用于測(cè)量加壓氣體罐的真實(shí)含量的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于使用壓電振蕩器來測(cè)量加壓氣體的質(zhì)量的方法和設(shè)備。氣體容納在具有固定的內(nèi)部容積(V)的壓力容器(100)內(nèi)，并且壓電振蕩器(202)浸沒在壓力容器(100)內(nèi)的氣體中。方法包括：a)使用所述壓電振蕩器(202)來測(cè)量高壓力容器(100)內(nèi)的氣體的密度；b)根據(jù)密度測(cè)量結(jié)果和所述壓力容器的內(nèi)部容積(V)來確定壓力容器(100)內(nèi)的氣體的質(zhì)量。通過提供這種方法，可直接測(cè)量諸如罐的壓力容器中的流體的真實(shí)含量(即，質(zhì)量)，而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因數(shù)。這允許通過直接根據(jù)罐中的氣體的密度進(jìn)行推導(dǎo)來確定質(zhì)量，從而減少對(duì)額外的傳感器或要執(zhí)行的復(fù)雜計(jì)算的需要。
【專利說明】用于測(cè)量加壓氣體罐的真實(shí)含量的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于測(cè)量加壓氣體罐的真實(shí)含量的方法和設(shè)備。更特別地，本發(fā)明涉及用于使用壓電振蕩器來測(cè)量罐的真實(shí)含量的方法和設(shè)備。本文描述的方法和設(shè)備可應(yīng)用于其中存在較高壓力(例如大約10巴或更高)的氣體的系統(tǒng)，諸如例如，高壓力罐中的氣體供應(yīng)或使用高壓氣體的加工裝置。本發(fā)明尤其涉及“清潔”氣體，即，具有較少雜質(zhì)或污染物，或者沒有雜質(zhì)或污染物(諸如水蒸氣或灰塵)的氣體。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮氣體罐是設(shè)計(jì)成容納處于高壓(即，處于顯著大于大氣壓力的壓力)的氣體的壓力容器。壓縮氣體罐在廣大范圍的市場(chǎng)中使用，從低成本的一般工業(yè)市場(chǎng)，到醫(yī)療市場(chǎng)，到較高成本的應(yīng)用，諸如使用高純度的有腐蝕性、毒性或自燃特質(zhì)的氣體的電子制造。
[0003]通常，加壓氣體容器包含鋼、鋁或復(fù)合物，并且能夠存儲(chǔ)壓縮、液化或溶解氣體，對(duì)大多數(shù)氣體來說最大填充壓力高達(dá)450巴(表壓)(bar g)(其中，巴(表壓)是在大氣壓力之上的壓力(以巴為單位)的度量)，以及對(duì)于諸如氫和氦的氣體來說最大填充壓力高達(dá)900巴(表壓)。
[0004]本發(fā)明特別適用于永久氣體。永久氣體是不會(huì)單獨(dú)被壓力所液化的氣體，而且例如，永久氣體可在高達(dá)450巴(表壓)的壓力下在罐中供應(yīng)。示例為氬和氮。但是，這不應(yīng)理解為限制性的，而是用語(yǔ)氣體可認(rèn)為是包括較廣范圍的氣體，例如，永久氣體和液化氣體的蒸氣兩者。液化氣體的蒸氣存在于壓縮氣體罐中的液體之上。在為了填充到罐中而被壓縮時(shí)在壓力下液化的氣體不是永久氣體，并且被更精確地描述成加壓液化氣體，或者液化氣體的蒸氣。作為示例，在罐中以液體的形式供應(yīng)一氧化二氮，平衡蒸氣壓力在15°C下為44.4巴(表壓)。這樣的蒸氣不是永久氣體或真實(shí)氣體，因?yàn)樗鼈兡軌虮画h(huán)境條件周圍的壓力或溫度液化。
[0005]在許多情況下，監(jiān)測(cè)給定的罐或壓力容器的含量是必要的，以確定剩余氣體的量。這在諸如健康護(hù)理應(yīng)用的情形中是特別關(guān)鍵的。
[0006]已知根據(jù)氣體定律，通過對(duì)罐內(nèi)的氣體的壓力的了解來計(jì)算罐的真實(shí)含量。壓力測(cè)量是眾所周知的技術(shù)，而且存在多種用來測(cè)量壓力的裝置。最傳統(tǒng)的類型使用配備有應(yīng)變計(jì)元件的彈性膜片。但是，雖然是目前制作的成本最低的壓力傳感器之一，但這些傳感器趨向于在大小上較大，并且具有雖然能夠用大規(guī)模照相平版印刷法生產(chǎn)但制造起來仍然較復(fù)雜和昂貴的機(jī)械結(jié)構(gòu)。它們還具有一定程度的易碎性，而且在它們可使用之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。
[0007]另一個(gè)常用的壓力計(jì)是波爾登管式(Bourdon)壓力計(jì)。這種壓力計(jì)包括易碎的平薄壁的閉端式管，管在空心端處連接到包含待測(cè)量的流體壓力的固定的管道上。壓力升高會(huì)使管道的閉合端出現(xiàn)弧。這種量計(jì)包括精細(xì)構(gòu)件，精細(xì)構(gòu)件易于由于例如暴露于高壓而受損。
[0008]使得難以精確地測(cè)量氣體容器中的氣體量的一個(gè)問題是容納在罐內(nèi)的氣體的溫度-壓力關(guān)系。根據(jù)氣體定律，給定量的氣體在恒定體積下所施加的壓力直接與其溫度成比例。因此，隨著氣體的溫度升高，氣體的壓力也將升高。
[0009]因此，使用壓力計(jì)(諸如波爾登管式壓力計(jì))的壓力測(cè)量結(jié)果與絕對(duì)溫度成比例地上升和下降，例如從20°C的初始溫度到例如陽(yáng)光照射環(huán)境下的50°C，波爾登管式壓力計(jì)上的指示壓力將增加10%。
[0010]另外的問題是，為了使用壓力測(cè)量來確定罐的含量，需要針對(duì)氣體的可壓縮性來矯正壓力計(jì)。這是復(fù)雜的，因?yàn)樘幱诟邏旱臍怏w的行為與理想氣體的行為不符。
[0011]用來測(cè)量氣體的物理屬性的備選類型的裝置是壓電裝置，諸如石英晶體。石英晶體會(huì)展現(xiàn)壓電行為，即，對(duì)石英晶體應(yīng)用電壓會(huì)使固體略微有擠壓或拉伸，反之亦然。
[0012]((Sensors and Actuators (傳感器和促動(dòng)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)-氣體密度控制的音叉技術(shù)的精確且可靠的石英傳感器)”公開了一種組件，其中，使用石英晶體傳感器來在高電壓和中等電壓電力裝備中，在低氣體壓力下測(cè)量SF6氣體的密度。測(cè)量SF6氣體的密度對(duì)于設(shè)備的安全性是至關(guān)重要的。此文獻(xiàn)描述了石英傳感器技術(shù)的低壓應(yīng)用，其中使用高達(dá)8巴(表壓)的壓力。
[0013]US 4，644，796公開一種用于使用石英晶體振蕩器來測(cè)量流體的壓力的方法和設(shè)備，石英晶體振蕩器容納在包括波紋管組件的容積可變的殼體內(nèi)。由于外部流體壓力使波紋管壓縮/膨脹，殼體的內(nèi)部容積改變。因此，殼體內(nèi)的流體的密度隨著殼體的內(nèi)部容積改變而改變?？墒褂檬⒕w振蕩器來測(cè)量殼體內(nèi)的密度。
[0014]以上組件描述了使用固態(tài)傳感器，諸如石英晶體振蕩器。但是，以上組件和方法中沒有一種適于精確地測(cè)量壓力容器(諸如氣體罐)中的氣體的質(zhì)量。因此，已知的測(cè)量組件遭受這樣的技術(shù)問題，即，它們無法提供封殼(諸如其中遇到高壓的氣體罐)中的氣體的質(zhì)量的精確測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種使用壓電振蕩器來測(cè)量加壓氣體的質(zhì)量的方法，所述氣體容納在具有固定的內(nèi)部容積的壓力容器內(nèi)，而壓電振蕩器浸沒在壓力容器內(nèi)的氣體中，方法包括:a)使用所述壓電振蕩器來測(cè)量高壓力容器內(nèi)的氣體的密度；b)根據(jù)密度測(cè)量結(jié)果和所述壓力容器的內(nèi)部容積來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
[0016]通過提供這種方法，可直接測(cè)量壓力容器(諸如罐)中的氣體(諸如永久氣體)的真實(shí)含量(即，質(zhì)量)，而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因數(shù)。這允許通過直接根據(jù)罐中的氣體的密度進(jìn)行推導(dǎo)來確定質(zhì)量，從而減少對(duì)額外的傳感器或要進(jìn)行的復(fù)雜補(bǔ)償和近似的需要。另外，壓電振蕩器是固態(tài)裝置，其能耐受高壓、壓力突變或其它環(huán)境因數(shù)。壓電振蕩器可運(yùn)行來完全浸沒在氣體中，這與傳統(tǒng)量計(jì)(諸如波爾登管式壓力計(jì))相反，傳統(tǒng)壓力計(jì)需要壓差來工作。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，步驟a)包括:借助于驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻率共振；以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述高壓力容器中的氣體的密度。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，步驟a)和b)重復(fù)一次或多次，使得獲得壓力容器內(nèi)的氣體密度在一時(shí)段里的一系列測(cè)量結(jié)果，所述一系列測(cè)量結(jié)果用來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量在所述時(shí)段期間的變化。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0020]在實(shí)施例中，石英晶體包括至少一個(gè)叉。在變型中，石英晶體包括成對(duì)的平叉。
[0021]在實(shí)施例中，石英晶體為AT切型或SC切型。
[0022]在變型中，石英晶體的表面直接暴露于氣體。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在變型中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路包括布置成與共射放大器呈反饋構(gòu)造的復(fù)合晶體管對(duì)(Darlington pair)。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功率源。在一個(gè)組件中，功率源包括鋰離子電池。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括處理器。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，壓力容器包括高壓力容器。高壓力容器是布置成經(jīng)受住大體大于10巴的內(nèi)部壓力的容器。
[0027]在變型中，壓力容器包括氣體罐。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于測(cè)量具有固定的內(nèi)部容積的壓力容器內(nèi)的加壓氣體的質(zhì)量的傳感器組件，該傳感器組件包括用于浸沒在壓力容器內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器，當(dāng)這樣浸沒時(shí)，傳感器組件布置成測(cè)量壓力容器內(nèi)的氣體的密度，以及配置成根據(jù)密度測(cè)量結(jié)果和所述壓力容器的內(nèi)部容積來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
[0029]通過提供這種組件，可直接測(cè)量壓力容器(諸如罐)中的流體的真實(shí)含量(即，質(zhì)量)，而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因數(shù)。這允許通過直接根據(jù)罐中的氣體的密度進(jìn)行推導(dǎo)來確定質(zhì)量，從而減少對(duì)額外的傳感器或要執(zhí)行的復(fù)雜計(jì)算的需要。另外，壓電振蕩器是固態(tài)裝置，其能耐受高壓或壓力突變，并且因而，不太可能由于壓力“蠕變”或其它環(huán)境因數(shù)而受損。壓電振蕩器的結(jié)構(gòu)使得壓電振蕩器能夠完全浸沒在氣體中，這與傳統(tǒng)壓力計(jì)(諸如波爾登管式壓力計(jì))相反，傳統(tǒng)壓力計(jì)需要壓差來工作。
[0030]在變型中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0031]在變型中，氣體是永久氣體。
[0032]在一個(gè)組件中，高壓力容器是氣體罐。
[0033]在實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路包括布置成與共射放大器呈反饋構(gòu)造的復(fù)合晶體管對(duì)。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功率源。在一個(gè)組件中，功率源包括鋰離子電池。
[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括處理器。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件布置成驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻率共振，以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述壓力容器中的氣體的密度。
[0037]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件進(jìn)一步布置成以離散的時(shí)間間隔對(duì)壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測(cè)量，以獲得多個(gè)測(cè)量結(jié)果，以及根據(jù)所述多個(gè)測(cè)量結(jié)果來確定在離散的時(shí)間間隔期間通往/來自壓力容器的氣體的質(zhì)量流量，較多次地使得獲得在壓力容器內(nèi)的氣體密度在一時(shí)段里的一系列測(cè)量結(jié)果，所述一系列測(cè)量結(jié)果用來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量在所述時(shí)段期間的變化。[0038]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種包括根據(jù)第二方面的傳感器組件的閥組件，該閥組件連接到壓力容器本體上，以形成具有固定的內(nèi)部容積的壓力容器，閥組件布置成使得能夠選擇性地用氣體填充壓力容器，或者從壓力容器中分配氣體。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于容納加壓氣體的壓力容器，壓力容器具有固定的內(nèi)部容積，并且包括:限定固定的內(nèi)部容積的壓力容器本體；閥組件，其連接到所述容器本體上，并且布置成使得能夠選擇性地用氣體填充壓力容器，或者從所述容器中分配氣體；以及根據(jù)第二方面的傳感器組件。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括驅(qū)動(dòng)電路。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括功率源。在變型中，功率源包括鋰離子電池。
[0041 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件完全位于壓力容器的固定的內(nèi)部容積內(nèi)。
[0042]在一個(gè)組件中，壓力容器本體包括氣體罐。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，提供一種能夠由可編程處理設(shè)備執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其包括用于執(zhí)行根據(jù)第一方面的步驟的一個(gè)或多個(gè)軟件部分。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例，提供一種其上存儲(chǔ)有根據(jù)第四方面的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
圖1是氣體罐組件的示意圖；
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體罐組件的上部部分的示意圖；
圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的氣體罐組件的上部部分的示意圖；
圖4是用于第一或第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路的示意圖；
圖5是顯示用于第一或第二實(shí)施例的備選驅(qū)動(dòng)電路的示意圖；
圖6顯示關(guān)于多種不同氣體的、在Y軸上的石英晶體頻率(kHz)隨密度(kg/m3)而改變的圖表；
圖7顯示關(guān)于氬(Ar)、氧和氬:二氧化碳混合物的、在Y軸上的氣體質(zhì)量(單位為kg)隨X軸上的壓力(巴(表壓))而改變的圖表；
圖8顯示關(guān)于圖7中顯示的三種相同氣體(氬、氧和氬:二氧化碳混合物)的、在Y軸上的氣體質(zhì)量(單位為kg)隨X軸上的密度(kg/m3)而改變的圖表；
圖9顯示關(guān)于來自處于100巴(表壓)的壓力的50升氣體罐的12升/分鐘的流率的、在Y軸上的頻率(單位為kHz)隨X軸上的時(shí)間(單位為分鐘)而改變的圖表；
圖10顯示關(guān)于處于100巴(表壓)的壓力的50升罐的、在Y軸上的計(jì)算流率(單位為升/分鐘)隨X軸上的時(shí)間(單位為分鐘)而改變的圖表；
圖11顯示關(guān)于典型氣體罐的、在Y軸上的頻率(單位為kHz)隨X軸上的氣體罐質(zhì)量(單位為kg)而改變的圖表；
圖12是示出根據(jù)描述的實(shí)施例的方法的流程圖；
圖13顯示不同晶體類型的頻率行為的圖表；
圖14是顯示包括兩個(gè)石英晶體的備選傳感器組件的示意圖；以及圖15顯示使用遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)單元的備選組件?！揪唧w實(shí)施方式】
[0046]圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的氣體罐組件10的示意圖。
[0047]氣體罐組件10包括氣體罐100，氣體罐具有氣體罐本體102和閥104。氣體罐本體102包括大體圓柱形的容器，其具有平的基部102a，基部布置成使得能夠氣體罐100能夠在沒有支承的情況下豎立在平坦表面上。
[0048]氣體罐本體102由鋼、鋁和/或復(fù)合材料形成，并且適于和布置成經(jīng)受住高達(dá)大約900巴(表壓)的內(nèi)部壓力。孔口 106位于氣體罐本體102的與基部102a相對(duì)的近端處，并且包括適于接收閥104的螺紋(未顯示)。
[0049]氣體罐本體102和閥104限定具有內(nèi)部容積V的壓力容器(在這個(gè)實(shí)施例中，呈氣體罐100的形式)。內(nèi)部容積V是固定的。這表示氣體罐100的結(jié)構(gòu)使得可假設(shè)其內(nèi)部容積v(以及，相伴地，包含在其中的氣體的體積)在使用、存儲(chǔ)時(shí)不會(huì)有相當(dāng)大程度的改變，或者不依賴于環(huán)境條件，諸如溫度、壓力或濕度。氣體罐100的內(nèi)部容積V意于包括氣體罐本體102和閥104內(nèi)的整個(gè)容積。換句話說，內(nèi)部容積V是氣體罐組件10內(nèi)的其中氣體保持壓力的總內(nèi)部容積。
[0050]任何適當(dāng)?shù)牧黧w可容納在氣體罐組件100內(nèi)。
[0051]但是，本實(shí)施例涉及(但不獨(dú)有地限于)沒有雜質(zhì)(諸如灰塵和/或水分)的純化永久氣體。這樣的氣體的非窮盡性示例可為:氧、氮、氬、氦、氫、甲烷、三氯化氮、一氧化碳、氪或氖。
[0052]閥104包括殼體108、出口 110、閥本體112和閥座114。殼體108包括用于與氣體罐本體102的孔口 106接合的互補(bǔ)螺紋。出口 110適于其布置成使得氣體罐100能夠連接到氣體組件中的其它構(gòu)件上；例如，軟管、管道，或另外的壓力閥或調(diào)節(jié)器?？蛇x地，閥104可包括VTRP (具有集成壓力調(diào)節(jié)器的閥)。
[0053]可借助于可握持把手116的旋轉(zhuǎn)而沿軸向朝向或遠(yuǎn)離閥座114調(diào)節(jié)閥本體112，以選擇性地打開或關(guān)閉出口 110。換句話說，閥本體112朝向或遠(yuǎn)離閥座112的移動(dòng)選擇性控制氣體罐本體102的內(nèi)部和出口 110之間的連通通路的面積。這又控制從氣體罐組件100的內(nèi)部到外部環(huán)境的氣體的流量。
[0054]通孔118在出口 110的下游形成于殼體108中。借助于饋通件120來封閉通孔118，饋通件120使得構(gòu)件(諸如接線)能夠從氣體罐100的外部饋送通過到氣體罐100的內(nèi)部。饋通件120用作保持氣體罐100的完整性的高壓密封件。
[0055]氣體罐組件10設(shè)有傳感器組件200。傳感器組件200布置成測(cè)量氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)的氣體的密度。傳感器組件200在圖2和3中有更詳細(xì)的顯示，并且包括石英晶體振蕩器202，石英晶體振蕩器202通過適當(dāng)?shù)慕泳€208而連接到驅(qū)動(dòng)電路204和電池206上。還可單獨(dú)地提供處理器220 (未在圖2和3中顯示)，或者提供處理器220作為驅(qū)動(dòng)電路204的一部分。這將在后面進(jìn)行描述。
[0056]在圖2中顯示的實(shí)施例中，石英晶體振蕩器202位于氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)，而驅(qū)動(dòng)電路204位于氣體罐100的外部。因此，傳感器組件200的至少一部分位于通孔118中。石英晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204由接線208連接，接線208穿過高壓饋通件120。
[0057]在這個(gè)組件中，石英晶體振蕩器202恒定地經(jīng)受氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)的等靜壓力，并且因此，不會(huì)經(jīng)受壓力梯度。換句話說，源自氣體罐100的內(nèi)部容積V和外部環(huán)境之間的壓差的任何機(jī)械應(yīng)力都跨過饋通件120。
[0058]圖3中顯示了備選實(shí)施例。圖3中顯示的實(shí)施例的與圖2的實(shí)施例公共的特征分配有相同參考標(biāo)號(hào)，并且在這里不再描述。
[0059]在圖3的實(shí)施例中，整個(gè)傳感器組件200都位于氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)。因此，石英晶體振蕩器202、驅(qū)動(dòng)電路204 (和處理器220，如果提供了的話)和電池206全部都位于氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)。傳感器組件200的構(gòu)件完全浸沒在氣體中，并且經(jīng)受氣體罐100內(nèi)的等靜氣體壓力。因此,傳感器組件200經(jīng)歷氣體罐100內(nèi)的氣體的全部氣體壓力。
[0060]在這個(gè)實(shí)施例中，可以可選地去除饋通件120。
[0061]備選地，傳感器組件200可連接到天線250上，以與例如基站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。這將在后面進(jìn)行論述。在這種情況下，天線250可位于氣體罐100的外部，并且借助于接線或等效連接器而連接到傳感器組件上。接線可穿過饋通件120，以便在天線250和傳感器組件200之間實(shí)現(xiàn)連接。
[0062]天線250本身可適于且布置成使用任何適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議；例如，非窮盡性列表可為RFID、藍(lán)牙、紅外(IR) >802.11無線、頻率調(diào)制(FM)發(fā)射或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
[0063]備選地，可進(jìn)行單線通信。單線通信僅需要單個(gè)金屬導(dǎo)體來進(jìn)行通信:由通過通信裝置之間的空氣的電容性耦合來提供電路的“回行”路徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到可用于本文論述的實(shí)施例的天線250 (和相關(guān)聯(lián)的發(fā)射硬件)的備選方案。
[0064]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳感器組件200的僅少數(shù)構(gòu)件對(duì)高壓敏感。特別地，諸如電池的較大的構(gòu)件可容易受高壓的影響。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在氣體罐100內(nèi)遇到的高壓下工作特別良好。因此，電池206包括鋰離子電池。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地構(gòu)想到備選的適當(dāng)功率源。
[0065]在構(gòu)造氣體罐100時(shí)，整個(gè)傳感器組件200完全定位在氣體罐100內(nèi)會(huì)提供額外的靈活性。特別地，較脆弱的電子構(gòu)件完全定位在氣體罐100的結(jié)實(shí)的金屬壁或復(fù)合壁內(nèi)會(huì)提供相當(dāng)大的保護(hù)以免受環(huán)境或意外損傷。例如，在其中氣體罐100位于其它氣體罐100、重型機(jī)器或粗糙表面附近的存儲(chǔ)區(qū)域或倉(cāng)庫(kù)中，這是特別重要的。
[0066]另外，傳感器組件的電子構(gòu)件完全位于氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)使得能夠提供本來可能不適合在罐100的外表面上使用的較大的構(gòu)件。例如，可提供較大的電池，以便增加傳感器組件200的使用壽命。
[0067]另外，傳感器組件200的內(nèi)部定位保護(hù)電子構(gòu)件不受諸如鹽、水和其它污染物的環(huán)境條件的影響。例如，這將允許使用對(duì)鹽和水損害高度敏感的高阻抗電路作為傳感器組件200的一部分。
[0068]但是，在以上實(shí)施例的變型中，傳感器組件的一部分可位于氣體罐100的內(nèi)部容積V內(nèi)，而一部分可位于其外部。例如，驅(qū)動(dòng)電路212和處理器220可位于氣體罐100內(nèi)，而電池206可位于氣體罐100的外部。這個(gè)組件使得傳感器組件的較脆弱的構(gòu)件能夠受到保護(hù)免受損傷和污染物，同時(shí)易于接近電池206來進(jìn)行維護(hù)和更換。
[0069]關(guān)于外部通信，在一個(gè)構(gòu)造中，不明顯地需要外部天線系統(tǒng)或天線(諸如天線250)。例如，可借助于來自罐100內(nèi)的聲學(xué)發(fā)射來實(shí)現(xiàn)通信。聲學(xué)發(fā)射可由位于氣體罐100內(nèi)的發(fā)射器實(shí)現(xiàn)。發(fā)射器可包括例如簡(jiǎn)單的頻率固定的壓電共振器。
[0070]還需要互補(bǔ)的接收器，而且這個(gè)構(gòu)件可位于罐100遠(yuǎn)處，并且可包括諸如例如與話筒集成的鎖相回路音調(diào)檢測(cè)器的硬件。這種聲學(xué)組件提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即，不需要饋通件(在天線250的情況下則需要)，而且所有電子構(gòu)件都可完全位于罐100內(nèi)。
[0071]對(duì)于諸如石英晶體振蕩器202的固態(tài)傳感器裝置，傳感器組件200的內(nèi)部定位的好處是獨(dú)特的。例如，無法照這樣定位諸如波爾登管式壓力計(jì)的傳統(tǒng)壓力傳感器。雖然基于晶體的傳感器可在完全浸沒在處于恒定的壓力的氣體中的情況下運(yùn)行，但傳統(tǒng)的壓力傳感器無法測(cè)量等靜壓力，并且需要壓力梯度來工作。因此，傳統(tǒng)壓力計(jì)必須位于待測(cè)量的高壓和大氣之間。這就妨礙了傳統(tǒng)壓力計(jì)完全位于氣體罐100內(nèi)。
[0072]現(xiàn)在將參照?qǐng)D2至4來更詳細(xì)描述傳感器組件200。石英晶體振蕩器202包括切割石英的小、薄部分。石英會(huì)展現(xiàn)壓電行為，即，跨過晶體應(yīng)用電壓會(huì)使晶體改變形狀，從而產(chǎn)生機(jī)械力。相反，應(yīng)用于晶體的機(jī)械力產(chǎn)生電荷。
[0073]使石英晶體振蕩器202的兩個(gè)平行表面金屬化，以便在整個(gè)晶體上提供電連接。當(dāng)借助于金屬觸頭在晶體上應(yīng)用電壓時(shí)，晶體改變形狀。通過對(duì)晶體應(yīng)用交流電壓，可使晶體振蕩。
[0074]石英晶體的物理大小和厚度決定石英晶體的特性或共振頻率。實(shí)際上，晶體202的特性或共振頻率與兩個(gè)金屬化表面之間的物理厚度成反比。石英晶體振蕩器在本領(lǐng)域中是眾所周知的，所以在這里將不進(jìn)一步描述石英晶體振蕩器202的結(jié)構(gòu)。
[0075]石英晶體的諧振頻率將取決于晶體所處的環(huán)境而改變。在真空中，晶體將具有特定的頻率。但是，這個(gè)頻率將在不同的環(huán)境中改變。例如，在流體中，晶體的振動(dòng)將被周圍流體分子阻尼，而且這將影響共振頻率和使晶體以給定幅度振蕩所需的能量。
[0076]另外，氣體被吸附到晶體上或周圍材料淀積到晶體上將影響振動(dòng)晶體的質(zhì)量，從而改變共振頻率。這會(huì)對(duì)常用的選擇性氣體分析器形成基礎(chǔ)，在選擇性氣體分析器中，吸收層形成于晶體上，并且在質(zhì)量上隨著氣體吸收到吸收層上而提高。但是，在現(xiàn)在的情況下，在石英晶體振蕩器202上沒有應(yīng)用涂層。實(shí)際上，在現(xiàn)在的情況下，材料吸收或淀積到石英晶體振蕩器202上是不合需要的，因?yàn)闇y(cè)量的精確性可受到影響。
[0077]本實(shí)施例的石英晶體振蕩器202為音叉形，并且包括大約5mm長(zhǎng)的成對(duì)的叉202a (圖4)，叉202a布置成以32.768 kHz的共振頻率振蕩。音叉的叉202a通常在它們的基本模式中振蕩，其中，它們以共振頻率同步地運(yùn)動(dòng)朝向彼此和遠(yuǎn)離彼此。
[0078]另外，使用為AT切型或SC切型的石英是合乎需要的。換句話說，以特定的選定的角度切割石英的平坦部分，使得振蕩頻率的溫度系數(shù)可布置成在室溫附近為具有寬峰的拋物線。因此，晶體振蕩器可布置成使得在峰的頂部處的斜率正好為零。
[0079]通常可用較低的成本獲得這樣的晶體。與大部分在真空中使用的石英晶體振蕩器相比,在本實(shí)施例中,石英晶體振蕩器202暴露于氣體罐100的內(nèi)部容積V中的加壓氣體。
[0080]在圖4中顯示用于驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202的驅(qū)動(dòng)電路204。驅(qū)動(dòng)電路204必須滿足多個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)。首先，本發(fā)明的石英晶體振蕩器202可暴露于一定范圍的氣體壓力；潛在地，壓力可從大氣壓力(當(dāng)氣體罐100為空的時(shí))變化到大約900巴(表壓)，如果氣體罐含有諸如氫的加壓氣體的話。因而，石英晶體202需要在寬范圍的壓力下運(yùn)行(以及在不使用時(shí)期之后重新啟動(dòng))。[0081]因此，石英晶體振蕩器202的品質(zhì)(Q)因數(shù)將在使用期間有相當(dāng)大的變化。Q因數(shù)是與振蕩器或共振器的阻尼速率有關(guān)的無量綱參數(shù)。同等地，它可表征共振器的相對(duì)于其中心頻率的帶寬。
[0082]大體上，振蕩器的Q因數(shù)越高，與振蕩器的存儲(chǔ)能量有關(guān)的能量損耗速率就越低。換句話說，在沒有外部力的情況下，高Q因數(shù)振蕩器的振蕩在幅度上減小得更慢。
[0083]具有較高的Q因數(shù)的正弦驅(qū)動(dòng)式共振器在共振頻率下以較大的幅度共振，但圍繞它們共振的頻率具有較小的頻率帶寬。
[0084]驅(qū)動(dòng)電路204必須能夠驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202，而不管Q因數(shù)的變化。隨著氣體罐100中的壓力增大，石英晶體振蕩器202的振蕩將變得越來越被阻尼，而且Q因數(shù)將降低。降低的Q因數(shù)需要驅(qū)動(dòng)電路204中的放大器提供較高的增益。但是，如果驅(qū)動(dòng)電路204提供的幅度太高，則來自石英晶體振蕩器202的響應(yīng)可變得難以區(qū)分。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)電路204可僅以不相關(guān)的頻率振蕩,或者以石英晶體振蕩器202的非基本I旲式的頻率振蕩。
[0085]作為另一個(gè)限制，驅(qū)動(dòng)電路204必須為低功率，以便在有或沒有補(bǔ)充功率(諸如光伏電池)的情況下，以小低功率電池長(zhǎng)久地運(yùn)行。
[0086]現(xiàn)在將參照?qǐng)D4來描述驅(qū)動(dòng)電路204。為了驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202，驅(qū)動(dòng)電路204基本獲得來自石英晶體振蕩器202的電壓信號(hào)，將其放大，并且將那個(gè)信號(hào)饋送回石英晶體振蕩器202。石英晶體振蕩器202的基本共振頻率基本上是石英的膨脹和收縮速率的函數(shù)。這大體由晶體的切型和大小確定。
[0087]但是，外部因數(shù)也會(huì)影響共振頻率。當(dāng)產(chǎn)生的輸出頻率的能量匹配電路損耗時(shí)，可維持振蕩。驅(qū)動(dòng)電路204布置成檢測(cè)和保持這個(gè)振蕩頻率。頻率然后可由處理器220測(cè)量，用來計(jì)算用戶所需的氣體的合適屬性，而且如果需要的話，輸出到適當(dāng)?shù)娘@示器件(如將在后面描述的那樣)。
[0088]驅(qū)動(dòng)電路204由6V功率源206提供功率。在這個(gè)實(shí)施例中，功率源206包括鋰離子電池。但是，備選功率源對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是容易顯而易見的；例如，其它電池類型，可充電和不可充電的，以及太陽(yáng)能電池組件。
[0089]驅(qū)動(dòng)電路204進(jìn)一步包括復(fù)合晶體管對(duì)共射放大器210。復(fù)合晶體管對(duì)包括由兩個(gè)雙極NPN晶體管組成的混合結(jié)構(gòu)，雙極NPN晶體管配置成使得被晶體管中的第一個(gè)放大的電流進(jìn)一步被第二個(gè)晶體管放大。當(dāng)與被分開的各個(gè)晶體管相比時(shí)，此配置使得能夠獲得更高的電流。備選地，可使用PNP雙極晶體管。
[0090]復(fù)合晶體管對(duì)210布置成與單個(gè)晶體管(T1)共射放大器212呈反饋構(gòu)造。圖4中顯示了 NPN雙極結(jié)晶體管。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可使用的備選晶體管組件；例如，雙極結(jié)PNP晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0091]驅(qū)動(dòng)電路204包括另外的NPN射隨晶體管T2，其用作緩沖放大器214。緩沖放大器214布置成用作電路和外部環(huán)境之間的緩沖器。
[0092]電容216定位成與石英晶體振蕩器202串聯(lián)。在這個(gè)示例中，電容216具有100PF的值，并且使得驅(qū)動(dòng)電路204能夠在晶體已經(jīng)被例如鹽或其它淀積材料污染的情況下驅(qū)動(dòng)石英晶體振蕩器202。
[0093]現(xiàn)在將參照?qǐng)D5來描述備選驅(qū)動(dòng)電路260。圖5中顯示的驅(qū)動(dòng)電路配置成類似于皮爾斯(Pierce)振蕩器。從數(shù)字IC時(shí)鐘振蕩器得知皮爾斯振蕩器?；旧?，驅(qū)動(dòng)電路260包括單個(gè)數(shù)字逆變器(呈晶體管的形式)T、三個(gè)電阻器Rp R2和Rs、兩個(gè)電容器Cp C2和石英晶體振蕩器202。
[0094]在這個(gè)組件中，石英晶體振蕩器202用作高選擇性濾波器元件。電阻器R1用作晶體管T的負(fù)載電阻器。電阻器R2用作反饋電阻器，從而使逆變器T在其線性運(yùn)行區(qū)域中有偏壓。這有效地使得逆變器T能夠用作高增益逆變放大器。另一個(gè)電阻器Rs在逆變器T的輸出和石英晶體振蕩器202之間用來限制增益，以及阻尼電路中的不合需要的振蕩。
[0095]石英晶體共振器202與C1和C2共同形成Pi網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器。這使得大約在石英晶體振蕩器的共振頻率下能夠有180度相移，以及從輸出到輸入的電壓增益。上面描述的驅(qū)動(dòng)電路260可靠，且制造起來廉價(jià)，因?yàn)樗ㄝ^少構(gòu)件。
[0096]如上面論述的那樣，傳感器組件200可包括接收來自石英晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204的輸入的處理器220。處理器220可包括適當(dāng)?shù)慕M件，諸如特定用途集成電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。處理器220編程成計(jì)算、顯示和傳送對(duì)罐100的用戶有用的參數(shù)。
[0097]當(dāng)與石英晶體振蕩器202 —起使用時(shí)，處理器220可配置成測(cè)量來自驅(qū)動(dòng)電路204的信號(hào)的頻率/或周期。這可通過以下方式實(shí)現(xiàn):例如在固定的時(shí)間里對(duì)振蕩計(jì)數(shù)，并且使用算法或查找表將那個(gè)頻率轉(zhuǎn)換成密度值來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)值傳送到處理器220，處理器220配置成基于供應(yīng)的輸入來執(zhí)行計(jì)算，以確定氣體罐100中的氣體的質(zhì)量。
[0098]可選地，處理器220可設(shè)計(jì)成在所有罐中大規(guī)模生產(chǎn)成相同的，在軟件和硬件中具有不同特征，使得能夠用于不同的氣體。
[0099]另外，處理器220還可配置成通過實(shí)施待機(jī)或“睡眠”模式來最大程度地降低功率消耗，待機(jī)或“睡眠”模式`可覆蓋處理器220和額外的構(gòu)件，諸如驅(qū)動(dòng)電路204和石英晶體振蕩器202。
[0100]可實(shí)施各種方案；例如，處理器220可在每11秒中待機(jī)10秒。另外，處理器220可控制石英晶體振蕩器202和驅(qū)動(dòng)電路204，使得這些構(gòu)件在大多數(shù)時(shí)間里是待機(jī)的，僅每30秒打開較缺乏功率的構(gòu)件秒。備選地或另外，諸如天線250的通信構(gòu)件可按需要關(guān)閉，或者用來啟動(dòng)傳感器組件200。
[0101]現(xiàn)在將參照?qǐng)D6至9來描述傳感器組件200的理論和運(yùn)行。
[0102]石英晶體振蕩器202具有取決于其所處的流體的密度的共振頻率。使振蕩的音叉型晶體振蕩器暴露于氣體會(huì)使晶體的共振頻率有偏移和阻尼(當(dāng)與真空中的晶體的共振頻率相比時(shí))。對(duì)此有多種原因。雖然氣體對(duì)晶體的振蕩有阻尼作用，但氣體會(huì)粘附到音叉晶體振蕩器202的振動(dòng)叉上，這會(huì)增加振蕩器的質(zhì)量。這導(dǎo)致石英晶體振蕩器的共振頻率根據(jù)一側(cè)固定彈性梁的運(yùn)動(dòng)而減小
【權(quán)利要求】
1.一種使用壓電振蕩器(202)來測(cè)量加壓氣體的質(zhì)量的方法，所述氣體容納在具有固定的內(nèi)部容積(V)的壓力容器(100)內(nèi)，并且所述壓電振蕩器(202)浸沒在所述壓力容器(100)內(nèi)的氣體中，所述方法包括: a)使用所述壓電振蕩器(202)來測(cè)量所述高壓力容器(100)內(nèi)的氣體的密度； b)根據(jù)密度測(cè)量結(jié)果和所述壓力容器的內(nèi)部容積(V)來確定所述壓力容器(100)內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟a)包括: 借助于驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)所述壓電振蕩器，使得所述壓電振蕩器以共振頻率共振；以及 在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述壓力容器中的氣體的密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟a)和b)重復(fù)一次或多次，使得獲得在所述壓力容器內(nèi)的氣體密度在一時(shí)段里的一系列測(cè)量結(jié)果，所述一系列測(cè)量結(jié)果用來確定所述壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量在所述時(shí)段期間的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓力容器包括氣體罐。
6.一種用于測(cè)量具有固定的內(nèi)部容積(V)的壓力容器(100)內(nèi)的加壓氣體的質(zhì)量的傳感器組件(200)，所述傳感器組件(200)包括用于浸沒在所述壓力容器(100)內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器(202)，當(dāng)這樣浸沒時(shí)`，所述傳感器組件(200)布置成測(cè)量所述壓力容器(100)內(nèi)的氣體的密度，并且配置成根據(jù)密度測(cè)量結(jié)果和所述壓力容器(100)的內(nèi)部容積(V)來確定所述壓力容器(100)內(nèi)的氣體的質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器組件，其特征在于，進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路包括布置成與共射放大器成反饋構(gòu)造的復(fù)合晶體管對(duì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件進(jìn)一步布置成驅(qū)動(dòng)所述壓電振蕩器，使得所述壓電振蕩器以共振頻率共振，以及在預(yù)定時(shí)段里測(cè)量所述共振頻率，以確定所述壓力容器中的氣體的密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件進(jìn)一步布置成以離散的時(shí)間間隔對(duì)所述壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測(cè)量，以獲得多個(gè)測(cè)量結(jié)果，以及根據(jù)所述多個(gè)測(cè)量結(jié)果來確定在所述離散的時(shí)間間隔期間通往/來自所述壓力容器的氣體的質(zhì)量流量，較多次地使得獲得所述壓力容器內(nèi)的氣體密度在一時(shí)段里的一系列測(cè)量結(jié)果，所述一系列測(cè)量結(jié)果用來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量在所述時(shí)段期間的變化。
10.一種閥組件(104)，包括根據(jù)權(quán)利要求6至9中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件(200)，所述閥組件連接到壓力容器本體上，以形成具有固定的內(nèi)部容積(V)的壓力容器，所述閥組件(104)布置成使得能夠選擇性地用氣體填充所述壓力容器，或者從所述壓力容器中分配氣體。
11.一種用于容納加壓氣體的壓力容器(100)，所述壓力容器(100)具有固定的內(nèi)部容積(V)，并且包括: 限定固定的內(nèi)部容積(V)的壓力容器本體(102)； 閥組件(104)，其連接到所述容器本體(102)上，并且布置成使得能夠選擇性地用氣體填充所述壓力容器，或者從所述容器(100)中分配氣體；以及根據(jù)權(quán)利要求6至9中的任一項(xiàng)所述的傳感器組件(200)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓力容器，其特征在于，所述傳感器組件完全位于所述壓力容器的固定的內(nèi)部容積內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的壓力容器組件，其特征在于，所述壓力容器呈氣體罐的形式。
14.一種能夠由可編程處理設(shè)備執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的步驟的一個(gè)或多個(gè)軟件部分。
15.一種計(jì)算機(jī)可用 存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有根據(jù)權(quán)利要求14所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【文檔編號(hào)】G01G17/06GK103608649SQ201180066213
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月29日
【發(fā)明者】N.A.道尼, M.貝倫斯, L.O.A.奧巴頓 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司