用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 本发明涉及用于测量受压气体的缸体的真实含量的方法和设备。更特别地，本发 明涉及用于使用压电振荡器和防护壳体来精确地测量气体的缸体的真实含量或真实含量 的变化速率的方法和设备。
【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 �。浇细叱杀镜挠τ茫钊缋酶叽慷扔懈葱�、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°C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°c的初始温度到例如在太阳照射的环境中的50°C，布尔登压力计 上指示的压力将增大10%。
[0010] 额外的问题在于，为了使用压力测量值来确定缸体的含量，需要针对气体的可压 缩性，校正压力计。这由于处于高压的气体的特性与理想气体的特性不一致而变得复杂。 [0011] 用来测量气体的物理属性的备选类型的装置是压电装置，诸如石英晶体。石英晶 体展现压电特性，即，对它们应用电压会使固体略微压缩或伸展，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。3^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°c，而且甚至高 达30°C。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P~l/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。
[0052] 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。
[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。
[0068] 根据本发明的第五实施例，提供一种可由可编程的处理设备执行的计算机程序产 品，它包括用于执行第三方面的步骤的一个或多个软件部分。
[0069] 根据本发明的第六实施例，提供一种计算机可用的存储介质，其上存储有根据第 五方面的计算机程序产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0070] 现在将参照附图来详细地描述本发明的实施例，其中： 图1是气体缸体组件的示意图； 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； 图3a是显示图2的实施例的传感器组件的壳体的示意图； 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； 图4是用于本发明的实施例的驱动电路的示意图； 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； 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； 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； 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X轴上 的压力（巴（表压））改变的曲线图； 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 的气体质量（单位为kg)随X轴上的密度（单位为kg/m3)改变的曲线图； 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； 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； 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； 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； 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； 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； 图16是示出根据描述的实施例的方法的流程图； 图17显示不同晶体类型的频率特性的曲线图； 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 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】
[0071] 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。
[0072] 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。
[0073] 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）。
[0074] 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1〇〇的内部容积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。
[0075] 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）。
[0076] 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）。
[0077] 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。
[0078] 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。
[0079] 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220 (未在图2中显示），或者提供处理器220作为驱动电路204的一部分。这 将在后面描述。
[0080] 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220,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。
[0081] 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。
[0082] 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。
[0083] 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）。
[0084] 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。
[0085] 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1〇〇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。
[0086] 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。
[0087] 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。
[0088] 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。
[0089] 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。
[0090] 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220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。
[0091] 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。
[0092] 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。
[0093] 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。
[0094] 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。
[0095] 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。
[0096] 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。
[0097] 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。
[0098] 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 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。
[0099] 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。 [0100] 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�。渲校詹阈纬捎诰迳希⑶以谄� 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。
[0101] 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 210a (图3a)，在本实施例中，叉210a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。
[0102] 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。
[0103] 通�？捎媒系偷某杀净竦谜庋氖⒕�。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。
[0104] 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。
[0105] 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。
[0106] 第一壳体部分254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。
[0107] 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。
[0108] 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0.35_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。
[0109] 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。
[0110] 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。
[0111] 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。
[0112] 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。
[0113] 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。
[0114] 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。
[0115] 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。
[0116] 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。
[0117] 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。 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。
[0118] 在图3e中显不壳体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。
[0119] 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。
[0120] 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。
[0121] 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P~l/T)，几乎 不引起压力变化。
[0122] 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。
[0123] 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。
[0124] 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。
[0125] 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）。
[0126] 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 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。
[0127] 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。
[0128] 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。
[0129] 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。
[0130] 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220 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）。
[0131] 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。
[0132] 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。
[0133] 复合晶体管对210与单晶体管（1\)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（M0SFET)。
[0134] 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214。 缓冲器放大器214布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。
[0135] 电容器216定位成与石英晶体振荡器202串联。电容器216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。
[0136] 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（M0SFET)放大器242,它代替图6的电路的复合晶体管对。M0SFET 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，M0SFET 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。
[0137] 共漏M0SFET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 M0SFET。
[0138] 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。
[0139] 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 kQ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。
[0140] 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。
[0141] 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1C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Rp R2和Rs、两个电容器Q、C2和石 英晶体振荡器202。
[0142] 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&用作晶体管 T的负载电阻器。电阻器&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R s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。
[0143] 石英晶体振荡器202以及Q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。
[0144] 如上面论述的那样，传感器组件200可包括处理器220,处理器220接收来自石英 晶体振荡器202和驱动电路204的输入。处理器220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220编程成计算、显示和传输对缸体100的 用户有用的参数。
[0145] 当用于石英晶体振荡器202时，处理器220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220,处理器220构造成基于供应的输入来 执行计算，以确定气体缸体1〇〇中的气体的质量。
[0146] 处理器220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。
[0147] 另外，处理器220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220和额外的构件，诸如驱动电路204和石英晶体 振荡器202。
[0148] 可实现各种方案；例如，处理器220在每11秒中可待机10秒。另外，处理器220 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。
[0149] 现在将参照图7至14来描述传感器组件200的理论和运行。
[0150] 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210a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： 1)
【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；用于浸入所述气体缸体内的气体中的压电振荡器；以及驱动电路，其可运行来驱动所 述压电振荡器，使得所述压电振荡器以共振频率共振，所述传感器组件布置成根据所述压 电振荡器在浸入所述气体中时的共振频率来确定所述气体缸体内的气体的密度，其中，在 使用中，所述壳体位于所述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，所 述第一腔室与所述第二腔室处于流体连通，并且所述第一腔室基本封闭所述压电振荡器， 而所述第二腔室则与所述气体缸体的内部处于流体连通。
2. 根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器组件进一步包括处理 器，所述处理器布置成根据密度测量值和所述气体缸体的内部容积来确定所述气体缸体内 的气体的质量。
3. 根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述处理器进一步布置成：以离 散的时间间隔对所述气体缸体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，来确定在所述离散的时间间隔期间通往/来自所述气体缸体的气体的 质量流量。
4. 根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述处理器布置成将所述离散的 时间间隔限定为大约几秒钟。
5. 根据权利要求3或4所述的传感器组件，其特征在于，所述处理器布置成对所述测 量值应用数值滤波。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的传感器组件，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间能够有流体连通，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气体缸体的内部 容积之间能够有流体连通。
7. 根据权利要求6所述的传感器组件，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. 根据权利要求7所述的传感器组件，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. 根据前述权利要求中的任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述壳体基本为圆 柱形。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述壳体具有 230mm或更小的长度。
11. 根据权利要求10所述的传感器组件，其特征在于，所述壳体具有80_或更小的长 度。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述压电振荡器 包括石英晶体振荡器。
13. -种用于容纳受压气体的气体缸体，所述气体缸体： 气体缸体本体，其限定固定内部容积； 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所述气体缸 体填充气体，或者从所述气体缸体中分配气体；以及 权利要求1至12中的任一项所述的传感器组件。
14.根据权利要求13所述的气体缸体，其特征在于，所述传感器组件完全位于所述气 体缸体的固定内部容积内。
【文档编号】G01N9/00GK104303039SQ201380026598
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】N.A.道尼, C.M.卢迪克 申请人:气体产品与化学公司
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