TWI481986B - 用於測量一氣體的流率的方法、量計及電腦程式產品 - Google Patents

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Description

用於測量一氣體的流率的方法、量計及電腦程式產品
本發明關於一種用於測量一氣體的流率的方法及設備。更具體而言，本發明關於一種使用壓電振盪器(piezoelectric oscillator)以測量氣體的流量的方法及設備。
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整合型壓力調節閥(VIPR：Valve with Integrated Pressure Regulator)。調節器是能調節氣體的流量，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。
數種不同的質量流量計配置是已習知。
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。
又一已知的氣體流動感測器(gas flow sensor)類型是測量在流動(flow)中通過小障礙物(obstruction)的流動噪 音(noise of flow)。「一種新潁的根據擾流所產生的聲音的氣體流動感測器(“A Novel Gas Flow Sensor Based on Sound Generated by Turbulence”)」，K.S.Rabbani等人，美國電氣和電子工程師學會儀器及測量技術研討會(IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference)、加拿大奧圖華(Ottawa,Canada)(1997年5月19~21日)，揭述一種具有麥克風放置在障礙物的後方的流動感測器(flow sensor)。該麥克風提供經調理及流率校正的電輸出。然而，如此配置的缺點是外部噪音及/或振動會影響到測量。
根據本發明的第一形態，提供一種用於測量沿著導管的一氣體的流率的方法。該方法包括下列步驟：a)設置具有兩個平面叉齒的壓電振盪器，該壓電振盪器是伸入導管內且與氣體相接觸；b)進行測量藉由該壓電振盪器的平面叉齒在沿著導管的氣體流中的運動所產生的電壓；以及c)從所產生的電壓，進行決定沿著該導管的氣體的流率。
在一具體實例中，該步驟a)包括將壓電振盪器的平面叉齒設置成實質地垂直於氣體的流動。
在一具體實例中，該步驟b)進一步包括進行放大藉由壓電振盪器所產生的電壓。
在一具體實例中，該步驟c)進一步包括進行計算經放大的電壓的立方根(cube root)以決定氣體的流率。
在一具體實例中，該平面叉齒是配置成可在大 約32kHz或以上的頻率進行振盪。
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，該方法進一步包括下列步驟：d)從壓電振盪器的共振頻率，進行決定氣體的密度。
在一具體實例中，該步驟d)進一步包括下列步驟：e)在共振頻率，進行驅動壓電振盪器。
根據本發明的第二形態，提供一種用於測量沿著導管的一氣體的流率的量計。該量計包含感測器組合，該感測器組合包含具有兩個平面叉齒的壓電晶體振盪器(piezoelectric crystal oscillator)，當量計在使用時，該壓電振盪器是伸入導管內且與氣體相接觸，且該感測器組合是配置成：可測量藉由該壓電振盪器的平面叉齒在沿著導管的氣體流中的運動所產生的電壓，及可從所產生的電壓決定沿著該導管的氣體的流率。
在一具體實例中，該壓電振盪器的平面叉齒是配置成實質地垂直於氣體的流動。
在一具體實例中，該感測器組合進一步包含放大器，用於放大藉由壓電振盪器所產生的電壓。
在一具體實例中，該感測器組合是可操作而計算經放大的電壓的立方根以決定氣體的流率。
在一具體實例中，該感測器組合是進一步可操作而從在氣體流中的壓電振盪器的共振頻率以決定氣體的密度。
在一具體實例中，該量計進一步包含驅動電路(drive circuit)，該驅動電路是可操作以在共振頻率驅動壓電振盪器。
在一具體實例中，該平面叉齒是配置成可在大約32kHz或以上的頻率進行振盪。
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，該感測器組合包含電源。在一配置例中，該電源包含鋰電池。
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(flow restriction orifice)的質量流率，以電子方式控制壓力調節器或閥。
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
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
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
202‧‧‧本體
204‧‧‧感測器組合
206‧‧‧導管
206a‧‧‧流量限制；流量縮減
208‧‧‧外罩
210‧‧‧石英晶體振盪器
210a‧‧‧叉齒
212‧‧‧放大器電路
214‧‧‧電池
216‧‧‧微處理器
218‧‧‧放大器
300‧‧‧調節器
302‧‧‧電磁閥
304‧‧‧電樞
350‧‧‧量計
352‧‧‧螺線管驅動裝置；電子螺線管驅動裝置
400‧‧‧步驟400：初始化
402‧‧‧步驟402：利用晶體振盪器
404‧‧‧步驟404：放大所產生的電壓
406‧‧‧步驟406：立方根數據
408‧‧‧步驟408：整合及平滑化
410‧‧‧步驟410：決定氣體密度
412‧‧‧步驟412：決定流率
414‧‧‧步驟414：通訊及儲存結果
416‧‧‧步驟416：切斷感測器組合電源
500‧‧‧氣體鋼瓶
502‧‧‧調節器
504‧‧‧量計
506‧‧‧天線
508‧‧‧連接管
510‧‧‧快速連接的接頭；接頭
512‧‧‧互補性快速連接的接頭
550‧‧‧快速連接單元
552‧‧‧數據單元
554‧‧‧顯示器
556‧‧‧天線
F(Fig.1)‧‧‧量計；量計組合
GND(Fig.7)‧‧‧接地
IC1B(Fig.7)‧‧‧IC1B放大器
M(Fig.9)‧‧‧量計
Q1(Fig.7)‧‧‧石英晶體振盪器
R1,R3(Fig.7)‧‧‧電阻
SW1,SW2(Fig.7)‧‧‧開關
V(Fig.1)‧‧‧內部容積
X(Fig.2,3)‧‧‧長軸；軸
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的示意圖；第3圖是展示根據本發明的第二具體實例的調節器組合及量計的示意圖；第4圖是展示噪音電壓(Noise Voltage)(mV)(在Y-軸)作為流率(1/min)的函數圖；第5圖是展示噪音電壓的立方根(在Y-軸)作為流率(1/min)的函數圖；第6圖是展示噪音電壓(mV)(在Y-軸)作為時間(sec)的函數圖；第7圖是展示用於測量氣體的流量及密度兩者的電子放大器電路的示意圖；第8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；以及第9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，且配置成可使得氣體鋼瓶組合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、氪氣或氖氣。
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。
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200是位於緊鄰調節器150的 下游，且配置成可決定輸送至出口160的氣體的流率。
根據本發明的第一具體實例的調節器150及量計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200包含：本體202及感測器組合204。該本體202可包含任何適當的材料，例如鋼、鋁或複合材料。該本體202包含：導管206及外罩208。該導管206是與出口管158的內部連通，且配置成可與其連接。該導管206提供在出口154與聯結器160間的流體連通路徑(以及使用者的裝置或應用同時可連接到聯結器160)。
在此具體實例中，導管206通常為圓筒形。此外，在此具體實例中，該導管206包含流量限制(flow restriction)206a。該流量限制206a包含具有經縮減直徑的導管的區段。在測量流率時，此會增加流動且協助感測器組合204，如稍後將加以敘述者。作為一實例，管的未縮減部份的一半直徑的縮減(constriction)是足夠。嚴峻的縮減，例如孔口(orifice)是不需要。
外罩208是配置成可容納感測器組合204的至少一部份。該外罩208的內部可為在大氣壓力、或可為與導管206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208與導管206的內部間的壓力饋通(pressure feed-through)的需要。
另一可行的是外罩208可配備作為導管206的一部份。例如，導管206的一部份可加寬以收納感測器組合204。此等配置是具有實務應用性，因為本案發明人已經發現：僅少數的感測器組合204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206中的性能是特別優良。然而，熟習此技藝者將可容易地預期其他可行適當的電源。
感測器組合204的潛在性位置是整體在導管206內，當構成量計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208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。
除此以外，感測器組合204的內部位置(internal location)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，可用作為感測器組合204的一部份。
量計200是配置成可測量沿著導管的氣體的流率。感測器組合204包含：石英晶體振盪器210連接到放大器電路(amplifier circuit)212、電池214及微處理器(microprocessor)216。
在此具體實例中，石英晶體振盪器210是設置成與導管206的內部連通，然而感測器組合204的其餘構件是設置於外罩208內。換句話說，該石英晶體振盪器210是浸沒於孔板210上游的氣體中。
石英晶體振盪器210包含平面截面的切割石英。如第2圖所展示，本具體實例的石英晶體振盪器210是音叉形狀，且其具有一對叉齒210a，大約5毫米長，且配置成可在真空下、在32.768kHz的共振頻率進行振盪。該叉齒210a形成於石英的平面截面。該叉(fork)的叉齒210a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。
石英會顯示壓電行為，亦即施加電壓橫過(across)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。此為在本發明中所利用的特性。
石英晶體振盪器210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。
石英晶體振盪器210是位於沿著導管206的流體(flow)中。具體而言，該石英晶體振盪器210是位於沿著導管206的流量縮減(flow constriction)206a中。此會增加通過石英晶體振盪器210的氣體的流速。
石英晶體振盪器210是可操作以作用如同流動 障礙物(flow obstruction)、及如同流動偵測器(flow detector)兩者。因此，該石英晶體振盪器210是可操作以伸入沿著導管206的氣體流中。該晶體振盪器210的長軸X是實質地垂直於所展示流動的方向。換句話說，音叉型石英晶體振盪器210的平行叉齒210a遠離導管206的內壁而伸入導管206內。
音叉型晶體210的叉齒210a是呈平面彼此平行的狀態。該石英晶體振盪器210可加以定向於流動中，使得平面是實質地平行於流動方向(如第2圖所展示)。另一可行的是該石英晶體振盪器210可加以定向，使得平面是與流動方向成垂直或正交、或中間的角度的狀態。
除此以外，該石英晶體振盪器210的長軸X不需要精確地加以定向為垂直於流動。重要的是該石英晶體振盪器210伸入流動中，以造成流動擾動(flow disturbance)。因此，熟習此技藝者將可容易地瞭解可使用相對於流動的其他角度，例如鈍角(obtuse angle)(在該石英晶體振盪器210的遠端是傾斜於其近端的下游的情況)、或銳角(acute angle)(在該石英晶體振盪器210的遠端是傾斜於其近端的上游的情況)。
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210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210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，在本案情況，並無塗層(coating)塗敷到石英晶體振盪器210。
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210是暴露於導管206中在壓力下的氣體中。
本發明的第二具體實例是展示於第3圖。在第3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3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。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。
在第3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，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。
第二具體實例包含流量計350。為清楚的目的， 在該量計350的構件中，與量計200相同的部份是賦予相同的元件代表符號。
量計350是實質地類似於第一具體實例的量計200。然而，該量計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216)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。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。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，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(operate)，使得提動閥164或其類似物可準確的移動。
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200,350的遠端(remote)，且相關的數據可以遠端方式通訊。
流動噪音感測器(flow noise sensor)的理論與操作，現在將加以敘述。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。
一般而言，石英晶體振盪器210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。
使用石英晶體振盪器210的優點是共振頻率是充分地加以定義，且如上所揭述，僅隨著氣體壓力而緩慢地變化。除此以外，該石英晶體振盪器210在除了共振頻率以外的頻率的振動是較不敏感，因此較不會受到外部振動及聲音的影響。
當氣體流是沿著導管206存在時，氣體將會流動通過在流量限制206a中的石英晶體振盪器210。因為在氣體流中，石英晶體振盪器210本質上為障礙物，該石英晶體振盪器210將會對氣體流構成拖曳(drag)且將會產生擾流(turbulent flow)。此會造成流動噪音(flow noise)。
在石英晶體振盪器210上的拖曳力及在周圍的擾動(turbulence)將會造成叉齒210a的運動，且此結果將會產生一電壓橫過石英晶體振盪器210的電連接。此電壓是習知的噪音電壓(noise voltage)(V n )。在經驗上已經發現：所產生的噪音電壓V n 是與流率(Q )的立方成比例，如在方程式4)所揭述者：4)V n =KQ 3 其中，雖然K 確實會隨著氣體密度而緩慢地變化，但是在許多流的情況為一常數。
因此，當經過立方根濾波器(filter)，噪音電壓V n 的測量則可提供流率的指示(indication)。通常一5mm長的具有32.768kHz的共振頻率晶體的石英晶體振盪器，當安裝在3mm管且以3公升/分鐘的流率流動通過其時，藉由放大器電路212加以放大10倍時，則可提供30mW的電壓。經應用10秒鐘時間常數(time constant)的平滑化數位濾波器(smoothing digital filter)後，典型的噪音(noise)對此訊號會導致典型的流量誤差為+/- 2%。
第4圖是展示噪音電壓V n (在Y-軸)(mV)作為流率(在X-軸)(1/min)的函數圖。在此情況，各數據點是在1分鐘的平均值。
第5圖是展示相同的數據噪音電壓V n (在Y-軸)(mV)但是施用立方根作為流率(在X-軸)(1/min)的函數。如圖所展示，該曲線圖是近似為(approximately)線性(linear)。
在第4及5圖的實例中，使用5mm長的具有32.768kHz的共振頻率晶體石英晶體振盪器，來自經過單級放大器(single stage amplifier)(例如標準741放大器)的訊號具有10倍的電壓增益(voltage gain)。
第6圖是展示噪音電壓作為時間的函數圖。測量是在100秒鐘的期間每隔1秒鐘讀取。四條線是代表分別在3,4.5,6及9公升/分鐘所測得的流動噪音，流率愈快，則所產生的電壓愈高。
除此以外，該石英晶體振盪器210可使用於主 動或半主動模式，而非僅作為被動感測器(passive sensor)以測量流動噪音。如上所述關於方程式1)至3)，石英晶體振盪器210將會在與周圍氣體的密度ρ 成比例的頻率f 進行共振。
因此，根據上述方程式1)至3)，可準確地測得頻率f ，且可準確地估計得氣體的密度ρ 。然後，此資訊可輸出至使用者及/或用於調整上述方程式4)的校準因數(calibration factor)K ，因為在實驗上已經發現：在方程式4)中的經驗常數(empirical constant)K 值是隨著氣體密度而緩慢地變化。
因為該石英晶體振盪器210在一特定介質中將會有在其共振頻率f 進行共振的傾向，因此頻率f 可從石英晶體振盪器210的流動-激勵振動(flow-excited vibration)直接導出。
另一可行的是該頻率f 可審慎地藉由驅動電路以間歇性(intermittent basis)且短時間期間加以激勵(excite)。此將可確保所測得共振頻率f 是在充分定義的振幅，因此可實施更準確的測量。
適合使用於本發明的放大器電路212的實例是展示於第7圖。該放大器電路212包含：放大器218、電阻R1及R3、及開關SW1及SW2。
放大器218與電阻R1及R3聯合形成一非反相放大器(non-inverting amplifier)。R3是一種可變電阻器，且R3值的變化是可操作以控制放大器的增益(gain)(亦即，增 加R3值會降低增益)。此可用於設定適當的增益位準(gain level)以支撐振盪(當用於激勵石英晶體振盪器210時)、及以獲得可測量的訊號位準(signal level)兩者，當作用如同一流動噪音偵測器(flow noise detector)時，其用於放大來自石英晶體振盪器210的訊號是充分高且不飽和。
開關SW1及SW2是可操作以在放大器與振盪器驅動(oscillator drive)的模式間切換電路212。彼等可由例如場效電晶體(Field Effect Transistor)(FET)開關或機電繼電器(electro-mechanical relays)所構成。
當用作為放大器以放大藉由石英晶體振盪器210所產生的噪音電壓(當用作為流動噪音偵測器)時，則開關SW1是在關斷位置(off position)(亦即，斷開(open))，而開關SW2是在接通(on)(亦即，閉合(closed))位置。
在放大器模式(amplifier mode)，當石英晶體振盪器210是藉由外部源加以激勵時，則輸出是反映所產生的電壓。放大器218的增益是加以調整，使得該輸出訊號是足以用於準確的測量，但是並不飽和。
相反地，當用作為一放大器以放大石英晶體振盪器210所產生的噪音電壓時(當用作為流動噪音偵測器)，則開關SW1是在接通位置(on position)(亦即，閉合(closed))，而開關SW2是在關斷(off)(亦即，打開(open))位置。
在振盪器模式(oscillator mode)，該石英晶體振盪器210是藉由放大器218的輸出加以激勵，且此是反饋到 放大器218的輸入。若該放大器的增益218是足夠高，則將可支撐振盪。振盪的頻率f 可使用連接到輸出的頻率計(frequency meter)加以測量。
在一變異例中，開關SW1可以電阻加以取代，在此情況，SW2將單獨控制操作的模式。
根據本發明的一具體實例的方法，現在將參照第8圖加以敘述。如下所述的方法可應用到如上所述各第一及第二具體實例。
步驟400：初始化測量
在步驟400，通過導管206的氣體的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208的外側的按鈕加以啟動。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傳送，且經由天線而被量計200,350接收。
關於又一可行的或除此以外的是該量計200,350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：利用石英晶體振盪器以產生電壓
一旦初始化，氣體的流動通過石英晶體振盪器210，由於流動擾流(flow turbulence)及拖曳力(drag force)，將會造成石英晶體振盪器210運動且藉由壓電效應(piezoelectric effect)產生一電壓。應該暸解的是石英晶體振盪器210在本質上是一種自足式偵測器(self-contained detector)及流動障礙物。
步驟404：將所產生的電壓放大
放大器電路212則將藉由石英晶體振盪器210所產生的訊號加以放大。雖然也可利用多級系統(multi-stage systems)，單級放大器電路212(包括放大器218)是使用於本具體實例。雖然視需要而也可使用其他的增益，在此具體實例中，該放大器212具有10倍的電壓增益。
然後，該方法接著進行步驟406。
步驟406：立方根數據
如上所揭述，噪音電壓是與流率Q 的立方成比例。因此，執行立方根電路以獲得與流率Q 成比例的數據值。然後，該方法接著進行步驟408。
步驟408：整合及平滑化
為了進行測量，該經立方根化(cube rooted)及經放大的電壓值是測量大約10秒鐘的期間。此是為使得讀數穩定化以決定準確的測量。然後，此數據經由使用數位濾波器(digital filter)加以平滑化(smoothed)。此步驟、及先前的步驟可在微處理器216中、或藉由在放大器電路212的特殊化電路進行。當測量啟動後，微處理器216也可登錄(log)時間T1 。
步驟410：從頻率導出氣體密度
步驟410是視情況而定，且在流量計操作時視需要而實施。如上所揭述關於方程式1)、2)及3)，該氣體密度是視石英晶體振盪器210的共振頻率而可近似為線性。此頻率f 是經測量且密度資訊是視處理器216需要而加 以利用。
然後，該方法接著進行步驟412。
步驟412：決定氣體的流量
此是藉由使用上述方程式4)來完成，其中噪音電壓是在步驟402所測得，且常數K的既定值(default value)先前已經加以決定。若密度已經在步驟410已經加以決定，則常數K值視需要而可以相關的密度資訊加以更新。
然後，該方法接著進行步驟414。
步驟414：通訊及儲存結果
氣體的流率可以數種方式來顯示。例如，搭接在外罩208、本體202或調節器150,300的螢幕(未展示)可用於顯示氣體的流率。在另一可行的方法中，該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 的該氣體的流率可暫時儲存在該微處理器216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416。
步驟416：切斷感測器組合電源
並不需要在所有的時間維持量計200,350皆可操作的狀態。相反地，當不使用時，藉由將量計200,350關閉以減少電力消耗是有利的。此可延長電池214的壽命。
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，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9圖所展示者。該配置包含：具有氣體鋼瓶500、調節器502及質量流率計504的氣體鋼瓶組合50。該氣體鋼瓶500、調節器502及質量流率計504是實質地類似於氣體鋼瓶100、調節器150及量計200,350，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504包含石英晶體振盪器及放大器電路(未展示)，類似於前述具體實例的石英晶體振盪器210及放大器電路212。天線506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(Bluetooth)、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(one-wire communication)。
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508是連接到氣體鋼瓶500的出口。該連接管是藉由快速連接的接頭510而終接。該快速連接的接 頭510可使得輸送管線或構件容易且快速地與氣體鋼瓶500連接及拆卸。
快速連接單元550是配備用於連接到氣體鋼瓶500。互補性快速連接的接頭512是配備用於連接到接頭508。此外，該快速連接單元550是配備數據單元552。該數據單元552包含：顯示器554及天線556，用於與氣體鋼瓶組合50的天線504通訊。該顯示器554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552可登錄藉由氣體鋼瓶組合50的感測器組合502所測得的各種參數。例如，該數據單元552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公司的數據。
另一可行的是可將獲自數據單元550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。
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500或外罩208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200,350中所論述者。
雖然上述具體實例已參照石英晶體振盪器的用途而加以說明，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
202‧‧‧本體
204‧‧‧感測器組合
206‧‧‧導管
206a‧‧‧流量限制；流量縮減
208‧‧‧外罩
210‧‧‧石英晶體振盪器
210a‧‧‧叉齒
212‧‧‧放大器電路
214‧‧‧電池
216‧‧‧微處理器
X‧‧‧長軸

Claims (17)

  1. 一種用於測量沿著導管的一氣體的流率的方法，該方法包括下列步驟：a)設置具有兩個平面叉齒的壓電振盪器，該壓電振盪器是伸入導管內且與氣體相接觸，而該些叉齒設置成回應一沿著導管的氣體流而振盪；b)進行測量藉由該壓電振盪器的平面叉齒在該沿著導管的氣體流中的振盪運動所產生的電壓強度；以及c)從所產生的電壓強度，進行決定沿著該導管的氣體的流率。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，該步驟a)包括將壓電振盪器的平面叉齒設置成實質地垂直於氣體的流動。
  3. 如請求項1或2所述的方法，其中，該步驟b)進一步包括進行放大藉由壓電振盪器所產生的電壓。
  4. 如請求項3所述的方法，其中，該步驟c)進一步包括進行計算經放大的電壓的立方根以決定氣體的流率。
  5. 如請求項1所述的方法，進一步包括下列步驟：d)從壓電振盪器的共振頻率，進行決定氣體的密度。
  6. 如請求項5所述的方法，其中，該步驟d)進一步包括 下列步驟：e)在共振頻率，進行驅動壓電振盪器在共振頻率。
  7. 如請求項1中所述的方法，其中，該平面叉齒是配置成可在32kHz或以上的頻率進行振盪。
  8. 如請求項1中所述的方法，其中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
  9. 一種量計，用於測量沿著導管的一氣體流的流率，該量計包含感測器組合，該感測器組合包含具有兩個平面叉齒的壓電振盪器，當量計在使用時，該些叉齒是伸入與該氣體流相接觸且被設置成回應該氣體流而振盪，且該感測器組合是配置成：可測量藉由該壓電振盪器的平面叉齒在該沿著導管的氣體流中的運動所產生的電壓強度，及可從所產生的電壓強度決定沿著該導管的氣體的流率。
  10. 如請求項9所述的量計，其中，該壓電振盪器的平面叉齒是配置成實質地垂直於氣體的流動。
  11. 如請求項9或10所述的量計，其中，該感測器組合進一步包含放大器，用於放大藉由壓電振盪器所產生的電壓。
  12. 如請求項11所述的量計，其中，該感測器組合是可操作而計算經放大的電壓的立方根以決定氣體的流率。
  13. 如請求項9所述的量計，其中，該感測器組合是進一步可操作而從在氣體流中的壓電振盪器的共振頻率以決定氣體的密度。
  14. 如請求項13所述的量計，其中，進一步包含驅動電路，該驅動電路是可操作以在共振頻率驅動壓電振盪器。
  15. 如請求項9中所述的量計，其中，該平面叉齒是配置成可在32kHz或以上的頻率進行振盪。
  16. 如請求項9中所述的量計，其中，該壓電振盪器包含石英晶體振盪器。
  17. 一種電腦程式產品，其可藉由可程式規劃處理設備來執行，具有一種或以上用於實施如請求項1至8中之任一項所述的步驟的軟體部份。
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