用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备 |
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| 申请号 | CN201380026598.5 | 申请日 | 2013-05-23 | 公开(公告)号 | CN104303039B | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 气体产品与化学公司; | 发明人 | N.A.道尼; C.M.卢迪克; | ||||
| 摘要 | 提供一种用于测量 压 力 容器 (100)内的受压气体的物理属性的 传感器 组件(200)。传感器组件(200)包括壳体和用于浸入压力容器(100)内的气体中的压电 振荡器 (202)。传感器组件(200)布置成当浸入所述气体中时，测量压力容器(100)内的气体的 密度 。壳体包括第一腔室和第二腔室。第一腔室与第二腔室处于 流体 连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器。第二腔室与压力容器的内部处于流体连通。通过提供这种组件，可直接且精确地测量诸如缸体的压力容器中的流体的真实含量(即， 质量 )。本 发明 的壳体减小了由气体缸体100内的 对流 产生的噪声和误差，从而使得通过根据缸体中的气体的密度的直接推导，能够精确地确定质量或质量的变化速率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于测量气体缸体内的受压气体的物理属性的传感器组件，所述气体缸体包括气体缸体本体和限定所述气体缸体的固定内部容积的阀组件，所述传感器组件包括：壳体； |
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| 说明书全文 | 用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备技术领域背景技术[0002] 本文描述的方法和设备可应用于其中存在较高压力(例如大约10巴或更高)的气体的系统，诸如例如，高压缸体中的气体供应或利用高压气体的制造装置。本发明尤其涉及“清洁”气体，即，没有杂质或污染物(诸如水蒸气或灰尘)或者杂质或污染物较少的气体。 [0003] 压缩气体缸体是设计成容纳处于高压(即，处于显著大于大气压力的压力)的气体的压力容器。在广泛的市场范围中使用压缩气体缸体，从一般低成本工业市场，到医疗市场，到较高成本的应用，诸如利用高纯度有腐蚀性、有毒或自燃的特殊气体的电子制造。通常，加压气体容器包括钢、铝或复合材料，并且能够存储经压缩、液化或溶解的气体，其中，对于大多数气体，最高填充压力高达450巴(表压)(其中，巴(表压)是高于大气压力的压力(单位为巴)的度量)，而对于诸如氢和氦的气体，最高填充压力则高达900巴(表压)。 [0004] 本发明尤其可应用于永久气体。永久气体是无法单独用压力液化的气体，而且例如可在缸体中以高达450巴(表压)的压力供应。示例为氩气和氮气。但是，这不应理解为限制性，而是可认为用语气体包括较广范围的气体，例如，永久气体和液化气体的蒸气两者。液化气体的蒸气在压缩气体缸体中存在于液体之上。在被压缩以填充到缸体中时在压力下液化的气体不是永久气体，并且较精确地将它描述成加压的液化气体或液化气体蒸气。作为示例，在缸体中以液体形式供应一氧化二氮，其中，在15℃下，平衡蒸气压力为44.4巴(表压)。这样的蒸气不是永久气体或真气体，因为它们被大约为环境条件的压力或温度液化。 [0005] 在许多情况下，需要监测给定缸体或压力容器的含量，以确定剩余气体量。这在诸如保健应用的情形中特别重要。 [0006] 已知在了解缸体内的气体的压力的情况下，根据气体定律来计算缸体的真实含量。压力测量是众所周知的技术，并且存在多种用来测量压力的装置。最传统的类型使用配备有应变计元件的弹性膜片。但是，虽然是目前制造的成本最低的一种压力传感器，但这些传感器的大小往往较大，而且具有虽然可用大规模照相平版印刷法生产但仍然较复杂且制造起来昂贵的机械结构。它们还具有一定程度的脆度，而且在使用它们之前需要进行校准和温度补偿。 [0007] 另一种常用的压力计是布尔登压力计。这种压力计包括脆弱的平坦薄壁式端部封闭的管，管在空心端处连接到容纳待测量的流体压力的固定管上。压力增大会使管的封闭端展现弓形。这种压力计包括精细构件，它们易于由于例如暴露于高压而受损。 [0008] 使得难以精确地测量气体容器中的气体量的一个问题在于容纳在缸体内的气体的温度-压力关系。根据气体定律，由处于恒定体积的给定量的气体施加的压力与其温度直接成比例。因此，随着气体的温度升高，气体的压力也将增大。 [0009] 因此，使用压力计(诸如布尔登压力计)所得出的压力测量值会与绝对温度成比例的上下波动，例如从20℃的初始温度到例如在太阳照射的环境中的50℃，布尔登压力计上指示的压力将增大10%。 [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)公开了一种组件，其中，使用石英晶体传感器来测量高压和中等电压电力装备中的处于低的气体压力的SF6气体的密度。SF6气体的密度测量对于设备的安全是至关重要的。 此文献描述了石英传感器技术的低压应用，其中，使用高达8巴(表压)的压力。 [0013] US 4,644,796公开了一种用于使用容纳在可变容积壳体(包括风箱组件)内的石英晶体振荡器来测量流体的压力的方法和设备。壳体的内部容积由于风箱被外部流体压力压缩/膨胀而改变。因此，壳体内的流体的密度在壳体的内部容积改变时改变。可使用石英晶体振荡器来测量壳体内的密度。 [0014] 以上组件描述了使用固态传感器，诸如石英晶体振荡器。但是，以上组件和方法都不适合精确地测量压力容器(诸如气体缸体)中的气体的质量。 [0015] 关于测量容纳在气体缸体中的气体的物理属性的额外的复杂问题在于缸体内的气体运动。例如，如果气体缸体的顶部是冷的，则可产生强有力的对流，对流可使对气体的物理属性测量值失真。 [0016] 格拉斯霍夫数(Gr)是无量纲数，它近似浮力与作用于流体上的粘性力的比。Gr值提供关于在特定流体中出现对流的可能性的指示–Gr值越高，就越可能出现对流。 [0017] 例如在气体缸体内处于300巴(表压)压力的压力的氩气的Gr值非常大。处于这样的高压的氩具有接近水的密度，但粘度显著更低(比水低大约五十倍)。另外，当加热时，氩比水更易于膨胀。因此，甚至小的负温度梯度(即，在缸体的顶部较冷时)也可在气体缸体内引起强烈的气体对流。 [0018] 在使用中的多种情况下可发生沿着缸体的长度的温度梯度。例如，如果近期已经填充好缸体，如果缸体在处于不同温度的环境之间移动，或者在从附连到缸体上的阀抽取流的情形中，缸体的顶部可显著比缸体的整体更冷。温度梯度通常可超过10℃，而且甚至高达30℃。目前，一体压力调整阀(VIPR)变得越来越普遍。 [0019] 但是，这样的阀在使气体从存储压力膨胀时，会变得特别冷。因此，由于这些温差，往往会在缸体中产生对流。对流以紊流的方式出现，密度和温度随机调节，使得ρ~1/T，压力几乎没有变化。 [0020] 大体上，一种测量缸体内的气体的物理属性的方法是将传感器置于气体缸体本身内。这使得传感器能够监测缸体的中心处的气体属性。 [0021] 但是，当使用具有VIPR的缸体从气体缸体中抽取流时，产生强烈的对流。当测量气体属性(诸如缸体的质量含量的变化速率)时，对流会引起过大的噪声，从而使测量结果不准确或者甚至无意义。因此，已知的测量组件会遭受这样的技术问题，即，它们无法提供封壳(诸如其中很可能遇到对流的气体缸体)中的气体的物理属性的准确测量。 发明内容[0022] 根据本发明的第一方面，提供一种用于测量气体缸体内的受压气体的物理属性的传感器组件，气体缸体包括气体缸体本体和限定气体缸体的固定内部容积的阀组件，传感器组件包括壳体、用于浸入气体缸体内的气体中的压电振荡器，以及驱动电路，驱动电路可运行来驱动压电振荡器，使得压电振荡器以共振频率共振，传感器组件布置成根据压电振荡器在浸入所述气体中时的共振频率来确定气体缸体内的气体的密度，其中，在使用中，壳体位于气体缸体的固定内部容积内，并且包括第一腔室和第二腔室，第一腔室与第二腔室处于流体连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器，而第二腔室则与气体缸体的内部处于流体连通。 [0023] 本发明的组件涉及传感器组件。传感器组件包括封闭在壳体内的压电振荡器。壳体是包括至少两个腔室的独立结构，并且布置成置于压力容器(诸如气体缸体)内。这使得能够最佳将传感器组件置于压力容器内，其中，传感器组件例如可与容器的壁间隔开，在壁处，温度变化或边界层流可例如影响密度测量。 [0024] 根据实施例，提供一种用于测量压力容器内的受压气体的物理属性的传感器组件，传感器组件包括壳体和用于浸入压力容器内的气体中的压电振荡器，压电振荡器布置成在浸入所述气体中时，测量压力容器内的气体的密度，其中，壳体包括第一腔室和第二腔室，第一腔室与第二腔室处于流体连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器，而第二腔室则与压力容器的内部处于流体连通。 [0025] 通过提供这种组件，可直接测量压力容器(诸如缸体)中的流体的真实含量(即，质量)，而不需要补偿诸如温度或可压缩性的因素。本发明的壳体减小了由内气体缸体的对流产生的噪声和误差，从而使得通过根据缸体中的气体的密度的直接推导，能够精确地确定质量或质量的变化速度。 [0026] 另外，压电振荡器是能够抵抗高压或压力的急剧变化的固态装置，并且因而，不太可能由于压力“蠕变”或其它环境因素而受损。压电振荡器的结构使得压电振荡器能够完全浸入气体中，这与需要压差来工作的传统压力计(诸如布尔登压力计)相反。 [0027] 在一个实施例中，传感器组件进一步包括驱动电路，驱动电路可运行来驱动压电振荡器使得压电振荡器以共振频率共振，以及在预定时段里测量所述共振频率，以确定所述压力容器中的气体的密度。 [0028] 在一个实施例中，压力容器具有固定内部容积，并且传感器组件进一步构造成根据密度测量值和所述压力容器的内部容积，来确定压力容器内的气体的质量。 [0029] 在一个实施例中，传感器组件进一步布置成：以离散的时间间隔对压力容器内的气体的质量执行重复测量，以获得多个测量值；以及根据所述多个测量值来确定在离散的时间间隔期间通往/来自压力容器的气体的质量流量。 [0030] 在一个实施例中，离散的时间间隔为大约几秒。 [0031] 在一个实施例中，对所述测量值应用数值滤波。 [0032] 在一个实施例中，第一腔室具有壁，壁包括第一孔口，从而使得在第一腔室和第二腔室之间能够有流体连通，并且第二腔室具有壁，腔室包括第二孔口，从而使得在第二腔室和压力容器的内部容积之间能够有流体连通。 [0033] 在一个实施例中，第一和/或第二孔口具有0.35mm或更小的尺寸。 [0034] 在一个实施例中，第一和/或第二孔口具有0.22mm或更小的尺寸。 [0035] 在一个实施例中，壳体基本为圆柱形。 [0036] 在一个实施例中，壳体具有230mm或更小的长度。 [0037] 在一个实施例中，壳体具有80mm或更小的长度。 [0038] 在一个实施例中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。 [0039] 根据本发明的第二方面，提供一种用于容纳受压气体的气体缸体，气体缸体包括：限定固定内部容积的气体缸体本体；阀组件，其连接到所述气体缸体本体上，并且布置成使得能够选择性地对缸体气体填充气体，或者从所述气体缸体中分配气体；以及第一方面的传感器组件。 [0040] 根据实施例，提供一种用于容纳受压气体的压力容器，压力容器具有固定内部容积，并且包括：限定固定内部容积的压力容器本体；阀组件，其连接到所述容器本体上，并且布置成使得能够选择性地对压力容器填充气体，或者从所述容器中分配气体；以及第一方面的传感器组件。 [0041] 在一个实施例中，传感器组件完全位于压力容器的固定内部容积内。 [0042] 在一个实施例中，压力容器呈气体缸体的形式。 [0043] 根据本发明的第三方面，提供一种使用传感器组件来测量受压气体的质量的方法，传感器组件包括压电振荡器和壳体，所述气体容纳在压力容器内，压力容器具有固定内部容积，压电振荡器浸入压力容器内的气体中，壳体包括第一腔室和第二腔室，第一腔室与第二腔室处于流体连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器，而第二腔室则与压力容器的内部处于流体连通，方法包括：a)使用所述压电振荡器来测量高压容器内的气体的密度；b)根据密度测量和所述压力容器的内部容积来确定压力容器内的气体的质量。 [0044] 通过提供这种方法，可直接测量压力容器(诸如缸体)中的气体(诸如永久气体)的真实含量(即，质量)，而不需要补偿诸如温度或可压缩性的因素。这允许通过根据缸体中的气体的密度直接推导来确定质量，从而减少对额外的传感器或复杂补偿的需要，而且不必进行近似。另外，压电振荡器是固态装置，它能够抵抗高压、压力的急剧变化或其它环境因素。压电振荡器可运行来完全浸入气体中，这与需要压差来工作的传统压力计(诸如压力计)相反。 [0045] 在一个实施例中，步骤a)包括：借助于驱动电路来驱动压电振荡器，使得压电振荡器以共振频率共振；以及在预定时段里测量所述共振频率，以确定所述高压容器中的气体的密度。 [0046] 在一个实施例中，步骤a)和b)重复一次或多次，使得获得在一段时间的压力容器内的气体密度的一系列测量值，使用所述一系列测量值来确定压力容器内的气体质量在所述时段期间的变化。 [0047] 在一个实施例中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。 [0048] 在实施例中，石英晶体包括至少一个叉。在变型中，石英晶体包括一对平叉。 [0049] 在实施例中，石英晶体经AT切割或SC切割。 [0050] 在变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。 [0051] 在一个实施例中，传感器组件包括驱动电路。在变型中，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括复合晶体管对，其布置成与共射放大器成反馈构造。 [0053] 在一个实施例中，传感器组件包括处理器。 [0054] 在一个实施例中，压力容器包括高压容器。高压容器是布置成经受住大体大于10巴的内部压力的容器。 [0055] 在变型中，压力容器包括气体缸体。 [0056] 在变型中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。 [0057] 在变型中，气体是永久气体。 [0058] 在一个组件中，高压容器是气体缸体。 [0059] 在实施例中，传感器组件包括驱动电路。在实施例中，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括复合晶体管对，其布置成与共射放大器成反馈构造。 [0060] 在一个实施例中，传感器组件包括功率源。在一个组件中，功率源包括锂离子电池。 [0061] 在一个实施例中，传感器组件包括处理器。 [0062] 在一个实施例中，传感器组件布置成：驱动压电振荡器，使得压电振荡器以共振频率共振；以及在预定时段里测量所述共振频率，以确定所述压力容器中的气体的密度。 [0063] 在一个实施例中，传感器组件进一步布置成：以离散的时间间隔对压力容器内的气体的质量执行重复测量，以获得多个测量值；以及根据所述多个测量值来确定在离散的时间间隔期间通往/来自压力容器的气体的质量流量。多次使得获得在一段时间里的压力容器内的气体密度的一系列测量值，使用所述一系列测量值来确定压力容器内的气体的质量在所述时段期间的变化。 [0064] 根据本发明的第四方面，提供一种包括第一方面的传感器组件的阀组件，该阀组件用于连接到压力容器本体上，以形成有固定内部容积的压力容器具，阀组件布置成使得能够选择性地对压力容器填充气体，或者从压力容器中分配气体。 [0065] 在一个实施例中，传感器组件包括驱动电路。在一个实施例中，传感器组件包括功率源。在变型中，功率源包括锂离子电池。 [0066] 在一个实施例中，传感器组件完全位于压力容器的固定内部容积内。 [0067] 在一个组件中，压力容器本体包括气体缸体。 [0070] 现在将参照附图来详细地描述本发明的实施例，其中： [0071] 图1是气体缸体组件的示意图； [0072] 图2是显示根据本发明的实施例的气体缸体组件的上部部分的示意图； [0073] 图3a是显示图2的实施例的传感器组件的壳体的示意图； [0074] 图3b至3f是显示适合用于图2的实施例的传感器组件的壳体的备选变型的示意图； [0075] 图4是用于本发明的实施例的驱动电路的示意图； [0076] 图5是显示用于本发明的实施例的备选驱动电路的示意图； [0077] 图6是显示用于本发明的实施例的另一个备选驱动电路的示意图； [0078] 图7针对多个不同气体显示Y轴上的石英晶体频率(kHz)随密度(kg/m3)改变的曲线图； [0080] 图9针对图7中显示的相同的三种气体(氩、氧和氩:二氧化碳混合物)显示Y轴上的3 气体质量(单位为kg)随X轴上的密度(单位为kg/m )改变的曲线图； [0081] 图10针对来自处于100巴(表压)的压力的50升气体缸体的流率12升/分钟显示Y轴上的频率(单位为kHz)随X轴上的时间(单位为分钟)改变的曲线图； [0082] 图11针对处于100巴(表压)的压力的50升缸体显示Y轴上的计算流率(单位为升每分钟)随X轴上的时间(单位为分钟)改变的曲线图； [0083] 图12针对典型的气体缸体显示Y轴上的频率(单位为kHz)随X轴上的气体缸体质量(单位为kg)改变的曲线图； [0084] 图13是对于使用不带壳体的石英晶体振荡器进行流率测量，流率(单位为升/分钟除以二)随以秒为单位的时间(在X轴上)改变的曲线图； [0085] 图14是对于根据第一实施例的使用被壳体包围的石英晶体振荡器来进行流率测量，流率(单位为升/分钟除以二)随以秒为单位的时间(在X轴上)改变的曲线图； [0086] 图15是对于根据第一实施例的使用由壳体包围的石英晶体振荡器来进行流率测量(正方形)，以及对于传送通过数值滤波的相同数据(菱形)，流率(单位为升/分钟除以二)随以秒为单位的时间(在X轴上)改变的曲线图； [0087] 图16是示出根据描述的实施例的方法的流程图； [0088] 图17显示不同晶体类型的频率特性的曲线图； [0089] 图18是显示包括两个石英晶体的备选传感器组件的示意图；以及 [0090] 图19显示使用远程电子数据单元的备选组件。 具体实施方式[0091] 图1显示根据本发明的实施例的气体缸体组件10的示意图。 [0092] 气体缸体组件10包括气体缸体100，气体缸体100具有气体缸体本体102和阀104。气体缸体本体102包括大体圆柱形的容器，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使得气体缸体100能够在不受支承的情况下直立在平坦表面上。 [0093] 气体缸体本体102由钢、铝和/或复合材料形成，并且适应且布置成经受高达大约900巴(表压)的内部压力。孔口106位于气体缸体本体102的与基部102a相对的近侧端处，并且包括适于接收阀104的螺纹(未显示)。 [0094] 气体缸体本体102和阀104限定压力容器(在这个实施例中，其呈气体缸体100的形式)，压力容器具有内部容积V。内部容积V是固定的。这表示气体缸体100的结构使得可假设其内部容积V(以及同时，容纳在其中的气体的体积)在使用、存储中不会有显著改变，或者不依赖于环境条件，诸如温度、压力或湿度而改变。气体缸体100的内部容积V意于包括气体缸体本体102和阀104内的整个容积。换句话说，内部容积V是使气体保持在压力下的气体缸体组件10的总内部容积。 [0095] 任何适当的流体都可容纳在气体缸体组件100内。但是，本实施例涉及(但不专门局限于)其没有杂质，诸如灰尘和/或水分的纯化的永久气体。这样的气体的非穷尽性示例可为：氧、氮、氩、氦、氢、甲烷、三氯化氮、一氧化碳、二氧化碳、氪、氖或者它们的混合物(例如，氩和二氧化碳)。 [0096] 阀104包括壳体108、出口110、阀本体112和阀座114。壳体108包括用于与气体缸体本体102的孔口106接合的互补螺纹。出口110适于且布置成使得气体缸体100能够连接到气体组件中的其它构件上；例如软管、管或另外的压力阀或调整器。阀104可以可选地包括VIPR(具有一体压力调整器的阀)。 [0097] 阀本体112可借助于可抓持把手116的旋转，沿轴向调节向或远离阀座114，以选择性地打开或关闭出口110。换句话说，阀本体112朝向或远离阀座112移动会选择性地控制气体缸体本体102的内部和出口110之间的连通通路的面积。这进而控制从气体缸体组件100的内部到外部环境的气体的流量。 [0098] 贯通孔118形成于壳体108中，在出口110下游。借助于馈通件120来关闭贯通孔118，馈通件120使得构件(诸如线材)能够从气体缸体100的外部馈送通过，到达气体缸体 100的内部。馈通件120用作保持气体缸体100的完整性的高压密封件。 [0099] 气体缸体组件10设有传感器组件200。传感器组件200布置成测量气体缸体100的内部容积V内的气体的密度。传感器组件200在图2中显示，并且包括石英晶体振荡器202，石英晶体振荡器202通过适当的配线而连接到驱动电路204和电池206上。还可单独提供处理器(未在图2中显示)，或者提供处理器作为驱动电路204的一部分。这将在后面描述。 [0100] 在图2的实施例中，整个传感器组件200位于气体缸体100的内部容积V内。因此，石英晶体振荡器202、驱动电路204(和处理器，如果提供了的话)和电池206全部都位于气体缸体100的内部容积V内。传感器组件200的构件完全浸入气体中，并且经受气体缸体100内的等静气体压力。因此，传感器组件200经历气体缸体100内的气体的全部气体压力。 [0101] 如图2中显示的那样，传感器组件200可连接到天线230上，以与例如基站进行远程通信。这将在后面论述。在这种情况下，天线230可位于气体缸体100的外部，并且借助于线材或等效连接器而连接到传感器组件上。线材可穿过馈通件120，以便在天线230和传感器组件200之间实现连接。 [0102] 天线230本身可适于且布置成使用任何适当的通信协议；例如，非穷尽性列表可为RFID、蓝牙、红外(IR)、802.11无线频率调制(FM)传输或蜂窝网络。 [0103] 备选地，可实现单线通信。单线通信仅需要单个金属导体来进行通信：电路的“回行”路径由通过通信装置之间的空气的电容性耦合提供。本领域技术人员将容易地意识到可用于本文论述的实施例的天线230的备选方案(以及相关联的传输硬件)。 [0104] 发明人已经发现，传感器组件200的仅少数构件对高压敏感。特别地，较大的构件(诸如电池)可易受高压的影响。但是，已经发现，锂离子电池在气体缸体100中遇到高压下运行特别好。因此，电池206包括锂离子电池。但是，本领域技术人员将容易地构想到适当的备选功率源。 [0105] 当构造气体缸体100时，传感器组件200完全位于气体缸体100内会提供额外的灵活性。特别地，较脆弱的电子构件完全位于气体缸体100的结实的金属壁或复合材料壁内会在很大程度上保护其免受环境或意外的损害。这在例如其中气体缸体100位于其它气体缸体100、重型机器或粗糙表面附近的存储区域或仓库中是特别重要的。 [0106] 另外，传感器组件的电子构件完全位于气体缸体100的内部容积V内使得能够提供较大的构件，较大的构件本来可能不适合在缸体100的外表面上使用。例如，可提供较大的电池，以便增加传感器组件200的工作期限。 [0107] 另外，传感器组件200定位在内部会保护这些电子构件免受环境条件的影响，诸如盐、水和其它污染物。这将允许例如对盐和水损害高度敏感的高阻抗电路用作传感器组件200的一部分。 [0108] 但是，虽然在图2中显示传感器组件200位于缸体的内部内，但要理解的是，其它位置是合适的。例如，传感器组件200可安装在阀104中在馈通件120附近，或者形成阀104的单独的区段。重要的是石英晶体振荡器202暴露于气体缸体100的内部容积V中的气体。 [0109] 额外的变型在本发明的范围内。例如，石英晶体振荡器202可位于气体缸体100的内部容积V内，并且驱动电路204位于气体缸体100的外部。因此，传感器组件200的至少一部分位于贯通孔118中。石英晶体振荡器202和驱动电路204然后通过配线208连接，配线208穿过高压馈通件120。 [0110] 在另一个变型中，传感器组件的其它部分可位于气体缸体100的内部容积V内，并且一部分可位于其外部。例如，驱动电路212和处理器可位于气体缸体100内，而电池206则可位于气体缸体100的外部。此布置使得能够保护传感器组件的较脆弱的构件免受损害和污染物的影响，同时可轻易地接近电池206，以对其进行维护和更换。 [0111] 关于外部通信，在一个构造中，不是明确需要外部天线或天线(诸如天线230)。例如，可借助于从缸体100内进行声学传输来实现通信。声学传输可由位于气体缸体100内的发送器实现。发送器可包括例如单个固定频率压电共振器。 [0112] 还需要互补的接收器，而且这个构件可位于缸体100远处，并且可包括硬件，诸如例如与话筒结合的相锁环音调检测器。这种声学组件提供这样的优点：不需要需要馈通件(而天线230则需要)，而且所有电子构件都可完全位于缸体100内。 [0113] 备选地，传感器组件200可连接到安装在气体缸体本身上的显示器装置上(未显示)。这可采取数字显示器的形式，数字显示器可运行来显示缸体100中剩余的气体的质量，或者例如气体的使用速率。 [0114] 在这个组件中，石英晶体振荡器202持续处于气体缸体100的内部容积V内的等静压力，并且因此，不经历压力梯度。换句话说，源自气体缸体100的内部容积V和外部环境之间的压差的任何机械应力都在馈通件120上。 [0115] 传感器组件200定位在内部的好处对于固态传感器装置(诸如石英晶体振荡器202)是独特的。例如，不可用这种方式定位传统的压力传感器，诸如布尔登压力计。虽然基于晶体的传感器可在完全浸入处于恒定压力的气体中时运行，但传统的压力传感器无法测量等静压力，而且需要压力梯度来工作。因此，传统压力计必须位于待测量的高压和大气之间。这会妨碍将传统压力计完全定位在气体缸体100内。 [0116] 现在将参照图2和图3a至3f更详细地描述传感器组件200。石英晶体振荡器202包括切割石英的小而薄的区段。石英会展示压电特性，即，在晶体上应用电压会使晶体改变形状，从而产生机械力。相反，应用于晶体的机械力则产生电荷。 [0117] 使石英晶体振荡器202的两个平行表面金属化，以便提供跨过大晶体的电连接。当借助于金属触头在晶体上应用电压时，晶体改变形状。通过对晶体应用交变电压，可使晶体振荡。 [0118] 石英晶体的物理大小和厚度确定石英晶体的特征频率或共振频率。实际上，晶体振荡器202的频率频率或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比。 [0119] 石英晶体的共振振动频率将取决于晶体所处的环境而改变。在真空中，晶体将具有特定频率。但是，这个频率将在不同的环境中改变。例如，在流体中，晶体的振动将由于周围的流体分子而衰减，而且这将影响共振频率和使晶体以给定幅度振荡所需的能量。 [0120] 另外，气体的吸附或周围材料淀积到晶体上将影响振荡晶体的质量，从而改变共振频率。这形成常使用的选择性气体分析器的基础，其中，吸收层形成于晶体上，并且在气体吸收到吸收层上时提高其质量。但是，在本情形中，未对石英晶体振荡器202应用涂层。实际上，材料吸附或淀积到石英晶体振荡器202上在目前的情况下是不合需要的，因为测量的精度可受到影响。 [0121] 本实施例的石英晶体振荡器202为音叉形，并且包括一对大约5mm长的叉202a(图3a)，在本实施例中，叉202a布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。音叉的叉202a通常以它们的基本模式振荡，其中，它们以共振频率同步地移动向彼此和远离彼此。 [0122] 另外，使用经AT切割或SC切割的石英是合乎需要的。换句话说，以特别选择的角度切割石英的平坦区段，使得振荡频率的温度系数可布置成抛物线形，其在大约室温下具有宽峰。因此，晶体振荡器可布置成使得在高峰顶部处的斜率正好为零。 [0123] 通常可用较低的成本获得这样的石英晶体。与在真空中使用的大多数石英晶体振荡器相反，在本实施例中，石英晶体振荡器202暴露于气体缸体100的内部容积V中的受压气体。 [0124] 传感器组件200进一步包括壳体250。壳体250可运行来封闭石英晶体振荡器202，并且在使用中，壳体250位于气体缸体100的内部容积V中。壳体250可运行来减小气体缸体100内的对流对传感器组件200所作的测量的作用。在图3a中更详细地显示图2的壳体250。 [0125] 参照图3，壳体250在这个实施例中包括第一壳体部分252和第二壳体部分254。第一壳体部分252具有基本圆柱形侧壁256、远侧端壁258和在石英晶体振荡器202附近的近侧端壁260，并且近侧端壁260密封壳体250的近侧端。第一壳体部分252的壁限定第一腔室262。第一腔室262基本封闭石英晶体振荡器202，并且位于壳体250的近侧端附近。 [0126] 第一壳体部分252可包括通常对于石英晶体传感器可获得的传统压力壳体。这可降低制造成本。但是，可使用备选构造，在图3a至3f中示出它们的一些可行变型。 [0127] 第二壳体部分254具有基本圆柱形侧壁264、远侧端壁266和近侧端壁268。第二壳体部分254的壁限定第二腔室270。在这个实施例中，第二壳体部分254是圆柱形，其直径为大约6mm，并且长度为大约80mm。但是，不应将这理解为限制，而是可按需要改变尺寸和横截面形状。 [0128] 第二腔室270位于第一腔室262附近，并且借助于第一壳体部分252的远侧端壁258中的贯通孔272，与第一腔室262处于流体连通。在这个实施例中，贯通孔272具有大约0.35mm的直径。但是，可按需要使用其它形状和尺寸的贯通孔。另外，如果需要，可提供多个贯通孔272。 [0129] 另一个贯通孔274形成于第二壳体部分254的侧壁264中，使得第二腔室270与气体缸体100的内部容积V中且在壳体250的外部的气体处于流体连通。在这个实施例中，该另一个贯通孔274具有0.22mm的直径。但是，还发现0.35mm的备选大小的贯通孔274可产生良好结果。本领域技术人员将容易地意识到可用于本发明的贯通孔的构造、尺寸和形状。另外，可提供多个贯通孔274。 [0130] 壳体250的结构使得第一腔室262和第二腔室270与彼此和气体缸体100的内部容积V处于串联流体连通。换句话说，石英晶体振荡器202所暴露于的气体必须从气体缸体100的内部容积V，传送通过第二腔室270到达第一腔室262，然后到达石英晶体振荡器202。 [0131] 在图2和3a中显示的实施例中，由壳体250形成的第一腔室262和第二腔室270形成为单独的结构。但是，不必这样，而是可使用单个公共壳体250。 [0132] 图3b至3f显示在本发明的范围内的壳体250的备选实施例。为了清楚，已经省略了指示与图3a的实施例相同的特征的参考标号。 [0133] 图3b显示壳体250的第二实施例。第二实施例在结构上类似于第一实施例，除了贯通孔274形成于第二壳体部分254的远侧端壁266中。 [0134] 图3c显示壳体250的第三实施例。图3的实施例在结构上类似于壳体250的第一和第二实施例，除了第二壳体部分254具有延长的长度。在这个实施例中，第二壳体部分254具有大约230mm的长度。虽然图3c显示了贯通孔274在远侧端处，但是贯通孔274同样可形成于第二壳体部分254的侧壁264中。 [0135] 图3d至3f的实施例显示不同结构的壳体250。图3d中显示的壳体250的第四实施例不同于前面的实施例，因为壳体250是一体部件，并且包括圆柱形外壁276、远侧端壁278和近侧密封件280。 [0136] 壁276、278、280界定壳体250的内部。壳体250进一步包括内壁282，内壁282将壳体250的内部分成第一腔室284和第二腔室286。第一腔室284基本封闭石英晶体振荡器202，并且位于壳体250的近侧端附近。 [0137] 第二腔室286位于第一腔室284附近，并且借助于内部壁282中的贯通孔288而与第一腔室284处于流体连通。在这个实施例中，贯通孔288具有大约0.35mm的直径。但是，可按需要使用其它形状和尺寸的贯通孔。另外，如果需要，可提供多个贯通孔288。 [0138] 提供另一个贯通孔290，以使得在第二腔室286和气体缸体100的内部容积V之间能够有流体连通。与第一实施例相同，在壳体250的侧壁276中提供贯通孔290。 [0139] 在图3e中显示壳体250的第五实施例。实施例壳体250在结构上类似于第四实施例；但是，在壳体250的远侧端壁278中提供贯通孔290，并且壳体250具有较长的长度(在这个实施例中，230mm)，使得第二腔室286具有较大的内部容积。这些变型中的任一个都可应用于第五实施例。 [0140] 在图3f中显示壳体250的第六实施例。壳体250的第六实施例在结构上类似于第五实施例；但是，提供第二内壁292。第二内壁292具有形成于其中的贯通孔294，并且将壳体250的内部分成三个腔室–第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296。 [0141] 第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296与彼此处于流体连通，并且与在气体缸体100的内部且壳体250的外部处于流体连通。换句话说，石英晶体振荡器202所暴露于的气体必须按顺序以及连续地从气体缸体100的内部容积V，传送通过第三腔室296、第二腔室286到达第一腔室284，然后到达石英晶体振荡器202。 [0142] 如上面描述的壳体250的第一至第六实施例所显示的那样提供一系列腔室使得能够对气体缸体100内的对流进行气动衰减。如上面描述的那样，缸体100内的温差导致通常将在缸体中发生对流。对流以紊流的形式出现，调节密度和温度(使得ρ~1/T)，几乎不引起压力变化。 [0143] 发明人对壳体250的运行原理的理解如下。壳体250限定气体的内部容积，内部容积往往对密度和温度取平均。原则上，将没有流通过壳体250中的贯通孔，因为缺少压力变化。因此，系统将提供处于稳定压力的稳定输出，因为密度和温度在其之外改变。只有壳体250的温度改变时，测得的密度才会改变。但是，这在实践上受到限制，因为壳体250的内部内的气体体积的热质量较大。 [0144] 但是，发明人已经发现，壳体250对于例如在流从气体缸体100中抽出时所经历的压力波动有不同的响应。在这种情况下，贯通孔足够大，以至于对应的压力变化经由流体流几乎立刻传送通过贯通孔。 [0145] 已经发现，为了获得上面描述的好处，需要包括至少两个腔室的壳体250。已经发现单个腔室组件在充分隔离缸体内的对流引起的密度和温度变化方面无效。 [0146] 在图4中显示用于驱动石英晶体振荡器202的驱动电路204。驱动电路204必须满足多个特定标准。首先，本发明的石英晶体振荡器202可暴露于一系列气体压力；潜在地，压力可从大气压力(当气体缸体100是空的时候)变成大约900巴(表压)(如果气体缸体包含加压气体，诸如氢)。因而，要求石英晶体振荡器202在大范围的压力下运行(以及在不使用的时期之后重新启动)。 [0147] 因此，石英晶体振荡器202的品质(Q)因数将在使用期间有相当大的改变。Q因数是与振荡器或共振器的衰减速率有关的无量纲参数。同样，其特征可在于共振器相对于其中心频率的带宽 [0148] 大体上，振荡器的Q因数越大，相对于振荡器的存储能量的能量损失速率就越低。换句话说，Q因数大的振荡器的振荡幅度在没有外力的情况下较缓慢地减小。具有较大的Q因数的以正弦的方式驱动的共振器在共振频率下以较大的幅度共振，但围绕它们共振时所处的频率具有较小的频率带宽。 [0149] 驱动电路204必须能够驱动石英晶体振荡器202，不管Q因数如何改变。在气体缸体100中的压力增大时，石英晶体振荡器202的振荡将变得越来越受到衰减，而且Q因数将降低。降低的Q因数需要驱动电路204中的放大器提供较大的增益。但是，如果驱动电路204提供的放大作用太大，则可能难以分辨来自石英晶体振荡器202的响应。在这种情况下，驱动电路204可简单地以不相关的频率振荡，或者以石英晶体振荡器202的非基本模式的频率振荡。 [0150] 作为另一个限制，驱动电路204的功率必须低，以便在有或没有补充功率(诸如光伏电池)的情况下，用低功率的小电池工作较长时间。 [0151] 现在将参照图4来描述驱动电路204。为了驱动石英晶体振荡器202，驱动电路204实质上获得来自石英晶体振荡器202的电压信号，将它放大，并且将那个信号馈送回石英晶体振荡器202。石英晶体振荡器202的基本共振频率在实质上随石英的膨胀和收缩速率改变。这大体上由晶体的切割和大小决定。 [0152] 但是，外部因数也会影响共振频率。当产生的输出频率的能量匹配电路中的损耗时，可维持振荡。驱动电路204布置成检测和保持这个振荡频率。然后频率可由处理器测量，用来计算用户所需的气体的合适属性，并且如果需要的话，输出到适当的显示器件(如将在后面描述的那样)。 [0153] 驱动电路204由6V的电池206提供功率。电池206在这个实施例中包括锂离子电池。但是，备选功率源对本领域技术人员将是显而易见的；例如，其它电池类型(可再充电和不可再充电的)和太阳能电池组件。 [0154] 驱动电路204进一步包括复合晶体管对共射放大器210。复合晶体管对包括由两个双极NPN晶体管组成的复合结构，双极NPN晶体管构造成使得由第一晶体管放大的电流进一步被第二晶体管放大。当与单独使用各个晶体管相比时，此构造使得能够获得更大的电流增益。可使用备选的PNP双极晶体管。 [0155] 复合晶体管对210与单晶体管(T1)共射放大器212布置成反馈构造。在图4中显示NPN双极结型晶体管。但是，本领域技术人员将意识到可使用的备选晶体管组件；例如，双极结型PNP晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。 [0156] 驱动电路204包括另一个NPN发射器跟随器晶体管T2，它用作缓冲器放大器。缓冲器放大器布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。 [0157] 电容器定位成与石英晶体振荡器202串联。电容器在此示例中具有 100pF的值，并且使得驱动电路204能够在晶体已经被污染(例如被盐或其它淀积材料污染)的情形中驱动石英晶体振荡器202。 [0158] 现在将参照图5来描述备选驱动电路240。驱动电路240可用来代替上面描述的驱动电路204。与上面描述的驱动电路204相比，驱动电路240包括共漏金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)放大器242，它代替图6的电路的复合晶体管对。MOSFET 242用作高阻抗输入，这使得放大器级的输入阻抗能够匹配石英晶体振荡器202的高阻抗。换句话说，MOSFET 242提供具有高输入阻抗的单位增益，以减小石英晶体振荡器202上的电负载。 [0159] 共漏MOSFET放大器242的输出馈送到两个连续的单晶体管(Q2、Q3)共射放大器244。电阻器R6和R8对晶体管提供负反馈和偏压电流。共射放大器244提供高增益，以放大石英晶体振荡器202的振荡，而且在这个实施例中，共射放大器244包括NPN双极结型晶体管。 但是，本领域技术人员将意识到可使用的备选晶体管组件；例如，双极结型PNP晶体管或MOSFET。 [0160] 电容器246连接在石英晶体振荡器202和地线之间。电容器246在这个实施例中可运行来提高对驱动石英晶体振荡器202的驱动力。 [0161] 电阻器248与石英晶体振荡器202串联连接。电阻器248在这个实施例中具有 56 kΩ的值，并且抑制石英晶体振荡器202的振荡，以便使得电路能够在广泛范围的压力中振荡，波形仅逐步地改变。 [0162] 驱动电路240由3V的电池249提供功率。电池249在这个实施例中包括锂电池。但是，备选功率源对本领域技术人员将是显而易见的；例如，其它电池类型(可再充电和不可再充电的)和太阳能电池组件。备选地，可在DC整流和合适的电压降低之后使用干线供应组件。 [0163] 现在将参照图6来描述另一个备选驱动电路300。图6中显示的驱动电路构造成类似于皮尔斯振荡器。从数字IC时钟振荡器中了解到皮尔斯振荡器。实质上，驱动电路300包括单个数字反向器(呈晶体管的形式)T、三个电阻器R1、R2和Rs、两个电容器C1、C2和石英晶体振荡器202。 [0164] 在此组件中，石英晶体振荡器202用作高选择性滤波元件。电阻器R1用作晶体管T的负载电阻器。电阻器R2用作反馈电阻器，使反向器T偏压到在其线性运行区域中。这有效地使得反向器T能够用作高增益反向放大器。另一个电阻器RS在反向器T的输出和石英晶体振荡器202之间用来限制增益，以及抑制电路中的不合需要的振荡。 [0165] 石英晶体振荡器202以及C1和C2形成Pi网络带通滤波器。这使得在大约石英晶体振荡器的共振频率下能够有180度相移和从输出到输入的电压增益。上面描述的驱动电路300可靠且制造起来廉价，因为它包括较少构件。 [0166] 如上面论述的那样，传感器组件200可包括处理器，处理器接收来自石英晶体振荡器202和驱动电路204的输入。处理器可包括任何适当的组件，诸如专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。处理器编程成计算、显示和传输对缸体100的用户有用的参数。 [0167] 当用于石英晶体振荡器202时，处理器可构造成测量来自驱动电路204的信号的频率f或周期。这可通过下者实现：例如数固定时间里的振荡，并且使用算法或查找表将那个频率转换成密度值。这个值传送到处理器，处理器构造成基于供应的输入来执行计算，以确定气体缸体100中的气体的质量。 [0168] 处理器可以可选地设计成用于大规模生产，以在所有缸体中相同，软件和硬件中针对不同的气体实现不同特征。 [0169] 另外，处理器还可构造成通过实现待机或“睡眠”模式来最大程度地降低功率消耗，待机或“睡眠”模式可覆盖处理器和额外的构件，诸如驱动电路204和石英晶体振荡器202。 [0170] 可实现各种方案；例如，处理器在每11秒中可待机10秒。另外，处理器可控制石英晶体振荡器202和驱动电路204，使得这些构件在大多数时间都是待机的，仅每30秒才打开较需要功率的构件达1/2秒。备选地或另外，可按需要关闭通信构件(诸如天线230)，或用其启动传感器组件200。 [0171] 现在将参照图7至14来描述传感器组件200的理论和运行。 [0172] 石英晶体振荡器210具有取决于其所处流体的密度的共振频率。使振荡的音叉型平面晶体振荡器暴露于气体会使得晶体的共振频率改变和衰减(当与晶体在真空中的共振频率相比时)。这有许多原因。虽然气体对晶体的振荡有衰减作用，但在音叉晶体振荡器210的振动的叉202a附近的气体会提高振荡器的有效质量。这使得石英晶体振荡器的共振频率根据单边固定弹性梁的运动而降低： [0173] 1) [0174] 其中，f是振荡频率，f0是在真空中的振荡频率，ρ是气体密度，而M0是常数。 [0175] 密度ρ在几乎所有情况下都将小于M0，使得该公式可近似为线性方程： [0176] 2) 。 [0177] 可按照相对于f0的频率偏差Δf来重新表示方程2)，如在方程3)中陈述的那样： [0178] 3) 。 [0179] 因此，为了获得良好的近似，频率变化与石英晶体振荡器所暴露于的气体的密度变化成比例。图7显示，对于多种不同的气体/气体混合物，石英晶体振荡器210的共振频率随密度线性地改变。 [0180] 大体上，石英晶体振荡器202的灵敏度为：例如对于氧气(具有原子质量数32)，当与大气压力相比时，在250巴下有5%的频率变化。这样的压力和气体密度对于用于永久气体的存储缸体来说是典型的，对于大多数气体，压力通常介于137和450巴(表压)之间，而对于氦和氢，则高达700或900巴(表压)。 [0181] 石英晶体振荡器202特别适合用作形成用于商业供应的气体的密度传感器。第一，为了精确地感测气体的密度，气体必须没有灰尘和液滴，这由商业供应的气体保证，但对于空气或者一般的压力监测情形就无法保证。 [0182] 第二，因为缸体内的气体压力在正确使用期间(即，在气体通过出口110排出时)仅可缓慢地改变，所以石英晶体振荡器202花少量时间(大约1秒)获取读数不会影响测量的精确性。需要大约1秒的时期，因为需要数振荡，而且因为需要石英晶体振荡器202在新的气体压力下达到平衡。 [0183] 如果气体缸体100中的气体不均匀–例如，如果气体是不均匀的混合物，诸如可在部分地填充有液体的缸体内出现的那样，或者在新近制备好且混合不充分的轻质和重质气体的混合物的情况下可出现的那样，此方法可能没有那么精确。但是，这在大多数封装气体应用中不太可能出现。 [0184] 如前面描述的那样，气体缸体100的气体的内部体积V是固定的。因此，一旦根据传感器组件200所作的测量获得气体缸体100的内部容积V内的气体的密度ρ，则可根据以下方程，获得缸体中的气体的质量M： [0185] 4) 。 [0186] 因此直接测量气体的密度ρ，使得能够计算气体缸体100中剩余的气体的质量。 [0187] 照这样测量气体的质量有多个优于已知组件的优点。例如，针对温度来固有地校正根据本发明的实施例测得的质量。相比之下，使用例如布尔登压力计所测得的压力随绝对温度成比例地改变。因此，本组件不需要温度测量和/或校正，而已知组件则需要。 [0188] 另外，针对可压缩性Z来固有地校正根据本发明的实施例测得的气体的质量。在例如使用布尔登压力计来根据压力获得气体含量的传统组件中，需要校正气体的可压缩性Z。这在高压下是特别重要的，其中，可压缩性Z不像对理想气体所期望的那样与气体压力成比例。 [0189] 参照图8和9示出可压缩性的自动补偿。图8针对氩、氧和氩:二氧化碳混合物显示Y轴上的气体质量(单位为kg)随压力(巴(表压))改变的曲线图。如图8中显示的那样，不同的气体的质量随着压力提高而改变。另外，在超过250巴(表压)的高压下，质量和压力之间不再存在线性关系。 [0190] 图9针对与图8相同的三种气体(氩、氧和氩:二氧化碳混合物)显示Y轴上的气体质量(单位为kg)随密度(单位为kg/m3)改变的曲线图。与图8相比，可看到气体的质量随密度的改变对于各个气体/气体混合物是相同的。另外，在高密度下，关系仍然是线性的。因此，石英晶体振荡器202可具有高分辨率，而且与密度的关系是高度线性的。 [0191] 如上面略述的那样，本发明的组件使得能够使得能够以非常高的精度测量质量，分辨率为百万分之一。与石英密度传感器在高密度和压力下的线性响应结合(如图8和9中示出的那样)，高精度使得能够精确地测量非常轻的气体，诸如H2和He。 [0192] 在许多实际情形中，测量进入或来自气体缸体100的质量流量是重要的。这对于以下情形可为有用的：需要来自气体缸体100的气体的使用速率来(例如)计算缸体变空之前所剩的时间。备选地或另外，可监测质量流量，以便管理确切的气体量。 [0193] 在大气压力下的气体密度仅为大约1克/升，而正常的气体使用速率通常为仅仅几升每分钟。发明人已经发现，石英晶体振荡器202足够稳定和精确，以使得能够借助于指示的密度变化来测量离开气体缸体100的气体的质量流量。根据方程5)来计算质量流量 ： [0194] 5) [0195] 其中，V是容积，Δρ是在时间间隔Δt内指示的密度变化。在这种情况下，传感器组件200的运行需要驱动电路204对石英晶体振荡器202的多个振荡循环积分。 [0196] 因此，不可能获得密度随时间的即时变化速率 。但是，密度随时间的变化速率在正常运行下在气体缸体100中较小。因此，使用传感器组件200所获得的测量在正常使用中是足够准确的。 [0197] 图10和11示出质量流量检测的实验数据。图10针对来自处于指示的~100巴压力的50升缸体的12升每分钟流率显示Y轴上的频率(kHz)随X轴上的时间(单位为分钟)改变的曲线图。图11针对处于~100巴压力的50升缸体显示Y轴上的计算流率(单位为升每分钟)随X轴上的时间(单位为分钟)改变的曲线图。 [0198] 这些图示出，对于大多数正常使用，可根据密度随时间改变的测量值来确定来自气体缸体100的气体的质量流率。因此，可使用石英晶体振荡器202和驱动电路204，以足够的精度和时间分辨率来计算质量流率。 [0199] 图12示出显示本发明的运行的另一个实验数据。图12显示Y轴上的频率(单位为kHz)随X轴上的总缸体质量(单位为kg)改变的曲线图。如可看到的那样，在较高的精度上，曲线图为大致线性的。因此，图12显示，可用石英晶体振荡器202测量精确地气体缸体100内的气体的质量。 [0200] 但是，如上面描述的那样，当流从缸体中抽出时，缸体的顶部可能变得比缸体的其余部分显著更冷，从而在缸体内产生强烈的对流。图13显示对流对来自缸体(从中抽气体流达10分钟)的气体流量的测量的影响。 [0201] 在实验设置中，省略了壳体250，并且石英晶体振荡器202位于气体缸体100的内部中未被覆盖，而且直接暴露于缸体100中的气体。 [0202] 可从图13看出，对流在流停止之后对流信号产生相当大的噪声。Y轴以升/分钟除以2为单位显示流量，而X轴为时间，每秒一个数据点。对流引起的噪声水平表示可能检测到错误流率，而且可收集到很少有意义的信息。特别地，噪声波动可导致流率的测量误差在+10升/分钟和-10升/分钟之间振荡。显然这对于精确的商业用途是不可接受的。 [0203] 图14示出类似的测量。但是，在这种情况下，实验组件包括第一实施例的壳体250，其位于石英晶体振荡器202周围，以用作气动减振器。如图14中显示的那样，当阀打开且气体流动时(以大约12升/分钟的流率)，以及当阀关闭时，数据比图13中显示的测量展现小得多的噪声。 [0204] 如显示的那样，根据本发明的实施例的壳体250显著地减小缸体100内的对流引起的数据噪声(以及产生的测量误差)。 [0205] 发明人已经发现，单独使用电子滤波无法实现这个噪声减小。例如，虽然应用RC滤波器或指数数字滤波器会使信号有所平滑，已经通过实验发现，为了获得合意的结果，需要大约30秒的时间常数。对于大多数典型的商业应用，这个缓慢的响应时间是不可接受的。 [0206] 但是，已经发现，壳体250(其显著地减小对流引起的噪声)和电子滤波的结合可提供良好的结果。由于通过使用壳体250而显著地减小了噪声，所以可提供电子滤波，它对较短的时时期取平均，从而改进响应。 [0207] 使用方程6)的公式，应用指数平均模型： [0208] 6) [0209] 其中， 是之前计算的 值(或平均值)， 是当前记录的 值，而γ是指数衰变常数(0至<1)。 [0210] 但是，指数滤波会对报告的值引入时滞。可使用方程7)来计算这个延迟： [0211] 7) [0212] 其中， 是读数之间的时间段。 [0213] 图15显示实验测量，其显示衰变常数γ为0.9的滤波的作用。可清楚地看到，滤波器具有使信号的噪声进一步平滑的作用。 [0214] 下面的表1显示对根据本发明的实施例的壳体组件所作的测量的总结。如下面显示的那样，使用壳体250的各种实施例会使缸体100内的对流引起的噪声的减小有大幅度改进。另外，数值滤波甚至可进一步减少流传播(即，测量到流量由于测量信号上的噪声而引起的变化)。但是，数值平均是以响应时间为代价的。因此，实际上需要折衷。 [0215] [0216] 表1 [0217] 现在将参照图16来描述根据本发明的实施例的方法。下面描述的方法可应用于上面描述的各个实施例。 [0218] 步骤400：开始测量 [0219] 在步骤400处，开始测量气体缸体100中的气体的质量。例如这可由用户按压气体缸体100的外部上的按钮来启动。备选地，可借助于远程连接来开始测量，例如，在无线网络上传输且由传感器组件200通过天线230(参见图2)接收的信号。 [0220] 作为另一个备选方案或添加方案，传感器组件200可构造成远程地开始或按定时器开始。方法前进到步骤402。 [0221] 在步骤402处：驱动石英晶体振荡器 [0222] 一旦开始，驱动电路204用来驱动石英晶体振荡器202。在开始期间，驱动电路204在晶体210上应用随机噪声AC电压。该随机电压的至少一部分将处于适合使晶体振荡器202振荡的频率。然后晶体振荡器202将开始与那个信号同步地振荡。 [0223] 借助于压电效应，石英晶体振荡器202的运动然后将在石英晶体振荡器202的共振频带中产生电压。然后驱动电路204放大由石英晶体振荡器202产生的信号，使得在石英晶体振荡器202的频带中产生的信号主导驱动电路204的输出。石英晶体的狭窄共振频带会过滤掉所有不合需要的频率，并且驱动电路204然后以基本共振频率f驱动石英晶体振荡器202。一旦石英晶体振荡器202已经在特定共振频率处稳定，方法就前进到步骤404。 [0224] 步骤404：测量石英晶体振荡器的共振频率 [0225] 共振频率f取决于气体缸体的内部容积V内的条件。在本实施例中，共振频率变化Δf在幅度上与气体缸体100内的气体的密度变化成比例，并且将随密度增大而减小。 [0226] 为了进行测量，在大约1秒的时期内测量石英晶体振荡器202的频率。这使得能够使读数稳定，以及数到足够的振荡，以便确定精确的测量。在处理器中进行频率测量。处理器230还可记录测量开始时的时间T1。 [0227] 石英晶体振荡器202位于前面描述的一个实施例的壳体250内。因此，在测量时期期间，壳体250保护石英晶体振荡器202免受由于缸体100内的对流而引起的密度和温度变化的影响。此情形可在例如气体已经从缸体100中抽出达预定时期且缸体100的顶部较冷时出现。 [0228] 一旦已经测量了频率，方法就前进到步骤406。 [0229] 步骤406：确定气体缸体中的气体的质量 [0230] 一旦已经在步骤404中满意地测量了石英晶体振荡器202的频率，处理器然后计算气体缸体100中的气体的质量。 [0231] 使用上面的方程5)来实现这一点，其中，可根据步骤404中确定的密度和气体缸体100的已知内部容积V，来直接计算气体的质量。然后方法前进到步骤408。 [0232] 步骤408：存储测量结果 [0233] 一旦计算了气体的质量，质量就可简单地记录在与传感器组件200的处理器相关联的内部存储器中供今后检索。作为又一个备选方案，在时间T1时的气体的质量可存储在所述处理器本地的存储器中。 [0234] 然后方法前进到步骤410。 [0235] 步骤410：传送结果 [0236] 作为可选步骤，可用多种方式显示气体的质量。例如，附连到气体缸体100或阀104上的屏幕可显示容纳气体缸体100内的气体的质量。在备选方案中，气体的质量测量值可远程地传送到基站或者位于相邻配件上的量计。 [0237] 然后方法前进到步骤412。 [0238] 步骤412：对传感器组件断电 [0239] 不必使传感器组件200时刻保持工作。相反，通过在不使用时关闭传感器组件200来减少功率消耗是有益的。这会延长电池206的寿命。 [0240] 驱动电路204的构造使得石英晶体振荡器202能够重新启动，而不管气体缸体100中的气体压力如何。因此，传感器组件200可在需要时关闭，以便节约电池功率。 [0241] 上面描述的方法与对缸体100的含量的单次测量有关。虽然本发明的壳体250布置成屏蔽会最明显地影响质量流量测量的对流，但是壳体250还将协助进行稳态含量测量(即，单次测量)。这是因为用户可能需要在抽出特定流之后对缸体100的真实含量进行稳态测量，使得可确定剩余的气体质量。 [0242] 但是，在流已经抽出之后，缸体100的顶部可比其剩余部分更冷，从而在缸体100内产生对流。壳体250使得能够精确地测量真实的质量含量，而不管缸体100内的对流如何。这会提高稳态测量的精度和速度。 [0243] 已经参照上面的步骤400至412在上面关于稳态测量来描述了本发明的实施例的运行方法。但是，还可以可选地进行以下额外的步骤，以便测量来自缸体100的质量流量： [0244] 步骤414-418：进一步确定质量 [0245] 可能想要计算通往/来自气体缸体100气体的质量流量。在时间T2(比T1更晚)，执行步骤414、416和418。步骤414、416和418对应于分别在时间T2执行的步骤404、406和408。来自步骤414、416和418的最终值存储在处理器的内部存储器中，作为时间T2时的气体的质量。 [0246] T1和T2之间的时间间隔可能非常短，大约几秒，如图9示出的那样。备选地，如果流率慢，或者如果想要测量气体缸体100内的由于例如泄漏引起的损失，则T1和T2之间的时间间隔可相当大；例如，大约几分钟、几小时或几天。 [0247] 然后方法前进到步骤420。 [0248] 步骤420：应用数值滤波 [0249] 如上面描述的那样，此步骤是可选的。可在需要精确性高的流率，但测量设备的响应时间不那么重要的情形下选择数值滤波。例如当在较长的时期里测量低流率时可发生这种情形。 [0250] 如果选择数值滤波，则它可由形成处理器的一部分的专用计算硬件执行，或者备选地可被编码在处理器上运行的软件中。 [0251] 如上面描述的那样，数值滤波可包括指数滤波，指数滤波使用在步骤406中得到(以及在步骤408中存储)的测量值以及在步骤416中得到(以及在步骤418中存储)的测量值。 [0252] 然后方法前进到步骤422。 [0253] 步骤422：计算质量流量 [0254] 由于已知时间T1和T2之间的时间差，以及在那些时间在气体缸体100中的气体的质量，所以处理器可根据方程6)计算在时间T1和T2之间的时期中的质量流量。 [0255] 然后方法可重复执行步骤414至420，以计算另一个质量流量，如果需要的话。备选地，方法可移到步骤412，并且可对传感器组件200断电。 [0256] 以上实施例的变型对本领域技术人员将是显而易见的。硬件和软件构件的确切构造可有所不同，但它们仍然落在本发明的范围内。本领域技术人员将容易地意识到可使用的备选构造。 [0257] 例如，上面描述的实施例使用了具有32.768kHz的基本频率的石英晶体振荡器。但是，可使用以备选频率运行的晶体。例如，以60kHz和100kHz运行的石英晶体振荡器可用于上面描述的实施例。在图17中针对不同晶体显示了显示频率随密度改变的曲线图。作为另一个示例，可使用以1.8kHz的频率运行的晶体振荡器。 [0258] 较高频率的运行使得能够较频繁地监测压力，因为需要较短时段来对给定数量的循环取样。另外，较高频率的晶体使得能够在晶体的“睡眠”模式中使用较少工作循环。以说明的方式，在大多数情况下，晶体和驱动电路将在多数时间关闭，仅打开一会儿或在需要测量时才打开一会儿。这可例如一分钟进行一次。当使用较高频率的晶体时，可较快速地测量压力。因此，可减少晶体运行的时间。这可降低功率消耗，并且同时增加电池寿命。 [0259] 另外，已经通过测量石英晶体振荡器的绝对频率来描述了以上实施例。但是，在结合在与气体缸体相关联的调整器中的独立的电子器件中，通过比较那个频率与相同类型但密封在真空或压力包装体中的基准晶体来测量传感器的频率转移可为有利的。压力包装体可容纳处于选定密度的气体、在大气条件下的气体，或者可通往气体缸体100外部的大气。 [0260] 在图18中显示适当的传感器组件500。传感器组件500包括第一石英晶体振荡器502和第二石英晶体振荡器504。第一石英晶体振荡器502是位于处于真空的密封容器506内的基准晶体。第一石英晶体振荡器502由驱动电路508驱动。 [0261] 第二石英晶体振荡器504是类似于前面的实施例中描述的晶体振荡器202的晶体。第二石英晶体振荡器504暴露于气体缸体100的内部容积内的气体环境。第二石英晶体振荡器504由驱动电路510驱动。 [0262] 可使用电子混合器电路来进行这个比较，电子混合器电路结合两个频率信号，并且产生处于等于两个晶体之间的差的频率的输出。此组件使得能够消除例如温度引起的小变化。 [0263] 另外，可简化在气体缸体100中使用的电路，因为仅需要测量频率差。另外，此方法特别适合用于高频率(MHz)晶体振荡器，其中，可能难以直接测量晶体频率。 [0264] 另外，测量和显示密度、质量或质量流量所需的所有电子器件不必都安装在气体缸体上或安装在其中。例如，电子功能可在永久地安装在缸体上的单元和安装在顾客使用站上或临时安装在缸体的出口(诸如通常用于传统的流量量计的位置)上的单元之间分割。 [0265] 参照图19来显示这个组件的示例。该组件包括气体缸体组件50，其包括气体缸体600和传感器组件602。气体缸体组件50、气体缸体600和传感器组件602基本类似于基本参照前面的实施例在前面描述的那样的气体缸体组件10、气体缸体100和传感器组件200。 [0266] 在这个实施例中，传感器组件602包括石英晶体振荡器和驱动电路(未显示)，其类似于前面的实施例的石英晶体振荡器202和驱动电路204。提供天线604，以通过任何适当的远程通信协议进行通信；例如蓝牙、红外(IR)或RFID。备选地，可利用单线通信。 [0267] 作为另一个备选方案，可使用声学通信方法。这样的方法的优点在于，可在不需要外部天线的情况下实现远程通信。 [0268] 连接管606连接到气体缸体600的出口上。连接管由快速连接连接件608终止。快速连接连接件608使得连接管道系统或构件能够轻易且快速地连接到气体缸体600上，以及轻易且快速地与其断开。 [0269] 提供快速连接单元650，以连接到气体缸体600上。提供互补的快速连接连接器610，以连接到连接件608上。另外，对快速连接单元650提供数据单元652。数据单元652包括显示器654和用于与气体缸体组件50的天线604通信的天线656。显示器654可包括例如电子墨水显示器，以最大程度地减少功率消耗，以及最大程度地提高显示器的可见性。 [0270] 数据单元652可记录由气体缸体组件50的传感器组件602测得的各种参数。例如，数据单元652可记录流率与时间的关系。这种记录例如对于想要检查气体流的存在以及在关键构件上的冗长的气体焊接过程期间进行校正的焊接承包人可为有用的，或者可用于供应关于特定顾客的使用量的数据。 [0271] 另外，从气体缸体600获得的数据可用来提供关于剩余时间的数据，即，在缸体600中的气体用尽之前的时间。这对于诸如在各医院之间运送患者时使用的医用氧气缸体的应用中是特别关键的。可根据流率(在上面论述)、缸体600的质量含量和当前时间(Tc)，经由以下方程8)，来计算这种时间(Tro)： [0272] 8) 。 [0273] 备选地，来自数据单元652的数据可输出到计算机实现的焊接机(用于焊接应用)或其它使用气体的装备，以允许计算推导的参数以及警报消息。其非穷尽性示例可为：每单位电弧时间所使用的气体、每公斤焊接线材所使用的气体(例如，利用关于焊接孔隙率的警告)、标准大小的气球的数量(或者为了测量和校准非标准大小的气球)、剩余的焊接小时数、显示压力(通过使用已知气体数据，将测得的密度值转换成压力)。 [0274] 另外，数据单元652可布置成提供以下功能：如果气体水平低于某个水平或流率，则提供可听或可见警报；输出缸体工作寿命(例如对于缓慢改变的混合物)或缸体期满日期；容纳和显示关于气体使用的数据，即，哪种焊接类型、焊接哪类金属，或者提供链接，使得移动电话或计算机可获得详细数据；提供多模式运行，例如供应商/填充商模式和顾客模式；根据再次填充缸体的气体公司所显示的，对顾客显示不同的量；允许输入数据；提供数据，诸如缸体数量、气体类型、分析证书、顾客历史(谁在何时拥有缸体)，在缸体上可带有呈简要形式的安全数据和工作提示。 [0275] 作为备选方案，可以可选地在完全位于气体缸体600上(或位于其内)的系统中处理、存储或获得所有以上示例，如关于传感器组件200，602所论述的那样。 [0276] 另外，本发明的实施例还可用来执行泄漏检测。石英晶体振荡器特别适合这个任务，因为这种传感器的灵敏度非常高。另外，石英晶体振荡器不会由于缸体的温度改变而错误地读取压力变化，在使用压力计感测泄漏时是这样。另外，本发明实施例可用来检测失效，例如，检测残余压力阀的失效(例如在压力低于3巴(表压)的用过的缸体中)。 [0277] 虽然已经参照石英晶体振荡器的使用来描述以上实施例，但本领域技术人员将容易地意识到，还可使用备选的压电材料。例如，非穷尽性列表可包括包含下者的晶体振荡器：钽酸锂、铌酸锂、硼酸锂、块磷铝矿、砷化镓、焦硼酸锂、正磷酸铝、锗酸铋、多晶钛酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅-锌氧化物复合材料或酒石酸二钾。 [0278] 另外，虽然已经参照气体缸体来示出以上实施例，但可使用本发明的其它应用。例如，石英晶体振荡器可位于车辆(诸如汽车、摩托车或卡车)的轮胎内。虽然车辆轮胎的形状可在负载或速度下改变，但本申请的发明人已经展示，轮胎的内部容积在使用中不会有显著改变。例如，只要内部容积在此语境中的改变小于总内部容积的2-3%，本发明就可以可靠地运行来计算车辆轮胎内的气体的质量。 [0279] 另外，虽然许多应用都使用空气作为车辆轮胎内的气体，但越来越多地使用诸如氮的气体。本发明的组件特别适合这样的应用。另外，因为质量测量基本上不依赖于温度，所以本发明的组件在环境条件可影响测量的情形中特别有用。 [0280] 作为另一个示例，本发明还可应用于车辆的空气悬挂系统。 [0281] 已经特别地参照示出的示例来描述了本发明的实施例。虽然在图中显示以及在本文详细描述了具体示例，但应当理解的是，图和详细描述不意于使本发明局限于公开的特定形式。将理解的是，可在本发明的范围内对描述的示例作出变型和修改。 |
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