用于測(cè)量受壓氣體缸體的真實(shí)含量的方法和設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】提供一種用于測(cè)量壓力容器(100)內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組件(200)。傳感器組件(200)包括殼體和用于浸入壓力容器(100)內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器(202)。傳感器組件(200)布置成當(dāng)浸入所述氣體中時(shí)，測(cè)量壓力容器(100)內(nèi)的氣體的密度。殼體包括第一腔室和第二腔室。第一腔室與第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器。第二腔室與壓力容器的內(nèi)部處于流體連通。通過(guò)提供這種組件，可直接且精確地測(cè)量諸如缸體的壓力容器中的流體的真實(shí)含量(即，質(zhì)量)。本發(fā)明的殼體減小了由氣體缸體100內(nèi)的對(duì)流產(chǎn)生的噪聲和誤差，從而使得通過(guò)根據(jù)缸體中的氣體的密度的直接推導(dǎo)，能夠精確地確定質(zhì)量或質(zhì)量的變化速率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于測(cè)量受壓氣體缸體的真實(shí)含量的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于測(cè)量受壓氣體的缸體的真實(shí)含量的方法和設(shè)備。更特別地，本發(fā) 明涉及用于使用壓電振蕩器和防護(hù)殼體來(lái)精確地測(cè)量氣體的缸體的真實(shí)含量或真實(shí)含量 的變化速率的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 本文描述的方法和設(shè)備可應(yīng)用于其中存在較高壓力（例如大約10巴或更高）的 氣體的系統(tǒng)，諸如例如，高壓缸體中的氣體供應(yīng)或利用高壓氣體的制造裝置。本發(fā)明尤其涉 及"清潔"氣體，即，沒(méi)有雜質(zhì)或污染物（諸如水蒸氣或灰塵）或者雜質(zhì)或污染物較少的氣 體。
[0003] 壓縮氣體缸體是設(shè)計(jì)成容納處于高壓（即，處于顯著大于大氣壓力的壓力）的氣 體的壓力容器。在廣泛的市場(chǎng)范圍中使用壓縮氣體缸體，從一般低成本工業(yè)市場(chǎng)，到醫(yī)療市 場(chǎng)，到較高成本的應(yīng)用，諸如利用高純度有腐蝕性、有毒或自燃的特殊氣體的電子制造。通 常，加壓氣體容器包括鋼、鋁或復(fù)合材料，并且能夠存儲(chǔ)經(jīng)壓縮、液化或溶解的氣體，其中， 對(duì)于大多數(shù)氣體，最高填充壓力高達(dá)450巴（表壓）（其中，巴（表壓）是高于大氣壓力的壓 力（單位為巴）的度量），而對(duì)于諸如氫和氦的氣體，最高填充壓力則高達(dá)900巴（表壓）。
[0004] 本發(fā)明尤其可應(yīng)用于永久氣體。永久氣體是無(wú)法單獨(dú)用壓力液化的氣體，而且例 如可在缸體中以高達(dá)450巴（表壓）的壓力供應(yīng)。示例為氬氣和氮?dú)?。但是，這不應(yīng)理解 為限制性，而是可認(rèn)為用語(yǔ)氣體包括較廣范圍的氣體，例如，永久氣體和液化氣體的蒸氣兩 者。液化氣體的蒸氣在壓縮氣體缸體中存在于液體之上。在被壓縮以填充到缸體中時(shí)在 壓力下液化的氣體不是永久氣體，并且較精確地將它描述成加壓的液化氣體或液化氣體 蒸氣。作為示例，在缸體中以液體形式供應(yīng)一氧化二氮，其中，在15°C下，平衡蒸氣壓力為 44. 4巴（表壓）。這樣的蒸氣不是永久氣體或真氣體，因?yàn)樗鼈儽淮蠹s為環(huán)境條件的壓力 或溫度液化。
[0005] 在許多情況下，需要監(jiān)測(cè)給定缸體或壓力容器的含量，以確定剩余氣體量。這在諸 如保健應(yīng)用的情形中特別重要。
[0006] 已知在了解缸體內(nèi)的氣體的壓力的情況下，根據(jù)氣體定律來(lái)計(jì)算缸體的真實(shí)含 量。壓力測(cè)量是眾所周知的技術(shù)，并且存在多種用來(lái)測(cè)量壓力的裝置。最傳統(tǒng)的類(lèi)型使用 配備有應(yīng)變計(jì)元件的彈性膜片。但是，雖然是目前制造的成本最低的一種壓力傳感器，但這 些傳感器的大小往往較大，而且具有雖然可用大規(guī)模照相平版印刷法生產(chǎn)但仍然較復(fù)雜且 制造起來(lái)昂貴的機(jī)械結(jié)構(gòu)。它們還具有一定程度的脆度，而且在使用它們之前需要進(jìn)行校 準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。
[0007] 另一種常用的壓力計(jì)是布爾登壓力計(jì)。這種壓力計(jì)包括脆弱的平坦薄壁式端部封 閉的管，管在空心端處連接到容納待測(cè)量的流體壓力的固定管上。壓力增大會(huì)使管的封閉 端展現(xiàn)弓形。這種壓力計(jì)包括精細(xì)構(gòu)件，它們易于由于例如暴露于高壓而受損。
[0008] 使得難以精確地測(cè)量氣體容器中的氣體量的一個(gè)問(wèn)題在于容納在缸體內(nèi)的氣體 的溫度-壓力關(guān)系。根據(jù)氣體定律，由處于恒定體積的給定量的氣體施加的壓力與其溫度 直接成比例。因此,隨著氣體的溫度升高，氣體的壓力也將增大。
[0009] 因此，使用壓力計(jì)（諸如布爾登壓力計(jì)）所得出的壓力測(cè)量值會(huì)與絕對(duì)溫度成比 例的上下波動(dòng)，例如從20°c的初始溫度到例如在太陽(yáng)照射的環(huán)境中的50°C，布爾登壓力計(jì) 上指示的壓力將增大10%。
[0010] 額外的問(wèn)題在于，為了使用壓力測(cè)量值來(lái)確定缸體的含量，需要針對(duì)氣體的可壓 縮性，校正壓力計(jì)。這由于處于高壓的氣體的特性與理想氣體的特性不一致而變得復(fù)雜。 [0011] 用來(lái)測(cè)量氣體的物理屬性的備選類(lèi)型的裝置是壓電裝置，諸如石英晶體。石英晶 體展現(xiàn)壓電特性，即，對(duì)它們應(yīng)用電壓會(huì)使固體略微壓縮或伸展，反之亦然。
[0012] Zeisel 等人的 "A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6) - Gas Density Control"（Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236)公開(kāi)了一種組件，其中，使用石英晶體傳感器來(lái)測(cè)量高壓和中等電壓電力裝備中 的處于低的氣體壓力的SF6氣體的密度。3^氣體的密度測(cè)量對(duì)于設(shè)備的安全是至關(guān)重要 的。此文獻(xiàn)描述了石英傳感器技術(shù)的低壓應(yīng)用，其中，使用高達(dá)8巴（表壓）的壓力。
[0013] US 4, 644, 796公開(kāi)了一種用于使用容納在可變?nèi)莘e殼體（包括風(fēng)箱組件）內(nèi)的石 英晶體振蕩器來(lái)測(cè)量流體的壓力的方法和設(shè)備。殼體的內(nèi)部容積由于風(fēng)箱被外部流體壓力 壓縮/膨脹而改變。因此，殼體內(nèi)的流體的密度在殼體的內(nèi)部容積改變時(shí)改變。可使用石 英晶體振蕩器來(lái)測(cè)量殼體內(nèi)的密度。
[0014] 以上組件描述了使用固態(tài)傳感器，諸如石英晶體振蕩器。但是，以上組件和方法都 不適合精確地測(cè)量壓力容器（諸如氣體缸體）中的氣體的質(zhì)量。
[0015] 關(guān)于測(cè)量容納在氣體缸體中的氣體的物理屬性的額外的復(fù)雜問(wèn)題在于缸體內(nèi)的 氣體運(yùn)動(dòng)。例如,如果氣體缸體的頂部是冷的，則可產(chǎn)生強(qiáng)有力的對(duì)流，對(duì)流可使對(duì)氣體的 物理屬性測(cè)量值失真。
[0016] 格拉斯霍夫數(shù)（Gr)是無(wú)量綱數(shù)，它近似浮力與作用于流體上的粘性力的比。Gr值 提供關(guān)于在特定流體中出現(xiàn)對(duì)流的可能性的指示-Gr值越高，就越可能出現(xiàn)對(duì)流。
[0017] 例如在氣體缸體內(nèi)處于300巴（表壓）壓力的壓力的氬氣的Gr值非常大。處于 這樣的高壓的氬具有接近水的密度，但粘度顯著更低（比水低大約五十倍）。另外，當(dāng)加熱 時(shí)，氬比水更易于膨脹。因此，甚至小的負(fù)溫度梯度（即，在缸體的頂部較冷時(shí)）也可在氣 體缸體內(nèi)引起強(qiáng)烈的氣體對(duì)流。
[0018] 在使用中的多種情況下可發(fā)生沿著缸體的長(zhǎng)度的溫度梯度。例如，如果近期已經(jīng) 填充好缸體，如果缸體在處于不同溫度的環(huán)境之間移動(dòng)，或者在從附連到缸體上的閥抽取 流的情形中，缸體的頂部可顯著比缸體的整體更冷。溫度梯度通常可超過(guò)10°c，而且甚至高 達(dá)30°C。目前，一體壓力調(diào)整閥（VIPR)變得越來(lái)越普遍。
[0019] 但是，這樣的閥在使氣體從存儲(chǔ)壓力膨脹時(shí)，會(huì)變得特別冷。因此，由于這些溫差， 往往會(huì)在缸體中產(chǎn)生對(duì)流。對(duì)流以紊流的方式出現(xiàn)，密度和溫度隨機(jī)調(diào)節(jié)，使得P~l/T，壓 力幾乎沒(méi)有變化。
[0020] 大體上，一種測(cè)量缸體內(nèi)的氣體的物理屬性的方法是將傳感器置于氣體缸體本身 內(nèi)。這使得傳感器能夠監(jiān)測(cè)缸體的中心處的氣體屬性。
[0021] 但是，當(dāng)使用具有VIPR的缸體從氣體缸體中抽取流時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流。當(dāng)測(cè)量 氣體屬性（諸如缸體的質(zhì)量含量的變化速率）時(shí)，對(duì)流會(huì)引起過(guò)大的噪聲，從而使測(cè)量結(jié)果 不準(zhǔn)確或者甚至無(wú)意義。因此，已知的測(cè)量組件會(huì)遭受這樣的技術(shù)問(wèn)題，即，它們無(wú)法提供 封殼（諸如其中很可能遇到對(duì)流的氣體缸體）中的氣體的物理屬性的準(zhǔn)確測(cè)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于測(cè)量氣體缸體內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的 傳感器組件，氣體缸體包括氣體缸體本體和限定氣體缸體的固定內(nèi)部容積的閥組件，傳感 器組件包括殼體、用于浸入氣體缸體內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器，以及驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路可 運(yùn)行來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻率共振，傳感器組件布置成根據(jù)壓電振 蕩器在浸入所述氣體中時(shí)的共振頻率來(lái)確定氣體缸體內(nèi)的氣體的密度，其中，在使用中，殼 體位于氣體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)，并且包括第一腔室和第二腔室，第一腔室與第二腔室 處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔室則與氣體缸體的內(nèi)部 處于流體連通。
[0023] 本發(fā)明的組件涉及傳感器組件。傳感器組件包括封閉在殼體內(nèi)的壓電振蕩器。殼 體是包括至少兩個(gè)腔室的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，并且布置成置于壓力容器（諸如氣體缸體）內(nèi)。這使 得能夠最佳將傳感器組件置于壓力容器內(nèi)，其中，傳感器組件例如可與容器的壁間隔開(kāi)，在 壁處，溫度變化或邊界層流可例如影響密度測(cè)量。
[0024] 根據(jù)實(shí)施例，提供一種用于測(cè)量壓力容器內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組 件，傳感器組件包括殼體和用于浸入壓力容器內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器，壓電振蕩器布置 成在浸入所述氣體中時(shí)，測(cè)量壓力容器內(nèi)的氣體的密度，其中，殼體包括第一腔室和第二腔 室，第一腔室與第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔 室則與壓力容器的內(nèi)部處于流體連通。
[0025] 通過(guò)提供這種組件，可直接測(cè)量壓力容器（諸如缸體）中的流體的真實(shí)含量（即， 質(zhì)量），而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因素。本發(fā)明的殼體減小了由內(nèi)氣體缸體的對(duì) 流產(chǎn)生的噪聲和誤差，從而使得通過(guò)根據(jù)缸體中的氣體的密度的直接推導(dǎo)，能夠精確地確 定質(zhì)量或質(zhì)量的變化速度。
[0026] 另外，壓電振蕩器是能夠抵抗高壓或壓力的急劇變化的固態(tài)裝置，并且因而，不太 可能由于壓力"蠕變"或其它環(huán)境因素而受損。壓電振蕩器的結(jié)構(gòu)使得壓電振蕩器能夠完 全浸入氣體中，這與需要壓差來(lái)工作的傳統(tǒng)壓力計(jì)（諸如布爾登壓力計(jì)）相反。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路可運(yùn)行來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電 振蕩器使得壓電振蕩器以共振頻率共振，以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所 述壓力容器中的氣體的密度。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，壓力容器具有固定內(nèi)部容積，并且傳感器組件進(jìn)一步構(gòu)造成根 據(jù)密度測(cè)量值和所述壓力容器的內(nèi)部容積，來(lái)確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件進(jìn)一步布置成：以離散的時(shí)間間隔對(duì)壓力容器內(nèi)的 氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測(cè)量，以獲得多個(gè)測(cè)量值；以及根據(jù)所述多個(gè)測(cè)量值來(lái)確定在離散的 時(shí)間間隔期間通往/來(lái)自壓力容器的氣體的質(zhì)量流量。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，離散的時(shí)間間隔為大約幾秒。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)所述測(cè)量值應(yīng)用數(shù)值濾波。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一腔室具有壁，壁包括第一孔口，從而使得在第一腔室和第二 腔室之間能夠有流體連通，并且第二腔室具有壁，腔室包括第二孔口，從而使得在第二腔室 和壓力容器的內(nèi)部容積之間能夠有流體連通。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二孔口具有0. 35mm或更小的尺寸。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一和/或第二孔口具有0. 22mm或更小的尺寸。
[0035] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體基本為圓柱形。
[0036] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有230mm或更小的長(zhǎng)度。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有80mm或更小的長(zhǎng)度。
[0038] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于容納受壓氣體的氣體缸體，氣體缸體包括： 限定固定內(nèi)部容積的氣體缸體本體；閥組件，其連接到所述氣體缸體本體上，并且布置成使 得能夠選擇性地對(duì)缸體氣體填充氣體，或者從所述氣體缸體中分配氣體；以及第一方面的 傳感器組件。
[0040] 根據(jù)實(shí)施例，提供一種用于容納受壓氣體的壓力容器，壓力容器具有固定內(nèi)部容 積，并且包括：限定固定內(nèi)部容積的壓力容器本體；閥組件，其連接到所述容器本體上，并 且布置成使得能夠選擇性地對(duì)壓力容器填充氣體，或者從所述容器中分配氣體；以及第一 方面的傳感器組件。
[0041] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件完全位于壓力容器的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
[0042] 在一個(gè)實(shí)施例中，壓力容器呈氣體缸體的形式。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種使用傳感器組件來(lái)測(cè)量受壓氣體的質(zhì)量的方 法，傳感器組件包括壓電振蕩器和殼體，所述氣體容納在壓力容器內(nèi)，壓力容器具有固定內(nèi) 部容積，壓電振蕩器浸入壓力容器內(nèi)的氣體中，殼體包括第一腔室和第二腔室，第一腔室與 第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔室則與壓力容 器的內(nèi)部處于流體連通，方法包括：a)使用所述壓電振蕩器來(lái)測(cè)量高壓容器內(nèi)的氣體的密 度；b)根據(jù)密度測(cè)量和所述壓力容器的內(nèi)部容積來(lái)確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
[0044] 通過(guò)提供這種方法，可直接測(cè)量壓力容器（諸如缸體）中的氣體（諸如永久氣體） 的真實(shí)含量（即，質(zhì)量），而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因素。這允許通過(guò)根據(jù)缸體 中的氣體的密度直接推導(dǎo)來(lái)確定質(zhì)量，從而減少對(duì)額外的傳感器或復(fù)雜補(bǔ)償?shù)男枰?，而?不必進(jìn)行近似。另外，壓電振蕩器是固態(tài)裝置，它能夠抵抗高壓、壓力的急劇變化或其它環(huán) 境因素。壓電振蕩器可運(yùn)行來(lái)完全浸入氣體中，這與需要壓差來(lái)工作的傳統(tǒng)壓力計(jì)（諸如 壓力計(jì)）相反。
[0045] 在一個(gè)實(shí)施例中，步驟a)包括：借助于驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，使得壓電振 蕩器以共振頻率共振；以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述高壓容器中的氣 體的密度。
[0046] 在一個(gè)實(shí)施例中，步驟a)和b)重復(fù)一次或多次，使得獲得在一段時(shí)間的壓力容器 內(nèi)的氣體密度的一系列測(cè)量值，使用所述一系列測(cè)量值來(lái)確定壓力容器內(nèi)的氣體質(zhì)量在所 述時(shí)段期間的變化。
[0047] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0048] 在實(shí)施例中，石英晶體包括至少一個(gè)叉。在變型中，石英晶體包括一對(duì)平叉。
[0049] 在實(shí)施例中，石英晶體經(jīng)AT切割或SC切割。
[0050] 在變型中，石英晶體的表面直接暴露于氣體。
[0051] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在變型中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電 路，驅(qū)動(dòng)電路包括復(fù)合晶體管對(duì)，其布置成與共射放大器成反饋構(gòu)造。
[0052] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功率源。在一個(gè)組件中，功率源包括鋰離子電 池。
[0053] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括處理器。
[0054] 在一個(gè)實(shí)施例中，壓力容器包括高壓容器。高壓容器是布置成經(jīng)受住大體大于10 巴的內(nèi)部壓力的容器。
[0055] 在變型中，壓力容器包括氣體缸體。
[0056] 在變型中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0057] 在變型中，氣體是永久氣體。
[0058] 在一個(gè)組件中，高壓容器是氣體缸體。
[0059] 在實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路， 驅(qū)動(dòng)電路包括復(fù)合晶體管對(duì)，其布置成與共射放大器成反饋構(gòu)造。
[0060] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功率源。在一個(gè)組件中，功率源包括鋰離子電 池。
[0061] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括處理器。
[0062] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件布置成：驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻 率共振；以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述壓力容器中的氣體的密度。 [0063] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件進(jìn)一步布置成：以離散的時(shí)間間隔對(duì)壓力容器內(nèi)的 氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測(cè)量，以獲得多個(gè)測(cè)量值；以及根據(jù)所述多個(gè)測(cè)量值來(lái)確定在離散的 時(shí)間間隔期間通往/來(lái)自壓力容器的氣體的質(zhì)量流量。多次使得獲得在一段時(shí)間里的壓力 容器內(nèi)的氣體密度的一系列測(cè)量值，使用所述一系列測(cè)量值來(lái)確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì) 量在所述時(shí)段期間的變化。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括第一方面的傳感器組件的閥組件，該閥組 件用于連接到壓力容器本體上，以形成有固定內(nèi)部容積的壓力容器具，閥組件布置成使得 能夠選擇性地對(duì)壓力容器填充氣體，或者從壓力容器中分配氣體。
[0065] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功 率源。在變型中，功率源包括鋰離子電池。
[0066] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件完全位于壓力容器的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
[0067] 在一個(gè)組件中，壓力容器本體包括氣體缸體。
[0068] 根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，提供一種可由可編程的處理設(shè)備執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn) 品，它包括用于執(zhí)行第三方面的步驟的一個(gè)或多個(gè)軟件部分。
[0069] 根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例，提供一種計(jì)算機(jī)可用的存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有根據(jù)第 五方面的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0070] 現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中： 圖1是氣體缸體組件的示意圖； 圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氣體缸體組件的上部部分的示意圖； 圖3a是顯示圖2的實(shí)施例的傳感器組件的殼體的示意圖； 圖3b至3f是顯示適合用于圖2的實(shí)施例的傳感器組件的殼體的備選變型的示意圖； 圖4是用于本發(fā)明的實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路的示意圖； 圖5是顯示用于本發(fā)明的實(shí)施例的備選驅(qū)動(dòng)電路的示意圖； 圖6是顯示用于本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)備選驅(qū)動(dòng)電路的示意圖； 圖7針對(duì)多個(gè)不同氣體顯示Y軸上的石英晶體頻率（kHz)隨密度（kg/m3)改變的曲線 圖； 圖8針對(duì)氬、氧和氬：二氧化碳混合物顯示Y軸上的氣體質(zhì)量（單位為kg)隨X軸上 的壓力（巴（表壓））改變的曲線圖； 圖9針對(duì)圖7中顯示的相同的三種氣體（氬、氧和氬：二氧化碳混合物）顯示Y軸上 的氣體質(zhì)量（單位為kg)隨X軸上的密度（單位為kg/m3)改變的曲線圖； 圖10針對(duì)來(lái)自處于100巴（表壓）的壓力的50升氣體缸體的流率12升/分鐘顯示 Y軸上的頻率（單位為kHz)隨X軸上的時(shí)間（單位為分鐘）改變的曲線圖； 圖11針對(duì)處于100巴（表壓）的壓力的50升缸體顯示Y軸上的計(jì)算流率（單位為升 每分鐘）隨X軸上的時(shí)間（單位為分鐘）改變的曲線圖； 圖12針對(duì)典型的氣體缸體顯示Y軸上的頻率（單位為kHz)隨X軸上的氣體缸體質(zhì)量 (單位為kg)改變的曲線圖； 圖13是對(duì)于使用不帶殼體的石英晶體振蕩器進(jìn)行流率測(cè)量，流率（單位為升/分鐘除 以二）隨以秒為單位的時(shí)間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖14是對(duì)于根據(jù)第一實(shí)施例的使用被殼體包圍的石英晶體振蕩器來(lái)進(jìn)行流率測(cè)量， 流率（單位為升/分鐘除以二）隨以秒為單位的時(shí)間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖15是對(duì)于根據(jù)第一實(shí)施例的使用由殼體包圍的石英晶體振蕩器來(lái)進(jìn)行流率測(cè)量 (正方形），以及對(duì)于傳送通過(guò)數(shù)值濾波的相同數(shù)據(jù)（菱形），流率（單位為升/分鐘除以 二）隨以秒為單位的時(shí)間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖16是示出根據(jù)描述的實(shí)施例的方法的流程圖； 圖17顯示不同晶體類(lèi)型的頻率特性的曲線圖； 圖18是顯示包括兩個(gè)石英晶體的備選傳感器組件的示意圖；以及 圖19顯示使用遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)單元的備選組件。
【具體實(shí)施方式】
[0071] 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氣體缸體組件10的示意圖。
[0072] 氣體缸體組件10包括氣體缸體100,氣體缸體100具有氣體缸體本體102和閥 104。氣體缸體本體102包括大體圓柱形的容器，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使 得氣體缸體100能夠在不受支承的情況下直立在平坦表面上。
[0073] 氣體缸體本體102由鋼、鋁和/或復(fù)合材料形成，并且適應(yīng)且布置成經(jīng)受高達(dá)大約 900巴（表壓）的內(nèi)部壓力。孔口 106位于氣體缸體本體102的與基部102a相對(duì)的近側(cè)端 處，并且包括適于接收閥104的螺紋（未顯示）。
[0074] 氣體缸體本體102和閥104限定壓力容器（在這個(gè)實(shí)施例中，其呈氣體缸體100的 形式），壓力容器具有內(nèi)部容積V。內(nèi)部容積V是固定的。這表示氣體缸體100的結(jié)構(gòu)使得 可假設(shè)其內(nèi)部容積V(以及同時(shí)，容納在其中的氣體的體積）在使用、存儲(chǔ)中不會(huì)有顯著改 變，或者不依賴于環(huán)境條件，諸如溫度、壓力或濕度而改變。氣體缸體1〇〇的內(nèi)部容積V意 于包括氣體缸體本體102和閥104內(nèi)的整個(gè)容積。換句話說(shuō)，內(nèi)部容積V是使氣體保持在 壓力下的氣體缸體組件10的總內(nèi)部容積。
[0075] 任何適當(dāng)?shù)牧黧w都可容納在氣體缸體組件100內(nèi)。但是，本實(shí)施例涉及（但不專(zhuān) 門(mén)局限于）其沒(méi)有雜質(zhì)，諸如灰塵和/或水分的純化的永久氣體。這樣的氣體的非窮盡性 示例可為：氧、氮、氬、氦、氫、甲烷、三氯化氮、一氧化碳、二氧化碳、氪、氖或者它們的混合物 (例如，氬和二氧化碳）。
[0076] 閥104包括殼體108、出口 110、閥本體112和閥座114。殼體108包括用于與氣體 缸體本體102的孔口 106接合的互補(bǔ)螺紋。出口 110適于且布置成使得氣體缸體100能夠 連接到氣體組件中的其它構(gòu)件上；例如軟管、管或另外的壓力閥或調(diào)整器。閥104可以可選 地包括VIPR(具有一體壓力調(diào)整器的閥）。
[0077] 閥本體112可借助于可抓持把手116的旋轉(zhuǎn)，沿軸向調(diào)節(jié)向或遠(yuǎn)離閥座114,以選 擇性地打開(kāi)或關(guān)閉出口 110。換句話說(shuō)，閥本體112朝向或遠(yuǎn)離閥座112移動(dòng)會(huì)選擇性地控 制氣體缸體本體102的內(nèi)部和出口 110之間的連通通路的面積。這進(jìn)而控制從氣體缸體組 件100的內(nèi)部到外部環(huán)境的氣體的流量。
[0078] 貫通孔118形成于殼體108中，在出口 110下游。借助于饋通件120來(lái)關(guān)閉貫通 孔118,饋通件120使得構(gòu)件（諸如線材）能夠從氣體缸體100的外部饋送通過(guò)，到達(dá)氣體 缸體100的內(nèi)部。饋通件120用作保持氣體缸體100的完整性的高壓密封件。
[0079] 氣體缸體組件10設(shè)有傳感器組件200。傳感器組件200布置成測(cè)量氣體缸體100 的內(nèi)部容積V內(nèi)的氣體的密度。傳感器組件200在圖2中顯示，并且包括石英晶體振蕩器 202,石英晶體振蕩器202通過(guò)適當(dāng)?shù)呐渚€而連接到驅(qū)動(dòng)電路204和電池206上。還可單獨(dú) 提供處理器220 (未在圖2中顯示），或者提供處理器220作為驅(qū)動(dòng)電路204的一部分。這 將在后面描述。
[0080] 在圖2的實(shí)施例中，整個(gè)傳感器組件200位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)。因 此，石英晶體振蕩器202、驅(qū)動(dòng)電路204 (和處理器220,如果提供了的話）和電池206全部 都位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)。傳感器組件200的構(gòu)件完全浸入氣體中，并且經(jīng)受 氣體缸體100內(nèi)的等靜氣體壓力。因此，傳感器組件200經(jīng)歷氣體缸體100內(nèi)的氣體的全 部氣體壓力。
[0081] 如圖2中顯示的那樣，傳感器組件200可連接到天線230上，以與例如基站進(jìn)行遠(yuǎn) 程通信。這將在后面論述。在這種情況下，天線230可位于氣體缸體100的外部，并且借助 于線材或等效連接器而連接到傳感器組件上。線材可穿過(guò)饋通件120,以便在天線230和傳 感器組件200之間實(shí)現(xiàn)連接。
[0082] 天線230本身可適于且布置成使用任何適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議；例如，非窮盡性列表可 為RFID、藍(lán)牙、紅外（IR)、802. 11無(wú)線頻率調(diào)制（FM)傳輸或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
[0083] 備選地，可實(shí)現(xiàn)單線通信。單線通信僅需要單個(gè)金屬導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行通信：電路的"回 行"路徑由通過(guò)通信裝置之間的空氣的電容性耦合提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識(shí)到 可用于本文論述的實(shí)施例的天線230的備選方案（以及相關(guān)聯(lián)的傳輸硬件）。
[0084] 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳感器組件200的僅少數(shù)構(gòu)件對(duì)高壓敏感。特別地，較大的構(gòu)件 (諸如電池）可易受高壓的影響。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在氣體缸體100中遇到高壓 下運(yùn)行特別好。因此，電池206包括鋰離子電池。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地構(gòu)想到適 當(dāng)?shù)膫溥x功率源。
[0085] 當(dāng)構(gòu)造氣體缸體100時(shí)，傳感器組件200完全位于氣體缸體100內(nèi)會(huì)提供額外的 靈活性。特別地，較脆弱的電子構(gòu)件完全位于氣體缸體1〇〇的結(jié)實(shí)的金屬壁或復(fù)合材料壁 內(nèi)會(huì)在很大程度上保護(hù)其免受環(huán)境或意外的損害。這在例如其中氣體缸體100位于其它氣 體缸體100、重型機(jī)器或粗糙表面附近的存儲(chǔ)區(qū)域或倉(cāng)庫(kù)中是特別重要的。
[0086] 另外，傳感器組件的電子構(gòu)件完全位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)使得能夠提 供較大的構(gòu)件，較大的構(gòu)件本來(lái)可能不適合在缸體100的外表面上使用。例如，可提供較大 的電池，以便增加傳感器組件200的工作期限。
[0087] 另外，傳感器組件200定位在內(nèi)部會(huì)保護(hù)這些電子構(gòu)件免受環(huán)境條件的影響，諸 如鹽、水和其它污染物。這將允許例如對(duì)鹽和水損害高度敏感的高阻抗電路用作傳感器組 件200的一部分。
[0088] 但是，雖然在圖2中顯示傳感器組件200位于缸體的內(nèi)部?jī)?nèi)，但要理解的是，其它 位置是合適的。例如，傳感器組件200可安裝在閥104中在饋通件120附近，或者形成閥 104的單獨(dú)的區(qū)段。重要的是石英晶體振蕩器202暴露于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中的 氣體。
[0089] 額外的變型在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，石英晶體振蕩器202可位于氣體缸體100的 內(nèi)部容積V內(nèi)，并且驅(qū)動(dòng)電路204位于氣體缸體100的外部。因此，傳感器組件200的至少 一部分位于貫通孔118中。石英晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204然后通過(guò)配線208連接， 配線208穿過(guò)高壓饋通件120。
[0090] 在另一個(gè)變型中，傳感器組件的其它部分可位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)，并 且一部分可位于其外部。例如，驅(qū)動(dòng)電路212和處理器220可位于氣體缸體100內(nèi)，而電池 206則可位于氣體缸體100的外部。此布置使得能夠保護(hù)傳感器組件的較脆弱的構(gòu)件免受 損害和污染物的影響，同時(shí)可輕易地接近電池206,以對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和更換。
[0091] 關(guān)于外部通信，在一個(gè)構(gòu)造中，不是明確需要外部天線或天線（諸如天線230)。例 如，可借助于從缸體100內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。聲學(xué)傳輸可由位于氣體缸體100內(nèi) 的發(fā)送器實(shí)現(xiàn)。發(fā)送器可包括例如單個(gè)固定頻率壓電共振器。
[0092] 還需要互補(bǔ)的接收器，而且這個(gè)構(gòu)件可位于缸體100遠(yuǎn)處，并且可包括硬件，諸如 例如與話筒結(jié)合的相鎖環(huán)音調(diào)檢測(cè)器。這種聲學(xué)組件提供這樣的優(yōu)點(diǎn)：不需要需要饋通件 (而天線230則需要），而且所有電子構(gòu)件都可完全位于缸體100內(nèi)。
[0093] 備選地，傳感器組件200可連接到安裝在氣體缸體本身上的顯示器裝置上（未顯 示）。這可采取數(shù)字顯示器的形式，數(shù)字顯示器可運(yùn)行來(lái)顯示缸體100中剩余的氣體的質(zhì) 量，或者例如氣體的使用速率。
[0094] 在這個(gè)組件中，石英晶體振蕩器202持續(xù)處于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)的等 靜壓力，并且因此，不經(jīng)歷壓力梯度。換句話說(shuō)，源自氣體缸體100的內(nèi)部容積V和外部環(huán) 境之間的壓差的任何機(jī)械應(yīng)力都在饋通件120上。
[0095] 傳感器組件200定位在內(nèi)部的好處對(duì)于固態(tài)傳感器裝置（諸如石英晶體振蕩器 202)是獨(dú)特的。例如，不可用這種方式定位傳統(tǒng)的壓力傳感器，諸如布爾登壓力計(jì)。雖然基 于晶體的傳感器可在完全浸入處于恒定壓力的氣體中時(shí)運(yùn)行，但傳統(tǒng)的壓力傳感器無(wú)法測(cè) 量等靜壓力，而且需要壓力梯度來(lái)工作。因此，傳統(tǒng)壓力計(jì)必須位于待測(cè)量的高壓和大氣之 間。這會(huì)妨礙將傳統(tǒng)壓力計(jì)完全定位在氣體缸體100內(nèi)。
[0096] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D2和圖3a至3f更詳細(xì)地描述傳感器組件200。石英晶體振蕩器202 包括切割石英的小而薄的區(qū)段。石英會(huì)展示壓電特性，即，在晶體上應(yīng)用電壓會(huì)使晶體改變 形狀，從而產(chǎn)生機(jī)械力。相反，應(yīng)用于晶體的機(jī)械力則產(chǎn)生電荷。
[0097] 使石英晶體振蕩器202的兩個(gè)平行表面金屬化，以便提供跨過(guò)大晶體的電連接。 當(dāng)借助于金屬觸頭在晶體上應(yīng)用電壓時(shí)，晶體改變形狀。通過(guò)對(duì)晶體應(yīng)用交變電壓，可使晶 體振蕩。
[0098] 石英晶體的物理大小和厚度確定石英晶體的特征頻率或共振頻率。實(shí)際上，晶體 202的頻率頻率或共振頻率與兩個(gè)金屬化表面之間的物理厚度成反比。
[0099] 石英晶體的共振振動(dòng)頻率將取決于晶體所處的環(huán)境而改變。在真空中，晶體將具 有特定頻率。但是，這個(gè)頻率將在不同的環(huán)境中改變。例如，在流體中，晶體的振動(dòng)將由于 周?chē)牧黧w分子而衰減，而且這將影響共振頻率和使晶體以給定幅度振蕩所需的能量。 [0100] 另外，氣體的吸附或周?chē)牧系矸e到晶體上將影響振蕩晶體的質(zhì)量，從而改變共 振頻率。這形成常使用的選擇性氣體分析器的基礎(chǔ)，其中，吸收層形成于晶體上，并且在氣 體吸收到吸收層上時(shí)提高其質(zhì)量。但是，在本情形中，未對(duì)石英晶體振蕩器202應(yīng)用涂層。 實(shí)際上，材料吸附或淀積到石英晶體振蕩器202上在目前的情況下是不合需要的，因?yàn)闇y(cè) 量的精度可受到影響。
[0101] 本實(shí)施例的石英晶體振蕩器202為音叉形，并且包括一對(duì)大約5mm長(zhǎng)的叉 210a (圖3a)，在本實(shí)施例中，叉210a布置成以32. 768 kHz的共振頻率振蕩。音叉的叉202a 通常以它們的基本模式振蕩，其中，它們以共振頻率同步地移動(dòng)向彼此和遠(yuǎn)離彼此。
[0102] 另外，使用經(jīng)AT切割或SC切割的石英是合乎需要的。換句話說(shuō)，以特別選擇的角 度切割石英的平坦區(qū)段，使得振蕩頻率的溫度系數(shù)可布置成拋物線形，其在大約室溫下具 有寬峰。因此，晶體振蕩器可布置成使得在高峰頂部處的斜率正好為零。
[0103] 通常可用較低的成本獲得這樣的石英晶體。與在真空中使用的大多數(shù)石英晶體振 蕩器相反，在本實(shí)施例中，石英晶體振蕩器202暴露于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中的受壓 氣體。
[0104] 傳感器組件200進(jìn)一步包括殼體250。殼體250可運(yùn)行來(lái)封閉石英晶體振蕩器 202,并且在使用中，殼體250位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中。殼體250可運(yùn)行來(lái)減小 氣體缸體100內(nèi)的對(duì)流對(duì)傳感器組件200所作的測(cè)量的作用。在圖3a中更詳細(xì)地顯示圖 2的殼體250。
[0105] 參照?qǐng)D3,殼體250在這個(gè)實(shí)施例中包括第一殼體部分252和第二殼體部分254。 第一殼體部分252具有基本圓柱形側(cè)壁256、遠(yuǎn)側(cè)端壁258和在石英晶體振蕩器202附近的 近側(cè)端壁260,并且近側(cè)端壁260密封殼體250的近側(cè)端。第一殼體部分252的壁限定第一 腔室262。第一腔室262基本封閉石英晶體振蕩器202,并且位于殼體250的近側(cè)端附近。
[0106] 第一殼體部分254可包括通常對(duì)于石英晶體傳感器可獲得的傳統(tǒng)壓力殼體。這可 降低制造成本。但是，可使用備選構(gòu)造，在圖3a至3f中示出它們的一些可行變型。
[0107] 第二殼體部分254具有基本圓柱形側(cè)壁264、遠(yuǎn)側(cè)端壁266和近側(cè)端壁268。第二 殼體部分254的壁限定第二腔室270。在這個(gè)實(shí)施例中，第二殼體部分254是圓柱形，其直 徑為大約6mm，并且長(zhǎng)度為大約80mm。但是，不應(yīng)將這理解為限制，而是可按需要改變尺寸 和橫截面形狀。
[0108] 第二腔室270位于第一腔室262附近，并且借助于第一殼體部分252的遠(yuǎn)側(cè)端壁 258中的貫通孔272,與第一腔室262處于流體連通。在這個(gè)實(shí)施例中，貫通孔272具有大 約0.35_的直徑。但是，可按需要使用其它形狀和尺寸的貫通孔。另外，如果需要，可提供 多個(gè)貫通孔272。
[0109] 另一個(gè)貫通孔274形成于第二殼體部分254的側(cè)壁264中，使得第二腔室270與氣 體缸體100的內(nèi)部容積V中且在殼體250的外部的氣體處于流體連通。在這個(gè)實(shí)施例中， 該另一個(gè)貫通孔274具有0· 22mm的直徑。但是，還發(fā)現(xiàn)0· 35mm的備選大小的貫通孔274 可產(chǎn)生良好結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識(shí)到可用于本發(fā)明的貫通孔的構(gòu)造、尺寸和 形狀。另外，可提供多個(gè)貫通孔274。
[0110] 殼體250的結(jié)構(gòu)使得第一腔室262和第二腔室270與彼此和氣體缸體100的內(nèi)部 容積V處于串聯(lián)流體連通。換句話說(shuō)，石英晶體振蕩器202所暴露于的氣體必須從氣體缸 體100的內(nèi)部容積V，傳送通過(guò)第二腔室270到達(dá)第一腔室262,然后到達(dá)石英晶體振蕩器 202。
[0111] 在圖2和3a中顯示的實(shí)施例中，由殼體250形成的第一腔室262和第二腔室270 形成為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。但是，不必這樣，而是可使用單個(gè)公共殼體250。
[0112] 圖3b至3f顯示在本發(fā)明的范圍內(nèi)的殼體250的備選實(shí)施例。為了清楚，已經(jīng)省 略了指示與圖3a的實(shí)施例相同的特征的參考標(biāo)號(hào)。
[0113] 圖3b顯示殼體250的第二實(shí)施例。第二實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于第一實(shí)施例，除了 貫通孔274形成于第二殼體部分254的遠(yuǎn)側(cè)端壁266中。
[0114] 圖3c顯示殼體250的第三實(shí)施例。圖3的實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于殼體250的第 一和第二實(shí)施例，除了第二殼體部分254具有延長(zhǎng)的長(zhǎng)度。在這個(gè)實(shí)施例中，第二殼體部分 254具有大約230mm的長(zhǎng)度。雖然圖3c顯示了貫通孔274在遠(yuǎn)側(cè)端處，但是貫通孔274同 樣可形成于第二殼體部分254的側(cè)壁264中。
[0115] 圖3d至3f的實(shí)施例顯示不同結(jié)構(gòu)的殼體250。圖3d中顯示的殼體250的第四實(shí) 施例不同于前面的實(shí)施例，因?yàn)闅んw250是一體部件，并且包括圓柱形外壁276、遠(yuǎn)側(cè)端壁 278和近側(cè)密封件280。
[0116] 壁276、278、280界定殼體250的內(nèi)部。殼體250進(jìn)一步包括內(nèi)壁282,內(nèi)壁282將 殼體250的內(nèi)部分成第一腔室284和第二腔室286。第一腔室284基本封閉石英晶體振蕩 器202,并且位于殼體250的近側(cè)端附近。
[0117] 第二腔室286位于第一腔室284附近，并且借助于內(nèi)部壁282中的貫通孔288而 與第一腔室284處于流體連通。在這個(gè)實(shí)施例中，貫通孔288具有大約0. 35mm的直徑。但 是，可按需要使用其它形狀和尺寸的貫通孔。另外，如果需要，可提供多個(gè)貫通孔288。 提供另一個(gè)貫通孔290,以使得在第二腔室286和氣體缸體100的內(nèi)部容積V之間能夠 有流體連通。與第一實(shí)施例相同，在殼體250的側(cè)壁276中提供貫通孔290。
[0118] 在圖3e中顯不殼體250的第五實(shí)施例。實(shí)施例殼體250在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于第四實(shí) 施例；但是，在殼體250的遠(yuǎn)側(cè)端壁278中提供貫通孔290,并且殼體250具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度 (在這個(gè)實(shí)施例中，230mm)，使得第二腔室286具有較大的內(nèi)部容積。這些變型中的任一個(gè) 都可應(yīng)用于第五實(shí)施例。
[0119] 在圖3f中顯示殼體250的第六實(shí)施例。殼體250的第六實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于 第五實(shí)施例；但是，提供第二內(nèi)壁292。第二內(nèi)壁292具有形成于其中的貫通孔294,并且將 殼體250的內(nèi)部分成三個(gè)腔室-第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296。
[0120] 第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296與彼此處于流體連通，并且與在氣體 缸體100的內(nèi)部且殼體250的外部處于流體連通。換句話說(shuō)，石英晶體振蕩器202所暴露 于的氣體必須按順序以及連續(xù)地從氣體缸體100的內(nèi)部容積V，傳送通過(guò)第三腔室296、第 二腔室286到達(dá)第一腔室284,然后到達(dá)石英晶體振蕩器202。
[0121] 如上面描述的殼體250的第一至第六實(shí)施例所顯示的那樣提供一系列腔室使得 能夠?qū)怏w缸體100內(nèi)的對(duì)流進(jìn)行氣動(dòng)衰減。如上面描述的那樣，缸體100內(nèi)的溫差導(dǎo)致 通常將在缸體中發(fā)生對(duì)流。對(duì)流以紊流的形式出現(xiàn)，調(diào)節(jié)密度和溫度（使得P~l/T)，幾乎 不引起壓力變化。
[0122] 發(fā)明人對(duì)殼體250的運(yùn)行原理的理解如下。殼體250限定氣體的內(nèi)部容積，內(nèi)部 容積往往對(duì)密度和溫度取平均。原則上，將沒(méi)有流通過(guò)殼體250中的貫通孔，因?yàn)槿鄙賶毫?變化。因此，系統(tǒng)將提供處于穩(wěn)定壓力的穩(wěn)定輸出，因?yàn)槊芏群蜏囟仍谄渲飧淖?。只有?體250的溫度改變時(shí)，測(cè)得的密度才會(huì)改變。但是，這在實(shí)踐上受到限制，因?yàn)闅んw250的 內(nèi)部?jī)?nèi)的氣體體積的熱質(zhì)量較大。
[0123] 但是，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，殼體250對(duì)于例如在流從氣體缸體100中抽出時(shí)所經(jīng)歷的 壓力波動(dòng)有不同的響應(yīng)。在這種情況下，貫通孔足夠大，以至于對(duì)應(yīng)的壓力變化經(jīng)由流體流 幾乎立刻傳送通過(guò)貫通孔。
[0124] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了獲得上面描述的好處，需要包括至少兩個(gè)腔室的殼體250。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)單個(gè)腔室組件在充分隔離缸體內(nèi)的對(duì)流引起的密度和溫度變化方面無(wú)效。
[0125] 在圖4中顯示用于驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202的驅(qū)動(dòng)電路204。驅(qū)動(dòng)電路204必須 滿足多個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)。首先，本發(fā)明的石英晶體振蕩器202可暴露于一系列氣體壓力；潛在 地，壓力可從大氣壓力（當(dāng)氣體缸體100是空的時(shí)候）變成大約900巴（表壓）（如果氣體 缸體包含加壓氣體，諸如氫）。因而，要求石英晶體202在大范圍的壓力下運(yùn)行（以及在不 使用的時(shí)期之后重新啟動(dòng)）。
[0126] 因此，石英晶體振蕩器202的品質(zhì)（Q)因數(shù)將在使用期間有相當(dāng)大的改變。Q因數(shù) 是與振蕩器或共振器的衰減速率有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)。同樣，其特征可在于共振器相對(duì)于其 中心頻率的帶寬 大體上，振蕩器的Q因數(shù)越大，相對(duì)于振蕩器的存儲(chǔ)能量的能量損失速率就越低。換句 話說(shuō)，Q因數(shù)大的振蕩器的振蕩幅度在沒(méi)有外力的情況下較緩慢地減小。具有較大的Q因 數(shù)的以正弦的方式驅(qū)動(dòng)的共振器在共振頻率下以較大的幅度共振，但圍繞它們共振時(shí)所處 的頻率具有較小的頻率帶寬。
[0127] 驅(qū)動(dòng)電路204必須能夠驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202,不管Q因數(shù)如何改變。在氣體 缸體100中的壓力增大時(shí)，石英晶體振蕩器202的振蕩將變得越來(lái)越受到衰減，而且Q因數(shù) 將降低。降低的Q因數(shù)需要驅(qū)動(dòng)電路204中的放大器提供較大的增益。但是，如果驅(qū)動(dòng)電 路204提供的放大作用太大，則可能難以分辨來(lái)自石英晶體振蕩器202的響應(yīng)。在這種情 況下，驅(qū)動(dòng)電路204可簡(jiǎn)單地以不相關(guān)的頻率振蕩，或者以石英晶體振蕩器202的非基本模 式的頻率振蕩。
[0128] 作為另一個(gè)限制，驅(qū)動(dòng)電路204的功率必須低，以便在有或沒(méi)有補(bǔ)充功率（諸如光 伏電池）的情況下，用低功率的小電池工作較長(zhǎng)時(shí)間。
[0129] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D4來(lái)描述驅(qū)動(dòng)電路204。為了驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202,驅(qū)動(dòng)電路 204實(shí)質(zhì)上獲得來(lái)自石英晶體振蕩器202的電壓信號(hào)，將它放大，并且將那個(gè)信號(hào)饋送回石 英晶體振蕩器202。石英晶體振蕩器202的基本共振頻率在實(shí)質(zhì)上隨石英的膨脹和收縮速 率改變。這大體上由晶體的切割和大小決定。
[0130] 但是，外部因數(shù)也會(huì)影響共振頻率。當(dāng)產(chǎn)生的輸出頻率的能量匹配電路中的損耗 時(shí)，可維持振蕩。驅(qū)動(dòng)電路204布置成檢測(cè)和保持這個(gè)振蕩頻率。然后頻率可由處理器220 測(cè)量，用來(lái)計(jì)算用戶所需的氣體的合適屬性，并且如果需要的話，輸出到適當(dāng)?shù)娘@示器件 (如將在后面描述的那樣）。
[0131] 驅(qū)動(dòng)電路204由6V的電池206提供功率。電池206在這個(gè)實(shí)施例中包括鋰離子 電池。但是，備選功率源對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的；例如，其它電池類(lèi)型（可再充 電和不可再充電的）和太陽(yáng)能電池組件。
[0132] 驅(qū)動(dòng)電路204進(jìn)一步包括復(fù)合晶體管對(duì)共射放大器210。復(fù)合晶體管對(duì)包括由兩 個(gè)雙極NPN晶體管組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，雙極NPN晶體管構(gòu)造成使得由第一晶體管放大的電流 進(jìn)一步被第二晶體管放大。當(dāng)與單獨(dú)使用各個(gè)晶體管相比時(shí)，此構(gòu)造使得能夠獲得更大的 電流增益。可使用備選的PNP雙極晶體管。
[0133] 復(fù)合晶體管對(duì)210與單晶體管（1\)共射放大器212布置成反饋構(gòu)造。在圖4中顯 示NPN雙極結(jié)型晶體管。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到可使用的備選晶體管組件；例如， 雙極結(jié)型PNP晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（M0SFET)。
[0134] 驅(qū)動(dòng)電路204包括另一個(gè)NPN發(fā)射器跟隨器晶體管T2，它用作緩沖器放大器214。 緩沖器放大器214布置成用作電路和外部環(huán)境之間的緩沖器。
[0135] 電容器216定位成與石英晶體振蕩器202串聯(lián)。電容器216在此示例中具有 100pF的值，并且使得驅(qū)動(dòng)電路204能夠在晶體已經(jīng)被污染（例如被鹽或其它淀積材料污 染）的情形中驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202。
[0136] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D5來(lái)描述備選驅(qū)動(dòng)電路240。驅(qū)動(dòng)電路240可用來(lái)代替上面描述的 驅(qū)動(dòng)電路204。與上面描述的驅(qū)動(dòng)電路204相比，驅(qū)動(dòng)電路240包括共漏金屬氧化物半導(dǎo)體 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（M0SFET)放大器242,它代替圖6的電路的復(fù)合晶體管對(duì)。M0SFET 242用作 高阻抗輸入，這使得放大器級(jí)的輸入阻抗能夠匹配石英晶體振蕩器202的高阻抗。換句話 說(shuō)，M0SFET 242提供具有高輸入阻抗的單位增益，以減小石英晶體振蕩器202上的電負(fù)載。
[0137] 共漏M0SFET放大器242的輸出饋送到兩個(gè)連續(xù)的單晶體管（Q2、Q3)共射放大器 244。電阻器R6和R8對(duì)晶體管提供負(fù)反饋和偏壓電流。共射放大器244提供高增益，以放 大石英晶體振蕩器202的振蕩，而且在這個(gè)實(shí)施例中，共射放大器244包括NPN雙極結(jié)型晶 體管。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到可使用的備選晶體管組件；例如，雙極結(jié)型PNP晶體 管或 M0SFET。
[0138] 電容器246連接在石英晶體振蕩器202和地線之間。電容器246在這個(gè)實(shí)施例中 可運(yùn)行來(lái)提高對(duì)驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202的驅(qū)動(dòng)力。
[0139] 電阻器248與石英晶體振蕩器202串聯(lián)連接。電阻器248在這個(gè)實(shí)施例中具有 56 kQ的值，并且抑制石英晶體振蕩器202的振蕩，以便使得電路能夠在廣泛范圍的壓力中 振蕩，波形僅逐步地改變。
[0140] 驅(qū)動(dòng)電路240由3V的電池249提供功率。電池249在這個(gè)實(shí)施例中包括鋰電池。 但是，備選功率源對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的；例如，其它電池類(lèi)型（可再充電和不 可再充電的）和太陽(yáng)能電池組件。備選地，可在DC整流和合適的電壓降低之后使用干線供 應(yīng)組件。
[0141] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D6來(lái)描述另一個(gè)備選驅(qū)動(dòng)電路300。圖6中顯示的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成類(lèi) 似于皮爾斯振蕩器。從數(shù)字1C時(shí)鐘振蕩器中了解到皮爾斯振蕩器。實(shí)質(zhì)上，驅(qū)動(dòng)電路300 包括單個(gè)數(shù)字反向器（呈晶體管的形式）T、三個(gè)電阻器Rp R2和Rs、兩個(gè)電容器Q、C2和石 英晶體振蕩器202。
[0142] 在此組件中，石英晶體振蕩器202用作高選擇性濾波元件。電阻器&用作晶體管 T的負(fù)載電阻器。電阻器&用作反饋電阻器，使反向器T偏壓到在其線性運(yùn)行區(qū)域中。這 有效地使得反向器T能夠用作高增益反向放大器。另一個(gè)電阻器R s在反向器T的輸出和 石英晶體振蕩器202之間用來(lái)限制增益，以及抑制電路中的不合需要的振蕩。
[0143] 石英晶體振蕩器202以及Q和C2形成Pi網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器。這使得在大約石英晶 體振蕩器的共振頻率下能夠有180度相移和從輸出到輸入的電壓增益。上面描述的驅(qū)動(dòng)電 路300可靠且制造起來(lái)廉價(jià)，因?yàn)樗ㄝ^少構(gòu)件。
[0144] 如上面論述的那樣，傳感器組件200可包括處理器220,處理器220接收來(lái)自石英 晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204的輸入。處理器220可包括任何適當(dāng)?shù)慕M件，諸如專(zhuān)用集 成電路ASIC或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA。處理器220編程成計(jì)算、顯示和傳輸對(duì)缸體100的 用戶有用的參數(shù)。
[0145] 當(dāng)用于石英晶體振蕩器202時(shí)，處理器220可構(gòu)造成測(cè)量來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路204的信 號(hào)的頻率f或周期。這可通過(guò)下者實(shí)現(xiàn)：例如數(shù)固定時(shí)間里的振蕩，并且使用算法或查找表 將那個(gè)頻率轉(zhuǎn)換成密度值。這個(gè)值傳送到處理器220,處理器220構(gòu)造成基于供應(yīng)的輸入來(lái) 執(zhí)行計(jì)算，以確定氣體缸體1〇〇中的氣體的質(zhì)量。
[0146] 處理器220可以可選地設(shè)計(jì)成用于大規(guī)模生產(chǎn)，以在所有缸體中相同，軟件和硬 件中針對(duì)不同的氣體實(shí)現(xiàn)不同特征。
[0147] 另外，處理器220還可構(gòu)造成通過(guò)實(shí)現(xiàn)待機(jī)或"睡眠"模式來(lái)最大程度地降低功率 消耗，待機(jī)或"睡眠"模式可覆蓋處理器220和額外的構(gòu)件，諸如驅(qū)動(dòng)電路204和石英晶體 振蕩器202。
[0148] 可實(shí)現(xiàn)各種方案；例如，處理器220在每11秒中可待機(jī)10秒。另外，處理器220 可控制石英晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204,使得這些構(gòu)件在大多數(shù)時(shí)間都是待機(jī)的，僅每 30秒才打開(kāi)較需要功率的構(gòu)件達(dá)1/2秒。備選地或另外，可按需要關(guān)閉通信構(gòu)件（諸如天 線230)，或用其啟動(dòng)傳感器組件200。
[0149] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D7至14來(lái)描述傳感器組件200的理論和運(yùn)行。
[0150] 石英晶體振蕩器210具有取決于其所處流體的密度的共振頻率。使振蕩的音叉型 平面晶體振蕩器暴露于氣體會(huì)使得晶體的共振頻率改變和衰減（當(dāng)與晶體在真空中的共 振頻率相比時(shí)）。這有許多原因。雖然氣體對(duì)晶體的振蕩有衰減作用，但在音叉晶體振蕩 器210的振動(dòng)的叉210a附近的氣體會(huì)提高振蕩器的有效質(zhì)量。這使得石英晶體振蕩器的 共振頻率根據(jù)單邊固定彈性梁的運(yùn)動(dòng)而降低： 1)
【權(quán)利要求】
1. 一種用于測(cè)量氣體缸體內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組件，所述氣體缸體包 括氣體缸體本體和限定所述氣體缸體的固定內(nèi)部容積的閥組件，所述傳感器組件包括：殼 體；用于浸入所述氣體缸體內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器；以及驅(qū)動(dòng)電路，其可運(yùn)行來(lái)驅(qū)動(dòng)所 述壓電振蕩器，使得所述壓電振蕩器以共振頻率共振，所述傳感器組件布置成根據(jù)所述壓 電振蕩器在浸入所述氣體中時(shí)的共振頻率來(lái)確定所述氣體缸體內(nèi)的氣體的密度，其中，在 使用中，所述殼體位于所述氣體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)，并且包括第一腔室和第二腔室，所 述第一腔室與所述第二腔室處于流體連通，并且所述第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器， 而所述第二腔室則與所述氣體缸體的內(nèi)部處于流體連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件進(jìn)一步包括處理 器，所述處理器布置成根據(jù)密度測(cè)量值和所述氣體缸體的內(nèi)部容積來(lái)確定所述氣體缸體內(nèi) 的氣體的質(zhì)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步布置成：以離 散的時(shí)間間隔對(duì)所述氣體缸體內(nèi)的氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測(cè)量，以獲得多個(gè)測(cè)量值；以及根 據(jù)所述多個(gè)測(cè)量值，來(lái)確定在所述離散的時(shí)間間隔期間通往/來(lái)自所述氣體缸體的氣體的 質(zhì)量流量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器布置成將所述離散的 時(shí)間間隔限定為大約幾秒鐘。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器布置成對(duì)所述測(cè) 量值應(yīng)用數(shù)值濾波。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一腔室具有 壁，所述壁包括第一孔口，使得在所述第一腔室和所述第二腔室之間能夠有流體連通，并且 所述第二腔室具有壁，所述壁包括第二孔口，使得在所述第二腔室和所述氣體缸體的內(nèi)部 容積之間能夠有流體連通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一孔口和/或所述第二孔 口具有0. 35mm或更小的尺寸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一孔口和/或所述第二孔 口具有0. 22mm或更小的尺寸。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體基本為圓 柱形。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體具有 230mm或更小的長(zhǎng)度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體具有80_或更小的長(zhǎng) 度。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件，其特征在于，所述壓電振蕩器 包括石英晶體振蕩器。
13. -種用于容納受壓氣體的氣體缸體，所述氣體缸體： 氣體缸體本體，其限定固定內(nèi)部容積； 閥組件，其連接到所述氣體缸體本體上，并且布置成使得能夠選擇性地對(duì)所述氣體缸 體填充氣體，或者從所述氣體缸體中分配氣體；以及 權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的氣體缸體，其特征在于，所述傳感器組件完全位于所述氣 體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01N9/00GK104303039SQ201380026598
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月24日
【發(fā)明者】N.A.道尼, C.M.盧迪克 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司
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