用於測量氣體的壓力的方法和設備的製作方法

2024-01-27 18:08:15

用於測量氣體的壓力的方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種用於測量氣體的壓力的壓力計。壓力計包括可連接到氣體源上且包括內部的殼體，在使用中，內部與所述氣體連通。壓力計進一步包括位於所述殼體內且包括壓電振蕩器的傳感器組件，在使用中，壓電振蕩器定位成與所述氣體接觸，所述傳感器組件布置成測量所述氣體中的所述壓電振蕩器的振蕩頻率，並且配置成根據頻率測量結果和氣體的已知溫度和已知分子量來確定氣體的壓力。通過提供這種組件，可提供耐過壓且精確的壓力計。這與傳統壓力計相反，傳統壓力計由於過壓情形會永久地受損。
【專利說明】用於測量氣體的壓力的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於測量氣體的壓力的方法和設備。更特別地，本發明涉及用於使用壓電振蕩器來測量氣體的壓力的方法和設備。
【背景技術】
[0002]本文描述的方法和設備特別適用於其中可能存在處於較高壓力(例如大約10巴或更高)的流體的系統，諸如例如，來自高壓罐的氣體供應或使用高壓氣體的加工裝置。本發明尤其涉及「清潔」氣體，即，具有較少雜質或汙染物(諸如水蒸氣或灰塵)，或者沒有雜質或汙染物的氣體。
[0003]壓縮氣體罐是設計成容納處於高壓(即，處於顯著大於大氣壓力的壓力)的氣體的壓力容器。壓縮氣體罐在廣大範圍的市場中使用，從低成本的一般工業市場，到醫療市場，到較高成本的應用，諸如使用高純度的有腐蝕性、毒性或自燃特質的氣體的電子製造。通常，加壓氣體容器包含鋼、鋁或複合物，並且能夠存儲壓縮、液化或溶解氣體，最大填充壓力對大多數氣體來說高達450巴(表壓)(bar g)，以及對於諸如氫和氦的氣體來說高達900巴(表壓)。
[0004]本發明特別適用於永久氣體。永久氣體是不會單獨通過壓力所液化的氣體，而且例如，永久氣體可在高達450巴(表壓)的壓力下在氣體罐中供應。示例為氬和氮。但是，這不應理解為限制性的，用語氣體而是可認為是包括較廣範圍的氣體，例如，永久氣體和液化氣體的蒸氣兩者。
[0005]液化氣體的蒸氣存在於壓縮氣體罐中的液體之上。在為了填充到罐中而壓縮時受壓而液化的氣體不是永久氣體，而是被更精確地描述成受壓液化氣體，或者液化氣的蒸氣。作為示例，在罐中以液體的形式供應一氧化二氮，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實氣體，因為它們能夠被環境條件附近的壓力或溫度液化。
[0006]為了有效且可控地從氣體罐或其它壓力容器中分配氣體，需要調節器。調節器能夠調節氣體的流量，使得氣體在恆定的壓力下，或者在用戶可變的壓力下分配。
[0007]測量這樣的系統中的壓力在本領域中是眾所周知的，而且存在多種用來測量壓力的裝置。最傳統的類型使用配備有應變計元件的彈性膜片。另一個常用的壓力計是波爾登(Bourdon)壓力計。這種壓力計包括平薄壁閉端管，管在空心端處連接到包含待測量的流體壓力的固定的管道上。壓力升高會使管道的閉合端形成弧。
[0008]雖然這些類型的壓力計成本較低，但它們往往在大小上較大，而且具有製作起來較複雜和昂貴的機械結構。另外，這樣的變應計包括易於由於環境因素(例如暴露於高壓的)而受損的精細構件。
[0009]例如，如果暴露於顯著地較大的壓力，諸如例如200巴，則設計成在0-5巴之間的壓力下可靠地運行的傳統壓力計將受到無法彌補的損害。如果發生這種情況，壓力計將需要更換。另外，壓力計可危險地失效，並且可洩漏。這是特別嚴重的問題，如果存在易燃或可燃氣體的話。
[0010]其中這種壓力計可變得意外地暴露於非常高的壓力的情形被稱為「蠕變」。考慮其中壓力計設置在高壓氣體罐的高壓調節器的輸出上且輸出關閉的布置。在這種情況下，氣體罐可處於例如300巴的內部壓力。當一段時間過去時,調節器的閥座上即使有少量氣體洩漏也可導致調節器和封閉出口之間有壓力，該壓力接近，甚至可能等於氣體罐的內部壓力。這樣的壓力可損害傳統壓力計，使其無法修復。
[0011]作為另一個示例，考慮300巴的固定壓力調節器，其具有通過高壓隔離閥而連接到高壓氣體罐上的入口。調節器的出口連接到低壓壓力計上。這樣的固定壓力組件構造成提供恆定的出口壓力，例如5巴。但是，當高壓隔離閥先打開時，在調節器的膜片能夠適於調節壓力之前，壓力將短暫地脈衝到較高的值。這個短暫高壓脈衝可損害壓力計。
[0012]用來測量氣體的物理屬性的備選類型的裝置是壓電裝置，諸如石英晶體。石英晶體會展現壓電行為，即，對石英晶體施加電壓會使固體略微有擠壓或拉伸，反之亦然。
[0013]((Sensors and Actuators (傳感器和促動器)》80 (2000) 233-236 中 Zeisel 等人的「A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6)-Gas Density Control (基於(SF6)-氣體密度控制的音叉技術的精確且可靠的石英傳感器)」公開了一種組件，其中，使用石英晶體傳感器來在高電壓電力裝備和中等電壓電力裝備中測量SF6氣體的密度。測量SF6氣體的密度對於設備的安全性是至關重要的。因此，該公開不涉及壓力測量。
[0014]US 4，644，796公開一種用於使用石英晶體振蕩器來測量流體的壓力的方法和設備，石英晶體振蕩器容納在包括波紋管組件的容積可變的殼體內。由於外部流體壓力使波紋管壓縮/膨脹，殼體的內部容積改變。因此，殼體內的流體的密度隨著殼體的內部容積改變而改變。可使用石英晶體振蕩器來測量殼體內的密度。但是，石英晶體振蕩器不與經受測量的流體接觸，而是藉助於殼體的內部容積的變化來間接地測量氣體的壓力。

【發明內容】

[0015]根據本發明的第一方面，提供一種測量氣體的壓力的方法，該方法包括:a)測量與氣體接觸的壓電振蕩器的振蕩頻率山)根據壓電振蕩器的振蕩頻率、氣體的已知溫度氣體和已知分子量來確定氣體的壓力。
[0016]通過提供這種方法，可提供耐過壓且精確的壓力計。壓電振蕩器是能夠抵抗高壓、壓力突變或其它環境因素的固態裝置。這使得能夠壓電振蕩器能夠完全浸沒在氣體中，並且不受「蠕變」或其它過壓情形的影響。這與傳統壓力計(諸如波爾登壓力計)相反，傳統壓力計需要壓差來工作，並且會由於過壓情形而永久地受損。
[0017]在一個實施例中，步驟b)包括:藉助於驅動電路來驅動壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻率共振；以及在預定時段裡測量所述共振頻率，以確定氣體的壓力。
[0018]在一個實施例中，方法進一步包括:使用溫度傳感器來測量氣體的溫度。
[0019]在一個實施例中，提供兩個壓電振蕩器，壓電振蕩器中的一個具有比另一個壓電振蕩器的靈敏度係數更大的靈敏度係數，而且方法進一步包括，在步驟a)之前，選擇壓電振蕩器中的一個。
[0020]在一個實施例中，所述壓電振蕩器設置在減壓裝置的下遊。[0021 ] 在一個實施例中，所述壓電振蕩器或各個壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0022]在實施例中，石英晶體包括至少一個叉。在變型中，石英晶體包括成對的平叉。
[0023]在實施例中，石英晶體是AT切型或SC切型。
[0024]在變型中，石英晶體的表面直接暴露於氣體。
[0025]在一個實施例中，提供包括驅動電路的傳感器組件。在變型中，傳感器組件包括驅動電路，驅動電路包括布置成與共射放大器呈反饋構造的複合電晶體對(Darlingtonpair)ο
[0026]在一個實施例中，傳感器組件包括功率源。在一個組件中，功率源包括鋰離子電池。
[0027]在一個實施例中，傳感器組件包括處理器。
[0028]根據本發明的第二方面，提供一種用於測量氣體的壓力的壓力計，壓力計包括可連接到氣體源上且包括內部的殼體，在使用中，內部與所述氣體連通，壓力計進一步包括位於所述殼體內且包括壓電振蕩器的傳感器組件，在使用中，壓電振蕩器定位成與所述氣體接觸，所述傳感器組件布置成測量所述氣體中的所述壓電振蕩器的振蕩頻率，並且配置成根據頻率測量結果和氣體的已知溫度和已知分子量來確定氣體的壓力。
[0029]通過提供這種壓力計，可提供耐過壓且精確的壓力計。壓電振蕩器是能夠抵抗高壓、壓力突變或其它環境因素的固態裝置。這使得能夠壓電振蕩器能夠完全浸沒在氣體中，並且不受「蠕變」或其它過壓情形的影響。這與傳統壓力計(諸如波爾登壓力計)相反，傳統壓力計需要壓差來工作，並且會由於過壓情形而永久地受損。
[0030]在一個組件中，傳感器組件進一步包括用於測量所述殼體內的氣體的溫度的溫度傳感器。
[0031]在一個組件中，傳感器組件包括用於以所述共振頻率驅動所述壓電振蕩器的驅動電路。
[0032]在一個實施例中，傳感器組件包括下者中的一個或多個:驅動電路、處理器和功率源。
[0033]在一個實施例中，驅動電路包括布置成與共射放大器呈反饋構造的複合電晶體對。
[0034]在一個實施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0035]在實施例中，石英晶體包括至少一個叉。在變型中，石英晶體包括成對的平叉。
[0036]在實施例中，石英晶體是AT切型或SC切型。
[0037]在變型中，石英晶體的表面直接暴露於氣體。
[0038]在一個實施例中，傳感器組件包括驅動電路。在變型中，傳感器組件包括驅動電路，驅動電路包括布置成與共射放大器呈反饋構造的複合電晶體對。
[0039]在一個實施例中，傳感器組件包括功率源。在一個組件中，功率源包括鋰離子電池。
[0040]在一個實施例中，傳感器組件包括處理器。
[0041 ] 根據本發明的第三方面，提供一種包括根據第二方面的壓力計的減壓裝置。
[0042]在一個實施例中，減壓裝置呈壓力調節器的形式。
[0043]在一個實施例中，減壓裝置呈閥或具有集成式壓力調節器的閥的形式。[0044]在一個實施例中，壓力調節器具有在O巴至5巴之間的壓力範圍。
[0045]在一個實施例中，壓力調節器是電子壓力調節器，而且壓力計可運行來控制電子壓力調節器。
[0046]在一個實施例中，電子壓力調節器包括電磁閥，傳感器組件可運行來在使用中控制電磁閥。
[0047]在一個實施例中，壓力調節器具有在O巴至5巴之間的壓力範圍。
[0048]根據本發明的第四方面，提供一種能夠由可編程處理設備執行的電腦程式產品，其包括用於執行根據第一方面的步驟的一個或多個軟體部分。
[0049]根據本發明的第五方面，提供一種計算機可用存儲介質，其上存儲有根據第四方面的電腦程式產品。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]現在將參照附圖來詳細描述本發明的實施例，其中:
圖1是氣體罐和調節器組件的示意圖；
圖2是顯示根據本發明的第一實施例的氣體罐的上部部分、調節器和壓力計組件的示意圖；
圖3是顯示根據本發明的第二實施例的氣體罐的上部部分、調節器和壓力計組件的示意圖；
圖4是用於本發明的實施例的驅動電路的示意圖；
圖5是顯示用於本發明的實施例的備選驅動電路的示意圖；
圖6顯示關於多種不同氣體的、在Y軸上的石英晶體頻率(kHz)隨密度(kg/m3)而改變的圖表
圖7顯示關於用於低壓的浸沒在ferromax 15 (包括82.5%的Ar、15%的CO2和2.5%的O2)中的石英晶體振蕩器的、在Y軸上的頻率變化(單位為kHz)隨X軸上的壓力(巴(表壓))而改變的圖表；
圖8顯示關於用於高壓的浸沒在ferromax 15 (包括82.5%的Ar、15%的CO2和2.5%的O2)中的石英晶體振蕩器的、在Y軸上的頻率變化(單位為kHz)隨X軸上的壓力(巴(表壓))而改變的圖表；
圖9是示出根據描述的實施例的方法的流程圖；
圖10顯示不同晶體類型的頻率行為的圖表；
圖11是顯示包括兩個石英晶體的備選傳感器組件的示意圖；以及 圖12是顯示包括兩個石英晶體的另一個備選傳感器組件的示意圖；以及 圖13顯示使用遠程電子數據單元的備選組件。
【具體實施方式】
[0051]圖1顯示氣體罐組件10、調節器和壓力計的示意圖。氣體罐組件10包括氣體罐100，氣體罐具有氣體罐本體102和閥104。氣體罐本體102包括大體圓柱形的壓力容器，其具有平的基部102a，基部布置成使得能夠氣體罐10能夠獨立地豎立在平坦表面上。
[0052]氣體罐本體102由鋼、鋁和/或複合材料形成，並且適於和布置成經受住高達大約900巴(表壓)的內部壓力。孔口 106位於氣體罐本體102的與基部102a相對的近端處，並且包括適於接收閥104的螺紋(未顯示)。
[0053]氣體罐100限定具有內部容積V的壓力容器。任何適當的流體都可容納在氣體罐100內。但是，本實施例涉及(但不獨有地限於)沒有雜質(諸如灰塵和/或水分)的純化永久氣體。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、氪或氖。
[0054]閥104包括殼體108、出口 110、閥本體112和閥座114。殼體108包括用於與氣體罐本體102的孔口 106接合的互補螺紋。出口 110適於且布置成使得氣體罐100能夠連接到氣體組件中的其它構件上；例如，軟管、管道，或另外的壓力閥或調節器。可選地，閥104可包括VIPR(具有集成壓力調節器的閥)。在此情形中，可以可選地省略調節器150 (稍後描述)。
[0055]閥本體112可藉助於可握持把手116的旋轉而沿軸向調節向或調節遠離閥座114，以選擇性地打開或關閉出口 110。換句話說，閥本體112朝向或遠離閥座112的移動選擇性控制氣體罐本體102的內部和出口 110之間的連通通路的面積。這又控制從氣體罐組件100的內部到外部環境的氣體流。
[0056]調節器150位於出口 110的下遊。調節器150具有入口 152和出口 154。調節器150的入口 152連接到入口管156上，入口管在氣體罐100的出口 110和調節器150之間提供連通路徑。調節器150的入口 152布置成接收來自氣體罐100的出口 110的高壓氣體。這可為任何適當的壓力；但是，大體上，離開出口 110的氣體的壓力將超過20巴，而且很可能在100巴-900巴的範圍內。
[0057]出口 154連接到出口管158上。聯接件160位於出口管158的遠端處，並且適於連接到需要氣體的另一個管或裝置(未顯示)上。
[0058]壓力計組件200定位成在出口 154和聯接件160之間與出口管158連通。壓力計組件200位於調節器150的下遊不遠處，並且布置成確定調節器150下遊的氣體的壓力。
[0059]在圖2中更詳細地顯示調節器150和壓力計組件200。
[0060]在這個實施例中，調節器150包括單個膜片調節器。但是，本領域技術人員將容易地認識到可用於本發明的變型；例如，兩個膜片調節器或其它組件。
[0061]調節器150包括與入口 152和出口 154連通的閥區域162。閥區域162包括位於閥座166附近的提升閥164。提升閥164連接到膜片168上，膜片構造成使得提升閥164能夠平移向和平移遠離閥座166，以分別關閉和打開它們之間的孔口 170。
[0062]膜片168被位於軸174周圍的彈簧172彈性地偏置。提供可握持把手176，以使得用戶能夠調節彈簧172的偏置力，從而移動膜片168的位置，並且因此，調節提升閥164和閥座166之間的平衡間隙。這使得能夠調節來自出口 110的高壓氣體流可傳送通過其中的孔口 170的尺寸。
[0063]調節器150可運行來接收來自出口 110的處於滿罐壓力(例如100巴)的氣體，但以基本恆定的固定低壓(例如5巴)將氣體輸送到出口 154。這由反饋機構實現，其中，在孔口 170下遊的氣體的壓力可運行來以與彈簧172的偏置力相反的方式對膜片168起作用。
[0064]因此，如果膜片168附近的區域中的氣體的壓力超過規定水平，則膜片168可運行來向上移動(相對於圖2)。因此，提升閥164移動得更接近閥座166，從而減小孔口 170的大小，並且因此，限制從入口 152到出口 154的氣體流。
[0065]壓力計組件200包括殼體202和傳感器組件204。殼體202可包含任何適當的材料；例如鋼、鋁或複合材料。殼體具有內部206，內部206通過短的饋送管208而與出口管158的內部連通。因此，殼體202的內部206與出口管158的內部處於相同的壓力。在使用中，殼體202大體與外部大氣密封和隔尚開。
[0066]備選地，可提供殼體202作為出口管158的一部分。例如，出口管158的一部分可加寬，以容納傳感器組件204。備選地，僅傳感器組件204的一部分可位於管158內，其餘部分位於其外部或與其隔開。
[0067]另外，殼體202可形成調節器150的組成部分。例如，傳感器組件204可完全位於調節器150的出口 154內。本領域技術人員將容易地認識到落在本發明的範圍內的變型和
備選方案。
[0068]傳感器組件204包括連接到驅動電路212上的石英晶體振蕩器210、溫度傳感器214和電池216。這些構件位於殼體202內。
[0069]將在後面參照圖4和5來詳細描述驅動電路212和石英晶體振蕩器210。溫度傳感器214包括熱敏電阻器。可使用任何適當的熱敏電阻器。不需要熱敏電阻器的高精度。例如，對於這個實施例，0.5°C的精度是合適的。因此，可使用廉價且小型的構件。但是，在某些情況下，可省略溫度傳感器214。例如，在其中溫度很可能眾所周知(例如處於室溫)的情形中，或者如果溫度測量的精度對於應用不是至關重要的話(例如可假設溫度位於特定範圍內)。
[0070]在這個實施例中，石英晶體振蕩器210定位成與來自高壓氣體源的氣體連通。換句話說，石英晶體振蕩器210與來自氣體源的氣體接觸，並且暴露於該氣體。可單獨地提供處理器230 (在圖3中顯示)，或者提供處理器作為驅動電路212的一部分。這將在後面描述。
[0071]在這個組件中，石英晶體振蕩器210恆定地處於壓力計組件200的殼體202內的等靜壓力下，並且因此，不會經受壓力梯度。換句話說，源自外部大氣和壓力計組件200的內部構件之間的壓差的任何機械應力都跨過殼體202。
[0072]在圖2的實施例中，整個傳感器組件204都位於殼體202內。因此，石英晶體振蕩器210、驅動電路212 (和處理器230，如果提供了的話)和電池216全部都位於壓力計組件200的殼體202的內部210內。換句話說，傳感器組件204的所有構件都完全浸沒在氣體中，並且處於殼體202內的等靜氣體壓力下。
[0073]但是，不是必須這樣。例如，可僅石英晶體振蕩器210和溫度傳感器214位於殼體202內，傳感器組件204的其餘部分位於其外部。
[0074]發明人已經發現，傳感器組件204的僅少數構件對高壓敏感。特別地，諸如電池的較大的構件可容易受高壓的影響。但是，已經發現，鋰離子電池在氣體罐100內遇到的高壓下工作特別良好。因此，電池216包括鋰離子電池。但是，本領域技術人員將容易地構想到備選的適當功率源。
[0075]當配置調節器150時，傳感器組件204完全定位在殼體202內會提供額外的靈活性。特別地，較脆弱的電子構件完全定位在殼體202的結實的金屬壁或複合壁內會提供相當大的保護，以防環境或意外損害。例如，在其中包括調節器150的氣體罐100位於其它氣體罐100、重型機器或粗糙表面附近的存儲區域或倉庫中，這是特別重要的。
[0076]另外，傳感器組件204的內部定位保護電子構件不受諸如鹽、水和其它汙染物的環境條件的影響。例如，這將允許使用對鹽和水損害高度敏感的高阻抗電路作為傳感器組件204的一部分。
[0077]傳感器組件204的內部定位的好處對於諸如石英晶體振蕩器210的固態傳感器裝置是特有的。例如，無法照這樣定位諸如波爾登壓力計的傳統壓力傳感器。雖然基於晶體的傳感器可完全浸沒在處於恆定的壓力的氣體中運行，但傳統的壓力傳感器無法測量等靜壓力，並且需要壓力梯度來工作。因此，傳統壓力計必須位於待測量的高壓和大氣之間。這就增加了壓力計的外部構件受損的風險。
[0078]在圖3中顯示本發明的第二實施例。圖3中顯示的第二實施例的與圖2的第一實施例相同的特徵分配有相同參考標號，並且在這裡不會再次描述。
[0079]在圖3的實施例中，調節器250不同於圖2的實施例的調節器150，因為調節器250布置成藉助於電磁閥252，對來自出口 154的氣體提供自動控制。電磁閥252包括電樞254，電樞能夠響應於通過電磁閥252的線圈(未顯不)的電流而移動。電樞254能夠移動，以打開或關閉提升閥164，並且因此，打開或關閉孔口 170。
[0080]圖3中顯示的電磁閥252處於常開狀態。換句話說，在沒有電流通過電磁閥252時，電樞254處於伸出位置,使得提升閥164打開，即，孔口 170打開。如果電流施加於電磁閥252，電樞254將縮回，而且提升閥164將關閉。
[0081]本領域技術人員將容易地認識到可用於本發明的電磁閥的備選變型。例如，不是直接對提升閥164起作用，電樞254而是可直接對膜片起作用，諸如圖2中顯示的膜片168。備選地，電樞254可控制通過與出口 154連通的狹窄導管的流，以便調節膜片168的移動。這種組件被稱為膜片引導閥。備選地，可消除提升閥，並且膜片可為直接控制從入口 152到出口 154的氣體流的閥部件。
[0082]第二實施例包括壓力計組件260。為了清楚，與壓力計組件200相同的壓力計組件260的構件分配有相同的參考標號。
[0083]壓力計組件260基本類似於第一實施例的壓力計組件200。但是，壓力計組件260進一步包括電子式螺線管驅動器262，其連接到電磁閥252和傳感器組件204上。螺線管驅動器262布置成接收來自傳感器組件204的信號，以及響應於那個信號來控制電磁閥252。因此，壓力計組件260可運行來控制通過調節器250的氣體流。換句話說，壓力計組件260和電磁閥252形成反饋迴路，反饋迴路允許精確且遠程地調節出口 154下遊的壓力。這特別適用於其中需要對壓力流進行遠程管理的情形，例如，在諸如焊接機的自動應用中。
[0084]螺線管驅動器262可包括用於控制電磁閥252的任何適當的驅動電路。一個適當的電路可為運算放大器組件，其具有從傳感器組件204到運算放大器的負端的輸入。因此，可變電阻器可附連到負端上。可變電阻器可布置成提供恆定的基準電平，並且用作比較器。基準電平可自動或手動地改變。
[0085]從傳感器組件204到螺線管驅動器262的輸入將使電磁閥252操作。例如，如果來自傳感器組件204(或者，備選地，處理器230)的輸入信號超過特定的閾值水平，則螺線管驅動器262可激勵電磁閥252。可用數字(即，開或關)方式控制電磁閥252，其中，DC電壓在最大值和最小值之間改變。備選地，來自螺線管驅動器262的DC電壓可持續地改變，以精確地調節提升閥164的位置。
[0086]另外或備選地，螺線管驅動器262可藉助於DC輸出(包括AC成分)來控制電磁閥252。由於電樞254從電磁閥252的伸出大致與施加的電流成比例，所以這使電磁閥252的電樞254振蕩。這樣的振蕩會減輕電樞254的靜摩擦，即，協助防止電樞254卡住或阻塞。
[0087]備選地，可在合適的時候使用諸如FET、處理器或ASIC的其它控制組件來控制電磁閥252的操作。另外，電磁閥252可在數字(8卩，開/關)或模擬(即，持續地改變)模式中運行，以使得提升閥164能夠精確地移動等。
[0088]在圖3中，顯示壓力計組件260的主要構件與調節器250分開。在這種情形中，可藉助於傳感器組件204和螺線管驅動器252之間的無線通信來遠程地控制調節器250。但是，這不是必要的。例如，壓力計組件260可完全結合到調節器250中，以及形成其組成部分。因此，壓力計組件260和調節器250可形成整體的自調節構件，其可定位在氣體源的出口處，並且可遠程地和自動地控制從中流出的氣體的壓力。
[0089]現在將參照圖4和5來更詳細描述傳感器組件204。石英晶體振蕩器210包括切割石英的小、薄部分。石英會展現壓電行為，即，在晶體上施加電壓會使晶體改變形狀，從而產生機械力。相反，在晶體上施加機械力會產生電荷。
[0090]使石英晶體振蕩器210的兩個平行表面金屬化，以便在晶體上提供電連接。當藉助於金屬觸頭在晶體上施加電壓時，晶體會改變形狀。通過對晶體施加交流電壓，可使晶體振蕩。
[0091]石英晶體的物理大小和厚度決定石英晶體的特性或共振頻率。實際上，晶體210的特性或共振頻率與兩個金屬化表面之間的物理厚度成反比。石英晶體振蕩器在本領域中是眾所周知的，所以在這裡不進一步描述石英晶體振蕩器210的結構。
[0092]石英晶體的諧振頻率將取決於晶體位於其中的環境而改變。在真空中，晶體將具有特定的頻率。但是，這個頻率將在不同的環境中改變。例如，在流體中，晶體的振動將被周圍分子阻尼，而且這將影響共振頻率和使晶體以給定振幅振蕩所需的能量。
[0093]另外，周圍物質澱積到晶體上將影響振動晶體的質量，從而改變共振頻率。這會對常用的選擇性氣體分析器形成基礎，在選擇性氣體分析器中，吸收層形成於晶體上，並且在質量上隨著氣體被吸收而提高。
[0094]但是，在現在的情況下，在石英晶體振蕩器210上沒有施加塗層。實際上，在現在的情況下，材料吸收或澱積到石英晶體振蕩器210上是不合需要的，因為測量的精度可受到影響。
[0095]本實施例的石英晶體振蕩器210為音叉形，並且包括大約5mm長的成對的叉210a (圖4)，叉210a布置成以32.768 kHz的共振頻率振蕩。叉210a形成於石英的平坦部分中。音叉的叉210a通常在它們的基本模式中振蕩，其中，它們以共振頻率同步地移動向彼此和移動遠離彼此。
[0096]熔凝(或非晶體)石英具有非常低的依賴於溫度的膨脹係數和低的彈性係數。這會降低基本頻率對溫度的依賴性，如將顯示的那樣，溫度作用是最小的。
[0097]另外，使用AT切型或SC切型的石英是合乎需要的。換句話說，以特定的選定的角度切割石英的平坦部分，使得振蕩頻率的溫度係數可布置成在室溫附近為具有寬峰的拋物線。因此，晶體振蕩器可布置成使得在峰的頂部處的斜率正好為零。
[0098]通常可用較低的費用獲得這樣的晶體。與大部分在真空中使用的石英晶體振蕩器相比,在本實施例中，石英晶體振蕩器210暴露於殼體202中的加壓氣體。
[0099]在圖4中顯示用於驅動石英晶體振蕩器210的驅動電路212。驅動電路212必須滿足多個特定標準。首先，本發明的石英晶體振蕩器210可暴露於一定範圍的氣體壓力；潛在地，壓力可從大氣壓力(當氣體罐100為空的時)變化到大約900巴(表壓)，如果氣體罐含有諸如氫的加壓氣體的話。因而，石英晶體202需要在寬範圍的壓力下運行(以及在非使用時期之後重新啟動)。
[0100]因此，石英晶體振蕩器210的品質(Q)因數將在使用期間有相當大的變化。Q因數是與振蕩器或共振器的阻尼速率有關的無量綱參數。同等地，它可表徵共振器的與其中心頻率有關的帶寬。
[0101]大體上，振蕩器的Q因數越高，與振蕩器的存儲能量有關的能量損耗速率就越低。換句話說，在沒有外部力的情況下，高Q因數振蕩器的振蕩在幅度上減小得較慢。具有較高的Q因數的正弦驅動式共振器在共振頻率下以較大的幅度共振，但圍繞它們共振的頻率具有較小的頻率帶寬。
[0102]驅動電路212必須能夠驅動石英晶體振蕩器210，而不管Q因數的變化如何。隨著氣體罐100中的壓力增大，石英晶體振蕩器210的振蕩將變得越來越被阻尼，而且Q因數將降低。降低的Q因數需要驅動電路212中的放大器提供較高的增益。但是，如果驅動電路212提供的放大太高，則來自石英晶體振蕩器210的響應可變得難以區分。在這種情況下，驅動電路212可僅以不相關的頻率振蕩，或者以石英晶體振蕩器210的非基本I旲式的頻率振蕩。
[0103]作為另一個限制，驅動電路212必須為低功率，以便在有或沒有補充功率(諸如光伏電池)的情況下，以低功率的小型電池長久地運行。
[0104]現在將參照圖4來描述驅動電路212。為了驅動石英晶體振蕩器210，驅動電路212基本獲得來自石英晶體振蕩器210的電壓信號，將其放大，並且將那個信號饋送回石英晶體振蕩器210。石英晶體振蕩器210的基本共振頻率基本上是石英的膨脹和收縮速率的函數。這大體由晶體的切型和大小確定。
[0105]但是，外部因數也會影響共振頻率。當產生的輸出頻率的能量匹配電路中的損耗時，可維持振蕩。驅動電路212布置成檢測和保持這個振蕩頻率。頻率然後可由處理器230測量，用來計算用戶所需的氣體的合適屬性，而且如果需要的話，輸出到適當的顯示器件(如將在後面描述的那樣)。
[0106]驅動電路212由6V的電池216驅動。在這個實施例中，電池216包括鋰離子電池。但是，備選功率源對本領域技術人員將是容易顯而易見的；例如，其它電池類型(可充電和不可充電的)，以及太陽能電池組件。
[0107]驅動電路212進一步包括複合電晶體對共射放大器218。複合電晶體對包括由兩個雙極NPN電晶體D1和D2組成的複合結構，雙極NPN電晶體配置成使得被電晶體中的第一個放大的電流進一步被第二個電晶體放大。當與被分開的各個電晶體相比時，此配置使得能夠獲得更高的電流增益。備選地，可使用PNP雙極電晶體。
[0108]複合電晶體對218布置成與單電晶體(T1)共射放大器220呈反饋構造。圖5中顯示了 NPN雙極結電晶體。但是，本領域技術人員將認識到可使用的備選電晶體組件；例如，雙極結PNP電晶體或金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
[0109]作為變型，可在複合電晶體對218和共射放大器220之間的反饋迴路中實現自動增益控制(未顯示)。這可採取電位計、可變電阻器或定位成代替例如圖4中顯示的最右邊的22k電阻器的其它適當的構件的形式。
[0110]自動增益控制使得能夠補償Q因子隨壓力的變化和供應電壓的變化(例如，在電量低的電池條件下)。自動增益控制可特別適用於低壓應用。
[0111]驅動電路212包括另外的NPN射隨電晶體T2，其用作緩衝放大器222。緩衝放大器222布置成用作電路和外部環境之間的緩衝器。但是，這個特徵是可選的，而且可能不需要；例如，FET可直接連接到驅動電路212上。
[0112]電容器224定位成與石英晶體振蕩器210串聯。在這個示例中，電容器224具有100 pF的值，並且使得驅動電路212能夠在晶體已經被例如鹽或其它澱積材料汙染的情況下驅動石英晶體振蕩器210。
[0113]另外，可優化驅動電路212，以快速地啟動石英晶體振蕩器210。為了實現這一點，另一個電阻器和另一個電容器可連接在電晶體D1的基極和地面之間。這些構件可包括例如10 M Ω的電阻器和10 nF的電容器。
[0114]現在將參照圖5來描述備選驅動電路240。圖6中顯示的驅動電路配置成類似於皮爾斯振蕩器。從數字IC時鐘振蕩器得知皮爾斯振蕩器。基本上，驅動電路240包括單個數字逆變器(呈電晶體的形式)T、三個電阻器Rp R2和Rs、兩個電容器Cp C2和石英晶體振蕩器210。
[0115]在這個組件中，石英晶體振蕩器210用作高選擇性濾波器元件。電阻器R1用作電晶體T的負載電阻器。電阻器R2用作反饋電阻器，從而使逆變器T在其線性運行區域中有偏壓。這有效地使得逆變器T能夠用作高增益逆變放大器。另一個電阻器Rs在逆變器T的輸出和石英晶體振蕩器210之間用來限制增益，以及阻尼電路中的不合需要的振蕩。
[0116]石英晶體共振器210與CdP C2共同形成Pi網絡帶通濾波器。這使得大約在石英晶體振蕩器的共振頻率下能夠有180度相移以及從輸出到輸入的電壓增益。上面描述的驅動電路240可靠，且製造起來廉價，因為它包括較少構件。
[0117]驅動電路240的增益大體低於驅動電路212的增益。當石英晶體振蕩器210暴露於高壓時，較低的增益可使得重新啟動石英晶體振蕩器210更困難。但是，在本申請中，由於其中很可能使用壓力計組件200、260的大體低壓的環境的原因，電路240是特別有吸引力的。
[0118]如上面論述的那樣，傳感器組件204可包括接收來自石英晶體振蕩器210和驅動電路212的輸入的處理器230。處理器230可包括任何適當的組件。處理器230可包括微處理器或中央處理單元(CPU)，或者可包括特定用途集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)。備選地，處理器230可只是一系列邏輯門，或配置成執行上面描述的實施例中需要的必要計算的其它簡單的處理器。
[0119]當與石英晶體振蕩器210—起使用時，處理器230可配置成測量來自驅動電路212的信號的頻率f或周期。這可通過以下方式實現:例如在固定的時間裡對振蕩計數，並且使用算法或查找表將那個頻率轉換成密度值。這個值傳送到處理器230。[0120]可選地，處理器230可設計成在所有壓力計組件200中大規模生產成相同的，軟體和硬體的不同特徵使得能夠用於不同的氣體。
[0121]另外，處理器230還可配置成通過實施待機或「睡眠」模式來最大程度地降低功率消耗，待機或「睡眠」模式可覆蓋處理器230和額外的構件，諸如驅動電路212和石英晶體振蕩器210。
[0122]可實施各種方案；例如，處理器230可每11秒待機10秒。另外，處理器230可控制石英晶體振蕩器210和驅動電路212，使得這些構件在大多數時間裡是待機的，僅每30秒打開較缺乏功率的構件'h秒。
[0123]另外，壓力計組件200可連接到天線(未顯示)上，以與例如基站進行遠程通信。這將在後面進行論述。在這種情況下，天線可藉助於接線或等效連接器而位於殼體202的內部或外部。天線本身可適於且布置成使用任何適當的通信協議；例如，非窮盡性列表可為RFID、藍牙、紅外(IR)，802.11無線，頻率調製(FM)發射或蜂窩網絡。
[0124]備選地，可進行單線通信。單線通信僅需要單個金屬導體來進行通信:藉助於通過通信裝置之間的空氣的電容性耦合來提供電路的「回行」路徑。本領域技術人員將容易地認識到可用於本文論述 的實施例的天線(和相關聯的發射硬體)的備選方案。
[0125]但是，遠程通信在沒有明確需要外部架空線或天線的情況下也是可行的。例如，可藉助於來自殼體202內的聲學發射來實現通信。聲學發射可由位於殼體202內的發射器實現。發射器可包括例如簡單的頻率固定的壓電共振器。
[0126]還需要互補的接收器，而且這個構件可位於壓力計組件200遠處，並且可包括諸如例如與話筒集成的鎖相迴路音調檢測器的硬體。這種聲學組件提供這樣的優點，即，不需要饋通件(在外部天線的情況下則需要)，而且所有電子構件都可完全位於壓力計組件200的殼體202內。
[0127]現在將參照圖6至8來描述壓力計組件200的理論和運行。
[0128]石英晶體振蕩器210具有取決於其所處的流體的密度的共振頻率。使振蕩的音叉型晶體振蕩器暴露於氣體會使晶體的共振頻率有改變和阻尼(當與真空中的晶體的共振頻率相比時)。對此有多種原因。雖然氣體對晶體的振蕩有阻尼作用，但氣體會粘附到音叉晶體振蕩器210的振動的叉210a上，這會增加振蕩器的質量。這導致石英晶體振蕩器的共振頻率根據一側固定彈性梁的運動而減小:
Δω Ot ^ 3、
D — = ——(ct + c,-]
c% 2pw#
其中，$是共振角頻率的相對變化，是氣體密度，t是石英振蕩器的厚度，n是石英
%PPci
振蕩器的密度，而W是尖叉的寬度，C1和C2是取決於幾何結構的常數，而3是氣體的表面層的厚度，其由以下限定:
2)d = I——
其中，Η是依賴於溫度的氣體粘度。
[0129]公式I)的兩部分與下者有關:a)添加到石英晶體振蕩器210的叉上的氣體質量；以及b)在振蕩期間在叉的最外層上引起的剪切力。
[0130]因而可按照頻率來改寫公式，並且將其簡化為:
3)Af = Ap ^ B^p +C
其中,a =B=以及c是偏移常數，而Α是真空中的晶體的自然共
振頻率。
[0131]發明人已經發現，可通過近似法來獲得適當地良好的近似:
4)Δ/' ~ 郝
因此，對於良好近似，頻率變化與石英晶體振蕩器所暴露於的氣體的密度變化成比例。圖6顯示了，對於多種不同的氣體/氣體混合物，石英晶體振蕩器210的共振頻率隨密度而線性地改變。
[0132]大體上，石英晶體振蕩器210的靈敏度為，例如，當與大氣壓力相比時，在處於250巴的氧氣(具有原子質量數32)的情況下，有5%的頻率變化。這樣的壓力和氣體密度對於用於永久氣體的存儲罐是典型的，對於大多數氣體，該存儲罐通常介於137巴(表壓)和450巴(表壓)之間，而對於氦和氫，則高達700巴(表壓)或900巴(表壓)。
[0133]另外，石英晶體振蕩器210特 別適合用作在商業上供應的氣體的傳感器。首先，為了精確地感測氣體的密度，使氣體沒有灰塵和液滴是必要的，在商業上供應的氣體對此有保證，但對於空氣，或者一般在壓力監測情況下就沒有保證了。
[0134]以上示出了，對於良好近似，石英晶體振蕩器210的頻率響應與密度成比例。但是，為了測量壓力，需要得出壓力和密度之間的關係。根據以下來確定這一點:
5)PV=nRT
其中，P是氣體的壓力，V是氣體的體積，η是氣體的摩爾數，R是氣體常數，而T是溫度。繼續:
6)P ^ —
K
以及
M
7)MW= =
η
其中，麗是氣體的分子量，而M是氣體的質量。因此，替換公式5)中的V得到:
8)
Mlf
因此，對於氣體的已知分子量(或者在已知混合物的情況下，氣體的平均分子量)，可從氣體的密度和氣體的溫度中精確地得出氣體的壓力。
[0135]以上近似假設氣體的可壓縮性Z等於一。在傳統組件中，這個近似僅適用於其中直接測量壓力的低壓情況。在高壓下，可壓縮性Z不像對理想氣體所預期的那樣與氣體壓力成比例。因此，必須針對可壓縮性來校正諸如波爾登壓力計的傳統壓力計，以便正確地讀取處於高壓的氣體罐的含量-氣體質量。前面顯示了在測量密度時，石英晶體振蕩器210針對可壓縮性Z而內在地被校正。但當在高壓力值下測量壓力時，必須針對Z來校正石英壓力計。[0136]圖7和8示出石英晶體振蕩器210的頻率響應隨壓力而改變。圖7顯示關於0_6巴(表壓)的範圍中的壓力的、在Y軸上的石英晶體振蕩器210的頻率變化(單位為kHz)隨X軸上的壓力(巴(表壓))而改變的圖表。圖8顯示關於0-300巴(表壓)的範圍中的壓力的、在Y軸上的石英晶體振蕩器210的頻率變化(單位為kHz)隨X軸上的壓力(巴(表壓))而改變的圖表。在兩種情況下，所使用的氣體都是Ferromax 15，其包括82.5%的Ar、15% 的 CO2 和 2.5% 的 O2。
[0137]如圖7和8中示出的那樣，對於良好近似，石英晶體振蕩器210的頻率變化Λ f在兩個壓力數量級上與壓力呈線性。因此，如果氣體的溫度和分子量是已知的，則石英晶體振蕩器210可運行來用作精確的壓力計。
[0138]如前面描述的那樣，可使用廉價且廣泛可用的構件(諸如熱敏電阻器)來容易地測量溫度。另外，在永久氣體以封裝在氣體罐中的方式供應給顧客的情況下，氣體的分子量(或者氣體的同質混合物的平均分子量)大體是廣為人知的。
[0139]因此，雖然如果氣體不均勻-例如，如果氣體是不均勻的混合物，例如部分地填充有液體的罐，或者輕氣體和重氣體的新近準備好的且混合不充分的混合物，上面描述的方法可能不精確，但在大多數封裝氣體應用中不大可能出現這種情形。
[0140]另外，令人驚訝的是，石英晶體振蕩器210可在O到300巴(表壓)之間的壓力範圍內運行，但是足夠精確來可靠地測量比這個範圍的上限低兩個數量級的壓力值。這個屬性使石英晶體振蕩器210特別適合用作壓力計，作為壓力計組件200的一部分。
[0141]這是因為壓力計組件200能夠可靠且精確地測量典型地可在低壓應用(例如在O巴(表壓)和大約5巴(表壓)之間)中測量的小的壓力變化，諸如在調節器150的下遊不遠處的那個。
[0142]上面描述的組件特別適合測量其中在使用期間有出現高壓的風險的低壓。由於石英晶體振蕩器210是固態構件，並且可在高達900巴的壓力下運行，所以如果在出口管158中出現初始過壓條件，則傳感器組件204將不受影響，並且將繼續如需要的那樣運行。換句話說，發明人已經研製出可完全耐受對高壓的暴露的精確低壓計。
[0143]相比之下，傳統壓力計(諸如波爾登壓力計)將被永久地損害，並且在暴露於甚至高壓氣體的短暫脈衝時都可失效，諸如可發生在「蠕變」狀況期間，或者當氣體罐首次運行時。
[0144]另外，本發明的組件使得壓力測量能夠有非常高的精度，解析度達百萬分之一份。與石英密度傳感器210對密度和高壓的線性響應結合，高精度使得能夠精確地測量甚至非常輕的氣體，諸如H2和He。
[0145]另外，如果考慮到可壓縮性，則相同壓力計能夠在沒有任何修改的情況下讀取甚至更高的壓力。相比之下，傳統壓力計僅適於特定的壓力範圍，並且為了讀取不同的壓力範圍，必須更換壓力計。
[0146]現在將參照圖9來描述根據本發明的實施例的方法。下面描述的方法適用於上面描述的第一和第二實施例兩者。
[0147]步驟300:初始化測量
在步驟300處，初始化對出口 158下遊的氣體的壓力的測量。例如，這可通過用戶按壓氣體罐100的外部的按鈕而啟動。備選地，可藉助於遠程連接來啟動測量，例如，通過無線網絡而發送的且由壓力計組件200通過天線而接收的信號。
[0148]作為另一個備選方案或添加方案，壓力計組件200可配置成遠程地初始化，或者用定時器初始化。方法前進到步驟302。
[0149]步驟302:驅動石英晶體振蕩器
一旦初始化之後，驅動電路212就用來驅動石英晶體振蕩器210。在初始化期間，驅動電路212在晶體210上施加隨機噪聲AC電壓。隨機電壓的至少一部分將處於適當的頻率，以使晶體210振蕩。然後晶體210將開始與那個信號同步地振蕩。
[0150]藉助於壓電效應，石英晶體振蕩器210的運動然後將在石英晶體振蕩器210的共振頻帶中產生電壓。然後驅動電路212放大石英晶體振蕩器210所產生的信號，使得在石英晶體共振器202的頻帶中產生的信號支配驅動電路212的輸出。石英晶體的狹窄共振帶過濾掉所有不必要的頻率，而驅動電路212則以基本共振頻率f驅動石英晶體振蕩器210。一旦石英晶體振蕩器210已經在特定的共振頻率下穩定之後，方法就前進到步驟304。
[0151]步驟304:測量石英晶體振蕩器的共振頻率
共振頻率f取決於殼體內的壓力條件。殼體202的內部206中的壓力條件又表示調節器150的出口 154下遊的壓力條件。
[0152]在本實施例中，對於良好近似，共振頻率變化與殼體202的內部206中的氣體壓力的幅度成比例，並且將隨壓力升高而減小。
[0153]為了進行測量，測量石英晶體振蕩器210的頻率達大約I秒的時段。這是要使得讀數能夠穩定，以及對足夠的振蕩計數，以便確定精確的測量。在處理器230中執行對頻率的測量。處理器230還可記錄測量開始時的時間！\。
[0154]一旦已經測量頻率，方法就前進到步驟306。
[0155]步驟306:測量氣體的溫度
在步驟306處，溫度傳感器214測量殼體202內的氣體的溫度。進行這個測量是為了根據步驟304中測得的頻率變化來計算壓力。
[0156]溫度測量不必特別精確。例如，如果溫度傳感器214精確到0.5°C，則這對應於為步驟308中計算壓力所需的絕對溫度值的僅大約六百分之一(假設為正常大氣溫度)的誤差。
[0157]但是，在某些情況下，可省略溫度傳感器214。例如，在其中溫度很可能眾所周知(例如處於室溫)的情形中，或者如果溫度測量的精度對於應用不是至關重要的(例如可假設溫度位於特定範圍內)。在這種情況下，步驟306中的溫度確定可認為處理器230所存儲的特定溫度值的分配，並且在後面的步驟中用於計算壓力。
[0158]步驟308:確定氣體的出口壓力
一旦已經在步驟304中滿意地測量了石英晶體振蕩器210的頻率，以及在步驟306中測量了溫度，則處理器230計算殼體202的內部206內的氣體的壓力。
[0159]使用上面的公式8)來完成這一點，其中，可直接根據所述氣體的密度、溫度和分子量來計算氣體的壓力P。因此，已知在步驟304中測得的共振頻率，步驟306中測得的殼體202中的氣體的已知溫度T，以及氣體的已知分子量(或者氣體的混合物的平均分子量)，就可精確地測量壓力。然後方法前進到步驟310。
[0160]步驟310:傳送和存儲結果可用多種方式顯示氣體的壓力。例如，附連到殼體202或調節器150上的屏幕(未顯示)可顯示調節器150的出口 154下遊的氣體的壓力。在備選方案中，壓力測量可遠程地傳送到基站或位於相鄰裝置上的儀表，如將在後面描述的那樣。
[0161]一旦已經確定的氣體的壓力，壓力可記錄在與壓力計組件200的處理器230相關聯的內部存儲器中供今後讀取。作為又一個備選方案，在時間T1的氣體的壓力可存儲在所述處理器230本地的存儲器中，以產生時間日誌。
[0162]然後方法前進到步驟312。
[0163]步驟312:降低傳感器組件的功率
不必始終使壓力計組件200保持運行。相反，通過在不使用時關閉壓力計組件200來降低功率消耗是有益的。這可延長電池216的壽命。
[0164]驅動電路212的配置使得石英晶體振蕩器210能夠重新啟動，而不管殼體202中的氣體壓力如何。因此，壓力計組件200可在需要時關閉，以便節省電池功率。
[0165]以上實施例的變型對本領域人員將是顯而易見的。硬體和軟體構件的確切配置可有所不同，但仍然落在本發明的範圍內。本領域技術人員將容易地認識到可使用的備選配置。
[0166]例如，上面描述的實施例使用了具有32.768 kHz的基本頻率的石英晶體振蕩器。但是，可使用以備選頻率運行的晶體。例如，以60 kHz和100 kHz運行的石英晶體振蕩器可用於上面描述的實施例。在圖10 中顯示了顯示關於不同的晶體，頻率隨密度而改變的圖表。作為另一個不例，可使用以1.8 kHz的頻率運行的晶體振蕩器。
[0167]較高的頻率運行使得能夠更頻繁地監測壓力，因為需要較短時段來對給定數量的循環取樣。
[0168]另外，較高頻率的晶體使得能夠在晶體的「睡眠」模式中使用較少工作循環。以說明的方式，在大多數情況下，晶體和驅動電路在大部分時間將關閉，僅打開幾秒或在需要測量時打開。例如，這可一分鐘發生一次。當使用較高頻率的晶體時，可較快速地測量壓力。因此，可減少其中晶體運行的時間。這可降低功率消耗，以及相伴地改進電池壽命。
[0169]參照圖11來描述另一個變型。在圖11中顯示傳感器組件400。傳感器組件400包括第一石英晶體振蕩器402和第二石英晶體振蕩器404。第一石英晶體振蕩器402由驅動電路408驅動。第二石英晶體振蕩器404由驅動電路410驅動。
[0170]第一石英晶體振蕩器402和第二石英晶體振蕩器404在它們的靈敏度係數σ上有所不同，其中
9)σ
P
其中，Δ/是石英晶體振蕩器402、404的頻率變化，而P是被測量的氣體的壓力。第一石英晶體振蕩器402可具有大靈敏度係數σ 1;從而允許頻率隨壓力有大的變化。但是,這種晶體可能不適合高壓運行，其中，過度阻尼(即，Q因數的損耗)會降低這種晶體的性能。因此，提供具有較低的靈敏度係數σ2(其中σ Ao2)的第二石英晶體振蕩器404，使得能夠可靠地測量高壓。
[0171]其中具有兩個晶體可為有用的另一種情形是在存在一個或兩個晶體都被永久或暫時地汙染的危險的情況下。這裡指示了使用兩個相同的晶體。汙染將影響兩個晶體，但由於它們在氣體路徑中的不同位置處，這將幾乎始終略有不同。
[0172]在正確運行中，它們兩者都將提供相同頻率。但是，在汙染的情況下，它們兩者都將指示錯誤頻率，但由於它們處於不同的汙染水平，指示不同的錯誤頻率:可對用戶指示這個差異，作為警告:在永久汙染的情況下，傳感器組件需要清潔或更換，以及壓力指示在任何情況下可能不精確。
[0173]可提供電子開關412，其使得能夠選擇石英晶體振蕩器452、454中的一個，這取決於是進行低壓測量還是高壓測量。對於傳統壓力計(諸如波爾登壓力計)，無法實現這種自適應性，傳統壓力計必須更換不同的壓力計來測量不同的壓力範圍。
[0174]另外，已經通過測量石英晶體振蕩器的絕對頻率來描述了以上實施例。但是，在結合在與氣體罐相關聯的調節器中的自持式電子器件中，通過比較那個頻率與同一類型但密閉在真空或壓力殼體中的基準晶體來測量傳感器的頻率變化可為有利的。壓力殼體可包含處於選定密度的氣體、處於大氣條件的氣體，或者可對氣體罐外部的大氣開放。
[0175]圖12中顯示適當的傳感器組件450。傳感器組件450包括第一石英晶體振蕩器452和第二石英晶體振蕩器454。第一石英晶體振蕩器452是位於在真空下的密封容器456內的基準晶體。第一石英晶體振蕩器452由驅動電路458驅動。
[0176]第二石英晶體振蕩器454是類似於前面的實施例中描述的晶體210的晶體。第二石英晶體振蕩器454暴露於殼體202內的氣體環境。第二石英晶體振蕩器454由驅動電路460驅動。
[0177]可使用電子混合器電路464來執行這個比較，電子混合器電路464結合兩個頻率信號，並且在等於兩個晶體之間的差的頻率下產生輸出。這個組件使得能夠消除由於例如溫度而引起的小變化。
[0178]另外，可簡化傳感器組件204中使用的電路，因為僅需要測量頻率差。另外，這種方法特別適合用於高頻率(MHz)晶體振蕩器，其中，直接測量晶體頻率可為困難的。
[0179]另外，測量和顯示密度、質量或質量流量所需的所有電子器件都不必安裝在殼體202上或安裝在殼體202中。例如，電子功能可在永久地安裝在罐上的單元和安裝在顧客使用站上的或暫時安裝在罐的出口上(諸如通常用於傳統流量計的位置)的單元之間進行分割。
[0180]參照圖13來顯示這個組件的示例。該組件包括氣體罐組件50,氣體罐組件50包括氣體罐500、調節器502和壓力計組件504。氣體罐組件500、調節器502和壓力計組件504基本類似於前面基本參照之前的實施例所描述的氣體罐組件100、調節器150和壓力計組件200。
[0181]在這個實施例中，傳感器組件504包括類似於前面的實施例的石英晶體振蕩器210和驅動電路212的石英晶體振蕩器和驅動電路(未顯示)。通過任何適當的遠程通信協議來提供天線506進行通信；例如，藍牙、紅外(IR)或RFID。備選地，可使用單線通信。
[0182]作為另一個備選方案，可使用聲學通信方法。這樣的方法的優點在於，在不需要外部天線506的情況下，可實現遠程通信。
[0183]連接管508連接到氣體罐500的出口上。連接管終止於快速連接式連接件510。快速連接式連接件510使得連接管道系統或構件能夠容易且快速地與氣體罐500連接和斷開。[0184]提供快速連接單元550來連接到氣體罐500上。提供互補的快速連接連接器512來連接到連接器510上。另外，快速連接單元550設有數據單元552。數據單元552包括顯示器554，以及用於與壓力計組件504的天線506通信的天線556。顯示器554可包括例如LCD、LED或日光下可讀的顯示器，以最大程度地降低功率消耗，以及最大程度地提高顯示器的可見度。
[0185]數據單元552可記錄氣體罐組件50的傳感器組件502所測得的各種參數。例如，數據單元552可記錄壓力與時間。這種記錄對於例如焊接承包人可為有用的，焊接承包人想要在對關鍵構件進行冗長的氣體焊接過程期間檢查存在足夠的壓力，或者想要對公司供應關於特定的顧客使用的數據。
[0186]備選地，來自數據單元550的數據可輸出到計算機啟用式焊機(用於焊接應用)或其它使用氣體的裝備，以允許計算派生參數，以及警告消息。
[0187]另外，數據單元550可布置成提供以下功能:容納和顯示關於氣體壓力的數據，即，其焊接類型、焊接金屬的類型，或者提供鏈路，使得行動電話或計算機可獲得詳細數據；提供多模式運行，例如供應商/填充商模式和顧客模式；對顧客顯示與由重新填充罐的氣體公司顯示的不同的數量；允許輸入數據；提供數據，諸如可在罐上以概要的形式攜帶的罐編號、氣體類型、分析證書、顧客歷史(誰在什麼日期擁有罐)、安全數據和運行提示。
[0188]作為備選方案，所有以上示例都可以可選地處理、存儲，或者得自於完全位於氣體罐500上(或氣體罐500內)的系統，如參照壓力計組件200、502所論述的那樣。
[0189]雖然已經參照對石英晶體振蕩器的使用來描述了以上實施例，但本領域技術人員將容易地認識到也可使用的備選壓電材料。例如，非窮盡性列表可包括包含下者的晶體振蕩器:鉭酸鋰、鈮酸鋰、硼酸鋰、塊磷鋁礦、砷化鎵、四硼酸鋰、磷酸鋁、鍺酸鉍、多晶鈦酸鋯陶瓷、高氧化鋁陶瓷、矽鋅氧化物複合物，或酒石酸二鉀。
[0190]特別參照示出的示例來描述了本發明的實施例。雖然在圖中顯示了具體示例，以及在本文中詳細描述了具體示例，但是，應當理解，圖和詳細描述不意於將本發明局限於公開的特定形式。將理解的是，在本發明的範圍內，可對描述的示例進行變型和修改。
【權利要求】
1.一種測量氣體的壓力的方法，所述方法包括: a)測量與所述氣體接觸的壓電振蕩器(210)的振蕩頻率； b)根據所述壓電振蕩器的振蕩頻率、所述氣體的已知溫度和所述氣體的已知分子量來確定所述氣體的壓力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟a)包括: 藉助於驅動電路來驅動所述壓電振蕩器，使得所述壓電振蕩器以共振頻率共振；以及 在預定時段裡測量所述共振頻率，以確定氣體的壓力。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括:使用溫度傳感器來測量所述氣體的溫度。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，提供兩個壓電振蕩器，所述壓電振蕩器中的一個具有比所述壓電振蕩器中的另一個的靈敏度係數更大的靈敏度係數，並且所述方法進一步包括，在步驟a)之前，選擇所述壓電振蕩器中的一個。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓電振蕩器設置在減壓裝置的下遊。
6.一種用於測量氣體的壓力的壓力計(200 ;260)，所述壓力計包括可連接到氣體源上且包括內部(206)的殼體(202)，在使用中，所述內部與所述氣體連通，所述壓力計進一步包括位於所述殼體內且包括壓電振蕩器(210)的傳感器組件(204)，在使用中，所述壓電振蕩器定位成與所述氣體接觸，所述傳感器組件布置成測量所述氣體中的所述壓電振蕩器的振蕩頻率，並且配置成根據頻率測量結果和所述氣體的已知溫度和已知分子量來確定所述氣體的壓力。
7.根據權利要求6所述的壓力計，其特徵在於，所述傳感器組件進一步包括用於測量所述殼體內的氣體的溫度的溫度傳感器。
8.根據權利要求6或7中的任一項所述的壓力計，其特徵在於，所述傳感器組件包括用於以所述共振頻率驅動所述壓電振蕩器的驅動電路。
9.根據權利要求8所述的壓力計，其特徵在於，所述驅動電路包括布置成與共射放大器呈反饋構造的複合電晶體對。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的方法或壓力計，其特徵在於，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
11.一種減壓裝置，包括根據權利要求6至10中的任一項所述的壓力計。
12.根據權利要求11所述的減壓裝置，其特徵在於，呈壓力調節器的形式。
13.根據權利要求12所述的減壓裝置，其特徵在於，所述壓力調節器是電子壓力調節器，並且所述壓力計能夠運行來控制所述電子壓力調節器。
14.根據權利要求13所述的減壓裝置，其特徵在於，所述電子壓力調節器包括電磁閥，所述傳感器組件能夠運行來在使用中控制所述電磁閥。
15.一種能夠由可編程處理設備執行的電腦程式產品，包括用於執行根據權利要求1至5中的任一項所述的步驟的一個或多個軟體部分。
16.一種計算機可用存儲介質，其上存儲有根據權利要求15所述的電腦程式產品。
【文檔編號】G01L9/00GK103477198SQ201180066238
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年11月28日 優先權日:2010年11月29日
【發明者】N·A·道尼, M·貝倫斯 申請人:氣體產品與化學公司