TWI479128B - 用於測量一氣體的質量流率的方法及設備 - Google Patents

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Description

用於測量一氣體的質量流率的方法及設備
本發明關於一種用於測量一氣體的質量流率(mass flow rate)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)，進行測量通過流量限制孔口(flow restriction orifice)的一氣體的質量流量(mass flow)的方法及設備。
在此所揭述的方法及設備可應用在例如流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流體、或利用高壓流體的製造工廠。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。
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(bar g是高於大氣壓力的壓力的量度)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)。
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，且對於例如氫氣及氦氣等氣體則為高達900bar g。
為了有效地控制從氣體鋼瓶或其他壓力容器分 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的閥(VIPR：Valve with Integrated Pressure Regulator)。調節器是能調節氣體的流量(flow)，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，期望知道從氣體鋼瓶的氣 體的流率。此對於許多應用例如醫學應用而言，可能是重要 的關鍵因素。
已知有數種不同的質量流量計配置。
泛用於許多工業應用的質量流量計的一類別是 機械式質量流量計。此等量計(meter)包括以移動或轉動來測量質量流量的機械式構件。一如此類型的是慣性流量計(inertial flow meter)(或科氏流量計(Coriolis flow meter))，其測量流體流動通過形狀管對於流體的影響。科氏流量計可以高準確度處理廣泛範圍的流率。然而，為了偵測流率，則需要例如啟動、感測、電子及計算特性的複雜系統。
另一可行的機械式質量流量計是隔膜式量計 (diaphragm meter)、旋轉式量計(rotary meter)及渦輪式量計(turbine meter)。然而，此等類型的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，例如旋轉式量計的量計是僅用於測量相對低流率。
另一可行的類別的質量流量計是電子流量計。 兩種主要類型是熱流量計(thermal meter)及超音波流量計(ultrasonic meter)。熱流量計是測量通過經加熱的管的熱傳導來測量流率。超音波流量計是測量在氣體介質中的音速，有時候是將在管路內多重路徑的音速加以平均。然而，兩種類型的電子流量計通常需要重要的訊號處理硬體，且通常為高成本的物品。
根據本發明的第一形態，提供一種用於測量通 過孔口(orifice)的一氣體的質量流率的方法。該方法是使用與孔口的上游的氣體相接觸的第一壓電振盪器、及與孔口的下游的氣體相接觸的第二壓電振盪器；且該方法包括下列步驟：a)進行驅動第一及第二壓電晶體振盪器，使得各第一及第二壓電晶體振盪器在各自的共振頻率進行共振；b)進行測量第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率；以及c)從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定通過該孔口的氣體的質量流率。
藉由提供如此的方法，使用穩固且相對廉價的 壓電晶體振盪器(piezoelectric crystal oscillator)例如石英晶體振盪器，則可容易地決定通過限制孔口(restrictive orifice)的一氣體的質量流率。該壓電晶體振盪器將在視振盪器所浸沒於其中的氣體密度而定的共振頻率進行振盪。因為在扼流狀態(choked flow condition)下，孔口的上游的氣體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。此外，藉由在孔口的下游配置又一晶體振盪器，則可達成更準確的測量。
如此的振盪器作用包括作為：一激發源 (excitation source)(藉由因應經驅動電路(drive circuit)所驅動而進行振盪)、及一偵測器(藉由具有視振盪器所在位置的環境而定的單一共振頻率)。除此以外，晶體振盪器是穩固，因此相對地較不會受到環境干擾的影響。此外，操作如此的振盪器所需要的構件是小型化且低成本。
在一具體實例中，該步驟c)進一步包括下列步 驟：d)從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定孔口的上游的氣體密度、及孔口的下游的氣體密度。
在一具體實例中，該步驟c)進一步包括下列步 驟：d)進行決定孔口的上游的氣體密度對於孔口的下游的氣體密度的比率。
在一具體實例中，當該比率為在於或高於預定 值，則判斷通過該孔口的流量為扼流，而質量流率是從孔口的上游的氣體密度單獨計算得。
在一具體實例中，當該比率為低於預定值，則 質量流率是從孔口的上游的氣體密度、及從孔口的下游的氣體密度計算得。
在一具體實例中，當該比率為低於預定值，則 質量流率是從孔口的上游的氣體密度單獨計算得，且該方法進一步包括下列步驟：e)提供質量流率的決定可能包含誤差的通知(notification)。
在一具體實例中，氣體是從位於壓電晶體振盪 器的上游的壓力調節器或閥加以分配。
在一具體實例中，該壓力調節器或閥是可因應 所測得通過該孔口的氣體的質量流率，以電子方式加以控制。
在一具體實例中，該方法進一步包括：進行決 定孔口的上游的氣體的溫度。
在一配置例中，該氣體是從位於壓電晶體振盪 器的上游的壓力調節器或閥加以分配。
在一配置例中，該壓力調節器是可因應所測得通過該孔口的氣體的質量流率，以電子方式加以控制。
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。
根據本發明的第二形態，提供一種用於測量一氣體的質量流率的量計。該量計包含：在使用時氣體流動通過的導管，該導管具有在使用時在通過時發生扼流(choked flow)的流量限制孔口，該流量限制孔口將導管劃分成該孔口的上游的上游部份、及該孔口的下游的下游部份；且該量計進一步包含：感測器組合，其包括一在該上游部份的第一壓電晶體振盪器，使得當量計在使用時，該第一壓電振盪器是與該氣體相接觸，及一在該下游部份的第二壓電晶體振盪器，使得當量計在使用時，該第二壓電振盪器是與該氣體相接觸，且該感測器組合是配置成：可驅動第一及第二壓電晶體振盪器，使得各第一及第二壓電晶體振盪器在各自的共振頻率進行共振，可測量第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，以及可從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定通過該孔口的氣體的質量流率。
藉由提供如此的配置，使用穩固且相對廉價的 壓電晶體振盪器例如石英晶體振盪器，則可容易地決定通過限制孔口(restrictive orifice)的一氣體的質量流率。該壓電晶體振盪器將在視振盪器所浸沒於其中的氣體密度而定的共振頻率進行振盪。因為在扼流狀態下，流量限制孔口的上游的氣體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。此外，藉由在孔口的下游配置又一晶體振盪器，則可達成更準確的測量。
如此的振盪器作用包括作為：一激發源(藉由 因應經驅動電路所驅動而進行振盪)、及一偵測器(藉由具有視振盪器所在位置的環境而定的單一共振頻率)。除此以外，晶體振盪器是穩固，因此相對地較不會受到環境干擾的影響。此外，操作如此的振盪器所需要的構件是小型化且低成本。
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)的反體架構(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)。
在一配置例中，該壓電晶體振盪器包含至少兩 個平面叉齒。
在一具體實例中，該壓電晶體振盪器具有32 kHz或以上的共振頻率。
在一配置例中，該量計進一步包含：一個或以上的驅動電路、處理器及電源。
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。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切割或SC切割。
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。
在一配置例中，該驅動電路包含達靈頓對，其配置成從共射極放大器的反饋架構。
在一配置例中，該量計進一步包含溫度感測器，其配置成可決定鄰近該壓電振盪器的氣體的溫度。
在一配置例中，該量計是配置在壓力調節器或閥的下游。
在又一配置例中，該量計是配置成可因應所測得通過流量限制孔口的質量流率，以電子方式控制壓力調節 器或閥。
在一配置例中，該壓電晶體振盪器包含至少兩 個平面叉齒。
在一配置例中，該壓電晶體振盪器具有32kHz 或以上的共振頻率。
根據本發明的第三具體實例，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一形態的步驟的軟體部份。
根據本發明的第四具體實例，其配備一種可使 用於電腦的儲存媒體，具有根據第四形態而儲存於其中的電腦程式產品。
10‧‧‧氣體鋼瓶組合
80‧‧‧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
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‧‧‧隔膜
170‧‧‧開口
172‧‧‧彈簧
174‧‧‧軸
176‧‧‧可握緊的手柄
200‧‧‧量計組合
202(Fig.2,7,8,10)‧‧‧本體
204‧‧‧第一感測器組合
206‧‧‧第二感測器組合
208‧‧‧導管
210‧‧‧第一外罩
212‧‧‧第二外罩
214‧‧‧孔口板
216‧‧‧孔口；限制孔口
218‧‧‧上游；上游部份；上游區段
220‧‧‧下游；下游部份；下游區段
222(Fig.2,7,8,10)‧‧‧石英晶體振盪器
224‧‧‧驅動電路
226‧‧‧溫度感測器
228‧‧‧電池
230‧‧‧石英晶體振盪器
232‧‧‧驅動電路
234‧‧‧電池
238‧‧‧微處理器
240‧‧‧驅動電路、處理器
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
250‧‧‧達靈頓對共射極放大器；達靈頓對
252‧‧‧單電晶體(T1 )共射極放大器
254‧‧‧緩衝放大器
256‧‧‧電容器
260‧‧‧驅動電路
300‧‧‧調節器
302‧‧‧電磁閥
304‧‧‧電樞
350‧‧‧控制器
352‧‧‧螺線管驅動裝置；電子螺線管驅動裝置
354‧‧‧濾網
450‧‧‧控制器
452‧‧‧螺線管驅動裝置；電子螺線管驅動裝置
500‧‧‧步驟500：初始化
502‧‧‧步驟502：驅動晶體振盪器
504‧‧‧步驟504：測量共振頻率
506‧‧‧步驟506：決定溫度
508‧‧‧步驟508：決定質量流率
510‧‧‧步驟510：通訊及儲存結果
512‧‧‧步驟512：切斷感測器組合電源
600‧‧‧步驟600：初始化
602‧‧‧步驟602：驅動晶體振盪器
604‧‧‧步驟604：測量共振頻率
606‧‧‧步驟606：決定溫度
608‧‧‧步驟608：維持反饋迴路
610‧‧‧步驟610：通訊及儲存結果
700‧‧‧感測器組合
702‧‧‧第一石英晶體振盪器
704‧‧‧第二石英晶體振盪器
706‧‧‧密封容器
708‧‧‧驅動電路
710‧‧‧驅動電路
712‧‧‧電子混頻電路
800‧‧‧氣體鋼瓶
802‧‧‧調節器
804‧‧‧量計
806‧‧‧天線
808‧‧‧連接管
810‧‧‧快速連接的接頭；接頭
812‧‧‧互補性快速連接的接頭
850‧‧‧快速連接單元
852‧‧‧數據單元
854‧‧‧顯示器
856‧‧‧天線
A(Fig.2,8)‧‧‧孔口截面積
C1 ,C2 (Fig.11)‧‧‧電容器
C1,C2,C3,C4(Fig.10)‧‧‧電容器
D1 ,D2 (Fig.9)‧‧‧單電晶體
M(Fig.1)‧‧‧量計
Q2,Q3(Fig.10)‧‧‧單電晶體
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8(Fig.10)‧‧‧電阻
R1 ,R2 ,RS (Fig.11)‧‧‧電阻
T(Fig.11)‧‧‧反相器
T1 ,T2 (Fig.9)‧‧‧單電晶體；NPN射極隨耦器電晶體
V(Fig.1)‧‧‧內部容積
ρ1 (Fig.2,7,8)‧‧‧上游密度
ρ2 (Fig.2,7,8)‧‧‧下游密度
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圖是一氣體鋼瓶及調節器組合的示意圖；第2圖是展示根據本發明的第一具體實例的調節器組合及量計組合的示意圖；第3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4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(l/min)的函數圖；第5圖是展示關於所測得值及對於兩種預測模式的流率作為密度/壓力的函數圖； 第6圖是展示關於所預測模式及兩種操作行為極端的流率作為密度/壓力的函數圖；第7圖是展示根據本發明的第二具體實例的調節器組合及控制器組合的示意圖；第8圖是展示根據本發明的第三具體實例的調節器組合及控制器組合的示意圖；第9圖是使用於第一至第三具體實例中的任一者的驅動電路的示意圖；第10圖是展示使用於第一至第三具體實例中的任一者的另一可行的驅動電路的示意圖；第11圖是展示使用於第一至第三具體實例中的任一者的又一可行的驅動電路的示意圖；第12圖是展示使用於第二或第三具體實例中的任一者的調節器驅動電路的示意圖；第13圖是以圖解說明第一具體實例的操作方法的流程圖；第14圖是以圖解說明第二或第三具體實例的操作方法的流程圖；第15圖是展示不同的晶體類型的頻率行為圖；第16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17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。第1圖是展示可使用於本發明的情況的示意圖，其配備氣體鋼瓶100、調節器150及量計組合(meter assembly)200。
氣體鋼瓶100具有氣體鋼瓶體102及閥104。該氣體鋼瓶體102包含一般為具有平坦底座102a的圓筒形壓力容器，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100定義一具有內部容積V的壓力容器。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、氖氣或其具有永久氣體行為方式的混合物。
閥104包含：外罩(housing)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(整合型減壓閥：Valve with Integrated Pressure Reduction)。在此情況，調節器150是可省略。
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體112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100的內部到外部環境的氣體的流量。
調節器150是設置於出口110的下游。該調節器150具有入口(inlet)152及出口154。該調節器150的入口152是連接到入口管156，其提供一在氣體鋼瓶100的出口110與調節器150間的連通路徑。該調節器150的入口152是配置成可接收從氣體鋼瓶100的出口110在高壓下的氣體。此可為任何適當的壓力；然而，一般而言，退出(exiting)出口110的氣體的壓力將為超過20bar，且更可能為在100至900bar的範圍。
出口154是連接到出口管158。聯結器(coupling)160是設置於出口管158的遠端(distal end)，且使其適配而連接到需要氣體的其他管路或裝置(未展示)。
量計組合200是設置成與在出口154與聯結器160間的出口管158連通。該量計組合200是位於緊鄰調節器150的下游，且配置成可決定輸送至聯結器160的氣體的質量流率。
根據本發明的第一具體實例的調節器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包含單隔膜調節器。然而，熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用於本發明的變異例，例如雙隔膜調節器或其他配置。
調節器150包含與入口152及出口154連通的閥區162。該閥區162包含位於鄰近閥座166的提動閥(poppet valve)164。該提動閥164是連接到隔膜(diaphragm)168，其構成為可使得提動閥164的直移運動朝向及遠離閥座166而可分別關閉及開放在其間的開口170。
隔膜168是藉由位於軸174周圍(about)的彈簧172而可彈性回復地偏動(resiliently biased)。
調節器150是可操作以接收從在全鋼瓶壓力(例如，100bar)的出口110的氣體，且可將實質地恆定的固定低壓(例如，5bar)的氣體輸送至出口154。此是藉由反饋機制來達成，藉此開口170的下游的氣體的壓力是可操作以與彈簧172的偏動力(biasing force)成相反地作用在隔膜168上。
若在鄰近隔膜168區域的氣體的壓力超過特定的位準(level)，則該隔膜168是可操作以向上移動(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的大小，因此可限制從入口152至出口154的氣體的流量。一般而言，彈簧172的阻力與氣體的壓力間的競爭力將導致隔膜在一平衡位置，因此可在出口154輸送恆定壓力的氣體。
可握緊的手柄176是配備以使得使用者可調整彈簧172的偏動力。藉此，可移動隔膜168的位置，結果可調整提動閥164與閥座166間的平衡間隔。此使其可調整從出口110的高壓氣體流通過的開口170的大小(dimensions)。
量計組合200包含：本體202、第一感測器組合204及第二感測器組合206。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包含：導管208、第一外罩210及第二外罩212。導管208是與出口管158的內部連通，且配置成可與其連接。該導管208提供在出口154與聯結器160間的連通路徑(以及使用者的裝置或應用可同時連接到聯結器160)。
孔口板(orifice plate)214是位於導管208的內部。該孔口板214包含劃定限制孔口(restricted orifice)216界限(delimit)的壁。該孔口板214在導管208內形成流量限制。孔口(orifice)216具有截面積A，其相對於導管208的截面積為較小，使得通過孔口216的流速為在扼流狀態(choked condition)，如稍後將加以敘述者。
雖然孔口板214如第2圖所展示為一薄壁板，但是此並不需要為如此。該孔口板214可採用任何適當的壁形態，且可具有錐形外形、或可具有比如圖所展示較大的厚度。另一可行的是任何適當的流量限制可用於取代孔口板214。例如，該流量限制可包含比其餘更狹窄直徑的管的一部份。熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用另一可行的流量限制，以提供在使用時通過會發生扼流的流量限制孔口216。
在本具體實例中，導管208具有數公分等級的長度。孔口板214劃定一具有直徑範圍為在0.1毫米至4毫米孔口216的界限。對於例如氮氣或氬氣的氣體而言，此足以提供扼流狀態，且供應通過孔口216的氣體的流率為在1公升至40公升/分鐘間。對於具有較低分子量的氣體而言，孔口216的直徑可加以縮小以達成類似的流率。另一可行的是對於較大的流率，該孔口216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216的扼流狀態。
孔口板214將導管208的內部分成孔口板214的上游的上游區段218、及孔口板214的下游的下游區段220。在使用時，當氣體是從調節器150的出口154流入導管208的上游部218時，該孔口板214將作用如同一流量限制，結果導致在導管208的上游218與下游220部份間的壓力差異。因此，該導管208的上游部份218是在第一壓力P 1 及密度ρ 1 ，而導管的下游部份220是在第二壓力P 2 (因此，在使用時為較低)及密度ρ 2 。此稍後將詳細地加以敘述。
第一外罩210是位於鄰近導管208的上游部份218，且配置成可容納第一感測器組合204的至少一部份。該第一外罩210的內部可為在大氣壓力、或可為與導管208的內部連通，因此是在與出口管158的內部相同的壓力下。此將消除對於在外罩210與導管208的內部間的壓力饋通(pressure feed-through)的需要。
另一可行的是該第一外罩210可配備作為導管208的一部份。例如，該導管208的一部份可加寬以收納感 測器組合204。
第二外罩212是位於鄰近導管208的下游部份220，且配置成可容納第二感測器組合206的至少一部份。該第二外罩212的內部可為在大氣壓力、或可為與導管208的內部連通，因此是在與出口管下游部份220的內部相同的壓力下。此將消除對於在第二外罩212與導管208的內部間的壓力饋通的需要。
另一可行的是與第一外罩210相同，該第二外罩212可省略，而該第二感測器組合206是設置於導管208的一部份、或聯結器160。例如，該導管208下游部可加寬以收納感測器組合206。
此等配置是具有實務應用性，因為本案發明人已經發現：第一及第二感測器組合204,206中僅少數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，已經發現鋰電池在可能涉及高壓的導管208的上游及下游部份218,220內的性能是特別優良。然而，熟習此技藝者將可容易地預期其他可行適當的電源。
第一及/或第二感測器組合204,206的潛在性位置是整體在導管208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的位置是整體在本體202的金屬或複合壁內，不需要例如外罩210的突出物，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)，氣體鋼瓶可能是位於與其他氣體鋼瓶、重型機械或粗糙表面相毗鄰是特別重要。感測器組合204,206的相對較小的大小使得內部位置(internal location)可容易地達成。
除此以外，第一及/或第二感測器組合204,206 的內部位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。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，可用作為第一及/或第二感測器組合204,206的一部份。
量計組合200是配置成可測量通過孔口216的 氣體的質量流率。此是利用如下所述的第一及第二感測器組合204,206所測得。
通過孔口216的氣體的質量流率僅使用第一感 測器組合204在特定的條件下是可準確地決定。如此的決定的準確度是視通過孔口216的扼流狀態的存在性而定，如在下文中將加以敘述者。對於許多應用而言，或許利用如上所述孔口216的結構參數，此將是在大多數的操作條件下的情況。然而，在較低流率，此條件可能無法滿足，且藉由第一感測器組合204所決定的質量流率可能準確性較低。
為了改善質量流量測定的準確度、或其所指示 (indication)的確實性，則可配備第二感測器組合206。該第二感測器組合206是可操作以決定下游密度，以改善質量流量測定的準確度，且也可額外地決定是否滿足扼流狀態。因此，第二感測器組合206搭配第一感測器組合204，則可操作以提供確認該藉由量計組合200所決定的質量流率是否準確。
第一感測器組合204包含：石英晶體振盪器222 連接到驅動電路224、溫度感測器226及電池228。
在此具體實例中，石英晶體振盪器222及溫度 感測器226是設置成與導管208的上游部份218的內部連通，而感測器組合204的其餘構件是設置於外罩210內。換句話說，該石英晶體振盪器222是浸沒於孔口板214的上游的氣體中。也可配備微處理器(microprocessor)238，其可分開或作為驅動電路224的一部份兩者之一皆可。
第二感測器組合206是實質地類似於第一感測 器組合204，雖然在此情況並不需要溫度感測器。該第二感測器組合206包含：石英晶體振盪器230、驅動電路232及電池234。該第二感測器組合206是連接到微處理器238。
在此具體實例中，石英晶體振盪器230是設置 成與導管208的下游部份220的內部連通，而感測器組合206的其餘構件是設置於外罩212內。換句話說，該石英晶體振盪器230是浸沒於孔口板214的下游的氣體中。
熟習此技藝者將可容易地瞭解的是上述的配置 的變異。例如，該第二感測器組合206可簡單地包含石英晶體振盪器，連接到第一感測器組合204的驅動電路224。換句話說，該第一及第二感測器組合204,206可分享共用驅動電路及/或電池及/或微處理器。
驅動電路224,232及石英晶體振盪器222,230 稍後將參照第6及7圖加以敘述。溫度感測器226包含熱敏電阻(thermistor)。可使用任何適當的熱敏電阻。並不需要從熱敏電阻獲得高準確度，例如0.5℃的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222,230在導 管208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，源自在外部大氣與量計組合200的本體202的內部間的壓力差異的任何機械式應力是表示橫過(across)該本體202。
感測器組合204的理論與操作，現在將參照第3及4圖加以敘述。
石英晶體振盪器222,230各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各自音叉型之石英晶體振盪器222,230的振動叉齒222a,230a(如第7圖所展示)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密度的變化成比例。第10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222,230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222,230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32 AMU的分子量)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222是特別適合用作為商品級所供應的氣體密度感測器而形成質量流量計的一部份。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。
一旦從石英晶體振盪器222獲得密度值，則通過孔口216的氣體的質量流率可加以決定。該通過孔口的質量流率(mass flow rate)Q 是定義為：4)Q =kvρ 1 A
其中，k 是常數，v 是氣體的速度，ρ 1 是上游氣體的密度，且A 是孔口A的截面積。然而，從白努利方程式(Bernoulli’s equation)5)可獲得：
當孔口的截面積減少，則氣體的速率將增加，而氣體的壓力將會降低。
僅使用單一、上游石英晶體振盪器222，則通過孔口216的質量流率的決定是視習知的「扼流(choked)」或「臨界(critical)」流量的狀態而定。當氣體速度達到音速條件，亦即當由於孔口板214所造成的流量限制而使得氣體流動通過孔口216的速度達到音速時，則會出現如此的情況。當橫過孔口216的壓力比(亦即，P 1 /P 2 )大約為2或以上時，此會發生。另一可行的措施是當上游絕對壓力P 1 為至少1bar g高於其壓力為大氣壓的下游絕對壓力P 2 時，則此條件通常可應用。
一旦符合此條件時，氣體通過孔口216的速度進一步增加是非常少。因此，在扼流狀態，該v =c (在此所討論的在氣體中的音速)，則方程式4)變成為：6)Q =kcρ 1 A 。
因此，對於具有固定截面積A的孔口而言，通過孔口216的質量流量是僅視上游密度而定。此是石英晶體振盪器222配置以測量的參數。
除此以外，音速c 是與絕對溫度的平方根 T 成比例。然而，如前所述，在此具體實例中，該溫度感測器226並不需要特別準確。例如，若在300°K溫度的誤差為0.5°K，則此誤差轉換僅為所計算得音速的1200分之1。因此，對於許多應用而言，該溫度感測器226並非必要性的需要。
第4圖是以圖解說明質量流率測量的實驗數據。第4圖是對於氮氣的共振頻率(kHz)(在Y-軸)作為氣體流率(l/min)(在X-軸)的函數圖。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222準確地加以測量。
此外，該石英晶體振盪器222的高準確度可使得測量達到具有百萬分比(ppm)解析度的高準確度。配合石英密度感測器(quartz density sensor)222在高密度及壓力下的線性響應(linear response)，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)的質量流率。
然而，如上所述，使用石英晶體振盪器222的 質量流量測量，將僅在扼流狀態下，亦即當通過孔口216的流速為接近或等於在氣體中的音速時為準確。在實務應用上，此將需要使用者維持流入量計200的氣體流量(gas flow)為在一特定最小值，以提供準確的測量。
因此，在僅單獨一個上游石英晶體振盪器222 進行操作下，則無法提供通過孔口216是否為存在扼流狀態的指示。因此，其配置第二石英晶體振盪器230(形成第二感測器組合206的至少一部份)。藉由在孔口216的上游及下游使用壓電感測器，則可達成準確的流量計量。
如上所揭述關於方程式7)，若流動通過孔口 216的流體速率是音速或接近音速，則質量流率Q 是與上游密度ρ 1 成比例。如上所揭述，若上游壓力對於下游壓力的比率(亦即，P 1 /P 2 )大約為2或以上時，則通常是可符合此條件。
然而，在實務應用上，該壓力比可能不足夠。 應用白努利方程式且建立扼流的理論及音速，則可導出方程式7)： 其中，k’ 是無因次常數，A 是孔口面積，ρ 1 是上游密度且ρ 2 是下游密度。
明顯可見，若ρ 1 /ρ 2 ≧2，則方程式7)可藉由上述方程式6)加以近似(approximated)，因為橫過孔口216的 扼流狀態是視為存在。因此，在此情況，在ρ 1 /ρ 2 ≧2的情況，則可僅利用從第一感測器組合204的測量，以提供準確的指示質量流率。
然而，若該比率為低於此，使用第一及第二感 測器組合204,206兩者而分別測量上游密度ρ 1 及下游密度ρ 2 ，則方程式7)可用於計算質量流率，且用於決定通過孔口216的流率在低於扼流狀態下的質量流率。
另一可行的是該量計200可從第一感測器組合 204僅提供一讀數(read-out)(亦即，單獨地根據上游密度的測量的質量流率)，而第二感測器組合206(包含石英晶體振盪器230)可執行以提供指示，亦即，該質量流率測量是在準確的操作範圍以外進行操作。
第5圖是展示包含通過0.5mm孔口的氦氣的流 率(l/min)的實驗數據(菱形(diamonds))。對於上游/下游密度比為充分地超過2：1時，則直線顯示在上游密度ρ 1 與流率間的線性關係是可擬合數據(fits the data)(方程式6))。 該曲線顯示在較低密度比，則流量如何藉由使用考慮下游密度ρ 2 的方程式7)而以優良的精確度加以預測。此曲線是隨著流率上升，在臨界比(critical ratio)為2：1、在超過1bar g的範圍內周圍的密度，藉由從方程式7)逐漸地切換至方程式6)所獲得。
因此，第二感測器組合的提供(provision)，在量 計的出口幾乎或完全被阻塞時，則具有其優點。在此情況，該第二感測器將強制該量計採用方程式7)(低比率)，且正確地指示低或零流量。若無第二感測器，則仿佛是未發生 堵塞，量計將會錯誤地指示流量。
第6圖是展示考慮下游密度可提供準確性的優 點。第6圖展示從第5圖所獲得的擬合線(fit line)。除此以外，上部曲線展示：若下游密度是大氣(atmospheric)時，僅從上游感測器將預測得的關係(此線是以短虛線展示)。從正確值的偏差是如此小，而在高流量可被忽略，但是在低流量下是顯著的。下部線(長虛線)展示：在實驗性測量中，若下游壓力相對於大氣壓(atmosphere)為兩倍時，將預測得的曲線。再者，除了在低流量以外，其偏差為小。
本發明的第二具體實例是展示於第7圖。在第7 圖所展示的第二具體實例的特性(feature)中，與第2圖的第一具體實例相同的部份是賦予相同的元件代表符號(reference numeral)，因此在此將不再加以敘述。
在第7圖的具體實例中，調節器300與第2圖 具體實例的調節器150不同的是：該調節器300是配置成可藉由電磁閥(solenoid valve)302而提供從出口154的氣體的自動化控制。除此以外，僅配備單一感測器組合204，與第一具體實例相反。換句話說，在此具體實例中，該第二感測器組合是省略。該電磁閥302包含電樞(armature)304，其可因應通過電磁閥302的線圈(未展示)的電流而移動。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。該電磁閥302在此具體實例中是可連續地變化(亦即，習知的「大約成比例」)而調節通過調節器300的氣體流量。
在第5圖所展示的電磁閥302是在正常開放狀 態(normally open condition)。換句話說，在並無電流通過電磁閥302，則電樞304是在伸展位置(extended position)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將會縮進(retract)且該提動閥164將會關閉。
熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用於本發明 的電磁閥的其他可行的變異例。例如，該電磁閥可為數位式響應(亦即，開啟/關閉或開放/關閉)。也可執行另一可行的結構，例如電樞304可直接作用在隔膜上，或可控制通過狹窄導管而與出口154連通的流量，以調節隔膜168的移動。另一可行的是該提動閥可加以刪除，且該隔膜168本身可為閥構件而直接控制從入口152至出口154的氣體的流量。
第二具體實例包含控制器350。為清楚的目的， 在該控制器350的構件中，與量計組合200相同的部份是賦予相同的元件代表符號。
在第7圖的具體實例中，控制器350包含僅單 一個感測器組合204位於孔口216的上游，而第一具體實例的第二感測器組合是省略。
控制器350進一步包含電子螺線管驅動裝置 (electronic solenoid drive)352，連接到電磁閥302及感測器組合204。該螺線管驅動裝置(solenoid drive)352是配置成可接收來自感測器組合204的訊號(signal)，且可因應該訊號而控制該電磁閥302，因此可控制通過調節器300的流量。
螺線管驅動裝置352可包含任何適當的驅動電 路用於控制電磁閥302。一適當的電路可為運算放大器配置(operational amplifier arrangement)，其具有一從感測器組合204至運算放大器的負極端子的輸入。因此，一可變電阻器(variable resistor)可搭接在正極端子，該可變電阻器是配置成可提供一恆定參考位準(reference level)，且作用如同一比較器(comparator)。
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的動作。例如，若來自該感測器組合204(或另一選擇為處理器240)的輸入訊號超過一特定臨限位準(threshold level)，則該螺線管驅動裝置352可激磁(energise)該電磁閥302。此將詳細地加以敘述如下。該電磁閥302可以數位式(digital)(亦即，開啟或關閉)的方式加以控制，其中DC電壓是在最大與最小值間變化。此是如同已知的脈波寬度調變(PWM：Pulse Width Modulation)。另一可行的是來自該螺線管驅動裝置352的DC電壓可為連續變化(例如，按照比例(proportional))，以類比式方式準確地調整提動閥164的位置。
除此以外或另一可行的是該螺線管驅動裝置352 藉由具有交流成份的直流輸出而可控制電磁閥302。因為電樞304從該電磁閥302的伸展(extension)是大約與所施加的電流成比例，此會造成該電磁閥302的電樞304振盪。如此的振盪可減輕該電樞304的「靜摩擦(stiction)」，亦即，有助於防止該電樞304變得卡住或塞住。
另一可行的其他控制配置，例如FETs(場效電晶體：Field Effect Transistor)、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的動作。此外，如前所述，該電磁閥302可以數位式(亦即，開啟/關閉)、或類比式(analogue)(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或其類似物可準確的移動。
控制器350的操作，現在將加以敘述。如上所 述，該感測器組合204(包含石英晶體振盪器222)可用作為反饋迴路(feedback loop)的一部份而以電子方式控制壓力。
來自感測器組合204的輸出是連接到在反饋迴 路中的電磁閥302。如上所證實，該石英晶體振盪器222的共振頻率是與孔口216的上游的氣體密度成比例，及在扼流狀態下，孔口216的上游的氣體密度是與通過孔口的質量流率Q 成比例。
因此，石英晶體振盪器222的一特定共振頻率 將相對應於孔口的上游的一特定氣體的密度，及在扼流狀態下，一特定通過孔口216的質量流率。因此，在控制器350中可執行反饋迴路，其可操作以維持該石英晶體振盪器222的共振頻率在一特定的設定頻率，因此可維持通過孔口216的氣體流量在一恆定的質量流率。
因此，操作的一般原理為：該石英晶體振盪器 222是設定成一特定頻率。若上游密度降低，則該石英晶體振盪器222的共振頻率將會增加。然後，控制器350將會打開(open)電磁閥302，以增加電磁閥302的下游的氣體壓力。此將會提高壓力，亦即孔口216的上游的氣體密度。然 後，此將會減少該石英晶體振盪器222的共振頻率，直到重新建立設定點頻率(set-point frequency)，其相對應於一所欲通過孔口216的氣體的質量流率。換句話說，該控制器350執行一反饋迴路，以將在設定點質量流率與實際的質量流率間的差異減至最小。
控制器350也可視溫度而控制電磁閥302。因 此，反饋迴路是配置成可維持壓力不等於一常數，但是等於一常數除以所測得絕對溫度的平方根1/ T (以°K為單位)。
以此方式所製成的電子氣體壓力控制器可連接 到孔口下游，將可賦予一恆定氣體的質量流量。橫過孔口的壓力比(上游/下游)必須足夠且大約為2或以上，以維持孔口在臨界流量(critical flow)，藉此可符合在最狹窄點的氣體流量大約為音速。此可從方程式7)觀察到。
在方程式6)中，在氣體中的音速c 可表示為如方程式8)所揭述者： 其中，γ 是比熱(specific heat)的比率Cp /Cv ，R 是氣體常數(gas constant)，T 是溫度，且M 是分子量。因此，將表示c 的式代入方程式6)而可提供： 其中，ρ 1 是上游密度，如藉由石英晶體振盪器222所測得者。
一般而言，在與本發明相關的應用中，只有密度及溫度是變數。因此，數量ρ’ 可加以定義為如在方程式10)所揭述者：
將此表示式(expression)代入方程式9)，則可提供：
因此，因為對於封裝氣體(packaged gas)是常 數，k 對於任何特定的氣體是常數，且孔口的面積A 是常數，則質量流量可從ρ’ 而決定。因此，該質量流量是可根據密度除以溫度的平方根，或在實務應用上，該石英晶體振盪器222的共振頻率除以藉由溫度感測器226所測得溫度的平方根來加以控制。
因此，若感測器組合204是可操作以控制電磁閥302以維持ρ’ 實質的常數，則該通過孔口216的質量流率將保持在常數。換句話說，該電磁閥302可根據所測得石英晶體振盪器222的共振頻率及所測得溫度兩者來加以控制。
第一及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的氣體實施測量的結果。另一可行的是該顯示器可位於量計組合200，控制器350的遠端(remote)，且相關的數據可以遠端方式通訊。
為了使得石英晶體振盪器222可提供準確的測量，該石英晶體振盪器222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的封裝氣體(其是極潔淨)並不是問題，但是控制器350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，控制器350是配備濾網354，位於石英晶體振盪器222與氣體的主流間。該濾網354是可具有任何適當的孔徑。孔徑為在5至10μm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。
另一可行的是若石英晶體振盪器222是位於開口的後方，且充分地小而可防止粉塵或其他污染物進入，則該濾網354可省略。例如，0.25mm的開口大小將適合使用而不需要濾網，其限制條件為：氣體的全部上游壓力是可以此方式測得。
本發明的第三具體實例是展示於第8圖。該第三具體實例包含控制器450。為清楚的目的，在該控制器 450的構件中，與量計組合200及控制器350相同的部份是賦予相同的元件代表符號。
在第8圖的具體實例中，該控制器450包含：僅第一感測器組合204位於孔口216的上游、及第二感測器組合206兩者，與第一具體實例相同。因此，第三具體實例是第一及第二具體實例的特性的組合。
控制器450進一步包含電子螺線管驅動裝置452，連接到電磁閥402及感測器組合204,206。該螺線管驅動裝置452是配置成可接收來自感測器組合204,206的訊號，且可因應該訊號而控制該電磁閥302。因此可控制通過調節器300的流量。
螺線管驅動裝置452可採取任何形態的螺線管驅動裝置352及其任何變異，因此在此將不進一步加以敘述。從感測器組合204,206至螺線管驅動裝置452的輸入將會造成電磁閥302的動作。例如，若來自該感測器組合204(或另一選擇為處理器240)的輸入訊號超過一特定臨限位準，則該螺線管驅動裝置352可激磁該電磁閥302。此將詳細地加以敘述如下。該電磁閥302可以數位式(亦即，開啟或關閉)的方式加以控制，其中DC電壓是在最大與最小值間變化。另一可行的是來自該螺線管驅動裝置352的DC電壓可為連續變化而以類比式方式準確地調整提動閥164的位置。
除此以外或另一可行的是該螺線管驅動裝置452藉由具有交流成份的直流輸出而可控制電磁閥302。因為電樞304從該電磁閥302的伸展是大約與所施加的電流成比 例，此會造成該電磁閥302的電樞304振盪。如此的振盪可減輕該電樞304的「靜摩擦」，亦即，有助於防止該電樞304變得卡住或塞住。
另一可行的其他控制配置，例如FETs(場效電 晶體：Field Effect Transistor)、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的動作。此外，如前所述，該電磁閥302可以數位式(亦即，開啟/關閉)、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或其類似物可準確的移動。
控制器450的操作，現在將加以敘述。如上所 述，該感測器組合204(包含石英晶體振盪器222)及感測器組合206(包含石英晶體振盪器230)可用作為反饋迴路的一部份而以電子方式控制壓力。
來自第一感測器組合204及第二感測器組合206 的輸出是連接到在反饋迴路中的電磁閥302。如上所證實，該石英晶體振盪器222的共振頻率是與孔口216的上游的氣體密度成比例，及在扼流狀態下，孔口216的上游的氣體密度是與通過孔口的質量流率Q 成比例。
因此，石英晶體振盪器222的一特定共振頻率 將相對應於孔口的上游的一特定氣體的密度，及在扼流狀態下，一特定通過孔口216的質量流率。因此，在控制器450中，可執行反饋迴路，其可操作以維持該石英晶體振盪器222的共振頻率在一特定的設定頻率，因此可維持通過孔口216的氣體流量在一恆定的質量流率。
控制器350也可視溫度而控制電磁閥302。因 此，反饋迴路是配置成可維持壓力不等於一常數，但是等於一常數除以溫度的平方根1/ T 。
以此方式所製成的電子氣體壓力控制器可連接 到孔口下游，將可賦予一恆定氣體的質量流量。橫過孔口的壓力比(上游/下游)必須足夠且大約為2或以上，以維持孔口在臨界流量，藉此可符合在最狹窄點的氣體流量大約為音速。此可從方程式6)觀察到。
在上述方程式8)中，在氣體中的音速是以c 來 表示。因此，將c 的表示式代入方程式7)，則可提供下列方程式： 其中，ρ 1 是上游密度，如藉由石英晶體振盪器222所測得者，且ρ 2 是下游密度，如藉由石英晶體振盪器230所測得者。
一般而言，如上所揭述，在與本發明相關的應用中，僅上游及下游密度、及溫度為變數。因此，關於第二具體實例，則數量ρ” 可加以定義為如方程式13)所揭述者：
將此表示式代入方程式9)，則可提供：
因此，因為對於封裝氣體是常數，k 是常數，且孔口的面積A 是常數，則質量流量可單獨地從ρ” 加以決定。因此，該感測器組合204及206是可操作而控制電磁閥302以維持ρ” 實質的常數。換句話說，該電磁閥302可根據第一石英晶體振盪器222的共振頻率、第二石英晶體振盪器230的共振頻率、及藉由溫度感測器226所測得溫度的平方根來加以控制。
第一、第二或第三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的氣體實施測量的結果。另一可行的是該顯示器可位於量計組合200及控制器350,450的遠端，且相關的數據可以遠端方式通訊。
例如，第一、第二或第三具體實例可進一步包含天線(未展示)，用於與例如基地台進行遠端通訊。此將討論於後。在此情況，該天線可位於本體202的外側，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。
例如，通訊可藉由來自在外罩210內的聲波傳遞(acoustic transmission)而有效地實施。設置於外罩210內的發送器(transmitter)可有效地實施聲波傳遞。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，且此構件例如可位於量計組合200或控制器350,450的遠端，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)。
感測器組合204，現在將參照第9、10及11圖更詳細地加以敘述。雖然下列敘述關於感測器組合204，應該可瞭解到此也可應用到結構上及電子方式類似的架構的感測器組合206。
石英晶體振盪器222包含平面截面的切割石英。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222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，石英晶體振盪器222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。石英晶體振盪器是在此技藝中眾所皆知者，因此石英晶體振盪器222的結構在此將不再進一步加以敘述。
除此以外，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。
除此以外，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。如此物質的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，此是構成泛用的選擇性氣體分析儀的理論基礎。
然而，然而，在本案情況，並無塗層(coating)塗敷到石英晶體振盪器222。事實上，物質的沉積在石英晶體振盪器222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。
如第9圖所展示，本具體實例的石英晶體振盪器222是音叉形狀，且其具有一對叉齒222a，大約5毫米 長，且配置成可在32.768kHz的共振頻率進行振盪。該叉齒222a形成於石英的平面截面。該叉(fork)的叉齒222a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。
熔合型(fused)(非結晶性)石英具有非常低的溫度-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的相依性，且溫度的影響減至最小，如將展示於後者。
除此以外，較佳為使用AT切割或SC切割的石英。換句話說，該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。
此等石英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222是暴露於導管208中在壓力下的氣體中。
用於驅動石英晶體振盪器222的驅動電路224是展示於第9圖。該驅動電路224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222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222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222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224必須能驅動石英晶體振盪器222， 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222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224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224、來自石英晶體振盪器222的響應可能會變得不易區別。在此情況，該驅動電路224可在非相關的頻率、或在石英晶體振盪器222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224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224，現在將參照第9圖加以敘述。為 了驅動石英晶體振盪器222，該驅動電路224在本質上是取得來自石英晶體振盪器222的電壓訊號，將其放大，且將該訊號回饋至石英晶體振盪器222。該石英晶體振盪器222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224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238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224是藉由6V電池228來提供電 力。在此具體實例中，該電池228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。
驅動電路224進一步包含達靈頓對共射極放大 器(Darlington pair Common Emitter amplifier)250。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 transistors)。
達靈頓對250是配置成從單電晶體(single transistor)(T1 )共射極放大器252的反饋架構。NPN雙極型接面電晶體(NPN bipolar junction transistor)是展示於第7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224包含又一NPN射極隨耦器電晶體T2 ，其作用如同緩衝放大器254。該緩衝放大器254是配置成可作用如同在電路與外部環境間的緩衝器。然而，此特性是視需要而可選用且可能不需要，例如FET(場效電晶體：Field Effect Transistor)可直接連接以驅動電路224。
電容器256是設置成與石英晶體振盪器222串聯。該電容器232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224能驅動石英晶體振盪器222。
除此以外，驅動電路224可加以最適化以快速啟動石英晶體振盪器222。為了達成此目的，在電晶體D1 的基極(base)與接地(ground)間可進一步連接又一電阻及又一電容器。此等構件可包含例如10MΩ電阻及10nF電容器。
另一可行的驅動電路240，現在將參照第10圖加以敘述。該驅動電路240可用於取代上述的驅動電路224。與上述的驅動電路224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9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222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222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222與接地間。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222的驅動。
電阻248是與石英晶體振盪器222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222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260，現在將參照第11圖加以敘述。如第8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260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222(或振盪器230)。
在此配置中，該石英晶體振盪器222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222間，以限制增益及阻尼在電路中非所欲的振盪。
石英晶體振盪器222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222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260，因為其包含較少的構件，因此為可靠且可以廉價製造。此電路也可特別應用於低壓力應用。
如上所述，感測器組合204可包含微處理器 238，以接收來自石英晶體振盪器222及驅動電路224的輸入。該微處理器238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(現場可程式規劃閘陣列：Field Programmable Gate Array)。微處理器238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216的氣體的質量流率的測定結果。
當與石英晶體振盪器222一起使用時，微處理 器238可構成為可測量來自驅動電路224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。此數值是傳遞至微處理器238。
微處理器238也接收來自溫度感測器226所測 得溫度T 。該微處理器238是配置成可根據所供應的輸入資訊實施計算，進行決定通過孔口216的氣體的質量流率。
一旦該質量流率已經測得，此數據可儲存在局 部記憶體(local memory)、可顯示在顯示器螢幕上、或可傳送至遠端遙控站。
微處理器238可視需要而設計成適用於大量生 產，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特性而可用於不同的氣體。
除此以外，微處理器238也可構成為可將電力 消耗最小化，其經由執行可涵蓋微處理器238、及附加的構件例如驅動電路224及石英晶體振盪器222的「待機(standby)」或「睡覺(sleep)」模式。
可執行各種的方案，例如微處理器238在每11 秒鐘中可待機10秒鐘。此外，該微處理器238可控制石英晶體振盪器222及驅動電路224，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。
第12圖是展示適合使用於本發明的第二或第三具體實例的調節器驅動電路(regulator drive circuit)270。該 節器驅動電路是可操作以接收來自石英晶體振盪器222(及/或在第三具體實例的情況的石英晶體振盪器230)的輸入頻率進入四反及閘(quad NAND gate)。該反及閘(NAND gate)也接收來自連接到電壓調節器的振盪器的設定點頻率。該四反及閘作用如同互斥或閘(XOR gate)。
然後，將此等頻率間的差異輸入至頻率-電壓轉換器，以將此轉換成電壓輸出。該電壓輸出則藉由741放大器加以放大，且用於控制電磁閥302的位置，以維持來自石英晶體振盪器222,230的頻率輸入在設定點頻率，如在第12圖所展示的10K電位計(potentiometer)設定的電壓。
本發明的第一具體實例的操作方法，現在將參照第13圖加以敘述。如下所述的方法是可應用到單獨第一具體實例。
步驟500：初始化測量
在步驟500，通過孔口216的氣體的質量流率的測量是加以初始化。此可藉由例如使用者按壓在外罩210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，且經由天線而被量計組合200接收。
關於又一可行的或除此以外的是該量計組合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502。
步驟502：驅動石英晶體振盪器
一旦初始化，驅動電路224,232是用於驅動各自的石英晶體振盪器222,230。在初始化期間，各驅動電路 224,232施加隨機雜訊交流電壓橫過各自的石英晶體振盪器222,230。該隨機電壓的至少一部份將在適當的頻率造成各自的石英晶體振盪器222,230振盪。然後，各石英晶體振盪器222,230將開始與該各自的訊號同步進行振盪。
應該暸解的是石英晶體振盪器222,230在本質上是一種自足式偵測器(self-contained detector)及驅動器，因為各晶體本身的共振頻率是被測量。
藉由壓電效應(piezoelectric effect)，石英晶體振盪器222,230的動作，則將會在各自的石英晶體振盪器222,230的共振頻帶中產生一電壓。各自的驅動電路224,232則將藉由石英晶體振盪器222,230所產生的訊號加以放大，使得在石英晶體共振器(quartz crystal resonator)222,230的頻帶中所產生的訊號優控(dominate)驅動電路224,232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224,232則在基本共振頻率f 驅動各自的石英晶體振盪器222,230。一旦各自的石英晶體振盪器222,230已經穩定在一特定共振頻率，該方法接著進行步驟504。
步驟504：測量石英晶體振盪器的共振頻率
共振頻率f 是視在導管208的上游部份218內的環境條件而定。在本具體實例中，以最佳近似法，共振頻率的變化△f 是與在導管208的上游部份218中的氣體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222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。該頻率的測量是在微處理器238中進 行。當測量啟動後，該微處理器238也可登錄(log)時間T1 。
一旦該頻率已經測得，該方法接著進行步驟506。
步驟506：測量氣體的溫度
在步驟506，溫度感測器226測量在導管208的上游部份218內的氣體的溫度。為了準確地決定在氣體流中的音速，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226是準確至0.5℃，以在音速的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大約1200分之1。
關於另一可行的是此步驟可簡單地涉及將一固定溫度值輸入至微處理器238。此可能發生在例如其是使用已知的溫度環境、或並不需要高準確度的情況。在此情況，不需要溫度感測器226。
步驟508：測定氣體的質量流量
此是藉由使用上述方程式8)來完成，該式中的孔口216的上游的氣體密度ρ 1 、孔口216的下游的氣體密度ρ 2 ，及視需要而定的氣體的溫度T 是已知。因此，若知道經在步驟504所測得共振頻率、(視需要而定)經在步驟406所測得已知的氣體的溫度T ，則可實施通過孔口216的質量流率的準確的測量。因為可利用上游及下游密度兩者，因此也可適用於即使未能符合扼流狀態(如在方程式7)所揭述者)。然後，該方法接著進行步驟510。
另一可行的是該質量流量的測量可使用對於扼 流狀態的方程式7)來完成，該式中的孔口216的上游的氣體密度ρ 1 ，及視需要而定的氣體的溫度T 是已知。因此，若知道在步驟504所測得石英晶體振盪器222的共振頻率、(視需要而定)在步驟406所測得已知的氣體的溫度T ，則可實施通過孔口216的質量流率Q 的測量。除此以外，藉由石英晶體振盪器230，則孔口216的下游的氣體密度ρ 2 的測量也可加以利用，以提供指示關於藉由石英晶體振盪器222所作成的測量的準確性。然後，該方法接著進行步驟510。
步驟510：通訊及儲存結果
氣體的質量流率可以數種方式來顯示。例如，搭接在外罩210、本體202或調節器150,300的螢幕(未展示)可用於顯示通過孔口216的氣體的質量流率(亦即，從聯結器160輸出(exit)的氣體的質量流率)。在另一可行的方法中，該質量流率測量可以遠端方式與基地台、或位於鄰近的配件的量計進行通訊，如稍後將加以敘述者。
關於再一可行的是在時間T1 的該氣體的質量流率可暫時儲存在該微處理器238的記憶體中而產生一時間登錄(time log)。
如上所揭述，在另一可行的具體實例，可對使用者顯示警告訊息，以指示所測得質量流率可能為不準確，因為對於通過孔口216輸出的扼流狀態的流率太低。
然後，該方法接著進行步驟512。
步驟512：切斷感測器組合電源
並不需要在所有的時間維持量計組合200皆可操作的狀態。相反地，當不使用時，藉由將量計組合200， 控制器350關閉以減少電力消耗是有利的。此可延長電池228的壽命。
驅動電路224的架構可使得石英晶體振盪器222，不論在導管208的上游部份218中的壓力如何也可重新啟動。因此，量計組合200，控制器350可視需要而加以停機以節省電池電力。
本發明的第二及第三具體實例的操作方法，現在將參照第14圖加以敘述。如下所述的方法是可單獨應用到第二及第三具體實例。
步驟600：初始化測量
在步驟600，通過孔口216的氣體的質量流率的測量是加以初始化。此可藉由例如使用者按壓在外罩210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，且經由天線而被控制器350,450接收。
在此點，由使用者輸入一特定所欲氣體的質量流率。然後，將此藉由控制器350,450加以儲存，且將調節器驅動電路適當地加以程式化，以達成石英晶體振盪器222(及在第三具體實例的情況的石英晶體振盪器230)經指定的設定點頻率，且維持石英晶體振盪器222在該特定的頻率以維持一特定氣體流量。
關於又一可行的或除此以外的是該控制器350,450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602。
步驟602：驅動石英晶體振盪器
一旦初始化，驅動電路224是用於驅動石英晶體振盪器222。在第二具體實例的情況，驅動電路232也用於驅動石英晶體振盪器230。在初始化期間，該或各驅動電路224,232施加隨機雜訊交流電壓橫過各自的石英晶體振盪器222,230。該隨機電壓的至少一部份將在適當的頻率造成各自的石英晶體振盪器222,230振盪。然後，各石英晶體振盪器222,230將開始與該各自的訊號同步進行振盪。
應該暸解的是石英晶體振盪器222,230在本質上是一種自足式偵測器及驅動器，因為各晶體本身的共振頻率是被測量。
藉由壓電效應，石英晶體振盪器222,230的動作，則將會在各自的石英晶體振盪器222,230的共振頻帶中產生一電壓。該或各自的驅動電路224,232則將藉由石英晶體振盪器222,230所產生的訊號加以放大，使得在石英晶體共振器222,230的頻帶中所產生的訊號優控驅動電路224,230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224,232則驅動各自的石英晶體振盪器222,230在基本共振頻率f 。一旦各自的石英晶體振盪器222,230已經穩定在一特定共振頻率，該方法接著進行步驟604。
步驟604：測量石英晶體振盪器的共振頻率
共振頻率f 是視在導管208的上游部份218內的環境條件而定。在本具體實例中，以最佳近似法，共振頻率的變化△f 是與在導管208的上游部份218中(對於石英晶體振盪器222)的氣體密度的變化大小成比例，且將隨著密度增加而減少。同樣地，也可應用到在第三具體實例的情況的 石英晶體振盪器230。
為了進行測量，該或各石英晶體振盪器222, 230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。該頻率的測量是在微處理器238中進行。當測量啟動後，該微處理器238也可登錄時間T1 。
一旦該頻率已經測得，該方法接著進行步驟 606。
步驟606：測量氣體的溫度
在步驟606，溫度感測器226測量在導管208的上游部份218內的氣體的溫度。為了準確地決定在氣體流中的音速，此測量是必要的。
步驟608：維持反饋迴路
控制器350,450是可操作根據上述方程式11)以維持一反饋迴路，亦即，藉由利用石英晶體振盪器222的振盪頻率(或方程式13)，若第三具體實例是被利用若有需要的話可包含振盪器230)，以達成一特定質量流率。
換句話說，孔口216的上游的氣體密度ρ 1 除以溫度T 的平方根(在第二具體實例中)，或孔口216的上游的氣體密度ρ 1 及孔口216的下游的氣體密度ρ 2 的函數除以溫度T 的平方根(在第三具體實例中)的關係是用於使其可產生成比例的氣體流量。
因此，藉由成比例的開放/關閉電磁閥302，則該石英晶體振盪器222的共振頻率(或在第三具體實例中振盪器222及振盪器230兩者的函數)除以與溫度成比例訊號 的平方根可加以維持在一預定值，以維持通過孔口216的氣體流量為恆定。
步驟610：通訊及儲存結果
使用者可指定一特定氣體的質量流率.因此，假設可符合此條件，則不需要另一顯示器。然而，視需要而定，實際上的氣體的質量流率可以數種方式來顯示。例如，搭接在外罩210、本體202或調節器150,300的螢幕(未展示)可用於顯示通過孔口216的氣體的質量流率(亦即，從聯結器160輸出的氣體的質量流率)。在另一可行的方法中，該質量流率測量可以遠端方式與基地台、或位於鄰近的配件的量計進行通訊，如稍後將加以敘述者。
關於再一可行的是在時間T1 的該氣體的質量流率可暫時儲存在該微處理器238的記憶體中而產生一時間登錄。
如上所揭述，在另一可行的具體實例，可對使用者顯示警告訊息，以指示所測得質量流率可能為不準確，因為對於通過孔口216輸出的扼流狀態的流率太低。
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15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(pressure package)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的外部的大氣氣體。
一適當的感測器組合700是展示於第16圖。該 感測器組合700包含：第一石英晶體振盪器702及第二石英晶體振盪器704。該第一石英晶體振盪器702是一種參考晶體，其位於在真空下的密封容器706內。該第一石英晶體振盪器702是藉由驅動電路708加以驅動。
第二石英晶體振盪器704是一種類似於在前述 具體實例中所揭述的晶體222的晶體。該第二石英晶體振盪器704是暴露於外罩210內的氣體環境中。該第二石英晶體振盪器704是藉由驅動電路710加以驅動。
此比較可藉由使用電子混頻電路(electronic mixer circuit)712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，在感 測器組合204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(electronic functions)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17圖所展示者。 該配置包含氣體鋼瓶組合80，其具有氣體鋼瓶800、調節器802及質量流率計804。該氣體鋼瓶800、調節器802及質量流率計804是實質地類似於氣體鋼瓶100、調節器150及量計組合200或控制器350,450，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，該質量流率計804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222及驅動電路224。天線806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 identif1cation)。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808是連接到氣體鋼瓶800的出口。該 連接管是藉由快速連接的接頭810而終接。該快速連接的接頭810可使得輸送管線或構件容易且快速地與氣體鋼瓶800連接及拆卸。
快速連接單元850是配備用於連接到氣體鋼瓶 800。互補性快速連接的接頭812是配備用於連接到接頭808。此外，該快速連接單元850是配備數據單元852。該數據單元852包含：顯示器854及天線856，用於與氣體鋼瓶組合80的天線804通訊。該顯示器854可包含：例如LCD、LED或日光可讀顯示器(daylight-readable 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852可登錄藉由氣體鋼瓶組合80的感 測器組合802所測得的各種參數。例如，該數據單元852可登錄相對於時間的質量流率。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公司的數據。
另一可行的是可將獲自數據單元850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。
除此以外，數據單元850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800或外罩210的上方(或其內部)的系統視需要而加以處理、儲存或獲得，如在量計組合200或控制器350,450中所論述者。
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。
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。
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‧‧‧隔膜
170‧‧‧開口
172‧‧‧彈簧
174‧‧‧軸
176‧‧‧可握緊的手柄
200‧‧‧量計組合
202‧‧‧本體
204‧‧‧第一感測器組合
206‧‧‧第二感測器組合
208‧‧‧導管
210‧‧‧第一外罩
212‧‧‧第二外罩
214‧‧‧孔口板
216‧‧‧孔口；限制孔口
218‧‧‧上游；上游部份；上游區段
220‧‧‧下游；下游部份；下游區段
222‧‧‧石英晶體振盪器
224‧‧‧驅動電路
226‧‧‧溫度感測器
228‧‧‧電池
230‧‧‧石英晶體振盪器
232‧‧‧驅動電路
234‧‧‧電池
238‧‧‧微處理器
A‧‧‧孔口截面積
ρ1 ‧‧‧上游密度
ρ2 ‧‧‧下游密度

Claims (17)

  1. 一種用於測量通過孔口的一氣體的質量流率的方法，該方法是使用與孔口的上游的氣體相接觸的第一壓電振盪器、及與孔口的下游的氣體相接觸的第二壓電振盪器；且該方法包括下列步驟：a)進行驅動第一及第二壓電晶體振盪器，使得各第一及第二壓電晶體振盪器在各自的共振頻率進行共振；b)進行測量第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率；以及c)從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定通過該孔口的氣體的質量流率。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，該步驟c)進一步包括下列步驟：d)從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定孔口的上游的氣體密度、及孔口的下游的氣體密度。
  3. 如請求項2所述的方法，其中，該步驟c)進一步包括下列步驟：e)進行決定孔口的上游的氣體密度對於孔口的下游的氣體密度的比率。
  4. 如請求項3所述的方法，其中，該步驟c)進一步包括下列步驟：d)進行決定孔口的上游的氣體密度對於孔口的下游的氣體密度的比率。
  5. 如請求項4所述的方法，其中，當該比率為在於或高於預定值，則判斷通過該孔口的流量為扼流，而質量流率是從孔口的上游的氣體密度單獨計算得。
  6. 如請求項4或5所述的方法，其中，當該比率為低於預定值，則質量流率是從孔口的上游的氣體密度、及從孔口的下游的氣體密度計算得。
  7. 如請求項4或5所述的方法，其中，當該比率為低於預定值，則質量流率是從孔口的上游的氣體密度單獨計算得，且該方法進一步包括下列步驟：e)提供質量流率的決定可能包含誤差的通知。
  8. 如請求項1所述的方法，其中，該氣體是從位於壓電晶體振盪器的上游的壓力調節器或閥加以分配。
  9. 如請求項8所述的方法，其中，該壓力調節器或閥是可因應所測得通過該孔口的氣體的質量流率，以電子方式加以控制。
  10. 一種用於測量一氣體的質量流率的量計，該量計包含：在使用時氣體流動通過的導管，該導管具有在使用時在通過時發生扼流的流量限制孔口，該流量限制孔口將導管劃分成該孔口的上游的上游部份、及該孔口的下游的下游部份；且該量計進一步包含：感測器組合，其包括一在該上游部份的第一壓電晶體振盪器，使得當量計在使用時，該第一壓電振盪器是與該氣體相接觸，及一在該下游部份的第二壓電晶體振盪器，使得當量計在使用時，該第二壓電振盪器是與該氣體相接觸，且該感測器組合是配置成：可驅動第一及第二壓電晶體振盪器，使得各第一及第二壓電晶體振盪器在各自的共振頻率進行共振，可測量第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，以及可從第一壓電振盪器的共振頻率、及第二壓電振盪器的共振頻率，進行決定通過該孔口的氣體的質量流率。
  11. 如請求項10所述的量計，其中，量計進一步包含驅動電路，其具有配置成從共射極放大器的反饋架構的達靈頓對。
  12. 如請求項10或11所述的量計，該量計是配置在壓力調節器或閥的下游。
  13. 如請求項12所述的量計，其中，該量計是配置成可因 應所測得通過流量限制孔口的質量流率，以電子方式控制壓力調節器或閥。
  14. 如請求項10項所述的量計，其中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
  15. 如請求項10所述的量計，其中，該壓電晶體振盪器包含至少兩個平面叉齒。
  16. 一種電腦程式產品，其可藉由可程式規劃處理設備而執行，具有一種或以上用於實施如請求項1至9中之任一項所述的步驟的軟體部份。
  17. 一種儲存媒體，其可使用於電腦，具有如請求項16所述而儲存於其中的電腦程式產品。
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