泛用的壓力計是波頓壓力計(Bourdon gauge)。如此的表計(gauge)包含一脆弱性、扁平薄壁的封閉式管，其在中空末端連接到含有將加以測量壓力的流體的固定管路。壓力增加時會造成管路的封閉末端顯示弧形(arc)。如此的表計包含容易受到例如暴露於高壓下而損壞的纖弱構件。
不易準確地測量在氣體容器中的氣體數量的一難題是在鋼瓶內所容納的氣體的溫度-壓力關係。根據氣體定律，特定數量的氣體在恆定容積所受到的壓力是直接與其溫度成比例。因此，當氣體的溫度增加時，則氣體的壓力也將會增加。
因此，使用例如波頓壓力計的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℃的初始溫度至例如50℃的在日光環境下，在波頓壓力計所顯示的壓力將增加10%。
另一問題是為了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加以校正。此是由於在高壓下氣體的行為並不與理想氣體(ideal gas)的行為一致而變得複雜。
另一可行的類型可用於測量氣體的物理性質的裝置是一種例如石英晶體的壓電裝置(piezoelectric device)。石英晶體會顯示壓電行為，亦即對彼等施加電壓會導致固體稍微的擠壓或延伸，且反之亦然。
「一種基於音叉技術的精確且穩固的石英感測器：用於SF6 的氣體密度控制(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)中所揭述的一種配置，其中石英晶體感測器是用於高等及中等電壓的電子設備中，在低氣體壓力下測量SF6 氣體密度。該SF6 氣體密度的測量對於設備的安全性是重要的關鍵性因素。此文獻揭述一種低壓應用的石英感測器技術，其使用壓力最高為8bar g。
美國專利第4,644,796號揭述一種用於測量流體的壓力的方法及設備，其使用安置在具有伸縮囊配置(bellows arrangement)的可變容積外罩內的石英晶體振盪器。該外罩(housing)的內部容積會由於受到外部流體壓力，使得伸縮囊壓縮/膨脹而變化。因此，在外罩內的流體密度會隨著該外罩的內部容積的變化而變化。在外罩內的密度可使用石 英晶體振盪器加以測量。
上述配置敘述使用例如石英晶體振盪器的固態感測器。然而，上述配置及方法皆不適用於準確測量在壓力容器例如氣體鋼瓶中的氣體的質量。
關於測量在氣體鋼瓶中所容納的氣體的物理性質的額外複雜性是在鋼瓶內的氣體的運動。例如，若氣體鋼瓶的頂部是冷的，則會發生激烈的對流氣流(convection current)而扭曲氣體的物理性質的測量。
格拉斯霍夫數(Grashof number)(Gr)是一無因次數，約為作用在流體的浮力(buoyancy)對於黏性力(viscous force)的比率。Gr值提供關於在特定的流體中發生對流(convection)的可能性的指示(indication)：若Gr值愈高，則發生對流的可能性愈高。
例如，氬氣的Gr值，在氣體鋼瓶內在300bar g壓力的壓力是非常大。氬氣在如此高壓下具有密度接近水的密度，但是具有顯著的較低黏度(大約50倍低於水)。除此以外，氬氣當加熱時，則具有比水大非常多的傾向而膨脹。因此，即使小的負溫度梯度(temperature gradient)(亦即，在鋼瓶的頂部是較冷)，會導致在氣體鋼瓶內的氣體強烈的對流。
在使用時，在許多情況，沿著鋼瓶的長度的溫度梯度可能會發生。例如，若鋼瓶最近已充填，若其在不同的溫度環境間移動，或在流體從搭接在鋼瓶的閥取出的情況，鋼瓶的頂部可能會顯著地比鋼瓶本體(bulk)較冷。溫度 梯度可能經常為多於10℃，甚至高達30℃。在目前，整合型減壓閥(integrated pressure reduction valves)(VIPRs)已變得越來越普及。
然而，當氣體從儲存壓力取出時，彼等膨脹而使得此等閥特別冷。因此，此等溫度差異的結果，導致在鋼瓶中將會經常發生對流。該對流是以擾流方式(turbulent way)發生，具有密度與溫度的無規調變(random modulation)，使得ρ~1/T，且在壓力幾乎無變化。
一般而言，一種測量在鋼瓶內的氣體的物理性質的方法是將感測器放置在氣體鋼瓶本身的內側。此使得該感測器可監測鋼瓶的中央的氣體性質。
然而，當流體(flow)是從氣體鋼瓶取出時，使用具有VIPR的鋼瓶，則會產生強烈的對流氣流。當測量氣體性質，例如鋼瓶的質量含量變化率，對流氣流會導致過量的雜訊(noise)而使得測量結果不準確或甚至無意義。因此，已知的測量配置遭受的技術性難題是：彼等無法提供準確的測量在例如似乎會發生對流的封閉的氣體鋼瓶中氣體的物理性質。
根據本發明的第一形態，提供一種用於測量在壓力容器內在壓力下的氣體的物理性質的感測器組合。該感測器組合包含：外罩及壓電振盪器，用於浸沒於壓力容器內的氣體中，該壓電振盪器是配置成當浸沒於該氣體中，可測 量在壓力容器內的氣體的密度，該外罩包含第一腔室及第二腔室，該第一腔室是與第二腔室的流體連通且實質地包圍該壓電振盪器，而該第二腔室是與壓力容器內部的流體連通。
藉由提供如此的配置，則可直接測得在壓力容器例如鋼瓶中的流體的真正含量(亦即，質量)，不需要補償例如溫度或可壓縮性等因素。本發明的外罩可減輕由於在氣體鋼瓶內的對流氣流(convective current)所產生的雜訊及誤差，使得準確的決定質量、或質量的變化率是可經由從在鋼瓶中的氣體的密度而直接導出。
此外，壓電振盪器是一種耐高壓或壓力突然變化的固態裝置，因此較不易由於壓力「潛變(creep)」或其他環境因素而受到損壞。壓電振盪器的結構是使得壓電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的傳統表計(例如波頓壓力計)極不相同。
在一具體實例中，該感測器組合進一步包含驅動電路(drive circuit)，其可操作以驅動壓電振盪器，使得該壓電振盪器在共振頻率進行共振，及可測量在預定的時間期間後的該共振頻率，以決定在該壓力容器中的氣體的密度。
在一具體實例中，該壓力容器具有固定內部容積，且該感測器組合是進一步構成為可從密度測量、及從該壓力容器的內部容積，進行決定在壓力容器內的氣體的質量。
在一具體實例中，該感測器組合是進一步配置成：可實施重複測量在離散時間區間(discrete time interval) 在壓力容器內的氣體的質量，以獲得複數個測量，及從該複數個測量，進行決定在離散時間區間進/出壓力容器的氣體的質量流量。
在一具體實例中，該離散時間區間為秒鐘等級。
在一具體實例中，該測量是應用數值濾波(numerical filtering)。
在一具體實例中，該第一腔室具有包含第一孔的壁，可使得在第一與第二室間的流體連通，且該第二腔室具有包含第二孔的壁，可使得在第二腔室與壓力容器的內部容積間的流體連通。
在一具體實例中，該第一及/或第二孔具有0.35mm或以下的大小(dimensions)。
在一具體實例中，該第一及/或第二孔具有0.22mm或以下的尺寸。
在一具體實例中，該外罩大體上為圓筒形。
在一具體實例中，該外罩具有230mm或以下的長度。
在一具體實例中，該外罩具有80mm或以下的長度。
在一具體實例中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
根據本發明的第二形態，提供一種用於容納在壓力下的氣體的壓力容器。該壓力容器具有固定內部容積， 且該壓力容器包含：一壓力容器體，用於定義固定內部容積；一閥配置，連接到該容器體，且配置成可以氣體選擇性充填壓力容器或分配來自從該容器的氣體；以及第一形態的感測器組合。
在一具體實例中，該感測器組合是整體位於壓力容器的固定內部容積內。
在一具體實例中，該壓力容器是呈氣體鋼瓶的形態。
根據本發明的第三形態，提供一種使用感測器組合以測量在壓力下的氣體的質量的方法。該感測器組合包含壓電振盪器及外罩，該氣體是容納於具有固定內部容積的壓力容器內，該壓電振盪器是浸沒於壓力容器內的氣體中，且該外罩包含第一腔室及第二腔室，該第一腔室是與第二腔室的流體連通且實質地包圍該壓電振盪器，而該第二腔室是與壓力容器內部的流體連通。該方法包括下列步驟：a)利用該壓電振盪器，以測量在高壓容器內的氣體的密度；b)從密度測量、及從該壓力容器的內部容積，進行決定在壓力容器內的氣體的質量。
藉由提供如此的方法，則可直接測量在壓力容器例如鋼瓶中的氣體(例如永久氣體)的真正含量(亦即，質量)，不需要補償例如溫度或可壓縮性等因素。此允許質量的測定可經由從在鋼瓶中的氣體的密度而直接導出，減少額外的感測器、或必須進行複雜的補償及近似法(approximation)的需要。此外，壓電振盪器是一種耐高壓、 突然壓力變化或其他環境因素的固態裝置。壓電振盪器是可在整體浸沒於氣體中操作，此是與需要壓力差異始能發揮作用的傳統表計(例如波頓壓力計)極不相同。
在一具體實例中，該步驟a)包括：藉由驅動電路以驅動壓電振盪器，使得該壓電振盪器在共振頻率進行共振；以及在預定的時間期間後進行測量該共振頻率以決定在該高壓容器中的氣體的密度。
在一具體實例中，該步驟a)及b)是重複一次或以上，使其在一段時間後可獲得一系列的測量在壓力容器內的氣體密度，該一系列的測量是被用於決定在該段時間在壓力容器內的氣體的質量變化。
在一具體實例中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
在一具體實例中，該石英晶體包含至少一叉齒(tine)。在一變異例中，該石英晶體包含一對平面叉齒。
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，該石英晶體的表面是直接暴露於氣體。
在一具體實例中，該感測器組合包含驅動電路。在一變異例中，該感測器組合包含驅動電路，其具有配置成從共射極放大器(common emitter amplifier)的反饋架構(feedback configuration)的達靈頓對(Darlington pair)。
在一具體實例中，該感測器組合包含電源。在 一配置例中，該電源包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合包含處理器(processor)。
在一具體實例中，該壓力容器包含高壓容器。高壓容器是一種配置成可承受內部壓力通常為大於10bar的容器。
在一變異例中，該壓力容器包含氣體鋼瓶。
在一變異例中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
在一變異例中，該氣體是永久氣體。
在一配置例中，該耐高壓容器是氣體鋼瓶。
在一具體實例中，該感測器組合包含驅動電路。在一具體實例中，該感測器組合包含驅動電路，其具有配置成從共射極放大器的反饋架構的達靈頓對。
在一具體實例中，該感測器組合包含電源。在一配置例中，該電源包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合包含處理器。
在一具體實例中，該感測器組合是配置成：可驅動壓電振盪器，使得該壓電振盪器在共振頻率進行共振，及可測量在預定的時間期間後的該共振頻率，以決定在該壓力容器中的氣體的密度。
在一具體實例中，該感測器組合是進一步配置成：可實施重複測量在離散時間區間在壓力容器內的氣體的質量，以獲得複數個測量，及從該複數個測量，進行決定在 離散時間區間進/出壓力容器的氣體的質量流量。以更多的時間，使其可獲得在一段時間後在壓力容器內的氣體密度的一系列測量，該系列測量是被用於決定在該段時間在壓力容器內的氣體的質量變化。
根據本發明的第四形態，提供一種閥配置。該閥配置包含第一形態的感測器組合，且該閥配置是用於連接到壓力容器體，以形成具有固定內部容積的壓力容器，該閥配置是配置成可以氣體選擇性充填壓力容器、或分配來自壓力容器的氣體。
在一具體實例中，該感測器組合包含驅動電路。在一具體實例中，該感測器組合包含電源。在一變異例中，該電源包含鋰離子電池。
在一具體實例中，該感測器組合是整體位於壓力容器的固定內部容積內。
在一配置例中，該壓力容器體包含氣體鋼瓶。
根據本發明的第五具體實例，其配備一種可藉由可程式規劃處理設備來執行的電腦程式產品，具有一種或以上用於實施第三形態的步驟的軟體部份。
根據本發明的第六具體實例，其配備一種可使用於電腦的儲存媒體，具有根據第五形態而儲存於其中的電腦程式產品。
10‧‧‧氣體鋼瓶組合
50‧‧‧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‧‧‧可握緊的手柄
118‧‧‧通孔
120‧‧‧饋通
200‧‧‧感測器組合
202‧‧‧壓電振盪器；石英晶體振盪器；石英晶體共振器
202a‧‧‧叉齒
204‧‧‧驅動電路
206‧‧‧電池
210‧‧‧達靈頓對共射極放大器； 達靈頓對
212‧‧‧單電晶體(T1 )共射極放大器
230‧‧‧天線
240‧‧‧驅動電路
242‧‧‧共漏極金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)放大器；共漏極MOSFET放大器；MOSFET
244‧‧‧單電晶體(Q2,Q3)共射極放大器；共射極放大器
246‧‧‧電容器
248‧‧‧電阻
249‧‧‧電池
250‧‧‧外罩
252‧‧‧第一外罩部份
254‧‧‧第二外罩部份
256‧‧‧圓筒形側壁
258‧‧‧遠端壁
260‧‧‧近端壁
262‧‧‧第一腔室
264‧‧‧圓筒形側壁
266‧‧‧遠端壁
268‧‧‧近端壁
270‧‧‧第二腔室
272‧‧‧通孔
274‧‧‧通孔
276‧‧‧圓筒形外側壁
278‧‧‧遠端壁
280‧‧‧遠側密封
282‧‧‧內壁
284‧‧‧第一腔室
286‧‧‧第二腔室
288‧‧‧通孔
290‧‧‧通孔
292‧‧‧第二內壁
294‧‧‧通孔
296‧‧‧第三腔室
300‧‧‧驅動電路
400‧‧‧步驟400：初始化
402‧‧‧步驟402：驅動晶體振盪器
404‧‧‧步驟404：測量共振頻率
406‧‧‧步驟406：決定在時間T1 在鋼瓶中的質量
408‧‧‧步驟408：儲存測量的結果
410‧‧‧步驟410：通訊結果
412‧‧‧步驟412：切斷感測器組合電源
414‧‧‧步驟414：測量在時間T2 的共振頻率
416‧‧‧步驟416：決定在時間T2 在鋼瓶中的質量
418‧‧‧步驟418：儲存測量的結果
420‧‧‧步驟420：應用數值濾波
422‧‧‧步驟422：計算質量流量
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
514‧‧‧電子混頻電路
600‧‧‧氣體鋼瓶
602‧‧‧感測器組合
604‧‧‧天線
606‧‧‧連接管
608‧‧‧快速連接的接頭；接頭
610‧‧‧互補性快速連接的接頭
650‧‧‧快速連接單元
652‧‧‧數據單元
654‧‧‧顯示器
656‧‧‧天線
C1 ,C2 (Fig.6)‧‧‧電容器
C1,C2,C3,C4 (Fig.5)‧‧‧ 電容器
D1 ,D2 (Fig.4)‧‧‧單電晶體
Q2,Q3(Fig.5)‧‧‧單電晶體
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8(Fig.5)‧‧‧電阻
R1 ,R2 ,RS (Fig.6)‧‧‧電阻
T(Fig.6)‧‧‧反相器
T1 ,T2 (Fig.4)‧‧‧單電晶體； NPN射極隨耦器電晶體
V(Fig.1,2)‧‧‧內部容積
本發明的具體實例將參照附加的圖式詳細地加 以說明如下：第1圖是氣體鋼瓶組合的示意圖；第2圖是展示根據本發明的一具體實例的氣體鋼瓶組合的上部部份的示意圖；第3a圖是展示第2圖的具體實例的感測器組合的外罩的示意圖；第3b至3f圖是展示適合使用於第2圖的具體實例的感測器組合的外罩的另一可行的變異例的示意圖；第4圖是使用於本發明的具體實例的驅動電路的示意圖；第5圖是展示使用於本發明的具體實例的另一可行的驅動電路的示意圖；第6圖是展示使用於本發明的具體實例的又一可行的驅動電路的示意圖；第7圖是展示關於數種不同的氣體的石英晶體頻率(kHz)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )的函數圖；第8圖是展示關於氬氣、氧氣及一種含有氬氣：二氧化碳的混合物的氣體質量(kg)(在Y-軸)作為壓力(bar g)(在X-軸)的函數圖；第9圖是展示關於如第7圖所展示三種氣體(氬氣、氧氣及一種含有氬氣：二氧化碳的混合物)的氣體質量(kg)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )(在X-軸)的函數圖；第10圖是展示關於從50公升氣體鋼瓶在100 bar g的壓力下以12l/min的流率的頻率(kHz)(在Y-軸)作為時間(min)(在X-軸)的函數圖；第11圖是展示關於50公升鋼瓶在100bar g的壓力下所計算得流率(l/min)(在Y-軸)作為時間(min)(在X-軸)的函數圖；第12圖是展示關於典型的氣體鋼瓶的頻率(kHz)(在Y-軸)作為氣體鋼瓶質量(kg)(在X-軸)的函數圖；第13圖是對於利用並無外罩的石英晶體振盪器的流率測量的流率(l/min除以2)作為時間(sec)(在X-軸)的函數圖；第14圖是就利用根據第一具體實例以外罩包圍的石英晶體振盪器的流率測量的流率(l/min除以2)作為時間(sec)(在X-軸)的函數圖；第15圖是就利用根據第一具體實例以外罩包圍的石英晶體振盪器的流率測量(方形)、及就相同的數據通過數值濾波器(numerical filter)(菱形(diamonds))的流率(l/min除以2)作為時間(sec)(在X-軸)的函數圖；第16圖是以圖解說明一種根據所揭述的具體實例的方法的流程圖；第17圖是展示不同的晶體類型的頻率行為圖；第18圖是展示具有兩個石英晶體的另一可行的感測器組合的示意圖；以及第19圖是展示使用遠端電子數據單元的另一可行的配置。
 〔本發明的最佳實施方式〕
第1圖是展示根據本發明的一具體實例的氣體鋼瓶組合10的示意圖。
氣體鋼瓶組合10包含：具有氣體鋼瓶體102及閥104的氣體鋼瓶100。該氣體鋼瓶體102包含一般為具有平坦底座102a的圓筒形容器，且配置成可使得氣體鋼瓶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大約900bar g的內部壓力。開口(aperture)106是位於氣體鋼瓶體102在底座102a的對面側的近端(proximal end)，且具有螺紋(未展示)以使其適配接到閥104。
氣體鋼瓶體102及閥104定義一具有內部容積V的壓力容器(在此具體實例中，呈氣體鋼瓶100的形態)。內部容積V是固定。此是意謂氣體鋼瓶100的結構是使得其內部容積V(且同時，在其中所容納的氣體體積)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的內部容積V是意圖包括在氣體鋼瓶體102及閥104內的整體容積。換句話說，內部容積V是在氣體保持在壓力下的氣體鋼瓶組合100內的全部內部容積。
任何適當的流體皆可容納在氣體鋼瓶組合100 內。然而，本具體實例是關於不含雜質例如粉塵及/或水份的純化永久氣體(但是並不受限於此)。此等氣體的非限制性實例可為：氧氣、氮氣、氬氣、氦氣、氫氣、甲烷、三氟化氮、一氧化碳、二氧化碳、氪氣、氖氣或其混合物(例如，氬氣與二氧化碳)。
閥104包含：外罩108、出口(outlet)110、閥體112及閥座114。該外罩108包含互補螺紋(complementary screw thread)，用於銜接氣體鋼瓶體102的開口106。該出口110是使其適配且配置成可使得氣體鋼瓶100連接到在氣體組合中的其他構件，例如軟管、管線或其他壓力閥或調節器。該閥104可視需要而包含VIPR(整合型壓力調節閥：Valve with Integrated Pressure Regulator)。
閥體112可藉由轉動可握緊的手柄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112的移動，可選擇性地控制在氣體鋼瓶體102的內部與出口110間的輸送通道的面積。此可連續不斷地輪流控制從氣體鋼瓶組合100的內部到外部環境的氣體的流量。
通孔(through-hole)118是形成在出口110的下游的外罩108中。該通孔118是藉由可使得構件(例如電線)從氣體鋼瓶100的外部饋入至氣體鋼瓶100的內部的饋通120而加以封閉。該饋通120作用如同一維持氣體鋼瓶100的完整性的高壓密封。
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的內部容積V內的氣體的密度。該感測器組合200是展示於第2圖，且其包含石英晶體振盪器202，藉由適當的配線而連接到驅動電路204及電池206。也可配備處理器220(在第2圖並未展示)，其可分開或作為驅動電路204的一部份兩者之一皆可。此稍後將加以敘述。
在第2圖的具體實例中，該感測器組合200整體是位於氣體鋼瓶100的內部容積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是全部位於氣體鋼瓶100的內部容積V內。該感測器組合200的構件是完全浸沒於氣體中，且是在氣體鋼瓶100內的等靜氣體壓力(isostatic gas pressure)下。因此，該感測器組合200經歷在氣體鋼瓶100內的氣體的完全氣體壓力(full gas pressure)。
如第2圖所展示，感測器組合200可連接到天線230，用於與例如基地台進行遠端通訊。此將討論於後。在此情況，該天線230可位於氣體鋼瓶100的外側，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230與感測器組合200間的連接。
天線230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)，例如其非限制性列舉可為：RFID(無線射頻識別技術：Radio-frequency identification)、藍牙(Bluetooth)、紅外線(IR：Infrared)、802.11無線、調頻(FM：Frequency Modulation)傳輸或蜂窩網路(cell network)。
另一可行的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來進行通訊，電路的「回程通路(return path)」是藉由在通訊裝置間的空間的電容耦合(capacitive coupling)來提供。熟習此技藝者將可容易地瞭解天線230的其他替代方式(及相關的傳輸硬體)可使用於在此所論述的具體實例。
本案發明人已經發現：僅少數的感測器組合200的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，已經發現鋰離子電池在可能涉及高壓的氣體鋼瓶100內的性能是特別優良。因此，電池206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的位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的位置是整體在氣體鋼瓶100的強固金屬或複合壁內，則可提供相當大的保護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是位於與其他氣體鋼瓶100、重型機械或粗糙表面相毗鄰是特別重要。
此外，該感測器組合的電子構件的位置是整體在氣體鋼瓶100的內部容積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的外部表面。例如，可配備較大的電池以提高感測器組合200的操作使用壽命。
除此以外，感測器組合200的內部位置(internal location)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。例如，此將允許對於鹽及水的損壞具有高度敏感性的高阻抗(impedance)電路，可用作為感測器組合200的一部份。
然而，雖然如第2圖所展示的感測器組合200是位於鋼瓶的內部內，應該可了解到其他位置也是適合。例如，該感測器組合200可安裝在閥104中鄰近饋通120、或形成閥104的一隔開的區段。其重要的是該石英晶體振盪器202是暴露於氣體鋼瓶100的內部容積V的氣體中。
除此以外的變異是在本發明的範圍內。例如，石英晶體振盪器202可位於氣體鋼瓶100的內部容積V內，而驅動電路204是位於氣體鋼瓶100的外側。因此，感測器組合200的至少一部份是位於通孔118中。該石英晶體振盪器202及該驅動電路204則藉由通過高壓饋通120的配線208加以連接。
在又一變異例中，感測器組合的其他部份可位於氣體鋼瓶100的內部容積V內，而一部份可位於其外部。例如，驅動電路212及處理器220可位於氣體鋼瓶100內，但是電池206可位於氣體鋼瓶100的外側。此配置可使得更多感測器組合的脆弱性構件受到保護而避免損壞及污染物，同時可容易地進行維修及更換電池206。
關於外部通訊，在一架構中，外部天線或天線(例如天線250)並不是明確地需要。例如，通訊可藉由來 自鋼瓶100內的聲波傳遞(acoustic transmission)而有效地實施。聲波傳遞可藉由位於氣體鋼瓶100內的發送器(transmitter)而有效地實施。該發送器可包含例如簡單的固定頻率壓電共振器。
互補接收器(complementary receiver)也是需要，此構件可位於鋼瓶100的遠端(remote)，且可包含硬體，例如與麥克風整合的鎖相回路音調偵測器(phase-locked loop tone detector)。如此的聲波配置(acoustic arrangement)提供的優點是不需要饋通(如同在天線230的情況)，且全部電子構件是可整體位於鋼瓶100內。
另一可行的是該感測器組合200可加以連接到安裝在氣體鋼瓶本身的顯示器裝置(未展示)。此可採用數位顯示器(未展示)的形態，其可操作以顯示殘留在鋼瓶100中的氣體的質量、或例如氣體的使用率。
在此配置中，該石英晶體振盪器202在氣體鋼瓶100的內部容積V內是經常在等靜壓力(isostatic pressure)下，因此不會經歷壓力梯度(pressure gradient)。換句話說，源自在氣體鋼瓶100的內部容積V與外部環境間的壓力差異的任何機械式應力是表示橫過(across)饋通120。
感測器組合200的內部位置的優點，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。雖然晶體系感測器可完全浸沒於氣體中在恆定壓力下操作，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 能發揮作用。因此，傳統的壓力計必須位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的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及3a至3f圖更詳細地加以敘述。石英晶體振盪器202包含小而薄的截面的切割石英。石英會顯示壓電行為，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的兩個平行表面是加以金屬化，以提供電連接橫過整個晶體(bulk crystal)。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。藉由對晶體施加交流電壓，則會造成晶體振盪。
石英晶體的外形大小及厚度決定石英晶體的特徵或共振頻率。事實上，晶體202的特徵或共振頻率是與兩個金屬化表面間的外形厚度成反比例。
石英晶體的共振振動頻率將視晶體所在位置的環境而變化。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，晶體的振動將會由於周圍的流體分子而發生阻尼(damped)，且此將會影響共振頻率、及晶體在一特定振幅(amplitude)振盪所需要的能量。
此外，氣體的吸附或周圍物質的沉積在晶體上，將會影響到振動中晶體的質量、改變共振頻率。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 是構成泛用的選擇性氣體分析儀的理論基礎。然而，在本案情況，並無塗層(coating)塗敷到石英晶體振盪器202。事實上，物質的吸附或沉積在石英晶體振盪器202上，在本案情況為非所欲，因為測量的準確度可能會受到影響。
本具體實例的石英晶體振盪器202是音叉形狀，且其具有一對叉齒202a(第3a圖)，大約5毫米長，且在此具體實例中，配置成可在32.768kHz的共振頻率進行振盪。該叉齒202a形成於石英的平面截面。該叉(fork)的叉齒202a通常是在彼等的基本模態振盪，且彼等是在共振頻率同步地朝向及遠離彼此而運動。
除此以外，較佳為使用AT切割或SC切割的石英。換句話說，一石英的平面截面是在特定的角度切割，使其可配置成振盪頻率的溫度係數在室溫附近具有寬幅波峰的拋物線。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。與在真空中使用大多數的石英晶體振盪器相反，在本具體實例的石英晶體振盪器202是暴露於氣體鋼瓶100的內部容積V中在壓力下的氣體中。
感測器組合200進一步包含外罩250。該外罩250是可操作以包圍石英晶體振盪器202，且在使用時是位於在氣體鋼瓶100的內部容積V中。在藉由感測器組合200進行測量時，該外罩250是可操作以降低在氣體鋼瓶100內的對流氣流的影響。第2圖的外罩250是更詳細地展示於第 3a圖。
參照第3a圖，在此具體實例中，外罩250包含：第一外罩部份252及第二外罩部份254。該第一外罩部份252具有大體上圓筒形側壁256、遠端壁258及近端壁260鄰近石英晶體振盪器202，且其密封外罩250的近端。第一外罩部份252的壁用於定義第一腔室262。該第一腔室262實質地包圍該石英晶體振盪器202，且位於鄰近外罩250的近端。
第一外罩部份254可包含傳統的壓力外罩，如同一般商品級可獲得用於石英晶體感測器者。此可降低製造成本。然而，可使用另一可行的架構，其某些可能的變異是以圖解說明於第3b至3f圖。
第二外罩部份254具有大體上圓筒形側壁264、遠端壁266及近端壁268。第二外罩部份254的壁用於定義第二腔室270。在此具體實例中，該第二外罩部份254是圓筒形具有直徑為大約6mm及長度為大約80mm。然而，並不受限於此，且尺寸及橫截面形狀可視需要而加以變化。
第二腔室270是位於鄰近第一腔室262，且藉由在第一外罩部份252的遠端壁258中的通孔272而與其流體連通。在此具體實例中，該通孔272具有大約0.35mm的直徑。然而，通孔的其他形狀及尺寸視需要也可使用。除此以外，若有需要也可配備複數個通孔272。
又一通孔274是形成於第二外罩部份254的側壁264中，使得第二腔室270是與在氣體鋼瓶100的內部容 積V中的氣體及外罩250的外部的流體連通。在此具體實例中，該又一通孔274具有0.22mm的直徑。然而，通孔274的另一可行的大小為0.35mm也已經發現可獲得優良的結果。熟習此技藝者將可容易地瞭解可利用於本發明的通孔的架構、尺寸及形狀。除此以外，可配備複數個通孔274。
外罩250的結構是使得第一及第二腔室262,270是呈串聯而與其彼此及與氣體鋼瓶100的內部容積V流體連通。換句話說，該石英晶體振盪器202所暴露的氣體在其到達石英晶體振盪器202前，必須從氣體鋼瓶100的內部容積V中通過第二腔室270至第一腔室262。
在第2及3a圖所展示的具體實例中，由外罩250所形成的第一及第二腔室262,270是形成如同分開的結構。然而，不需要為如此的情況，可使用單一共用外罩250。
第3b至3f圖是展示在本發明的範圍內的另一可行的外罩250的具體實例。為了清楚的目的，涉及特性(feature)的元件代表符號(reference numeral)，與第3a圖的具體實例相同的部份是已加以省略。
第3b圖是展示外罩250的第二具體實例。第二具體實例在結構上是類似於第一具體實例，例外的是該通孔274是形成於第二外罩部份254的遠端壁266。
第3c圖是展示外罩250的第三具體實例。該第3c圖的具體實例在結構上是類似於外罩250的第一及第二具體實例，例外的是該第二外罩部份254具有一伸出的長度。 在此具體實例中，該第二外罩部份254具有大約230mm的長度。雖然第3c圖是展示在遠端具有通孔274，該通孔274可等同於形成於第二外罩部份254的側壁264。
第3d至3f圖的具體實例是展示外罩250的不同結構。
展示於第3d圖的外罩250的第四具體實例，與外罩250是單一構件的先前具體實例不同，且其包含：圓筒形外側壁276、遠端壁278及遠側密封280。
壁276,278,280劃定外罩250的內部的界限(delimit)。該外罩250進一步包含內壁282，其將外罩250的內部分割成第一及第二腔室284,286。該第一腔室284實質地包圍該石英晶體振盪器202，且位於鄰近外罩250的近端。
第二腔室286是位於鄰近第一腔室284，且藉由在內壁282中的通孔288而與其流體連通。在此具體實例中，該通孔288具有大約0.35mm的直徑。然而，通孔的其他形狀及尺寸視需要也可使用。除此以外，若有需要也可配備複數個通孔288。
又一通孔290是配備以使得第二腔室286與氣體鋼瓶100的內部容積V間的流體連通。與第一具體實例相同，該通孔290是配備在外罩250的側壁276中。
外罩250的第五具體實例是展示於第3e圖。該外罩250的第五具體實例在結構上是類似於第四具體實例；然而，通孔290是配備在外罩250的遠端壁278，且外罩 250具有較大的長度(在此具體實例中，230mm)，使得第二腔室286具有較大的內部容積。此等變異的任一者皆可應用到第五具體實例。
外罩250的第六具體實例是展示於第3f圖。該外罩250的第六具體實例在結構上是類似於第五具體實例，但是配備第二內壁292。該第二內壁292具有通孔294形成於其中，且將外罩250的內部分割成三腔室：第一腔室284、第二腔室286及第三腔室296。
第一、第二及第三腔室284,286,296是與其彼此呈串聯，且與氣體鋼瓶100的內部及外罩250的外部流體連通。換句話說，該石英晶體振盪器202所暴露的氣體在其到達石英晶體振盪器202前，必須依序且連續地通過從氣體鋼瓶100的內部容積V，經由第三腔室296、第二腔室286至第一腔室284。
如上所述外罩250的第一至第六具體實例所展示，提供(provision)一系列的腔室，則可使得在氣體鋼瓶100內的對流氣流進行氣動阻尼(pneumatic damping)。如上所述，在鋼瓶100內的溫度差異的結果是在鋼瓶中將經常發生對流。該對流是以擾流方式發生，具有密度與溫度的調變(modulations)(以使得ρ~1/T)，且幾乎未導致壓力變化。
本案發明人了解到外罩250的操作原理如下所述。外罩250定義一內部的氣體容積，其有將密度與溫度的變化加以平均化的傾向。在理論上，因為缺少壓力變化，在外罩250中並無通過通孔的流動(flow)。因此，當僅在其外 側的密度與溫度變化，則系統將可在穩定的壓力提供一穩定的輸出。僅在若外罩250的溫度變化，則所測得密度將會變化。然而，因為在外罩250的內部內大量的氣體體積的熱質量，此在實務應用上是受到限制。
然而，本案發明人已經發現：外罩250對於所看見的壓力波動(pressure fluctuations)具有不同的響應，例如當流體是從氣體鋼瓶100取出時。在此情況，該通孔是足夠大，使得如此相對應的壓力變化是經由通過通孔的流體流動而幾乎瞬間連通。
已經發現：為了獲得上述的優點，其需要外罩250具有至少兩個腔室。由於在鋼瓶內的對流氣流而導致密度與溫度變化，已經發現單腔室配置不足以提供足夠的隔離。
用於驅動石英晶體振盪器202的驅動電路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。首先，本發明的石英晶體振盪器202可能會暴露於某些範圍的氣體壓力；若氣體鋼瓶容納有經加壓的氣體例如氫氣，則壓力有可能會變化從大氣壓力(當氣體鋼瓶100是空瓶時)至約900bar g。因此，石英晶體振盪器202是需要可在寬廣範圍的壓力下操作(及在未使用一段期間後重新啟動)。
因此，石英晶體振盪器202的品質(Q)因素在使用期間將會顯著地變化。該Q因素(Q factor)是與振盪器或共振器的阻尼率(rate of damping)相關的無因次參數。此相當 於其可作為共振器相對於其中心頻率的頻寬(bandwidth)的特徵。
一般而言，振盪器的Q因素愈高，則振盪器的能量損失率相對於所儲存的能量愈低。換句話說，高Q因素振盪器的振盪，在無外力下振幅的減少更緩慢。具有較高Q因素的正弦驅動共振器，在共振頻率以較大的振幅進行共振，但是在彼等共振的該頻率附近具有較小的頻寬。
驅動電路204必須能驅動石英晶體振盪器202，不管Q因素的變化如何。當在氣體鋼瓶100中的壓力增加時，石英晶體振盪器202的振盪阻尼將會變得越來越增加，且該Q因素將下降。該下降的Q因素是需要藉由在驅動電路204中的放大器提供較高的增益(gain)。然而，若所提供的放大太高，則該驅動電路204、來自石英晶體振盪器202的響應可能會變得不易區別。在此情況，該驅動電路204可在非相關的頻率、或在石英晶體振盪器202的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(photovoltaic cell)下，以低功率電池長時間運轉。
驅動電路204，現在將參照第4圖加以敘述。為了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的電壓訊號，將其放大，且將該訊號(signal)回饋至石英晶體振盪器202。該石英晶體振盪器202的基本共振頻率，在本質上是石英的膨脹與收縮速率的 函數(function)。此通常是藉由晶體的切割及大小來決定。
然而，外在因素也會影響到共振頻率。當所產生的輸出頻率的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，以用於計算使用者所需要的氣體的適當性質，且若有需要時，可輸出至一適當的顯示器裝置(如稍後將加以敘述者)。
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包含鋰離子電池。然而，另一可行的電源對於熟習此技藝者將是顯而易見的其他電池類，例如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進一步包含達靈頓對共射極放大器(Darlington pair Common Emitter amplifier)210。該達靈頓對包含由兩個雙極型NPN電晶體(bipolar NPN transistors)所構成的複合結構，使得藉由第一電晶體加以放大的電流是進一步藉由第二者加以放大。當與各電晶體是採用分離方式者相比較時，則此架構可獲得較高的電流增益(current gain)。另一可行的是可使用PNP雙極型電晶體(PNP bipolar transistor)。
達靈頓對210是配置成從單電晶體(single transistor)(T1 )共射極放大器212的反饋架構。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可使用另一可行的電晶體 配置，例如雙極型接面PNP電晶體(bipolar junction PNP transistor)或金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFETs：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)。
驅動電路204包含又一NPN射極隨耦器電晶體T2 ，其作用如同緩衝放大器214。該緩衝放大器214是配置成可作用如同在電路與外部環境間的緩衝器。
電容器216是設置成與石英晶體振盪器202串聯。該電容器216在此實例中具有100pF值，在晶體例如受到鹽類或其他沉積物而已被污染的情況，可使得驅動電路202能驅動石英晶體振盪器202。
另一可行的驅動電路240，現在將參照第5圖加以敘述。該驅動電路240可用於取代上述的驅動電路204。與上述的驅動電路204完全不同，該驅動電路240包含一共漏極(common drain)金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)放大器242，以取代第6圖的電路的達靈頓對。該MOSFET 242作用如同一高阻抗輸入，其使得放大器級(amplifier stage)的輸入阻抗能配合石英晶體振盪器202的高阻抗。換句話說，該MOSFET 242提供具有高輸入阻抗的單位增益，以降低在石英晶體振盪器202的電負載(electrical load)。
共漏極MOSFET放大器242的輸出是輸入至兩個連續的單電晶體(Q2,Q3)共射極放大器244。電阻R6及R8是對電晶體提供包括負反饋(negative feedback)及偏壓電流(biasing current)兩者。該共射極放大器244提供高增益， 以放大石英晶體振盪器202的振盪，且在此具體實例中，包含一NPN雙極型接面電晶體。然而，熟習此技藝者將可瞭解可使用另一可行的電晶體配置，例如雙極型接面PNP電晶體(bipolar junction PNP transistor)或MOSFETs。
電容器246是連接在石英晶體振盪器202與接地(ground)間。在此具體實例中，該電容器246是可操作以增加對石英晶體振盪器202的驅動。
電阻248是與石英晶體振盪器202連接成串聯。該電阻248在此具體實例中具有56kΩ值，可阻尼石英晶體振盪器202的振盪，使得電路可僅以逐漸的波形變化而在廣泛的壓力範圍振盪。
驅動電路240是藉由3V電池249來提供電力。在此具體實例中，該電池249包含鋰電池。然而，另一可行的電源對於熟習此技藝者將是顯而易見的其他電池類，例如包括可再充電與非可再充電兩者、及太陽能電池配置。另一可行的是也可使用經直流整流(DC rectification)及適當的降低電壓的市電供電配置(mains supply arrangement)。
又一可行的驅動電路300，現在將參照第6圖加以敘述。如第6圖所展示的驅動電路是構成為類似於皮爾斯振盪器(Pierce oscillator)。皮爾斯振盪器是一種習知的數位IC時鐘振盪器(digital IC clock oscillator)。在本質上，該驅動電路300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的負載電阻(load resistor)。電阻R2 作用如同反饋電阻(feedback resistor)，在其操作的線性區域對反相器(inverter)T施加偏壓(biasing)。此可有效地使得反相器T操作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的輸出與石英晶體振盪器202間，以限制增益及阻尼在電路中非所欲的振盪。
石英晶體共振器(quartz crystal resonator)202與C1 及C2 組合而形成Pi網路帶通濾波器(Pi network band-pass filter)。此使其能在大約石英晶體振盪器的共振頻率獲得180度相位位移(phase shift)、及從輸出至輸入的電壓增益(voltage gain)。上述的驅動電路300，因為其包含較少的構件，因此為可靠且可以廉價製造。
如上所述，感測器組合200可包含處理器220，以接收來自石英晶體振盪器202及驅動電路204的輸入。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)、或現場可程式規劃閘陣列(FPGA：Field Programmable Gate Array)。該處理器220是加以程式化以計算、顯示、及傳輸對鋼瓶100的使用者有用的參數。
當與石英晶體振盪器202一起使用時，處理器220可構成為可測量來自驅動電路204的訊號的頻率f 或週期(period)。此可藉由例如計數在固定時間的振盪來達成，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。此數值是傳遞至處理器220，其構成為可根據所供應的輸入資訊實施計算，進行決定在氣體鋼瓶100中的氣體的質量。
處理器220可視需要而設計成適用於大量生產，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特性而可用於不同的氣體。
除此以外，處理器220也可構成為可將電力消耗最小化，其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的「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。另一可行或可附加的是通訊構件例如天線230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的理論與操作，現在將參照第7至14圖加以敘述。
石英晶體振盪器210具有視其所在位置的流體密度而定的共振頻率。在振盪中的音叉型平面晶體振盪器暴露於氣體中，導致晶體的共振頻率發生位移(shift)及阻尼(damping)(當與晶體在真空中的共振頻率相比較時)。對於此是有數個理由。然而，氣體對於晶體的振盪具有阻尼效應 (damping effect)，氣體鄰近在振動中的音叉晶體振盪器210的振動叉齒210a會增加振盪器的等效質量。根據單側固定彈性樑(one-sided,fixed elastic beam)的動作，此會導致石英晶體振盪器的共振頻率降低：
其中，f 是振盪頻率，f 0 是在真空中的振盪頻率，ρ 是氣體密度，且M 0 是常數。
密度ρ 在幾乎所有的情況與M 0 相比較為小，因此公式可加以近似為線性方程式(linear equation)： 其可重新以與f 0 的頻率偏差(frequency deviation)△f 來表示，如方程式3)所揭述者：
因此，以最佳近似法(to a good approximation)，頻率的變化是與石英晶體振盪器所暴露的氣 體的密度的變化成比例。第7圖是展示關於數種不同的氣體/氣體混合物，該石英晶體振盪器210的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的靈敏度為5%的頻率變化是可例如在250bar(當與大氣壓力相比較)的氧氣(具有原子質量數32)中觀察到。此等壓力及氣體密度是永久氣體所使用的儲存鋼瓶的典型數值，對於大多數的氣體通常為在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的氣體的密度感測器。首先，為了正確地感測氣體的密度，其需要氣體為不含粉塵及液滴，此是商品級所供應的氣體所保證者，但是並不保證不含空氣或在一般的壓力監測狀態下。
第二，因為在鋼瓶內的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(大約1秒鐘)取得讀數，且不會衝擊到測量的準確度。大約1秒鐘的時間期間是必要的，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的鋼瓶或在最近所調製、及未經充分混合的輕質與重質氣體混合物中。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內的氣體的內部容積V 是固定。因此，一旦在氣體鋼瓶100的內部容積V 內的氣體密度ρ 已經從藉由感測器組合200的測量獲得，則在鋼瓶中的氣體質量M 可從下式而獲得：4)M =ρV 。
因此，氣體密度ρ 的直接測量是可使其能計算得殘留在氣體鋼瓶100中的氣體的質量。
以此方式的氣體的質量的測量是比習知的配置具有許多優點。例如，根據本發明的一具體實例所測得質量在本質上是經溫度校正。相反地，壓力的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的溫度測量及/或校正。
此外，根據本發明的一具體實例所測得氣體的質量，在本質上是經可壓縮性(compressibility)Z的校正。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。此在該可壓縮性Z並不與氣體壓力成比例(如同在理想氣體所預期的方式)的高壓下是特別重要。
可壓縮性的自動補償(automatic compensation)是可參照第8及9圖加以圖解說明。第8圖是展示關於氬氣、氧氣、及一種含有氬氣：二氧化碳的混合物的氣體質量(kg) (在Y-軸)作為壓力(bar g)的函數圖。如第8圖所展示，不同氣體的質量是隨著壓力增加而變化。此外，在超過250bar g的高壓下，在質量與壓力間不再具有線性關係。
第9圖是展示關於如第8圖所展示相同的三種氣體(氬氣、氧氣、及一種含有氬氣：二氧化碳的混合物)的氣體質量(kg)(在Y-軸)作為密度(kg/m3 )的函數圖。與第8圖相反，其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。
如上所概述，本發明的配置可使得質量測量達到具有百萬分比(ppm)解析度的非常高準確度。配合石英密度感測器(quartz density sensor)202在高密度及壓力下的線性響應(linear response)(如在第8及9圖中圖解說明者)，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)。
在許多實務應用的情況，測量進入或退出氣體鋼瓶100的質量流量是重要的。此在需要知道從氣體鋼瓶100的氣體的使用速率，例如需要計算在鋼瓶出空前的剩餘時間的情況可能是有用的。另一可行或可附加的是為了管理控制精確的氣體數量，則可監測質量流量。
在大氣壓力下的氣體密度是僅為1克/公升的等級，且正常氣體使用率通常每分鐘只有幾公升。本案發明人已經發現：石英晶體振盪器202是充分穩定且準確，使其能 藉由所顯示的密度變化而測得退出氣體鋼瓶100的氣體的質量流量。該質量流量是從方程式5)計算得： 其中，V 是體積，△ρ 是在時間區間△t 所顯示的密度變化。在此情況，感測器組合200的操作是需要驅動電路204以整合石英晶體振盪器202的複數個振盪周期(oscillation cycles)。
因此，其不可能獲得密度隨著時間的變化的瞬間速率。然而，在正常操作下，在氣體鋼瓶100中，密度隨著時間的變化率是相對地低。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10及11圖是以圖解說明質量流量偵測的實驗數據。第10圖是展示關於從50公升鋼瓶在所顯示約100bar壓力下以12l/min流率的頻率(kHz)(在Y-軸)作為時間(min)(在X-軸)的函數圖。第11圖是展示關於50公升鋼瓶在約100bar壓力下所計算得流率(l/min)(在Y-軸)作為時間(min)(在X-軸)的函數圖。
此等圖示是以圖解說明對大多數的正常使用者，從氣體鋼瓶100的氣體的質量流率(mass flow rate)是可 從測量密度隨著時間的變化加以決定。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)計算得。
第12圖是以圖解說明另一實驗數據展示本發明的操作。第12圖是展示頻率(kHz)(在Y-軸)作為總鋼瓶質量(kg)(在X-軸)的函數圖。如圖所展示，該圖是以高準確度為近似線性(linear)。因此，第12圖是展示在氣體鋼瓶100內的氣體的質量是可使用石英晶體振盪器202準確地加以測量。
然而，如上所述，當流體從鋼瓶取出時，鋼瓶的頂部會變得比鋼瓶的其餘部份顯著地較冷，在鋼瓶內形成強烈的對流氣流。第13圖是展示氣體流量已經取出歷時10分鐘後，對流對於從鋼瓶的氣體流量測量的影響。
在實驗性設定，外罩250是省略，且石英晶體振盪器202是位於氣體鋼瓶100的內部中，未加護罩且直接暴露於鋼瓶100的氣體中。
從第13圖可觀察到：在流動(flow)停止後，對流氣流會對於流量訊號造成顯著的雜訊。Y-軸展示除以2的流量(以l/min表示)，而X-軸是時間，每秒鐘一數據點。由於對流的雜訊位準(noise level)意謂可能會偵測得不正確的流率，且僅能收集到很少的具有意義的資訊。特別是雜訊波動(noise fluctuations)可能會導致不正確的流率測量，在介於+10l/min與-10l/min間擺動(oscillating)。此對於準確的商業化用途顯然是無法被接受的。
第14圖是以圖解說明一種類似的測量。然而，在此情況，實驗性配置包含第一具體實例的外罩250，其設置成圍繞(around)石英晶體振盪器202，以作用如同一氣動阻尼(pneumatic damper)。對於當閥是打開且氣體是在流動(在約12l/min的流率)時、及當閥是關閉時，如第14圖所展示，數據顯示具有比如第13圖所展示的測量顯著地較少的雜訊。
如圖所展示，根據本發明的一具體實例的外罩250，由於在鋼瓶100內的對流而顯著地降低數據雜訊(data noise)(及所導致的測量誤差)。
本案發明人已經發現：使用電子濾波(electronic filtering)單獨是無法有效地達成此雜訊的降低。例如，雖然應用RC濾波器(RC filter)、或指數數位濾波器(exponential digital filter)可導致若干平滑化(smoothing)的訊號，但是已經在實驗上發現：為了獲得可被接受的結果，大約30秒鐘的時間常數是需要的。此遲緩的響應時間(response time)對於大多數典型的商業化應用是無法被接受的。
然而，已經發現：結合外罩250(其可顯著地降低由於對流的雜訊)及電子濾波，則可提供優良的結果。因為藉由使用外罩250可顯著地降低雜訊，因此可配備電子濾波以在較短的時間期間獲得平均值且改善響應性能。
應用一種指數平均化模式(exponential averaging model)，且利用方程式6)的公式： 其中，是先前所計算得值(或平均值)，是目前所記錄得(recorded)值，且γ 是指數衰減常數(exponential decay constant)(0至<1)。
然而，指數濾波(exponential filtering)導入一時間延遲(time lag)至所報導的數值。此延遲可使用方程式7)計算得： 其中，是在讀數間的時間期間。
第15圖是展示一實驗性測量，其展示具有衰減常數(decay constant)γ 為0.9的濾波的功效。可清楚地看見：濾波器(filter)具有進一步平滑化該訊號的雜訊的功效。
如下表1展示根據本發明的具體實例的外罩配置所獲得測量的總結。如下所展示，使用外罩250的各種各樣的具體實例，則可獲得高達數量級大小的改善由於在鋼瓶100內的對流氣流而造成的雜訊降低。此外，數值濾波甚至進一步可降低流動擴散(flow spread)(亦即，由於在測量訊 號的雜訊而造成所測得流動變異)。然而，該數值平均結果會造成響應時間的成本增加。因此，在實務應用上，需要加以折衷選擇。
根據本發明的一具體實例的方法，現在將參照第16圖加以敘述。如下所述的方法是可應用到如上所述各具體實例。
步驟400：初始化測量
在步驟400，在氣體鋼瓶100中的氣體的質量的 測量是加以初始化。此可藉由例如使用者按壓在氣體鋼瓶100的外側的按鈕來加以啟動。另一可行的是該測量可藉由遠端連接加以初始化，例如訊號是橫過無線網路而傳送，且經由天線230而被感測器組合200接收(參閱第2圖)。
關於又一可行的或除此以外的是該感測器組合200可構成為以遠端方式或計時器進行初始化。然後，該方法接著進行步驟402。
步驟402：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晶體202。該隨機電壓的至少一部份將在適當的頻率造成晶體202振盪。然後，該晶體202將開始與該訊號同步進行振盪。
藉由壓電效應(piezoelectric effect)，石英晶體振盪器202的動作，則將會在石英晶體振盪器202的共振頻帶中產生一電壓。驅動電路204則將藉由石英晶體振盪器202所產生的訊號加以放大，使得在石英晶體共振器202的頻帶中所產生的訊號優控(dominate)驅動電路204的輸出。石英晶體的狹幅共振頻帶濾除全部非所欲的頻率，而驅動電路204則在基本共振頻率f 驅動該石英晶體振盪器202。一旦該石英晶體振盪器202已經穩定在一特定共振頻率，該方法接著進行步驟304。
步驟404：測量石英晶體振盪器的共振頻率
共振頻率f 是視在氣體鋼瓶的內部容積V 內的 條件而定。在本具體實例中，共振頻率的變化△f 是與在氣體鋼瓶100內的氣體的密度的變化大小成比例，且將隨著密度增加而減少。
為了進行測量，該石英晶體振盪器202的頻率是測量大約1秒鐘。此是為使得讀數穩定化而計數足夠的振盪以決定準確的測量。該頻率的測量是在處理器220中進行。當測量啟動後，該處理器220也可登錄(log)時間T1 。
石英晶體振盪器202是位於在前述具體實例之一的外罩250內。因此，在測量期間，該外罩250屏蔽石英晶體振盪器202避免由於在鋼瓶100內的對流而有密度與溫度的變異。此情況可能會發生，例如當氣體已經從鋼瓶100取出歷時一段預定的期間、及鋼瓶100的頂部是冷的。
一旦該頻率已經測得，該方法接著進行步驟406。
步驟406：決定在氣體鋼瓶中的氣體質量
一旦該石英晶體振盪器202的頻率已經在步驟304中滿意地測得，然後處理器220計算在氣體鋼瓶100中的氣體的質量。
此是藉由使用上述方程式5)來完成，亦即，該氣體的質量是可直接從在步驟304所決定的密度、及已知的氣體鋼瓶100的內部容積V 計算得。然後，該方法接著進行步驟408。
步驟408：儲存測量的結果
一旦氣體的質量已經計算得，則該質量可單純 地記錄在與感測器組合200的處理器220相關聯的內部記憶體中，作為以後檢索取回使用。關於再一可行的是在時間T1 的該氣體的質量可暫時儲存在該處理器220的記憶體中而產生一時間登錄(time log)。
然後，該方法接著進行步驟410。
步驟410：通訊結果
關於一選擇性的步驟，該氣體的質量可以數種方式來顯示。例如，搭接在氣體鋼瓶100或閥104的螢幕可用於顯示在氣體鋼瓶100內容納的氣體的質量。在另一可行的方法中，該氣體的質量測量可以遠端方式與基地台、或位於鄰近的配件的量計(meter)進行通訊。
然後，該方法接著進行步驟412。
步驟412：切斷感測器組合電源
並不需要在所有的時間維持感測器組合200皆可操作的狀態。相反地，當不使用時，藉由將感測器組合200關閉以減少電力消耗是有利的。此可延長電池206的壽命。
驅動電路204的架構可使得石英晶體振盪器202，不論在氣體鋼瓶100中的氣體壓力如何也可重新啟動。因此，感測器組合200可視需要而加以停機以節省電池電力。
如上所述是關於鋼瓶100的含量的單一測量方法。雖然本發明的外罩250是配置成可屏蔽(shield)以對抗會最顯著地影響到質量流量測量的對流氣流，該外罩250也將 有助於在穩態的含量測量(亦即，單一測量)。此是因為使用者在一特定流量(flow)已經取出後，可能需要鋼瓶100的真正含量的穩態測量，因此可決定殘留的氣體質量。
然而，在流量已經取出後，鋼瓶100的頂部可能會變得比其餘部份較冷，於其內形成對流氣流。外罩250可使其能進行準確的測量真正質量含量，不論在鋼瓶100內的對流如何。此可改善穩態測量的準確度及速度。
本發明的一具體實例的方法及操作，關於穩態測量已經參照上述步驟400 to 412加以敘述如上所述。然而，為了測量從鋼瓶100的質量流量，也可視需要而進行下列額外的步驟：
步驟414~418：進行進一步決定質量
可能期望計算進/出氣體鋼瓶100的氣體的質量流量。在時間T2 (其比T1 較晚)，實施步驟414,416及418。在時間T2 實施的步驟414,416及418是分別相對應於步驟404,406及408。從步驟414,416及418所獲得的數值是儲存在處理器220的內部記憶體中，作為在時間T2 的氣體的質量。
在T1 與T2 間的時間區間可能非常短，為秒鐘等級，如第9圖以圖解說明者。另一可行的是若流率為緩慢、或若期望測量在氣體鋼瓶100內的損失，由於例如泄漏，則該在T1 與T2 間的時間區間可為相當大，例如為分鐘、小時或天數的等級。
然後，該方法接著進行步驟420。
步驟420：應用數值濾波
如上所述，此步驟是視情況而定。在需要高準確的流率，但是測量裝置的響應時間是較不重要的因素的情況，則可選擇數值濾波。如此的情況可能會發生，例如當低流率是在長久的時間期間被測量時。
若選擇數值濾波，則其可藉由專用的電腦硬體形成處理器220的一部份、或另一可行的是可將在處理器220執行的軟體加以編碼(encoded)來實施。
如上所述，該數值濾波可包含指數濾波器(exponential filter)，其使用在步驟406所作成的測量(且在步驟408加以儲存)，連同稍後在步驟416所作成的測量(且在步驟418加以儲存)。
然後，該方法接著進行步驟422。
步驟422：計算質量流量
若知道在T1 與T2 間的時間差、及在該等時間在氣體鋼瓶100中的氣體的質量，則處理器220可從方程式6)計算在T1 與T2 間的時間期間的質量流量。
然後，若有需要，該方法則實施重複步驟314至320，以進一步計算質量流量。另一可行的是該方法可移動至步驟312，且感測器組合200可加以切斷電源。
上述具體實例的變異例對於熟習此技藝者將是明顯可見。硬體與軟體構件的精確架構可能會不同，但是仍然屬於本發明的範圍內。熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用其他可行的架構。
例如，上述的具體實例是使用具有32.768kHz的基本頻率的石英晶體振盪器。然而，可使用在其他可行的頻率操作的晶體。例如，在60kHz及100kHz操作的石英晶體振盪器可使用於上述的具體實例。一展示關於不同的晶體的頻率隨著密度的變化圖是如第17圖所展示。關於另一實例，可使用在1.8MHz的頻率操作的晶體振盪器。
在較高頻率操作，則由於取樣一特定周期數所需要的時間期間較短，可使其更頻繁地監測壓力。除此以外，較高頻率晶體可使其在晶體的「睡覺」模式所使用的工作週期(duty cycle)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大約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操作中的時間。此可減少電力消耗，且伴隨著可改善電池壽命。
除此以外，上述具體實例已藉由測量石英晶體振盪器的絕對頻率加以敘述。然而，在自足式(self-contained)電子設備併用入一搭配調節器的氣體鋼瓶中，藉由與完全相同類型但是封入於真空或壓力封裝中的參考晶體(reference crystal)的頻率相比較，測量感測器的頻率位移可能也是有利的。該壓力封裝可容納在所選擇的密度的氣體、在大氣條件下或可開放至氣體鋼瓶100的外部的大氣氣體。
一適當的感測器組合500是展示於第18圖。該感測器組合500包含：第一石英晶體振盪器502及第二石英 晶體振盪器504。該第一石英晶體振盪器502是一種參考晶體，其位於在真空下的密封容器506內。該第一石英晶體振盪器502是藉由驅動電路508加以驅動。
第二石英晶體振盪器504是一種類似於在前述具體實例中所揭述的晶體202的晶體。該第二石英晶體振盪器504是暴露於氣體鋼瓶100的內部容積內的氣體環境中。該第二石英晶體振盪器504是藉由驅動電路510加以驅動。
此比較可藉由使用電子混頻電路(electronic mixer circuit)512來實施，其組合雙頻訊號，且在等於兩個晶體間的差異的頻率產生一輸出。此配置可使其忽視由於例如溫度的小變化。
此外，由於僅差異頻率是需要加以測量，在氣體鋼瓶100中所使用的電路可加以簡化。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的高頻率(MHz)晶體振盪器。
除此以外，用於測量及顯示密度、質量或質量流量所需要的全部電子設備，並不需要安裝在氣體鋼瓶上或其中。例如，電子功能可分成：永久安裝在鋼瓶上的單元、及安裝在客戶的使用工作站或暫時安裝在鋼瓶的出口，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。
此配置的一實例是可參照如第19圖所展示者。該配置包含：具有氣體鋼瓶600及感測器組合602的氣體鋼瓶組合50。該氣體鋼瓶組合50、氣體鋼瓶600及感測器組合602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揭述者。
在此具體實例中，該感測器組合602包含石英晶體振盪器及驅動電路(未展示)，類似於前述具體實例的石英晶體振盪器202及驅動電路204。天線604是配備用於經由任何適當的遠端通訊協定的通訊，例如藍牙、紅外線(IR：Infrared)或RFID(無線射頻識別技術：Radio-frequency identification)。另一可行的是可利用一線式通訊。
關於又一可行的是可使用聲波通訊方法(acoustic communication method)。此等方法的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606是連接到氣體鋼瓶600的出口。該連接管是藉由快速連接的接頭608而終接。該快速連接的接頭508可使得輸送管線或構件容易且快速地與氣體鋼瓶600連接及拆卸。
快速連接單元650是配備用於連接到氣體鋼瓶600。互補性快速連接的接頭610是配備用於連接到接頭508。此外，該快速連接單元650是配備數據單元652。該數據單元652包含：顯示器654及天線656，用於與氣體鋼瓶組合50的天線604通訊。該顯示器654可包含例如電子印墨顯示器(E-ink display)，以將電力消耗最小化、及將顯示器的視認性最大化。
數據單元652可登錄藉由氣體鋼瓶組合50的感 測器組合602所測得的各種參數。例如，該數據單元652可登錄相對於時間的流率。如此的登錄是有用的，例如對於焊接包商希望檢查該氣體流量是存在、且在長時間的氣體焊接程序對於關鍵的構件是正確，或對一特定客戶的使用率提供數據。
除此以外，從氣體鋼瓶600所獲得的數據可用於展示耗盡時間的數據，亦即在鋼瓶500中的氣體用完前的時間。此在例如醫院間的病人運送時所使用的醫院用氧氣瓶的應用是特別重要的關鍵因素。如此的時間(T ro )是可從鋼瓶500的流率(如上所述)、質量含量及目前時間(T c )的知識，經由下列方程式8)計算得：
另一可行的是可將獲自數據單元652的數據輸出至一電腦啟動式焊接機(用於焊接應用)或其他使用氣體的設備，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的警告)、標準尺寸氣球的數目(或用於測量及校正非標準尺寸的氣球)、剩餘的焊接時數、壓力的顯示(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，數據單元652是配置成可提供下列 功能：若氣體含量為低於某些位準或流率時，提供可聽見或看見的警報；輸出鋼瓶的壽命(例如，對於緩慢地變化的混合物)或鋼瓶有效日期；含有及顯示氣體的使用數據，亦即其焊接的類型、焊接何種類型的金屬，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；對客戶顯示與再充填鋼瓶的氣體公司所顯示不同的數量；允許數據的輸入；提供數據，例如鋼瓶數目、氣體的類型、產品檢驗報告書、客戶歷史記錄(何人何日擁有該鋼瓶)、安全資料及操作提示是可記載在鋼瓶的摘要表中。
關於另一可行的是全部上述實例可從一種整體位於氣體鋼瓶600的上方(或其內部)的系統視需要而加以處理、儲存或獲得，如在感測器組合200,602中所論述者。
除此以外，本發明的具體實例也可用於實施洩漏偵測(leak detection)。由於如此的感測器的靈敏度大，石英晶體振盪器是特別適用於此任務。除此以外，石英晶體振盪器將不會由於在鋼瓶中的溫度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，本發明的具體實例可用於偵測故障，例如在殘留壓力閥故障的偵測(例如，在一具有壓力為低於3bar g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的用途而加以說明，但是熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用另一可行的壓電材料。例如，非限制性列舉可包括晶體振盪 器：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、氧化鋅矽複合物、或酒石酸二鉀。
〔產業上的利用可能性〕
除此以外，雖然上述具體實例已參照氣體鋼瓶而加以說明，本發明的其他應用也可使用。例如，石英晶體振盪器可位於車輛例如汽車、摩托車或卡車的輪胎內。雖然車輛輪胎的形狀在負載或在速度下可能會改變形狀，本應用的本案發明人已經展示在使用時該輪胎的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的變化是少於全部內部容積的2至3%時，則本發明是可靠地操作以計算在車輛輪胎內的氣體的質量。
此外，雖然許多應用使用空氣作為車輛輪胎內的氣體，使用例如氮氣的氣體已越來越增加。本發明的配置是特別適合於此應用。此外，因為質量的測量在本質上是與溫度無關，本發明的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)。
本發明的具體實例已特別參照圖解說明的實例加以敘述。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的特定形態。應瞭解的是可在本發明的範圍內對所揭述的實施例作各種變異及改良。
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‧‧‧可握緊的手柄
120‧‧‧饋通
200‧‧‧感測器組合
202‧‧‧壓電振盪器；石英晶體振盪器；石英晶體共振器
204‧‧‧驅動電路
206‧‧‧電池
230‧‧‧天線
250‧‧‧外罩
V‧‧‧內部容積

Claims (16)

  1. 一種感測器組合(200)，用於測量在壓力容器(100)內在壓力下的氣體的物理性質，該感測器組合(200)包含：外罩及壓電振盪器(202)，用於浸沒於壓力容器(100)內的氣體中，該壓電振盪器(202)是配置成當浸沒於該氣體中，可測量在壓力容器(100)內的氣體的密度，該外罩(250)包含第一腔室及第二腔室，該第一腔室是與第二腔室的流體連通且實質地包圍該壓電振盪器，而該第二腔室是與壓力容器內部的流體連通。
  2. 如請求項1所述的感測器組合，其中，進一步包含驅動電路，該驅動電路是可操作以驅動壓電振盪器，使得該壓電振盪器在共振頻率進行共振，及可測量在預定的時間期間後的該共振頻率，以決定在該壓力容器中的氣體的密度。
  3. 如請求項1或2所述的感測器組合，其中，該壓力容器具有固定內部容積(V)，且感測器組合(200)是進一步構成為可從密度測量、及從該壓力容器(100)的內部容積(V)，進行決定在壓力容器(100)內的氣體的質量。
  4. 如請求項3所述的感測器組合，其進一步配置成：可實施重複測量在離散時間區間在壓力容器內的氣體的質量，以獲得複數個測量，及從該複數個測量，進行決定 在離散時間區間進/出壓力容器的氣體的質量流量。
  5. 如請求項4所述的感測器組合，其中，該離散時間區間為秒鐘等級。
  6. 如請求項4或5所述的感測器組合，其中，該測量是應用數值濾波。
  7. 如前述請求項中之任一項所述的感測器組合，其中，該第一腔室具有包含第一孔的壁，可使得在第一與第二室間的流體連通，且該第二腔室具有包含第二孔的壁，可使得在第二腔室與壓力容器的內部容積間的流體連通。
  8. 如請求項7所述的感測器組合，其中，該第一及/或第二孔具有0.35mm或以下的尺寸。
  9. 如請求項8所述的感測器組合，其中，該第一及/或第二孔具有0.22mm或以下的尺寸。
  10. 如前述請求項中之任一項所述的感測器組合，其中，該外罩大體上為圓筒形。
  11. 如前述請求項中之任一項所述的感測器組合，其中，該外罩具有230mm或以下的長度。
  12. 如請求項11所述的感測器組合，其中，該外罩具有80mm或以下的長度。
  13. 如前述請求項中之任一項所述的感測器組合，其中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
  14. 一種壓力容器(100)，用於容納在壓力下的氣體，該壓力容器(100)具有固定內部容積(V)，且該壓力容器包含：一壓力容器體(102)，用於定義固定內部容積(V)；一閥配置(104)，連接到該容器體(102)，且配置成可以氣體選擇性充填壓力容器、或分配來自該容器(100)的氣體；以及如請求項1至13中之任一項所述的感測器組合(200)。
  15. 如請求項14所述的壓力容器，其中，該感測器組合是整體位於壓力容器的固定內部容積內。
  16. 如請求項4或15所述的壓力容器組合，其中，該壓力容器是呈氣體鋼瓶的形態。
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