用于提供气体混合物的方法和设备的制作方法

用于提供气体混合物的方法和设备的制作方法
【专利摘要】提供一种气体混合器组件，其包括：用于供应第一气体的第一气体源；用于供应不同于所述第一气体的第二气体的第二气体源；用于调整来自第一气体源和第二气体源的第一气体和第二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置；混合器；以及出口。混合器位于第一流调整装置和第二流调整装置下游，并且布置成在使用中混合第一气体和第二气体，以对出口提供混合气体。气体混合器组件进一步包括量计，量计包括可运行来确定混合气体的平均分子量且包括与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器的第一传感器组件、可运行来确定第一流调整装置或第二流调整装置中的一个下游的气体的压力的第二传感器组件，以及控制器，控制器可运行来响应于混合气体的平均分子量和所述气体压力而自动地控制所述第一流调整装置和第二流调整装置，以控制所述混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例，以及来自出口的混合气体的压力或质量流率。
【专利说明】用于提供气体混合物的方法和设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于提供气体混合物的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于提供 气体混合物的方法和设备，其中，使用压电晶体振荡器来确定和保持混合物中的气体的比 例。

【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）是高于大气压力的以巴为单位的压 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] 在许多情况下，了解在缸体内部或者在缸体下游的点处的气体的类型是合乎需要 的，而且有时是至关重要的；例如，在焊接过程期间的管中。这种情形的示例将是了解何时 已经进行吹扫。
[0007] 通常使用质谱仪来测量分子量。这样的组件测量气体的质量与电荷比，以便直接 确定分子量。常用的组件是基质辅助式激光解析/离子化源，以及飞行时间质量分析器（被 称为MALDI-T0F)。但是，这样的组件体积大、昂贵且不适合便携性和成本非常重要的许多应 用。
[0008] 可用来测量分子量的备选类型的量计是振动式气体密度量计，这在Suzuki 等人的"GD series Vibratory Gas Density Meters (GD系列振动式气体密度量 计）"(Yokogawa技术报告No 29(2000))中有显示和描述。这种组件包括薄壁式金属缸体， 其布置成使得气体能够在缸体的内部和外部流动。两对压电元件位于缸体上，一对驱动元 件和一对检测元件。根据用以补偿温度引起的变化的两个不同的共振频率的测量值来获得 气体密度。使用的共振频率非常低，而且是大约几百Hz。
[0009] 以上组件是复杂、较昂贵的，而且非常容易受振动效应的影响。这是因为使用的共 振频率可与外部振动产生的频率相当。另外，需要复杂的激励和检测组件来补偿温度效应。 [0010] 另外，本领域中需要提供流量受控制的气体混合物。气体流混合器典型地使用两 个质量流量计来提供经计量的流量的各个气体。但是，虽然已知各个气体的质量流量，但目 前还没有测量这样产生的气体的成分或总的组合流率的可靠方法。因此，本领域中存在以 下技术问题：无法使用已知组件来提供精确计量的流率或压力的两种或更多种气体的期望 混合物。


【发明内容】

[0011] 根据本发明的第一方面，提供一种气体混合器组件，其包括：用于供应第一气体的 第一气体源；用于供应不同于所述第一气体的第二气体的第二气体源；用于调整来自第一 气体源和第二气体源的第一气体和第二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调 整装置；混合器；以及出口，混合器位于第一流调整装置和第二流调整装置的下游，并且布 置成在使用中混合第一气体和第二气体，以对出口提供混合气体，其中，气体混合器组件进 一步包括量计，量计包括：第一传感器组件，其可运行来确定混合气体的平均分子重量且包 括与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器；可运行来确定在第一流调整装置或第二 流调整装置中的一个下游的气体的压力的第二传感器组件；以及控制器，其可运行来响应 于混合气体的平均分子重量和所述气体压力而自动地控制所述第一流调整装置和第二流 调整装置，以控制所述混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例和来自出口的混合气 体的压力或质量流率。
[0012] 在一个实施例中，第一和/或第二流调整装置包括电子阀。
[0013] 在一个实施例中，第二传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体接触 的第二高频率平面压电晶体振荡器。
[0014] 在一个实施例中，气体混合器组件进一步包括可运行来确定在第一流调整装置或 第二流调整装置中的另一个下游的气体的压力的第三传感器组件。
[0015] 在一个实施例中，第三传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体接触 的第三高频率平面压电晶体振荡器。
[0016] 在一个实施例中，第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，混合气体流过导 管，导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，在限流孔中出现扼流，限流孔将导管分 成在所述孔上游的上游部分和与出口处于连通的下游部分，其中，所述压电晶体振荡器位 于所述上游部分中，第一传感器组件进一步可运行来测量通过所述孔的混合气体的质量流 率。
[0017] 根据本发明的第二方面，提供一种使用气体混合器组件来以相对比例提供气体混 合物的方法，气体混合组件包括用于供应第一气体的第一气体源、用于供应不同于所述第 一气体的第二气体的第二气体源、用于调整来自第一气体源和第二气体源的第一气体和第 二气体的相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置、位于第一流调整装置和第二流 调整装置下游的混合器、出口和第一传感器组件和第二传感器组件，第一传感器组件包括 与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器，方法包括：a)接收来自第一气体源的第一 气体；b)接收来自第二气体源的第二气体；c)混合第一气体和第二气体，以形成混合气体； d)测量与混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器的共振频率；e)使用第二传感器组 件来确定在第一流调整装置或第二流调整装置下游的气体的压力；f)根据所述共振频率 和所述压力测量值来确定混合气体的平均分子重量；以及g)响应于所述确定的平均分子 重量和所述压力测量值而自动地控制所述第一流调整装置和第二流调整装置，以控制所述 混合气体中的第一气体和第二气体的相对比例和来自出口的混合气体的压力或质量流率。
[0018] 在一个实施例中，第一和/或第二流调整装置包括电子阀。
[0019] 在一个实施例中，第二传感器组件包括第二高频率平面压电振荡器，并且步骤e) 包括测量与混合器上游的第一气体或第二气体接触的第二高频率平面压电晶体振荡器的 共振频率。
[0020] 在一个实施例中，气体混合器组件进一步包括第三传感器组件，并且方法进一步 包括在步骤e)后面的步骤h):确定在第一流调整装置或第二流调整装置中的另一个下游 的气体的压力。
[0021] 在一个实施例中，第三传感器组件包括与混合器上游的第一气体或第二气体中的 另一个接触的第三高频率平面压电晶体振荡器，并且步骤h)包括测量与混合器上游的第 一气体或第二气体接触的第三高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
[0022] 在一个实施例中，第一传感器组件进一步包括导管，在使用中，混合气体流过导 管，导管具有在所述出口上游的限流孔，在使用中，在限流孔中出现扼流，限流孔将导管分 成在所述孔上游的上游部分和与出口处于连通的下游部分，方法进一步包括：i)根据共振 频率确定通过所述孔的气体的质量流率。
[0023] 在实施例中，方法进一步包括用温度传感器测量气体的温度。在一个实施例中，温 度传感器包括热敏电阻或依赖于温度的电阻器。
[0024] 在实施例中，石英晶体包括至少一个叉。在一个组件中，所述压电晶体振荡器包括 至少两个平叉。平面晶体振荡器紧凑且稳定可靠，并且因此较不受环境干扰的影响。另外， 因为振荡器的振荡频率高（kHz的量级），振荡器较不受局部振动（往往具有Hz的量级的频 率）的影响。这与已知的分子重量检测组件相反。
[0025] 在实施例中，石英晶体经AT切割或SC切割。
[0026] 在变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。
[0027] 在一个实施例中，所述压电晶体振荡器具有32kHz或更大的共振频率。
[0028] 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。
[0029] 在一个实施例中，传感器组件包括处理器。
[0030] 在一个实施例中，量计进一步包括驱动电路、处理器和功率源中的一个或多个。
[0031] 在一个实施例中，传感器组件包括驱动电路，驱动电路包括复合晶体管对 (Darlington pair)，其布置成与共射放大器处于反馈构造。
[0032] 在一个实施例中，量计进一步包括用于测量气体的压力的压力传感器。
[0033] 在一个实施例中，所述压力传感器是电子压力传感器。在一个实施例中，电子压力 传感器包括压阻膜片传感器。
[0034] 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。
[0035] 在实施例中，石英晶体经AT切割或SC切割。
[0036] 在变型中，石英晶体的表面直接暴露于气体。
[0037] 在一个实施例中，压电晶体振荡器具有32kHz或更大的共振频率。
[0038] 在一个实施例中，量计包括位于入口中的过滤器。在实施例中，过滤器具有范围为 5至10 μ m的孔径。
[0039] 在一个实施例中，量计包括位于壳体内的加热器元件。在实施例中，加热器元件位 于压电晶体振荡器附近。在另一个组件中，加热器元件定位成与压电晶体振荡器接触。
[0040] 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。
[0041] 在一个实施例中，传感器组件包括处理器。
[0042] 在一个实施例中，量计包括显示器。
[0043] 在实施例中，量计包括天线，天线连接到传感器组件上，并且布置成使得能够无线 地传输来自量计的数据。在实施例中，量计可运行来无线地将数据传输到远程显示器单元。
[0044] 根据本发明的第三方面，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。
[0045] 根据本发明的第四方面，提供一种计算机可使用的存储介质，其上存储有根据第 四方面的计算机程序产品。

【专利附图】

【附图说明】
[0046] 现在将参照附图来详细描述本发明的实施例，其中： 图1是气体缸体和调整器组件的示意图； 图2是显示调整器组件和分子量量计的第一实施例的示意图； 图3是显示调整器组件和分子量量计的第二实施例的示意图； 图4是显示调整器组件和分子量量计的第三实施例的示意图； 图5是显示分子量量计的第四实施例的示意图； 图6是用于第一至第四实施例中的任一个的驱动电路的示意图； 图7是显示用于第一至第四实施例中的任一个的备选驱动电路的示意图； 图8是显示用于第一至第四实施例中的任一个的另一个备选驱动电路的示意图； 图9是显示用于第一至第四实施例中的任一个的处理器的输入和输出参数的示意图； 图10显示多种不同气体的在Y轴上的石英晶体频率（kHz)随密度（kg/m3)改变的曲 线图； 图11针对处于高达300巴（表压）的压力的氩、氧和氩：二氧化碳：氧的混合物显示 Y轴上的气体密度（以kg/m3为单位）随X轴上的压力（巴（表压））改变的曲线图； 图12针对处于高达100巴（表压）的压力的氩、氧和氩：二氧化碳：氧的混合物显示 Y轴上的气体密度（以kg/m3为单位）随X轴上的压力（巴（表压））改变的曲线图； 图13是显示当气体吹扫时，Y轴上的频率变化（以Hz为单位）随X轴上的时间（以 秒为单位）改变的曲线图； 图14是对应于图13的曲线图，它显示分子量的计算变化（在Y轴上）随X轴上的时 间（以秒为单位）改变； 图15是示出根据描述的实施例的方法的流程图； 图16显示本发明的实施例的示意图，它显示气体混合器组件； 图17显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件； 图18显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件； 图19显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件； 图20显示用于图19和23的实施例的质量流组件； 图21显不用于图19和23的实施例的备选质量流组件； 图22显示晶体频率随质量流率改变的曲线图； 图23显示本发明的另一个实施例的示意图，它显示气体混合器组件； 图24显示不同的晶体类型的频率特性的曲线图； 图25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26显示使用远程电子数据单元的备选组件。

【具体实施方式】
[0047] 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和分 子量量计200。
[0048] 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。
[0049] 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）。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 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。
[0053] 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。
[0054] 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）。
[0055] 分子量量计200定位成与出口 154和联接件160之间的出口管158处于连通。分 子量量计200位于调整器150的下游不远处，并且布置成确定调整器150下游的气体的分 子量（或气体混合物的平均分子量）。
[0056] 在图2中更详细地显示调整器150和分子量量计200。
[0057] 在这个实施例中，调整器150包括单膜片调整器。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。
[0058] 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进行平移移动，以分别关闭和打开它们之间的孔口 170。 膜片168由于围绕轴174定位的弹簧172而弹性地偏压。
[0059] 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。 在图2的实施例中，调整器150是固定压力调整器，并且布置成从出口 154以已知的固定压 力输送气体。压力由弹簧172的相对偏压力确定。
[0060] 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 向上移动（相对于图2)。因此，提升阀164移动得较接近阀座166,从而使孔口 170的大小 缩小，并且因此，限制从入口 152到出口 154的气体流量。大体上，与弹簧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。
[0061] 分子量量计200包括壳体202和传感器组件204。壳体202可包含任何适当的材 料；例如钢、铝或复合材料。壳体具有内部206，内部206通过短馈送管208与出口管158的 内部处于连通。因此，壳体202的内部206与出口管158的内部处于相同压力。在使用中， 壳体202大体被密封且与外部大气隔尚。分子量量计200布置成测量壳体202内的气体的 分子量。备选地，分子量量计200可测量壳体202内的气体的均匀混合物的平均分子量。
[0062] 备选地，可提供壳体202作为出口管158的一部分。例如，出口管158的一部分可 加宽，以容纳传感器组件204。备选地，传感器组件204的仅一部分可位于管158内，其余部 分则位于管158外部或与其隔开。
[0063] 另外，壳体202可形成调整器150的组成部分。例如，传感器组件204可完全位于 调整器150的出口 154内。本领域技术人员将容易地意识到落在本发明的范围内的变型和 备选方案。
[0064] 传感器组件204包括连接到驱动电路212上的石英晶体振荡器210、温度传感器 214和电池216。这些构件位于壳体202内。
[0065] 将在后面参照图6和7来描述驱动电路212和石英晶体振荡器210。温度传感器 214包括热敏电阻。可使用任何适当的热敏电阻。热敏电阻不需要高精度。例如，0.5°C的 精度适合这个实施例。因此，可使用廉价且小的构件。
[0066] 还可提供处理器230 (在后面参照图8来显示和描述），其可与驱动电路212分开 或者作为它的一部分。
[0067] 在此组件中，石英晶体振荡器210在分子量量计200的壳体202内始终处于等静 压力，因此，不会经历压力梯度。换句话说，在壳体202上表现出源自外部大气和分子量量 计200的内部构件之间的压差的任何机械应力。
[0068] 但是，不必是这样。例如，仅石英晶体振荡器210和温度传感器214可位于壳体 202内，传感器组件204的其余部分则位于其外部。
[0069] 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，锂电池在气体缸体100中遇到的高压下 运行特别好。因此，电池216包括锂电池。但是，本领域技术人员将容易地构想到适当的备 选功率源。
[0070] 当构造调整器150时，传感器组件204完全位于壳体202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壳体202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损害。这在例如其中包括调整器150的气体缸体100位于气体 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。
[0071] 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损伤高度敏感的高阻抗电路用作传感器组件204的 一部分。
[0072] 传感器组件204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 210)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 于晶体的传感器在浸入处于恒定压力的气体中时完全可运行，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。这会增大损害分子量量计200的外部构件的风险。
[0073] 在图3中显示分子量量计的第二实施例。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分配有有相同的参考标号，而且在这里不再描述。
[0074] 在图3的实施例中，调整器250不同于图2的实施例的调整器150,因为调整器250 布置成从出口 154提供出口压力可变的气体。
[0075] 在这方面，提供可抓持把手252,以使得用户能够调节弹簧172的偏压力。这会移 动膜片168的平衡位置，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其中的孔口 170的尺寸。
[0076] 压力可典型地改变高达20巴（表压）。但是，本领域技术人员将容易地意识到备 选部件和可由调整器250供应的压力。另外，调整器可包括在其中需要精确地调整压力的 情形（诸如氧-乙炔焊接）中使用的第二级。
[0077] 第二实施例包括分子量量计300。为了清楚，对分子量量计300的与分子量量计 200相同的构件分配相同的参考标号。
[0078] 分子量量计300基本类似于第一实施例的分子量量计200。但是，分子量量计300 进一步包括位于壳体202内的压力传感器302。可使用任何适当的压力传感器。
[0079] 例如，压力传感器302可包括压阻膜片传感器。这种压力传感器典型地包括经机 械加工的硅膜片，其具有形成于其中的压阻应变计。将膜片熔接到硅底板或玻璃底板上。应 变计通常连接在一起形成惠斯登电桥，其输出直接与测量的压力成比例。然后来自压力传 感器302的输出可输入到处理器230。
[0080] 本领域技术人员将容易地意识到可用于本发明的备选的电子压力传感器。换句话 说，压力传感器302可包括能够测量气体的压力以及提供那个测量值的电子输出的任何传 感器。
[0081] 在这个组件中，石英晶体振荡器210和压力传感器302在分子量量计200的壳体 202内始终处于等静压力，并且因此不会经历压力梯度。换句话说，在壳体202上表现出源 自外部大气和分子量量计300的内部构件之间的压差的任何机械应力。
[0082] 在图4中显示本发明的第三实施例。图4中显示的第三实施例的与图3的第二实 施例相同的特征分配有相同的参考标号，并且在这里不再描述。
[0083] 在图4的实施例中，调整器250对应于第二实施例的调整器250,并且布置成从出 口 154提供出口压力可变的气体。已经描述了调整器250的构件，并且在这里不进一步描 述。
[0084] 第三实施例包括分子量量计400。为了清楚，对分子量量计400的与分子量量计 200、300相同的构件分配相同的参考标号。
[0085] 分子量量计400基本类似于第一和第二实施例的分子量量计200、300。但是，分子 量量计400可与可变压力调整器250 -起运行，而不需要第二实施例的压力传感器302。
[0086] 分子量量计400包括导管402。导管402的内部与壳体202的内部206处于连通。 导管402的近侧端包括限流孔404,限流孔404位于短管208的下游不远处，并且与出口 154 处于连通。限流孔404布置成提供物理约束，以限制从出口 154进入导管402的气体的压 力。因此，在限流孔404下游的导管402内的气体的压力大大低于出口 154中的压力。
[0087] 导管402的远侧端406通往大气。远侧端406位于导管402的在壳体202下游的 区段的端部处。对于典型应用，适当的导管402将具有在2_的区域中的膛孔和大约100_ 的长度。这是为了确保大气气体不会往回扩散到壳体202的内部206中，以避免测量有潜 在误差。
[0088] 虽然在图4中显示了导管402为基本线性的，但导管402可为任何适当的形状。例 如，较紧凑的组件将是把导管402布置成迷宫形或盘管形，以便将导管装进较小的空间。
[0089] 因此，限流孔404和导管402的远程远侧端406 (处于大气压力）的联合作用在于， 壳体202的内部206始终处于或接近大气压力。这与出口 154的下游和限流孔404的上游 的气体的压力无关。
[0090] 因此，不需要压力计，因为始终可假设压力为大气压力。如果需要校正（例如，当 在大气压力较低的高海拔运行时），可手动地将这输入到处理器230。
[0091] 因此，在特定条件下，不需要压力传感器，因为压力值可自动设定或由用户手动地 输入，并且感测到处理器230用来确定气体或多种气体的分子量的最终压力值。
[0092] 在图5中显示分子量量计的第四实施例。第四实施例涉及分子量量计500。分子 量量计500基本类似于第一和第二实施例的分子量量计200、300、400。但是，分子量量计 500可与可变的压力调整器250 (或者其它可变的压力气体源）一起运行，而不需要第二实 施例的压力传感器302。
[0093] 分子量量计500可在气体排到大气的情形中运行，例如，在金属惰性气体（MIG)焊 接设备中运行。分子量量计500沿着导管158足够远离调整器150,并且足够接近大气出口 160,以确保壳体202中的压力条件为大气。
[0094] 除了分子量量计200、300、400的组件，提供第二传感器组件504,它包括连接到第 二驱动电路512和第二电池516上的石英晶体振荡器510。第二驱动电路512和第二电池 516基本类似于驱动电路212和电池216,并且在这里不会进一步描述。
[0095] 第二石英晶体振荡器510通过开放壳体518而暴露于外部大气。壳体518可运行 来使第二石英晶体振荡器510不受机械损伤，但使得第二石英晶体振荡器510能够暴露于 大气。壳体518可包括被覆盖壳体，在被覆盖壳体的远侧端处形成有贯通孔。
[0096] 提供第二传感器组件504(包括石英晶体振荡器510)，以使得能够精确地确定大 气压力。虽然图4的实施例在某些条件下可为有效的，但是大气压力变化可导致确定分子 量时有误差。如果使用气体混合（如在后面的实施例中描述的那样），以及在前面的实施例 的分子量量计可能提供不准确的测量时，这是特别重要的。
[0097] 如将在后面描述的那样，第二石英晶体振荡器510按与气体的密度成比例的频率 共振。但是，空气的气态成分是众所周知且大体恒定的。因此，使用下面陈述的方程7)，可 根据已知密度和已知分子量来确定压力。这个组件提供改进的精度，在制造方面是成本有 效的，并且具有较小的大小。
[0098] 分子量量计500的其余构件类似于第一至第四实施例的那些分子量量计200、 300、400,并且在这里不会进行任何进一步的描述。
[0099] 第一至第四实施例中的任一个可另外包括显示器（未显示），以对用户显示对被 检测气体所作的测量的结果。备选地，显示器可位于分子量量计200、300、400、500远处，并 且有关数据可远程地传送。
[0100] 例如，第一至第四实施例中的任何一个可进一步包括用于与例如基站进行远程通 信的天线（未显示）。这将在后面有论述。在这种情况下，天线可位于壳体202的外部，并 且借助于线材或等效连接器连接到传感器组件204上。
[0101] 天线本身可适于且布置成使用任何适当的连通协议；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)通信或蜂窝网络。
[0102] 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传送：电路的"回 行"路径由通过传送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的备选方案（以及相关联的通信硬件）。
[0103] 例如，可借助于来自缸体100内的声学通信来实现通信。位于壳体202内的发送 器可实现声学通信。发送器可包括例如单固定频率压电共振器。
[0104] 还需要互补的接收器，而且这个构件可位于分子量量计200、300、400、500远处， 并且可包括硬件，诸如例如与扩音器结合的相锁回路检音器。
[0105] 现在将参照图6和7更详细地描述传感器组件204。石英晶体振荡器210包括切 割石英的平坦区段。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。
[0106] 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。
[0107] 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 210的特征或共振频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比。石英晶体振荡器在领域 中是众所周知的，并且所以在这里不会进一步描述石英晶体振荡器210的结构。
[0108] 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。
[0109] 另外，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。这种材 料吸附或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。
[0110] 但是，在当前情况下，不对石英晶体振荡器210施加涂层。实际上，材料这样吸附 或淀积到石英晶体振荡器210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。
[0111] 如图6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5mm长的叉210a，其布置成以32. 768 kHz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移动向 彼此和移动远离彼此。
[0112] 熔融（或非晶体）石英具有非常低的依赖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。
[0113] 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。
[0114] 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210暴露于壳体202中的受压气体。
[0115] 在图6中显示用于驱动石英晶体振荡器210的驱动电路212。驱动电路212必须 满足多个特定标准。首先，本发明的石英晶体振荡器210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为空时）变成大约900巴（表压）（如果气体缸体 容纳加压气体，诸如氢）。因而，需要在大范围的压力下运行石英晶体振荡器210 (并且在不 使用的时段之后重新启动）。
[0116] 因此，石英晶体振荡器210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。
[0117] 大体上，振荡器的Q因数越大，相对于振荡器的存储的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。
[0118] 驱动电路212必须能够驱动石英晶体振荡器210,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210的振荡将变得越来越衰减，而且Q因数将降 低。降低的Q因数需要驱动电路212中的放大器提供较大的增益。但是，如果驱动电路212 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210的响应。在这种情况下，驱 动电路212可仅以不相关的频率振荡，或者以石英晶体振荡器210的非基本|旲式的频率振 荡。
[0119] 作为另一个限制，驱动电路212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。
[0120] 现在将参照图6来描述驱动电路212。为了驱动石英晶体振荡器210,驱动电路 212实质上获得来自石英晶体振荡器210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210。石英晶体振荡器210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。
[0121] 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212布置成检测和保持这个振荡频率。然后频率可由处理器 230(图9)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）。
[0122] 驱动电路212由6V的电池216提供功率。电池216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。
[0123] 驱动电路212进一步包括复合晶体管对共射放大器218。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。
[0124] 复合晶体管对218与单晶体管（1\)共射放大器220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)。
[0125] 作为变型，可在复合晶体管对218和共射放大器220之间的反馈回路中实现自动 增益控制（未显示）。这可采取电势计、可变电阻器或位于例如图6中显示的最右边的22k 电阻器的位置上的其它适当构件的形式。
[0126] 自动增益控制使得能够补偿Q因数随压力的变化，以及在供应电压中的变化（例 如，在低电池的条件下）。自动增益控制可特别适用于低压应用。
[0127] 驱动电路212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222。 缓冲器放大器222布置成用作电路和外部环境之间的缓冲器。但是，此特征是可选的，而且 可不需要它；例如，FET可直接连接到驱动电路212上。
[0128] 电容器224定位成与石英晶体振荡器210串联。电容器224在此示例中具有 100pF的值，并且使得驱动电路212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210。
[0129] 现在将参照图7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。
[0130] 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 MOSFET。
[0131] 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。
[0132] 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。
[0133] 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。
[0134] 现在将参照图8来描述另一个备选驱动电路260。图8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260 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210。
[0135] 在此组件中，石英晶体振荡器210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210之间用来限制增益，以及抑制电路中的不合需要的振荡。
[0136] 石英晶体振荡器210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260可靠且制造起来廉价，因为它包括较少构件。
[0137] 如上面论述的那样，传感器组件204可包括处理器230,处理器230接收来自石英 晶体振荡器210和驱动电路212的输入。处理器230可包括任何适当的组件，诸如ASIC或 FPGA。
[0138] 处理器230编程成计算以及（如果需要）显示和传送确定的气体的分子量（或气 体的均匀混合物的平均分子量）。在图9中显示处理器230的主要输入和输出的示意图。
[0139] 当用于石英晶体振荡器210时，处理器230可构造成测量来自传感器组件204 (包 括驱动电路212)的信号频率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230。
[0140] 处理器230还接收来自温度传感器214的测量温度T。另外，处理器230接收来自 压力传感器302(如果存在）或固定压力值的压力值。这个值可自动地设定；例如，在以下 情形中：分子量量计400、500仅将在大气压力下使用，或者将在固定压力调整器的出口上 使用（对于分子量量计200就是这样）。在此情形中，固定压力值输入到处理器230。备选 地，固定压力值可由用户手动地输入。
[0141] 作为另一个备选方案，来自传感器组件504(包括驱动电路512)的信号的频率f 或周期可由处理器230接收。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压力值（因为频率与成密度比例，而且当已知空气的气体成 分时，密度与压力成比例）。这个值传送到处理器230。
[0142] 处理器230布置成基于供应的输入来执行计算，以确定石英晶体振荡器210浸入 其中的气体的分子量。处理器230可包括分子量量计200、300、400、500中的任一个的一部 分。
[0143] -旦已经确定分子量，这个数据就可存储在本地存储器中，可在显示器屏幕上显 示，或者可传输到远程站。
[0144] 处理器230可以可选地设计成大规模生产，以在所有分子量量计200中相同，在软 件和硬件中针对不同的气体实现不同特征。
[0145] 另外，处理器230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230和额外的构件，诸如驱动电路212和石英晶体 振荡器210。
[0146] 可实现各种方案；例如，处理器230在每11秒中可待机10秒。另外，处理器230 可控制石英晶体振荡器210和驱动电路212,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。
[0147] 现在将参照图10至14来描述传感器组件204的理论和运行。
[0148] 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变化和衰减（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：

【权利要求】
1. 一种气体混合器组件，包括： 用于供应第一气体的第一气体源； 用于供应不同于所述第一气体的第二气体的第二气体源； 第一流调整装置和第二流调整装置，其用于调整来自所述第一气体源和所述第二气体 源的所述第一气体和所述第二气体的相应的流量； 混合器；以及 出口，所述混合器位于所述第一流调整装置和所述第二流调整装置下游，并且布置成 在使用中混合所述第一气体和所述第二气体，以对所述出口提供混合气体，其中，所述气体 混合器组件进一步包括量计，所述量计包括： 第一传感器组件，其可运行来确定混合气体的平均分子量，并且包括与所述混合气体 接触的高频率平面压电晶体振荡器； 第二传感器组件，其可运行来确定在所述第一流调整装置或所述第二流调整装置中的 一个的下游的气体的压力；以及 控制器，其可运行来响应于所述混合气体的平均分子量和所述气体压力而自动地控制 所述第一流调整装置和所述第二流调整装置，以控制所述混合气体中的所述第一气体和所 述第二气体的相对比例，以及来自所述出口的所述混合气体的压力或质量流率。
2. 根据权利要求1所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第一流调整装置和/或所 述第二流调整装置包括电子阀。
3. 根据权利要求1或2所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第二传感器组件包括 与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体接触的第二高频率平面压电晶体振荡 器。
4. 根据权利要求1、2或3所述的气体混合器组件，其特征在于，所述气体混合器组件进 一步包括第三传感器组件，其可运行来确定在所述第一流调整装置或所述第二流调整装置 中的另一个下游的气体的压力。
5. 根据权利要求4所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第三传感器组件包括与 所述混合器上游的所述第一所体或所述第二气体中的另一个接触的第三高频率平面压电 晶体振荡器。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的气体混合器组件，其特征在于，所述第一传感 器组件进一步包括导管，在使用中，所述混合气体流过所述导管，所述导管具有在所述出口 上游的限流孔，在使用中，在所述限流孔中出现扼流，所述限流孔将所述导管分成在所述孔 上游的上游部分和与所述出口处于连通的下游部分，其中，所述压电晶体振荡器位于所述 上游部分中，所述第一传感器组件进一步可运行来测量通过所述孔的混合气体的质量流 率。
7. -种使用气体混合器组件来以相对比例提供气体混合物的方法，所述气体混合组件 包括用于供应第一气体的第一气体源、用于供应不同于所述第一气体的第二气体的第二气 体源、用于调整来自所述第一气体源和所述第二气体源的所述第一气体和所述第二气体的 相应的流量的第一流调整装置和第二流调整装置、位于所述第一流调整装置和第二流调整 装置下游的混合器、出口和第一传感器组件和第二传感器组件，所述第一传感器组件包括 与所述混合气体接触的高频率平面压电晶体振荡器，所述方法包括： a) 接收来自所述第一气体源的第一气体； b) 接收来自所述第二气体源的第二气体； c) 混合所述第一气体和所述第二气体，以形成混合气体； d) 测量与所述混合气体接触的所述高频率平面压电晶体振荡器的共振频率； e) 使用所述第二传感器组件来确定在所述第一流调整装置或所述第二流调整装置下 游的气体的压力； f) 根据所述共振频率和所述压力测量值，确定所述混合气体的平均分子量；以及 g) 响应于所述确定的平均分子量和所述压力测量值，而自动地控制所述第一流调整装 置和所述第二流调整装置，以控制所述混合气体中的所述第一气体和所述第二气体的相对 比例，以及来自所述出口的所述混合气体的压力或质量流率。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一流调整装置和/或所述第二流调 整装置包括电子阀。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述第二传感器组件包括第二高频率 平面压电振荡器，并且步骤e)包括测量与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气 体接触的所述第二高频率平面压电晶体振荡器的共振频率。
10. 根据权利要求7、8或9所述的方法，其特征在于，所述气体混合器组件进一步包括 第三传感器组件，并且所述方法进一步包括在步骤e)之后的步骤 h) :确定在所述第一流调整装置或所述第二流调整装置中的另一个下游的气体的压 力。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三传感器组件包括与所述混合 器上游的所述第一气体或所述第二气体接触的第三高频率平面压电晶体振荡器，并且步骤 h)包括测量与所述混合器上游的所述第一气体或所述第二气体接触的所述第三高频率平 面压电晶体振荡器的共振频率。
12. 根据权利要求7至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一传感器组件进 一步包括导管，在使用中，所述混合气体流过所述导管，所述导管具有在所述出口上游的限 流孔，在使用中，在所述限流孔中出现扼流，所述限流孔将所述导管分成在所述孔上游的上 游部分和与所述出口处于连通的下游部分，所述方法进一步包括： i) 根据所述共振频率来确定通过所述孔的气体的质量流率。
13. -种可由可编程处理设备执行的计算机程序产品，其包括用于执行权利要求7至 11中的任一项所述的步骤的一个或多个软件部分。
14. 一种计算机可使用的存储介质，其上存储有根据权利要求13所述的计算机程序产 品。
【文档编号】B01F3/02GK104303126SQ201380026592
【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, T.D.M.李 申请人:气体产品与化学公司