用于测量气体的流率的方法和设备的制作方法
【专利摘要】提供一种用于测量沿着导管的气体的流率的量计，量计包括传感器组件，传感器组件包括压电晶体振荡器，压电晶体振荡器包括两个平叉，当使用量计时，平叉接触所述气体流，并且延伸到所述气体流中，所述传感器组件布置成：测量由所述压电振荡器的平叉在沿着导管的气体流中的运动产生的电压；以及根据产生的电压来确定沿着所述导管的气体的流率。
【专利说明】用于测量气体的流率的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于测量气体的流率的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于使用 压电振荡器来测量气体流量的方法和设备。
【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 流体的系统，诸如例如，高压缸体中的流体供应或利用高压流体的制造装置。本发明尤其涉 及"清洁"气体，即，很少或没有杂质或污染物（诸如水蒸气或灰尘）的气体。
[0003] 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）（其中，巴（表压）是高于大气压力的压力的度量）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。
[0004] 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] 压缩气体缸体是设计成容纳处于高压（即，显著大于大气压力的压力）的气体的 压力器皿。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�。揭搅剖谐。� 到较高成本的应用，诸如利用高纯度有腐蚀性、有毒或自燃特性的气体的电子制造。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），而对于诸如氢和氦的气体，最高填充压力则 闻达900巴（表压）。
[0006] 为了有效且可控制地从气体缸体或其它压力器皿中分配气体，需要阀或调整器。 通常将阀或调整器组合起来形成具有一体压力调整器的阀（VIPR)。调整器能够调整气体的 流量，使得气体以恒定压力或用户可变的压力分配。
[0007] 对于许多应用，了解来自气体缸体的气体的流率是合乎需要的。这对于许多应用 可为关键的；例如医疗应用。已经了解多种不同的质量流量量计组件。
[0008] 在许多工业应用中常用的一类质量流量量计是机械质量流量量计。这样的量计包 括运动或旋转以测量质量流量的机械构件。一个这种类型是惯性流量量计（或科里奥利流 量量计），其通过影响成形管上的流体来测量流体流量。科里奥利量计可以高精确性处理大 范围的流率。但是，为了检测流率，需要复杂的系统，诸如促动特征、感测特征、电子特征和 计算特征。
[0009] 备选的机械型质量流量量计是膜片量计、旋转量计和涡轮量计。但是，这些类型的 量计一般没那么精确，而且包括活动部件，活动部件可经受磨损。另外，量计（诸如旋转量 计）仅可用于测量较低的流率。
[0010] 一类备选的质量流量量计是电子流量量计。两个主要类型是热量计和超声量计。 热流量量计测量通过经加热管的热传递，以测量流率。超声流量量计测量声音在气态介质 中的速度，有时对管内的多个路径取声音的平均速度。但是，这两种类型的电子流量量计一 般都需要重要的信号处理硬件，而且它们一般是高成本物品。
[0011] 另一种已知类型的气体流量传感器是测量经过流中的小阻碍的流的噪声的传感 器。K.S. Rabbani 等人的 "A Novel Gas Flow Sensor Based on Sound Generated by Turbulence (基于由紊流产生的声音的新颖气体流量传感器）"（加拿大渥太华IEEE仪器 和测量技术会议，1997年5月19-21)公开了一种流量传感器，它包括置于阻碍部后面的话 筒。话筒提供电输出，针对流率来调节和校准该电输出。但是，这种组件的缺点在于，外部 噪声和/或振动可影响测量。
【发明内容】
[0012] 根据本发明的第一方面，提供一种测量沿着导管的气体的流率的方法，方法包括： a)定位延伸到导管中且接触气体的压电振荡器，所述压电振荡器包括两个平行平叉，平叉 布置成响应于沿着导管的气体流而振荡；b)测量由压电振荡器的平叉在沿着导管的气体 流中的振荡运动产生的电压的幅度；以及c)根据产生的电压的幅度来确定沿着所述导管 的气体的流率。
[0013] 根据实施例，提供一种测量沿着导管的气体的流率的方法，方法包括：a)定位延 伸到导管中且接触气体的压电振荡器，所述压电振荡器包括两个平叉；b)测量由压电振荡 器的平叉在沿着导管的气体流中的运动产生的电压；以及c)根据产生的电压来确定沿着 所述导管的气体的流率。
[0014] 在一个实施例中，步骤a)包括将压电振荡器的平叉定位成基本垂直于气体流。
[0015] 在一个实施例中，步骤b)进一步包括放大由压电振荡器产生的电压。
[0016] 在一个实施例中，步骤c)进一步包括计算经放大的电压的立方根，以确定气体的 流率。
[0017] 在一个实施例中，所述平叉布置成以大约32 kHz或更高的频率振荡。
[0018] 在一个实施例中，压电振荡器包括石英晶体振荡器。
[0019] 在一个实施例中，方法进一步包括以下步骤：d)根据压电振荡器的共振频率，确 定气体的密度。
[0020] 在一个实施例中，步骤d)进一步包括e)以共振频率驱动压电振荡器。
[0021] 根据本发明的第二方面，提供一种用于测量沿着导管的气体的流率的量计，量计 包括传感器组件，传感器组件包括压电晶体振荡器，压电晶体振荡器包括两个平行平叉，当 使用量计时，平叉接触所述气体流、延伸到所述气体流中，并且布置成响应于所述气体流而 振荡，所述传感器组件布置成：测量由压电振荡器的平叉在沿着导管的气体流中的振荡运 动产生的电压的幅度；以及根据产生的电压的幅度，确定沿着所述导管的气体的流率。
[0022] 根据实施例，提供一种用于测量沿着导管的气体的流率的量计，量计包括传感器 组件，传感器组件包括压电晶体振荡器，压电晶体振荡器包括两个平叉，当使用量计时，平 叉接触所述气体流，并且延伸到所述气体流中，所述传感器组件布置成：测量由压电振荡器 的平叉在沿着导管的气体流中的运动产生的电压；以及根据产生的电压，确定沿着所述导 管的气体的流率。
[0023] 在一个实施例中，压电振荡器的平叉布置成基本垂直于气体流。
[0024] 在一个实施例中，传感器组件进一步包括用于放大由压电振荡器产生的电压的放 大器。
[0025] 在一个实施例中，传感器组件可运行来计算经放大的电压的立方根，以确定气体 的流率。
[0026] 在一个实施例中，传感器组件进一步可运行来根据压电振荡器在气体流中的共振 频率，确定气体的密度。
[0027] 在一个实施例中，量计进一步包括驱动电路，其中，驱动电路可运行来以共振频率 驱动压电振荡器。
[0028] 在一个实施例中，所述平叉布置成以大约32kHz或更高的频率振荡。
[0029] 在一个实施例中，压电振荡器包括石英晶体振荡器。
[0030] 在实施例中，石英晶体经AT切割或SC切割。
[0031] 在一个变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。
[0032] 在一个实施例中，传感器组件包括功率源。在一个组件中，功率源包括锂电池。
[0033] 在一个实施例中，传感器组件包括处理器。
[0034] 在一个组件中，量计布置在压力调整器或阀的下游。
[0035] 在另一个组件中，量计布置成响应于测得的通过限流孔的质量流率，以电子的方 式控制压力调整器或阀。
[0036] 根据本发明的第三实施例，提供一种可由可编程处理设备执行的计算机程序产 品，其包括用于执行第一方面的步骤的一个或多个软件部分。
[0037] 根据本发明的第四实施例，提供一种计算机可用的存储介质，其具有根据第四方 面的存储在其上的计算机程序产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 现在将参照附图来详细地描述本发明的实施例，其中： 图1是气体缸体和调整器组件的示意图； 图2是显示根据本发明的第一实施例的调整器组件和量计的示意图； 图3是显示根据本发明的第二实施例的调整器组件和量计的示意图； 图4是显示根据流率（升/分钟）改变的Y轴上的噪声电压（mV)的曲线图； 图5显示根据流率（升/分钟）改变的Y轴上的噪声电压的立方根的曲线图； 图6显示根据时间（秒）改变的Y轴上的噪声电压（mV)的曲线图； 图7显示用于测量气体流量和密度两者的电子放大器电路的示意图； 图8是示出根据描述的实施例的方法的流程图；以及 图9显示使用远程电子数据单元的备选组件。
【具体实施方式】
[0039] 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。图1显示其中可使 用本发明的情形的示意图。提供气体缸体100、调整器150和量计200。
[0040] 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 形的压力器皿，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使得气体缸体组件10能够在不受支 承的情况下直立在平坦表面上。
[0041] 气体缸体本体102由钢、铝和/或复合材料形成，并且适于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）。
[0042] 气体缸体100限定具有内部容积V的压力器皿。任何适当的流体都可容纳在气体 缸体100内。但是，本实施例涉及（但不专门局限于）纯化永久气体，其没有杂质，诸如灰 尘和/或水分。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、氪或氖。
[0043] 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）。在此情形中，可省略调整器150。
[0044] 阀本体112可借助于可抓持把手116的旋转，沿轴向调节向或调节远离阀座114， 以选择性地打开或关闭出口 110。换句话说，阀本体112运动向或运动远离阀座112可选择 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。
[0045] 调整器150位于出口 110的下游。调整器150具有入口 152和出口 154。调整器 150的入口 152连接到入口管156上，入口管156在气体缸体100的出口 110和调整器150 之间提供连通路径。调整器150的入口 152布置成接收来自气体缸体100的出口 110的处 于高压的气体。这可为任何适当的压力；但是，大体上，离开出口 110的气体的压力将超过 20巴，而且很可能在100-900巴的范围中。
[0046] 出口 154连接到出口管158上。联接件160位于出口管158的远侧端处，并且适 于连接到需要气体的另外的管或装置上（未显示）。
[0047] 量计200定位成与出口 154和联接件160之间的出口管158处于连通。量计200 位于调整器150的下游不远处，并且布置成确定输送到出口 160的气体的流率。
[0048] 在图2中更详细地显示根据本发明的第一实施例的调整器150和量计200。
[0049] 在这个实施例中，调整器150包括单个膜片调整器。但是，本领域技术人员将容易 地意识到可用于本发明的变型；例如，双膜片调整器或其它组件。
[0050] 调整器150包括与入口 152和出口 154处于连通的阀区域162。阀区域162包括 位于阀座166附近的提升阀164。提升阀164连接到膜片168上，膜片168构造成使得提升 阀164能够朝向和远离阀座166进行平移运动，以分别关闭和打开它们之间的孔口 170。
[0051] 膜片168由于围绕轴174定位的弹簧172而弹性地偏压。
[0052] 调整器150可运行来接收来自出口 110的处于满缸体压力（例如100巴）的气 体，但将处于基本恒定的固定的低压（例如5巴）的气体输送到出口 154。这由反馈机构实 现，由此，在孔口 170下游的气体的压力可运行来对膜片168起作用，以抵抗弹簧172的偏 压力。
[0053] 如果在膜片168附近的区域中的气体的压力超过规定水平，则膜片168可运行来 向上运动（相对于图2)。因此，提升阀164运动得较接近阀座166,从而使孔口 170的大小 缩�。⑶乙虼耍拗拼尤肟� 152到出口 154的气体流量。大体上，弹簧172的阻力和气体的 压力的竞争性力将使得膜片处于平衡位置，并且因此，在出口 154处输送恒定压力的气体。 [0054] 提供可抓持的把手176,以使得用户能够调节弹簧172的偏压力，从而使膜片168 的位置移动，并且因此，调节提升阀164和阀座166之间的平衡间隔。这使得能够调节来自 出口 110的高压气体流可穿过的孔口 170的尺寸。
[0055] 量计200包括本体202和传感器组件204。本体202可包括任何适当的材料；例 如钢、铝或复合材料。本体202包括导管206和壳体208。导管206与出口管158的内部处 于连通，并且布置成连接到出口管158上。导管206在出口 154和联接件160之间提供流 体连通通路（并且同时，连接到联接件160上的用户装置或应用）。
[0056] 导管206在这个实施例中大体为圆柱形。此外，在这个实施例中，导管206包括限 流部206a。限流部206a包括一截导管，它具有减小的直径。这会增加流量，并且协助传感 器组件204测量流率，如将在后面描述的那样。以示例的方式，收紧管的未收紧部分的直径 的一半就足够了。剧烈的收紧（诸如孔）是不需要的。
[0057] 壳体208布置成容纳传感器组件204的至少一部分。壳体208的内部可处于大气 压力，或者可与导管206的内部处于连通，并且因此，处于与出口管158的内部相同的压力。 这将消除将压力馈送通过壳体208和导管206的内部之间的需要。
[0058] 备选地，可提供壳体208作为导管206的一部分。例如，导管206的一部分将加宽， 以容纳传感器组件204。这些组件是行得通的，因为发明人已经发现，传感器组件204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，锂电池在可能在导管206中遇到的高压下运行特别好。但是，本领域技术人员将容易地 构想到适当的备选功率源。
[0059] 潜在地将传感器组件204完全定位在导管206内会在构造量计200时提供额外的 灵活性。特别地，在不需要突起（诸如壳体208)的情况下将较脆弱的电子构件完全定位在 本体202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损伤。这在例如 其中气体缸体可位于其它气体缸体、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。
[0060] 另外，传感器组件204定位在内部保护这些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高度敏感的高阻抗电路用作传感器组件204的一部 分。
[0061] 量计200布置成测量沿着导管的气体的流率。传感器组件204包括连接到放大器 电路212上的石英晶体振荡器210、电池214和微处理器216。
[0062] 在这个实施例中，石英晶体振荡器210定位成与导管206的内部处于连通，而传感 器组件204的其余构件则位于壳体208内。换句话说，石英晶体振荡器210在孔板210上 游浸入气体中。
[0063] 石英晶体振荡器210包括经切割石英的平坦区段。如图2中显示的那样，本实施 例的石英晶体振荡器210为音叉形，并且包括一对大约5_长的叉210a，其布置成在真空 中以32. 768kHz的共振频率振荡。叉210a形成于石英的平坦区段中。音叉的叉210a通常 以它们的基本模式振荡，其中，它们以共振频率，同步地运动向彼此和运动远离彼此。晶体 210以除了共振频率之外的频率振荡会迅速失去幅度且渐渐止息。
[0064] 石英会展现压电特性，即，在晶体上应用电压会使晶体改变形状，产生机械力。相 反，对晶体应用的机械力会产生电荷。本发明正是利用了这个属性。
[0065] 使石英晶体振荡器210的两个平行表面金属化，以便在大晶体上提供电连接。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。同时，晶体210的叉210a振荡（S卩，晶体210的形状改变）使得在电连接上产生电 压。
[0066] 石英晶体振荡器210位于沿着导管206的流中。特别地，石英晶体振荡器210位 于沿着导管206的限流部206a中。这会提高气体经过石英晶体振荡器210的流速。
[0067] 石英晶体振荡器210可运行来用作阻流部和流量检测器。因此，石英晶体振荡器 210可运行来延伸到沿着导管206的气体流中。晶体振荡器210的长轴X基本垂直于流向， 如显示的那样。换句话说，音叉型石英晶体振荡器210的平行叉210a远离导管206的内 壁而凸入导管206中。
[0068] 音叉型晶体210的叉210a在平面上彼此平行。石英晶体振荡器210可在流中定 向成使得平面基本平行于流向（如图2中显示的那样）。备选地，石英晶体振荡器210可定 向成使得平面垂直于流向或与流向正交，或处于中间角。
[0069] 另外，石英晶体振荡器210的长轴X不必定向成确切地垂直于流。重要的是石英 晶体振荡器210凸入流中，以便产生流扰动。因此，本领域技术人员将容易地意识到可使用 的相对于流的其它角；例如，钝角（其中，石英晶体振荡器210的远侧端在其近侧端的下游 成角度），或者锐角（其中，石英晶体振荡器210的远侧端在其近侧端的上游成角度）。
[0070] 石英晶体的物理大小和厚度确定石英晶体的特性或共振频率。实际上，晶体210 的特性或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比。石英晶体振荡器在本领域中 是众所周知的，所以不在这里进一步描述石英晶体振荡器210的结构。
[0071] 另外，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。
[0072] 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。这种吸附或材料淀积会对常用的选择性气体分析器形成基础，其中，吸收层形成于 晶体上，并且吸收层的质量随着气体被吸收而增大。但是，在当前情况下，不对石英晶体振 荡器210施加涂层。
[0073] 熔融（或非晶体）石英具有非常低的取决于温度的膨胀系数和较低的弹性系数。 这会减小基本频率对温度的依赖性，而且如将显示的那样，温度效应是最小的。
[0074] 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，以特定的角度切 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。
[0075] 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 荡器相比，在本实施例中，石英晶体振荡器210暴露于导管206中的加压气体。
[0076] 在图3中显示本发明的第二实施例。图3中显示的第二实施例的与图2的第一实 施例相同的特征标有相同参考标号，并且在这里不再描述。
[0077] 在图3的实施例中，调整器300不同于图2的实施例的调整器150,因为调整器300 布置成借助于螺线管阀302,对来自出口 154的气体提供自动控制。螺线管阀302包括衔铁 304,衔铁304可响应于通过螺线管阀302的线圈（未显示）的电流而运动。衔铁304可运 动成直接打开或关闭提升阀164,并且因此打开或关闭孔口 170。
[0078] 图3中显示的螺线管阀302处于常开状况。换句话说，在没有电流通过螺线管阀 302的情况下，衔铁304处于伸出位置，使得提升阀164打开，S卩，孔口 170打开。如果对螺 线管阀302应用电流，则衔铁304将收回，并且提升阀164将关闭。
[0079] 本领域技术人员将容易地意识到可用于本发明的螺线管阀的备选变型。例如衔铁 304可直接对膜片起作用，或者可控制通过与出口 154处于连通的狭窄导管的流量，以便调 整膜片168的运动。备选地，可消除提升阀，并且膜片168本身可为直接控制从入口 152到 出口 154的气体的流量的阀部件。
[0080] 第二实施例包括流量量计350。为了清楚，与量计200相同的量计350的构件标有 相同的参考标号。
[0081] 量计350基本类似于第一实施例的量计200。但是，量计350进一步包括连接到螺 线管阀302和传感器组件204上的电子螺线管驱动器352。螺线管驱动器352布置成接收 来自传感器组件204的信号，以及响应于那个信号来控制螺线管阀302,并且因此，控制通 过调整器300的流量。
[0082] 螺线管驱动器352可包括适合控制螺线管阀302的任何驱动电路。一个适当的电 路可为运算放大器组件，其具有从传感器组件204到运算放大器的负极端子的输入。因此， 可将设计成提供恒定基准水平且用作比较器的电阻器附连到正极端子上。
[0083] 从传感器组件204到螺线管驱动器352的输入将使螺线管阀302操作。例如，如 果来自传感器组件204 (或者备选地，处理器216)的输入信号超过特定阈值水平，则螺线管 驱动器352可激励螺线管阀302。可用数字方式（即，开或关）控制螺线管阀302,其中，DC 电压在最大值和最小值之间改变。备选地，来自螺线管驱动器352的DC电压可连续改变， 以用模拟方式精确地调节提升阀164的位置。
[0084] 另外或备选地，螺线管驱动器352可借助于DC输出（包括AC分量）来控制螺线 管阀302。由于衔铁304从螺线管阀302的伸出量大致与应用的电流成比例，所以这使得 螺线管阀302的衔铁304振荡。这样的振荡会减轻衔铁304的"静摩擦"，即，协助防止衔铁 304被卡住或堵住。
[0085] 备选地，可按需要使用诸如FET、微处理器或ASIC的其它控制组件，以控制螺线管 阀302的操作。另外，如所论述的那样，螺线管阀302可按数字（即，开/关）或模拟（即， 可连续改变）模式操作，以使得提升阀164等能够精确地运动。
[0086] 第一或第二实施例可另外包括显示器（未显示），以对用户显示对被检测气体的 测量结果。备选地，显示器可位于量计200、350远处，并且可远程地传送相关数据。
[0087] 现在将描述流噪声传感器的理论和运行。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（当与真空中的晶体的共振频率相比时）。这有许多原因。虽然气体对晶体 的振荡有哀减作用，但在首叉晶体振荡器210的振荡的叉210a附近的气体会提1?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： /- /〇 1| M〇 其中，f是振荡频率，f〇是在真空中的振荡频率，P是气体密度，而凡是常数。
[0088] 密度P在几乎所有情况下都将小于Μ吏得该公式可通过线性方程来近似： 2) / =獻吾)。 2Μ0
[0089] 可按照相对于f。的频率偏差Λ f来重新表达方程2)，如在方程3)中陈述的那样： 3) 4/ = M 。 Μο
[0090] 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。
[0091] 大体上，石英晶体振荡器210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。
[0092] 使用石英晶体振荡器210的优点于，共振频率被良好地限定，而且如上面陈述的 那样，共振频率仅随气体压力缓慢地变化。另外，石英晶体振荡器210对以除了共振频率之 外的频率的振动较不敏感，而且所以较不受外部振动和声音的影响。
[0093] 当沿着导管206存在气体流时，气体将在限流部206a中流经石英晶体振荡器210。 由于石英晶体振荡器210在本质上是气体流中阻碍，所以石英晶体振荡器210将在气体流 上产生拖曳，而且将产生扰动流。这会引起流噪声。
[0094] 在石英晶体振荡器210上的曳力以及其周围的紊流将使叉210a运动，而且这又将 在石英晶体振荡器210的电连接件上产生电压。这个电压被称为噪声电压（V n)。已经根据 经验发现，产生的噪声电压Vn与流率（Q)的立方成比例，如在方程4)中陈述的那样： 4) K = πρ3 其中，κ在许多流情形中为常数，但它随气体密度缓慢地变化。
[0095] 因此，当传送通过立方根滤波器时，噪声电压度量可提供关于流率的指示。典 型地，当安装在3_的管（3升/分钟的流率流过该管）中时，5_长的石英晶体振荡器（其 具有共振频率为32. 768kHz的晶体）提供30mW的电压，其被放大器电路212放大10倍。在 应用10秒关于时间恒定的平滑数字滤波器之后，在这个信号上的典型噪声会对流量引起 典型的+/-2%的误差。
[0096] 图4显示以mV为单位的噪声电压Vn (在Y轴上）随以升每分钟为单位的流率（在 X轴上）改变的曲线图。在此情形中的数据点各自按每分钟取平均值。
[0097] 图5显示以mV为单位的相同的但求立方根的数据噪声电压Vn(在Y轴上），它随 以升每分钟为单位的流率（在X轴上）改变。如显示的那样，曲线大致为线性。
[0098] 在图4和5的不例中，使用5mm长的石央晶体振汤器，它具有共振频率为32. 8kHz 的晶体，来自石英晶体振荡器的信号传送通过单级放大器（诸如标准741放大器），其电压 增益为10倍。
[0099] 图6显示噪声电压随时间改变的曲线图。在100秒的时间内以一秒的时间间隔进 行测量。四条线表示分别在3、4. 5、6和9升/分钟下测得的流噪声，其中，最快流率产生最 高电压。
[0100] 另外，可在主动模式和半主动模式中使用石英晶体振荡器210,而非仅仅将它用作 被动传感器来测量流噪声。如上面关于方程1)至3)所论述的那样，石英晶体振荡器210 将以与周围气体的密度P成比例的频率f共振。
[0101] 因此，根据上面的方程1)至3)，可精确地测量频率f，并且精确地估计气体密度 P。然后这个信息可输出给用户，并且/或者用来调节以上方程4)的校准因子K，因为已经 在实验上发现，方程4)中的经验常数K的值随气体密度缓慢地变化。
[0102] 可根据石英晶体振荡器210的流激励式振动，直接推导出频率f，因为石英晶体振 荡器210将往往在特定介质中以其共振频率f共振。
[0103] 备选地，驱动电路可间歇地以及在短时间里故意激励频率f。这将确保测得的共振 频率f处于良好地限定的幅度，并且可进行更精确的测量。
[0104] 在图7中显示适合用于本发明的放大器电路212的示例。放大器电路212包括放 大器218、电阻器R1和R3和开关SW1和SW2。
[0105] 放大器218以及电阻器R1和R3形成非反相放大器。R3是可变电阻器，并且R3的 值的变化可用来控制放大器的增益（即，增加 R3的值会降低增益）。这可用来设定合适的 增益水平，以保持振荡（当用来激励石英晶体振荡器210时），以及获得可测的信号水平，当 用来放大来自石英晶体振荡器210 (当它用作流噪声检测器时）的信号时，该可测的信号水 平足够高且不饱和。
[0106] 开关SW1和SW2可运行来使电路212在放大器和振荡器驱动模式之间切换。它们 可包括例如场效应晶体管（FET)开关或机电继电器。
[0107] 当用作放大器来放大由石英晶体振荡器210(当用作流噪声检测器时）产生的噪 声电压时，开关SW1处于关闭位置（即，断开），而开关SW2则处于打开（即，接通）位置。
[0108] 在放大器模式中，输出会反映在石英晶体振荡器210被外部源激励时所产生的电 压。调节放大器218的增益，使得输出信号对于精确的测量是足够的，但不饱和。
[0109] 相反，当用作放大器来放大由石英晶体振荡器210 (当用作流噪声检测器时）产生 的噪声电压时，开关SW1处于打开位置（S卩，接通），而开关SW2则处于关闭（即，断开）位 置。
[0110] 在振荡器模式中，石英晶体振荡器210被放大器218的输出激励，而且这将反馈回 到放大器218的输入。如果放大器218的增益足够大，则将保持振荡。可使用连接到输出 上的频率量计来测量振荡频率f。
[0111] 在变型中，开关SW1可由电阻器代替，在这种情况下，SW2将独自控制运行模式。
[0112] 现在将参照图8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 面描述的第一和第二实施例中的各个。
[0113] 步骤400:开始测量 在步骤400处，开始测量通过导管206的气体的流率。例如这可由用户按压壳体208 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 且由量计200、350通过天线接收的信号。
[0114] 作为另一个备选方案或补充方案，量计200、350可构造成远程地开始或按定时器 开始。方法前进到步骤402。
[0115] 步骤402 :利用石英晶体振荡器来产生电压 一旦开始，经过石英晶体振荡器210的气体流将使石英晶体振荡器210运动，以及借助 于流扰动和曳力引起的压电效应产生电压。如将理解的那样，石英晶体振荡器210本质上 是独立的检测器和阻流器。
[0116] 步骤404 :放大产生的电压 然后放大器电路212放大由石英晶体振荡器210产生的信号。在本实施例中使用单级 放大器电路212 (包括放大器218)，但可利用多级系统。放大器212在这个实施例中具有为 10倍的电压增益，但可按需要使用其它增益。
[0117] 方法前进到步骤406。
[0118] 步骤406 :对数据求立方根 如上面陈述的那样，噪声电压与流量Q的立方成比例。因此，实现立方根电路，以获得 与流率Q成比例的数据值。方法前进到步骤408。
[0119] 步骤408 :积分和平滑 为了进行测量，在大约10秒的时段里测量求立方根的且放大的电压值。这使得读数能 够稳定，以便确定精确的测量。然后通过使用数字滤波器来使数据平滑。可在微处理器216 中执行这个步骤和前面的步骤，或者用放大器电路212上的专用电路执行。当测量开始时， 微处理器216还可记录时间1\。
[0120] 步骤410 :根据频率得出气体密度 步骤410是可选的，而且可在流量量计的运行期间按需要执行。如上面关于方程1)、2) 和3)所陈述的那样，气体密度大致线性地取决于石英晶体振荡器210的共振频率。测量这 个频率f，并且密度信息由处理器216按需要利用。
[0121] 方法前进到步骤412。
[0122] 步骤412 :确定气体的流量 使用上面的方程4)来确定气体的流量，其中，在步骤402中测量噪声电压，并且已经在 前面确定了常数K的默认值。如果已经在步骤410中确定了密度，则可按需要根据有关密 度信息来更新常数K的值。
[0123] 然后方法前进到步骤414。
[0124] 步骤414 :传送和存储结果 气体的流率可按多种方式显示。例如，附连到壳体208、本体202或调整器150、300上 的屏幕（未显示）可显示气体的流率。在备选方案中，流率度量可远程地传送到基站或位 于附近配件上的量计，如将在后面描述的那样。
[0125] 作为又一个备选方案，在时间?\时的气体流率可存储在所述微处理器216本地的 存储器中，以产生时间日志。
[0126] 然后方法前进到步骤416。
[0127] 步骤416 :对传感器组件断电 不必使量计200、350时刻保持工作。相反，通过在不使用时关闭量计200、350来减少 功率消耗是有益的。这会延长电池214的寿命。
[0128] 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，但仍然落在本发明的范围内。本领域技术人员将容易地认识到可使用的备 选构造。
[0129] 例如，电子功能可在永久地安装在缸体上的单元和安装在用户使用站上或临时安 装在缸体的出口上（诸如通常用于传统流量量计的位置）的单元之间分开。
[0130] 参照图9来显示这个组件的示例。该组件包括气体缸体组件50,气体缸体组件50 包括气体缸体500、调整器502和质量流率量计504。气体缸体500、调整器502和质量流率 量计504基本类似于基本在前面参照前面的实施例所描述的气体缸体100、调整器150和量 计 200、350。
[0131] 在这个实施例中，质量流率量计504包括石英晶体振荡器和放大器电路（未显 示），它们类似于之前的实施例的石英晶体振荡器210和放大器电路212。提供天线506,以 通过任何适当的远程通信协议来进行通信；例如蓝牙、红外（IR)或RFID。备选地，可利用 单线通信。
[0132] 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。
[0133] 连接管508连接到气体缸体500的出口上。连接管由快速连接连接件510终止。 快速连接连接件510使得连接管系统或构件能够轻易且快速地连接到气体缸体500上，以 及轻易且快速地与气体缸体500断开。
[0134] 提供快速连接单元550是为了连接到气体缸体500上。提供互补的快速连接连接 器512是为了连接到连接器508上。另外，对快速连接单元550提供数据单元552。数据 单元552包括显示器554和用于与气体缸体组件50的天线504通信的天线556。显示器 554可包括例如IXD、LED或日光下可读的显示器，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。
[0135] 数据单元552可记录由气体缸体组件50的传感器组件502测得的各种参数。例 如，数据单元552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 于对公司供应关于特定顾客的使用量的数据。
[0136] 备选地，来自数据单元550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，以允许计算推导出的参数，以及警告消息。
[0137] 作为备选方案，可以可选地在完全位于气体缸体500或壳体208上（或它们之内） 的系统上处理、存储或者获得以上所有示例，如关于量计200、350所论述的那样。
[0138] 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。
[0139] 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，可对在本发明的范围内描述的示例作出变型和修改。
【权利要求】
1. 一种测量沿着导管的气体的流率的方法，所述方法包括： a) 定位延伸到所述导管中且接触所述气体的压电振荡器，所述压电振荡器包括布置成 响应于沿着所述导管的气体流而振荡的两个平行平叉； b) 测量由所述压电振荡器的平叉在沿着所述导管的气体流中的振荡运动产生的电压 的幅度；以及 c) 根据所产生的电压的幅度，确定沿着所述导管的气体的流率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)包括将所述压电振荡器的平叉定 位成基本垂直于所述气体流。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b)进一步包括放大由所述压电 振荡器产生的电压。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤c)进一步包括计算经放大的电压的 立方根，以确定气体的流率。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下 步骤： d) 根据所述压电振荡器的共振频率来确定所述气体的密度。
6. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤d)进一步包括 e) 以共振频率驱动所述压电振荡器。
7. -种用于测量沿着导管的气体的流率的量计，所述量计包括传感器组件，所述传感 器组件包括压电晶体振荡器，所述压电晶体振荡器包括两个平行平叉，在使用所述量计时， 所述平叉接触所述气体流，延伸到所述气体流中，并且布置成响应于所述气体流而振荡，所 述传感器组件布置成：测量由所述压电振荡器的平叉在沿着所述导管的气体流中的振荡运 动产生的电压的幅度；以及根据所产生的电压的幅度，确定沿着所述导管的气体的流率。
8. 根据权利要求7所述的量计，其特征在于，所述压电振荡器的平叉布置成基本垂直 于所述气体流。
9. 根据权利要求7或8所述的量计，其特征在于，所述传感器组件进一步包括用于放大 由所述压电振荡器产生的电压的放大器。
10. 根据权利要求9所述的量计，其特征在于，所述传感器组件可运行来计算经放大的 电压的立方根，以确定气体的流率。
11. 根据权利要求7至10中的任一项所述的量计，其特征在于，所述传感器组件进一步 可运行来根据所述压电振荡器在所述气体流中的共振频率，确定所述气体的密度。
12. 根据权利要求11所述的量计，其特征在于，所述量计进一步包括驱动电路，其中， 所述驱动电路可运行来以共振频率驱动所述压电振荡器。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法或量计，其特征在于，所述平叉布置成以 大约32 kHz或更高的频率振荡。
14. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法或量计，其特征在于，所述压电振荡器包 括石英晶体振荡器。
15. -种可由可编程处理设备执行的计算机程序产品，包括用于执行权利要求1至6中 的任一项所述的步骤的一个或多个软件部分。
【文档编号】G01F15/00GK104303024SQ201380026588
【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 申请人:气体产品与化学公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
