用于测量加压气体罐的真实含量的方法和设备的制作方法

文档序号:6159096阅读:300来源:国知局
用于测量加压气体罐的真实含量的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于使用压电振荡器来测量加压气体的质量的方法和设备。气体容纳在具有固定的内部容积(V)的压力容器(100)内,并且压电振荡器(202)浸没在压力容器(100)内的气体中。方法包括:a)使用所述压电振荡器(202)来测量高压力容器(100)内的气体的密度;b)根据密度测量结果和所述压力容器的内部容积(V)来确定压力容器(100)内的气体的质量。通过提供这种方法,可直接测量诸如罐的压力容器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数。这允许通过直接根据罐中的气体的密度进行推导来确定质量,从而减少对额外的传感器或要执行的复杂计算的需要。
【专利说明】用于测量加压气体罐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加压气体罐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来测量罐的真实含量的方法和设备。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,高压力罐中的气体供应或使用高压气体的加工装置。本发明尤其涉及“清洁”气体,即,具有较少杂质或污染物,或者没有杂质或污染物(诸如水蒸气或灰尘)的气体。
【背景技术】
[0002]压缩气体罐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。压缩气体罐在广大范围的市场中使用,从低成本的一般工业市场,到医疗市场,到较高成本的应用,诸如使用高纯度的有腐蚀性、毒性或自燃特质的气体的电子制造。
[0003]通常,加压气体容器包含钢、铝或复合物,并且能够存储压缩、液化或溶解气体,对大多数气体来说最大填充压力高达450巴(表压)(bar g)(其中,巴(表压)是在大气压力之上的压力(以巴为单位)的度量),以及对于诸如氢和氦的气体来说最大填充压力高达900巴(表压)。
[0004]本发明特别适用于永久气体。永久气体是不会单独被压力所液化的气体,而且例如,永久气体可在高达450巴(表压)的压力下在罐中供应。示例为氩和氮。但是,这不应理解为限制性的,而是用语气体可认为是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。液化气体的蒸气存在于压缩气体罐中的液体之上。在为了填充到罐中而被压缩时在压力下液化的气体不是永久气体,并且被更精确地描述成加压液化气体,或者液化气体的蒸气。作为示例,在罐中以液体的形式供应一氧化二氮,平衡蒸气压力在15°C下为44.4巴(表压)。这样的蒸气不是永久气体或真实气体,因为它们能够被环境条件周围的压力或温度液化。
[0005]在许多情况下,监测给定的罐或压力容器的含量是必要的,以确定剩余气体的量。这在诸如健康护理应用的情形中是特别关键的。
[0006]已知根据气体定律,通过对罐内的气体的压力的了解来计算罐的真实含量。压力测量是众所周知的技术,而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,虽然是目前制作的成本最低的压力传感器之一,但这些传感器趋向于在大小上较大,并且具有虽然能够用大规模照相平版印刷法生产但制造起来仍然较复杂和昂贵的机械结构。它们还具有一定程度的易碎性,而且在它们可使用之前需要进行校准和温度补偿。
[0007]另一个常用的压力计是波尔登管式(Bourdon)压力计。这种压力计包括易碎的平薄壁的闭端式管,管在空心端处连接到包含待测量的流体压力的固定的管道上。压力升高会使管道的闭合端出现弧。这种量计包括精细构件,精细构件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是容纳在罐内的气体的温度-压力关系。根据气体定律,给定量的气体在恒定体积下所施加的压力直接与其温度成比例。因此,随着气体的温度升高,气体的压力也将升高。
[0009]因此,使用压力计(诸如波尔登管式压力计)的压力测量结果与绝对温度成比例地上升和下降,例如从20°C的初始温度到例如阳光照射环境下的50°C,波尔登管式压力计上的指示压力将增加10%。
[0010]另外的问题是,为了使用压力测量来确定罐的含量,需要针对气体的可压缩性来矫正压力计。这是复杂的,因为处于高压的气体的行为与理想气体的行为不符。
[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。石英晶体会展现压电行为,即,对石英晶体应用电压会使固体略微有挤压或拉伸,反之亦然。
[0012]((Sensors and Actuators (传感器和促动器)》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 (基于(SF6)-气体密度控制的音叉技术的精确且可靠的石英传感器)”公开了一种组件,其中,使用石英晶体传感器来在高电压和中等电压电力装备中,在低气体压力下测量SF6气体的密度。测量SF6气体的密度对于设备的安全性是至关重要的。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公开一种用于使用石英晶体振荡器来测量流体的压力的方法和设备,石英晶体振荡器容纳在包括波纹管组件的容积可变的壳体内。由于外部流体压力使波纹管压缩/膨胀,壳体的内部容积改变。因此,壳体内的流体的密度随着壳体的内部容积改变而改变。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,以上组件和方法中没有一种适于精确地测量压力容器(诸如气体罐)中的气体的质量。因此,已知的测量组件遭受这样的技术问题,即,它们无法提供封壳(诸如其中遇到高压的气体罐)中的气体的质量的精确测量。

【发明内容】

[0015]根据本发明的第一方面,提供一种使用压电振荡器来测量加压气体的质量的方法,所述气体容纳在具有固定的内部容积的压力容器内,而压电振荡器浸没在压力容器内的气体中,方法包括:a)使用所述压电振荡器来测量高压力容器内的气体的密度;b)根据密度测量结果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。
[0016]通过提供这种方法,可直接测量压力容器(诸如罐)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数。这允许通过直接根据罐中的气体的密度进行推导来确定质量,从而减少对额外的传感器或要进行的复杂补偿和近似的需要。另外,压电振荡器是固态装置,其能耐受高压、压力突变或其它环境因数。压电振荡器可运行来完全浸没在气体中,这与传统量计(诸如波尔登管式压力计)相反,传统压力计需要压差来工作。
[0017]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,以确定所述高压力容器中的气体的密度。
[0018]在一个实施例中,步骤a)和b)重复一次或多次,使得获得压力容器内的气体密度在一时段里的一系列测量结果,所述一系列测量结果用来确定压力容器内的气体的质量在所述时段期间的变化。
[0019]在一个实施例中,所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。
[0020]在实施例中,石英晶体包括至少一个叉。在变型中,石英晶体包括成对的平叉。
[0021]在实施例中,石英晶体为AT切型或SC切型。
[0022]在变型中,石英晶体的表面直接暴露于气体。
[0023]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,驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈构造的复合晶体管对(Darlington pair)。
[0024]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。
[0025]在一个实施例中,传感器组件包括处理器。
[0026]在一个实施例中,压力容器包括高压力容器。高压力容器是布置成经受住大体大于10巴的内部压力的容器。
[0027]在变型中,压力容器包括气体罐。
[0028]根据本发明的第二方面,提供一种用于测量具有固定的内部容积的压力容器内的加压气体的质量的传感器组件,该传感器组件包括用于浸没在压力容器内的气体中的压电振荡器,当这样浸没时,传感器组件布置成测量压力容器内的气体的密度,以及配置成根据密度测量结果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]通过提供这种组件,可直接测量压力容器(诸如罐)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数。这允许通过直接根据罐中的气体的密度进行推导来确定质量,从而减少对额外的传感器或要执行的复杂计算的需要。另外,压电振荡器是固态装置,其能耐受高压或压力突变,并且因而,不太可能由于压力“蠕变”或其它环境因数而受损。压电振荡器的结构使得压电振荡器能够完全浸没在气体中,这与传统压力计(诸如波尔登管式压力计)相反,传统压力计需要压差来工作。
[0030]在变型中,所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。
[0031]在变型中,气体是永久气体。
[0032]在一个组件中,高压力容器是气体罐。
[0033]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,驱动电路包括布置成与共射放大器呈反馈构造的复合晶体管对。
[0034]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。
[0035]在一个实施例中,传感器组件包括处理器。
[0036]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。
[0037]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,以获得多个测量结果,以及根据所述多个测量结果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,较多次地使得获得在压力容器内的气体密度在一时段里的一系列测量结果,所述一系列测量结果用来确定压力容器内的气体的质量在所述时段期间的变化。[0038]根据本发明的第三方面,提供一种包括根据第二方面的传感器组件的阀组件,该阀组件连接到压力容器本体上,以形成具有固定的内部容积的压力容器,阀组件布置成使得能够选择性地用气体填充压力容器,或者从压力容器中分配气体。
[0039]根据本发明的第四方面,提供一种用于容纳加压气体的压力容器,压力容器具有固定的内部容积,并且包括:限定固定的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用气体填充压力容器,或者从所述容器中分配气体;以及根据第二方面的传感器组件。
[0040]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。
[0041 ] 在一个实施例中,传感器组件完全位于压力容器的固定的内部容积内。
[0042]在一个组件中,压力容器本体包括气体罐。
[0043]根据本发明的第五实施例,提供一种能够由可编程处理设备执行的计算机程序产品,其包括用于执行根据第一方面的步骤的一个或多个软件部分。
[0044]根据本发明的第六实施例,提供一种其上存储有根据第四方面的计算机程序产品的计算机可用存储介质。
【专利附图】

【附图说明】
[0045]现在将参照附图来详细描述本发明的实施例,其中:
图1是气体罐组件的示意图;
图2是显示根据本发明的第一实施例的气体罐组件的上部部分的示意图;
图3是显示根据本发明的第二实施例的气体罐组件的上部部分的示意图;
图4是用于第一或第二实施例的驱动电路的示意图;
图5是显示用于第一或第二实施例的备选驱动电路的示意图;
图6显示关于多种不同气体的、在Y轴上的石英晶体频率(kHz)随密度(kg/m3)而改变的图表;
图7显示关于氩(Ar)、氧和氩:二氧化碳混合物的、在Y轴上的气体质量(单位为kg)随X轴上的压力(巴(表压))而改变的图表;
图8显示关于图7中显示的三种相同气体(氩、氧和氩:二氧化碳混合物)的、在Y轴上的气体质量(单位为kg)随X轴上的密度(kg/m3)而改变的图表;
图9显示关于来自处于100巴(表压)的压力的50升气体罐的12升/分钟的流率的、在Y轴上的频率(单位为kHz)随X轴上的时间(单位为分钟)而改变的图表;
图10显示关于处于100巴(表压)的压力的50升罐的、在Y轴上的计算流率(单位为升/分钟)随X轴上的时间(单位为分钟)而改变的图表;
图11显示关于典型气体罐的、在Y轴上的频率(单位为kHz)随X轴上的气体罐质量(单位为kg)而改变的图表;
图12是示出根据描述的实施例的方法的流程图;
图13显示不同晶体类型的频率行为的图表;
图14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15显示使用远程电子数据单元的备选组件。【具体实施方式】
[0046]图1显示根据本发明的实施例的气体罐组件10的示意图。
[0047]气体罐组件10包括气体罐100,气体罐具有气体罐本体102和阀104。气体罐本体102包括大体圆柱形的容器,其具有平的基部102a,基部布置成使得能够气体罐100能够在没有支承的情况下竖立在平坦表面上。
[0048]气体罐本体102由钢、铝和/或复合材料形成,并且适于和布置成经受住高达大约900巴(表压)的内部压力。孔口 106位于气体罐本体102的与基部102a相对的近端处,并且包括适于接收阀104的螺纹(未显示)。
[0049]气体罐本体102和阀104限定具有内部容积V的压力容器(在这个实施例中,呈气体罐100的形式)。内部容积V是固定的。这表示气体罐100的结构使得可假设其内部容积v(以及,相伴地,包含在其中的气体的体积)在使用、存储时不会有相当大程度的改变,或者不依赖于环境条件,诸如温度、压力或湿度。气体罐100的内部容积V意于包括气体罐本体102和阀104内的整个容积。换句话说,内部容积V是气体罐组件10内的其中气体保持压力的总内部容积。
[0050]任何适当的流体可容纳在气体罐组件100内。
[0051]但是,本实施例涉及(但不独有地限于)没有杂质(诸如灰尘和/或水分)的纯化永久气体。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、氪或氖。
[0052]阀104包括壳体108、出口 110、阀本体112和阀座114。壳体108包括用于与气体罐本体102的孔口 106接合的互补螺纹。出口 110适于其布置成使得气体罐100能够连接到气体组件中的其它构件上;例如,软管、管道,或另外的压力阀或调节器。可选地,阀104可包括VTRP (具有集成压力调节器的阀)。
[0053]可借助于可握持把手116的旋转而沿轴向朝向或远离阀座114调节阀本体112,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的移动选择性控制气体罐本体102的内部和出口 110之间的连通通路的面积。这又控制从气体罐组件100的内部到外部环境的气体的流量。
[0054]通孔118在出口 110的下游形成于壳体108中。借助于馈通件120来封闭通孔118,馈通件120使得构件(诸如接线)能够从气体罐100的外部馈送通过到气体罐100的内部。馈通件120用作保持气体罐100的完整性的高压密封件。
[0055]气体罐组件10设有传感器组件200。传感器组件200布置成测量气体罐100的内部容积V内的气体的密度。传感器组件200在图2和3中有更详细的显示,并且包括石英晶体振荡器202,石英晶体振荡器202通过适当的接线208而连接到驱动电路204和电池206上。还可单独地提供处理器220 (未在图2和3中显示),或者提供处理器220作为驱动电路204的一部分。这将在后面进行描述。
[0056]在图2中显示的实施例中,石英晶体振荡器202位于气体罐100的内部容积V内,而驱动电路204位于气体罐100的外部。因此,传感器组件200的至少一部分位于通孔118中。石英晶体振荡器202和驱动电路204由接线208连接,接线208穿过高压馈通件120。
[0057]在这个组件中,石英晶体振荡器202恒定地经受气体罐100的内部容积V内的等静压力,并且因此,不会经受压力梯度。换句话说,源自气体罐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跨过馈通件120。
[0058]图3中显示了备选实施例。图3中显示的实施例的与图2的实施例公共的特征分配有相同参考标号,并且在这里不再描述。
[0059]在图3的实施例中,整个传感器组件200都位于气体罐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全部都位于气体罐100的内部容积V内。传感器组件200的构件完全浸没在气体中,并且经受气体罐100内的等静气体压力。因此,传感器组件200经历气体罐100内的气体的全部气体压力。
[0060]在这个实施例中,可以可选地去除馈通件120。
[0061]备选地,传感器组件200可连接到天线250上,以与例如基站进行远程通信。这将在后面进行论述。在这种情况下,天线250可位于气体罐100的外部,并且借助于接线或等效连接器而连接到传感器组件上。接线可穿过馈通件120,以便在天线250和传感器组件200之间实现连接。
[0062]天线250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)发射或蜂窝网络。
[0063]备选地,可进行单线通信。单线通信仅需要单个金属导体来进行通信:由通过通信装置之间的空气的电容性耦合来提供电路的“回行”路径。本领域技术人员将容易地认识到可用于本文论述的实施例的天线250 (和相关联的发射硬件)的备选方案。
[0064]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,诸如电池的较大的构件可容易受高压的影响。但是,已经发现,锂离子电池在气体罐100内遇到的高压下工作特别良好。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备选的适当功率源。
[0065]在构造气体罐100时,整个传感器组件200完全定位在气体罐100内会提供额外的灵活性。特别地,较脆弱的电子构件完全定位在气体罐100的结实的金属壁或复合壁内会提供相当大的保护以免受环境或意外损伤。例如,在其中气体罐100位于其它气体罐100、重型机器或粗糙表面附近的存储区域或仓库中,这是特别重要的。
[0066]另外,传感器组件的电子构件完全位于气体罐100的内部容积V内使得能够提供本来可能不适合在罐100的外表面上使用的较大的构件。例如,可提供较大的电池,以便增加传感器组件200的使用寿命。
[0067]另外,传感器组件200的内部定位保护电子构件不受诸如盐、水和其它污染物的环境条件的影响。例如,这将允许使用对盐和水损害高度敏感的高阻抗电路作为传感器组件200的一部分。
[0068]但是,在以上实施例的变型中,传感器组件的一部分可位于气体罐100的内部容积V内,而一部分可位于其外部。例如,驱动电路212和处理器220可位于气体罐100内,而电池206可位于气体罐100的外部。这个组件使得传感器组件的较脆弱的构件能够受到保护免受损伤和污染物,同时易于接近电池206来进行维护和更换。
[0069]关于外部通信,在一个构造中,不明显地需要外部天线系统或天线(诸如天线250)。例如,可借助于来自罐100内的声学发射来实现通信。声学发射可由位于气体罐100内的发射器实现。发射器可包括例如简单的频率固定的压电共振器。
[0070]还需要互补的接收器,而且这个构件可位于罐100远处,并且可包括诸如例如与话筒集成的锁相回路音调检测器的硬件。这种声学组件提供这样的优点,即,不需要馈通件(在天线250的情况下则需要),而且所有电子构件都可完全位于罐100内。
[0071]对于诸如石英晶体振荡器202的固态传感器装置,传感器组件200的内部定位的好处是独特的。例如,无法照这样定位诸如波尔登管式压力计的传统压力传感器。虽然基于晶体的传感器可在完全浸没在处于恒定的压力的气体中的情况下运行,但传统的压力传感器无法测量等静压力,并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。这就妨碍了传统压力计完全位于气体罐100内。
[0072]现在将参照图2至4来更详细描述传感器组件200。石英晶体振荡器202包括切割石英的小、薄部分。石英会展现压电行为,即,跨过晶体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产生电荷。
[0073]使石英晶体振荡器202的两个平行表面金属化,以便在整个晶体上提供电连接。当借助于金属触头在晶体上应用电压时,晶体改变形状。通过对晶体应用交流电压,可使晶体振荡。
[0074]石英晶体的物理大小和厚度决定石英晶体的特性或共振频率。实际上,晶体202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,所以在这里将不进一步描述石英晶体振荡器202的结构。
[0075]石英晶体的谐振频率将取决于晶体所处的环境而改变。在真空中,晶体将具有特定的频率。但是,这个频率将在不同的环境中改变。例如,在流体中,晶体的振动将被周围流体分子阻尼,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。
[0076]另外,气体被吸附到晶体上或周围材料淀积到晶体上将影响振动晶体的质量,从而改变共振频率。这会对常用的选择性气体分析器形成基础,在选择性气体分析器中,吸收层形成于晶体上,并且在质量上随着气体吸收到吸收层上而提高。但是,在现在的情况下,在石英晶体振荡器202上没有应用涂层。实际上,在现在的情况下,材料吸收或淀积到石英晶体振荡器202上是不合需要的,因为测量的精确性可受到影响。
[0077]本实施例的石英晶体振荡器202为音叉形,并且包括大约5mm长的成对的叉202a (图4),叉202a布置成以32.768 kHz的共振频率振荡。音叉的叉202a通常在它们的基本模式中振荡,其中,它们以共振频率同步地运动朝向彼此和远离彼此。
[0078]另外,使用为AT切型或SC切型的石英是合乎需要的。换句话说,以特定的选定的角度切割石英的平坦部分,使得振荡频率的温度系数可布置成在室温附近为具有宽峰的抛物线。因此,晶体振荡器可布置成使得在峰的顶部处的斜率正好为零。
[0079]通常可用较低的成本获得这样的晶体。与大部分在真空中使用的石英晶体振荡器相比,在本实施例中,石英晶体振荡器202暴露于气体罐100的内部容积V中的加压气体。
[0080]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可暴露于一定范围的气体压力;潜在地,压力可从大气压力(当气体罐100为空的时)变化到大约900巴(表压),如果气体罐含有诸如氢的加压气体的话。因而,石英晶体202需要在宽范围的压力下运行(以及在不使用时期之后重新启动)。[0081]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变化。Q因数是与振荡器或共振器的阻尼速率有关的无量纲参数。同等地,它可表征共振器的相对于其中心频率的带宽。
[0082]大体上,振荡器的Q因数越高,与振荡器的存储能量有关的能量损耗速率就越低。换句话说,在没有外部力的情况下,高Q因数振荡器的振荡在幅度上减小得更慢。
[0083]具有较高的Q因数的正弦驱动式共振器在共振频率下以较大的幅度共振,但围绕它们共振的频率具有较小的频率带宽。
[0084]驱动电路204必须能够驱动石英晶体振荡器202,而不管Q因数的变化。随着气体罐100中的压力增大,石英晶体振荡器202的振荡将变得越来越被阻尼,而且Q因数将降低。降低的Q因数需要驱动电路204中的放大器提供较高的增益。但是,如果驱动电路204提供的幅度太高,则来自石英晶体振荡器202的响应可变得难以区分。在这种情况下,驱动电路204可仅以不相关的频率振荡,或者以石英晶体振荡器202的非基本I旲式的频率振荡。
[0085]作为另一个限制,驱动电路204必须为低功率,以便在有或没有补充功率(诸如光伏电池)的情况下,以小低功率电池长久地运行。
[0086]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基本获得来自石英晶体振荡器202的电压信号,将其放大,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的基本共振频率基本上是石英的膨胀和收缩速率的函数。这大体由晶体的切型和大小确定。
[0087]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。频率然后可由处理器220测量,用来计算用户所需的气体的合适属性,而且如果需要的话,输出到适当的显示器件(如将在后面描述的那样)。
[0088]驱动电路204由6V功率源206提供功率。在这个实施例中,功率源206包括锂离子电池。但是,备选功率源对本领域技术人员将是容易显而易见的;例如,其它电池类型,可充电和不可充电的,以及太阳能电池组件。
[0089]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晶体管组成的混合结构,双极NPN晶体管配置成使得被晶体管中的第一个放大的电流进一步被第二个晶体管放大。当与被分开的各个晶体管相比时,此配置使得能够获得更高的电流。备选地,可使用PNP双极晶体管。
[0090]复合晶体管对210布置成与单个晶体管(T1)共射放大器212呈反馈构造。图4中显示了 NPN双极结晶体管。但是,本领域技术人员将认识到可使用的备选晶体管组件;例如,双极结PNP晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0091]驱动电路204包括另外的NPN射随晶体管T2,其用作缓冲放大器214。缓冲放大器214布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。
[0092]电容216定位成与石英晶体振荡器202串联。在这个示例中,电容216具有100PF的值,并且使得驱动电路204能够在晶体已经被例如盐或其它淀积材料污染的情况下驱动石英晶体振荡器202。
[0093]现在将参照图5来描述备选驱动电路260。图5中显示的驱动电路配置成类似于皮尔斯(Pierce)振荡器。从数字IC时钟振荡器得知皮尔斯振荡器。基本上,驱动电路260包括单个数字逆变器(呈晶体管的形式)T、三个电阻器Rp R2和Rs、两个电容器Cp C2和石英晶体振荡器202。
[0094]在这个组件中,石英晶体振荡器202用作高选择性滤波器元件。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,从而使逆变器T在其线性运行区域中有偏压。这有效地使得逆变器T能够用作高增益逆变放大器。另一个电阻器Rs在逆变器T的输出和石英晶体振荡器202之间用来限制增益,以及阻尼电路中的不合需要的振荡。
[0095]石英晶体共振器202与C1和C2共同形成Pi网络带通滤波器。这使得大约在石英晶体振荡器的共振频率下能够有180度相移,以及从输出到输入的电压增益。上面描述的驱动电路260可靠,且制造起来廉价,因为它包括较少构件。
[0096]如上面论述的那样,传感器组件200可包括接收来自石英晶体振荡器202和驱动电路204的输入的处理器220。处理器220可包括适当的组件,诸如特定用途集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。处理器220编程成计算、显示和传送对罐100的用户有用的参数。
[0097]当与石英晶体振荡器202 —起使用时,处理器220可配置成测量来自驱动电路204的信号的频率/或周期。这可通过以下方式实现:例如在固定的时间里对振荡计数,并且使用算法或查找表将那个频率转换成密度值来实现这一点。这个值传送到处理器220,处理器220配置成基于供应的输入来执行计算,以确定气体罐100中的气体的质量。
[0098]可选地,处理器220可设计成在所有罐中大规模生产成相同的,在软件和硬件中具有不同特征,使得能够用于不同的气体。
[0099]另外,处理器220还可配置成通过实施待机或“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。
[0100]可实施各种方案;例如,处理器220可在每11秒中待机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里是待机的,仅每30秒打开较缺乏功率的构件秒。备选地或另外,诸如天线250的通信构件可按需要关闭,或者用来启动传感器组件200。
[0101]现在将参照图6至9来描述传感器组件200的理论和运行。
[0102]石英晶体振荡器202具有取决于其所处的流体的密度的共振频率。使振荡的音叉型晶体振荡器暴露于气体会使晶体的共振频率有偏移和阻尼(当与真空中的晶体的共振频率相比时)。对此有多种原因。虽然气体对晶体的振荡有阻尼作用,但气体会粘附到音叉晶体振荡器202的振动叉上,这会增加振荡器的质量。这导致石英晶体振荡器的共振频率根据一侧固定弹性梁的运动而减小
【权利要求】
1.一种使用压电振荡器(202)来测量加压气体的质量的方法,所述气体容纳在具有固定的内部容积(V)的压力容器(100)内,并且所述压电振荡器(202)浸没在所述压力容器(100)内的气体中,所述方法包括: a)使用所述压电振荡器(202)来测量所述高压力容器(100)内的气体的密度; b)根据密度测量结果和所述压力容器的内部容积(V)来确定所述压力容器(100)内的气体的质量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤a)包括: 借助于驱动电路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;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。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤a)和b)重复一次或多次,使得获得在所述压力容器内的气体密度在一时段里的一系列测量结果,所述一系列测量结果用来确定所述压力容器内的气体的质量在所述时段期间的变化。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法,其特征在于,所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其特征在于,所述压力容器包括气体罐。
6.一种用于测量具有固定的内部容积(V)的压力容器(100)内的加压气体的质量的传感器组件(200),所述传感器组件(200)包括用于浸没在所述压力容器(100)内的气体中的压电振荡器(202),当这样浸没时`,所述传感器组件(200)布置成测量所述压力容器(100)内的气体的密度,并且配置成根据密度测量结果和所述压力容器(100)的内部容积(V)来确定所述压力容器(100)内的气体的质量。
7.根据权利要求6所述的传感器组件,其特征在于,进一步包括驱动电路,所述驱动电路包括布置成与共射放大器成反馈构造的复合晶体管对。
8.根据权利要求6或7所述的传感器组件,其特征在于,所述传感器组件进一步布置成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,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。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的传感器组件,其特征在于,所述传感器组件进一步布置成以离散的时间间隔对所述压力容器内的气体的质量执行重复测量,以获得多个测量结果,以及根据所述多个测量结果来确定在所述离散的时间间隔期间通往/来自所述压力容器的气体的质量流量,较多次地使得获得所述压力容器内的气体密度在一时段里的一系列测量结果,所述一系列测量结果用来确定压力容器内的气体的质量在所述时段期间的变化。
10.一种阀组件(104),包括根据权利要求6至9中的任一项所述的传感器组件(200),所述阀组件连接到压力容器本体上,以形成具有固定的内部容积(V)的压力容器,所述阀组件(104)布置成使得能够选择性地用气体填充所述压力容器,或者从所述压力容器中分配气体。
11.一种用于容纳加压气体的压力容器(100),所述压力容器(100)具有固定的内部容积(V),并且包括: 限定固定的内部容积(V)的压力容器本体(102); 阀组件(104),其连接到所述容器本体(102)上,并且布置成使得能够选择性地用气体填充所述压力容器,或者从所述容器(100)中分配气体;以及根据权利要求6至9中的任一项所述的传感器组件(200)。
12.根据权利要求11所述的压力容器,其特征在于,所述传感器组件完全位于所述压力容器的固定的内部容积内。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的压力容器组件,其特征在于,所述压力容器呈气体罐的形式。
14.一种能够由可编程处理设备执行的计算机程序产品,包括用于执行根据权利要求1至5中的任一项所述的步骤的一个或多个软件部分。
15.一种计算机可用 存储介质,其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序产品。
【文档编号】G01G17/06GK103608649SQ201180066213
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2011年11月28日 优先权日:2010年11月29日
【发明者】N.A.道尼, M.贝伦斯, L.O.A.奥巴顿 申请人:气体产品与化学公司
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