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用于測量氣體的流率的方法和設備的制作方法
【專利摘要】提供一種用于測量沿著導管的氣體的流率的量計，量計包括傳感器組件，傳感器組件包括壓電晶體振蕩器，壓電晶體振蕩器包括兩個平叉，當使用量計時，平叉接觸所述氣體流，并且延伸到所述氣體流中，所述傳感器組件布置成：測量由所述壓電振蕩器的平叉在沿著導管的氣體流中的運動產生的電壓；以及根據產生的電壓來確定沿著所述導管的氣體的流率。
【專利說明】用于測量氣體的流率的方法和設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于測量氣體的流率的方法和設備。更特別地，本發明涉及用于使用 壓電振蕩器來測量氣體流量的方法和設備。

【背景技術】
[0002] 本文描述的方法和設備可應用于其中存在較高壓力（例如大約10巴或更高）的 流體的系統，諸如例如，高壓缸體中的流體供應或利用高壓流體的制造裝置。本發明尤其涉 及"清潔"氣體，即，很少或沒有雜質或污染物（諸如水蒸氣或灰塵）的氣體。
[0003] 本發明尤其可應用于永久氣體。永久氣體是無法單獨用壓力液化的氣體，而且例 如可在缸體中以高達450巴（表壓）（其中，巴（表壓）是高于大氣壓力的壓力的度量）的 壓力供應。示例為氬氣和氮氣。但是，這不應理解為限制性，而是可認為用語氣體包括較廣 范圍的氣體，例如，永久氣體和液化氣體的蒸氣兩者。
[0004] 液化氣體的蒸氣在壓縮氣體缸體中存在于液體之上。在被壓縮以填充到缸體中時 在壓力下液化的氣體不是永久氣體，并且較精確地將它描述成加壓的液化氣體或液化氣體 蒸氣。作為示例，在缸體中以液體形式供應一氧化二氮，其中，在15°C下，平衡蒸氣壓力為 44. 4巴（表壓）。這樣的蒸氣不是永久氣體或真氣體，因為它們被大約為環境條件的壓力 或溫度液化。
[0005] 壓縮氣體缸體是設計成容納處于高壓（即，顯著大于大氣壓力的壓力）的氣體的 壓力器皿。在廣泛的市場范圍中使用壓縮氣體缸體，從一般低成本工業市場，到醫療市場， 到較高成本的應用，諸如利用高純度有腐蝕性、有毒或自燃特性的氣體的電子制造。通常， 加壓氣體容器包括鋼、鋁或復合材料，并且能夠存儲經壓縮、液化或溶解的氣體，其中，對于 大多數氣體，最高填充壓力高達450巴（表壓），而對于諸如氫和氦的氣體，最高填充壓力則 聞達900巴（表壓）。
[0006] 為了有效且可控制地從氣體缸體或其它壓力器皿中分配氣體，需要閥或調整器。 通常將閥或調整器組合起來形成具有一體壓力調整器的閥（VIPR)。調整器能夠調整氣體的 流量，使得氣體以恒定壓力或用戶可變的壓力分配。
[0007] 對于許多應用，了解來自氣體缸體的氣體的流率是合乎需要的。這對于許多應用 可為關鍵的；例如醫療應用。已經了解多種不同的質量流量量計組件。
[0008] 在許多工業應用中常用的一類質量流量量計是機械質量流量量計。這樣的量計包 括運動或旋轉以測量質量流量的機械構件。一個這種類型是慣性流量量計（或科里奧利流 量量計），其通過影響成形管上的流體來測量流體流量?？评飱W利量計可以高精確性處理大 范圍的流率。但是，為了檢測流率，需要復雜的系統，諸如促動特征、感測特征、電子特征和 計算特征。
[0009] 備選的機械型質量流量量計是膜片量計、旋轉量計和渦輪量計。但是，這些類型的 量計一般沒那么精確，而且包括活動部件，活動部件可經受磨損。另外，量計（諸如旋轉量 計）僅可用于測量較低的流率。
[0010] 一類備選的質量流量量計是電子流量量計。兩個主要類型是熱量計和超聲量計。 熱流量量計測量通過經加熱管的熱傳遞，以測量流率。超聲流量量計測量聲音在氣態介質 中的速度，有時對管內的多個路徑取聲音的平均速度。但是，這兩種類型的電子流量量計一 般都需要重要的信號處理硬件，而且它們一般是高成本物品。
[0011] 另一種已知類型的氣體流量傳感器是測量經過流中的小阻礙的流的噪聲的傳感 器。K.S. Rabbani 等人的 "A Novel Gas Flow Sensor Based on Sound Generated by Turbulence (基于由紊流產生的聲音的新穎氣體流量傳感器）"（加拿大渥太華IEEE儀器 和測量技術會議，1997年5月19-21)公開了一種流量傳感器，它包括置于阻礙部后面的話 筒。話筒提供電輸出，針對流率來調節和校準該電輸出。但是，這種組件的缺點在于，外部 噪聲和/或振動可影響測量。


【發明內容】

[0012] 根據本發明的第一方面，提供一種測量沿著導管的氣體的流率的方法，方法包括： a)定位延伸到導管中且接觸氣體的壓電振蕩器，所述壓電振蕩器包括兩個平行平叉，平叉 布置成響應于沿著導管的氣體流而振蕩；b)測量由壓電振蕩器的平叉在沿著導管的氣體 流中的振蕩運動產生的電壓的幅度；以及c)根據產生的電壓的幅度來確定沿著所述導管 的氣體的流率。
[0013] 根據實施例，提供一種測量沿著導管的氣體的流率的方法，方法包括：a)定位延 伸到導管中且接觸氣體的壓電振蕩器，所述壓電振蕩器包括兩個平叉；b)測量由壓電振蕩 器的平叉在沿著導管的氣體流中的運動產生的電壓；以及c)根據產生的電壓來確定沿著 所述導管的氣體的流率。
[0014] 在一個實施例中，步驟a)包括將壓電振蕩器的平叉定位成基本垂直于氣體流。
[0015] 在一個實施例中，步驟b)進一步包括放大由壓電振蕩器產生的電壓。
[0016] 在一個實施例中，步驟c)進一步包括計算經放大的電壓的立方根，以確定氣體的 流率。
[0017] 在一個實施例中，所述平叉布置成以大約32 kHz或更高的頻率振蕩。
[0018] 在一個實施例中，壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0019] 在一個實施例中，方法進一步包括以下步驟：d)根據壓電振蕩器的共振頻率，確 定氣體的密度。
[0020] 在一個實施例中，步驟d)進一步包括e)以共振頻率驅動壓電振蕩器。
[0021] 根據本發明的第二方面，提供一種用于測量沿著導管的氣體的流率的量計，量計 包括傳感器組件，傳感器組件包括壓電晶體振蕩器，壓電晶體振蕩器包括兩個平行平叉，當 使用量計時，平叉接觸所述氣體流、延伸到所述氣體流中，并且布置成響應于所述氣體流而 振蕩，所述傳感器組件布置成：測量由壓電振蕩器的平叉在沿著導管的氣體流中的振蕩運 動產生的電壓的幅度；以及根據產生的電壓的幅度，確定沿著所述導管的氣體的流率。
[0022] 根據實施例，提供一種用于測量沿著導管的氣體的流率的量計，量計包括傳感器 組件，傳感器組件包括壓電晶體振蕩器，壓電晶體振蕩器包括兩個平叉，當使用量計時，平 叉接觸所述氣體流，并且延伸到所述氣體流中，所述傳感器組件布置成：測量由壓電振蕩器 的平叉在沿著導管的氣體流中的運動產生的電壓；以及根據產生的電壓，確定沿著所述導 管的氣體的流率。
[0023] 在一個實施例中，壓電振蕩器的平叉布置成基本垂直于氣體流。
[0024] 在一個實施例中，傳感器組件進一步包括用于放大由壓電振蕩器產生的電壓的放 大器。
[0025] 在一個實施例中，傳感器組件可運行來計算經放大的電壓的立方根，以確定氣體 的流率。
[0026] 在一個實施例中，傳感器組件進一步可運行來根據壓電振蕩器在氣體流中的共振 頻率，確定氣體的密度。
[0027] 在一個實施例中，量計進一步包括驅動電路，其中，驅動電路可運行來以共振頻率 驅動壓電振蕩器。
[0028] 在一個實施例中，所述平叉布置成以大約32kHz或更高的頻率振蕩。
[0029] 在一個實施例中，壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0030] 在實施例中，石英晶體經AT切割或SC切割。
[0031] 在一個變型中，石英晶體的表面直接暴露于氣體。
[0032] 在一個實施例中，傳感器組件包括功率源。在一個組件中，功率源包括鋰電池。
[0033] 在一個實施例中，傳感器組件包括處理器。
[0034] 在一個組件中，量計布置在壓力調整器或閥的下游。
[0035] 在另一個組件中，量計布置成響應于測得的通過限流孔的質量流率，以電子的方 式控制壓力調整器或閥。
[0036] 根據本發明的第三實施例，提供一種可由可編程處理設備執行的計算機程序產 品，其包括用于執行第一方面的步驟的一個或多個軟件部分。
[0037] 根據本發明的第四實施例，提供一種計算機可用的存儲介質，其具有根據第四方 面的存儲在其上的計算機程序產品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 現在將參照附圖來詳細地描述本發明的實施例，其中： 圖1是氣體缸體和調整器組件的示意圖； 圖2是顯示根據本發明的第一實施例的調整器組件和量計的示意圖； 圖3是顯示根據本發明的第二實施例的調整器組件和量計的示意圖； 圖4是顯示根據流率（升/分鐘）改變的Y軸上的噪聲電壓（mV)的曲線圖； 圖5顯示根據流率（升/分鐘）改變的Y軸上的噪聲電壓的立方根的曲線圖； 圖6顯示根據時間（秒）改變的Y軸上的噪聲電壓（mV)的曲線圖； 圖7顯示用于測量氣體流量和密度兩者的電子放大器電路的示意圖； 圖8是示出根據描述的實施例的方法的流程圖；以及 圖9顯示使用遠程電子數據單元的備選組件。

【具體實施方式】
[0039] 圖1顯示根據本發明的實施例的氣體缸體組件10的示意圖。圖1顯示其中可使 用本發明的情形的示意圖。提供氣體缸體100、調整器150和量計200。
[0040] 氣體缸體100具有氣體缸體本體102和閥104。氣體缸體本體102包括大體圓柱 形的壓力器皿，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使得氣體缸體組件10能夠在不受支 承的情況下直立在平坦表面上。
[0041] 氣體缸體本體102由鋼、鋁和/或復合材料形成，并且適于且布置成經受高達大約 900巴（表壓）的內部壓力?？卓?106位于氣體缸體本體102的與基部102a相對的近側端 處，并且包括適于接收閥104的螺紋（未顯示）。
[0042] 氣體缸體100限定具有內部容積V的壓力器皿。任何適當的流體都可容納在氣體 缸體100內。但是，本實施例涉及（但不專門局限于）純化永久氣體，其沒有雜質，諸如灰 塵和/或水分。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。
[0043] 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 缸體本體102的孔口 106接合的互補螺紋。出口 110適于且布置成使得氣體缸體100能夠 連接到氣體組件中的其它構件上；例如軟管、管，或另外的壓力閥或調整器。閥104可以可 選地包括VIPR(具有一體壓力調整器的閥）。在此情形中，可省略調整器150。
[0044] 閥本體112可借助于可抓持把手116的旋轉，沿軸向調節向或調節遠離閥座114， 以選擇性地打開或關閉出口 110。換句話說，閥本體112運動向或運動遠離閥座112可選擇 性地控制氣體缸體本體102的內部和出口 110之間的連通通路的面積。這進而控制從氣體 缸體組件100的內部到外部環境的氣體的流量。
[0045] 調整器150位于出口 110的下游。調整器150具有入口 152和出口 154。調整器 150的入口 152連接到入口管156上，入口管156在氣體缸體100的出口 110和調整器150 之間提供連通路徑。調整器150的入口 152布置成接收來自氣體缸體100的出口 110的處 于高壓的氣體。這可為任何適當的壓力；但是，大體上，離開出口 110的氣體的壓力將超過 20巴，而且很可能在100-900巴的范圍中。
[0046] 出口 154連接到出口管158上。聯接件160位于出口管158的遠側端處，并且適 于連接到需要氣體的另外的管或裝置上（未顯示）。
[0047] 量計200定位成與出口 154和聯接件160之間的出口管158處于連通。量計200 位于調整器150的下游不遠處，并且布置成確定輸送到出口 160的氣體的流率。
[0048] 在圖2中更詳細地顯示根據本發明的第一實施例的調整器150和量計200。
[0049] 在這個實施例中，調整器150包括單個膜片調整器。但是，本領域技術人員將容易 地意識到可用于本發明的變型；例如，雙膜片調整器或其它組件。
[0050] 調整器150包括與入口 152和出口 154處于連通的閥區域162。閥區域162包括 位于閥座166附近的提升閥164。提升閥164連接到膜片168上，膜片168構造成使得提升 閥164能夠朝向和遠離閥座166進行平移運動，以分別關閉和打開它們之間的孔口 170。
[0051] 膜片168由于圍繞軸174定位的彈簧172而彈性地偏壓。
[0052] 調整器150可運行來接收來自出口 110的處于滿缸體壓力（例如100巴）的氣 體，但將處于基本恒定的固定的低壓（例如5巴）的氣體輸送到出口 154。這由反饋機構實 現，由此，在孔口 170下游的氣體的壓力可運行來對膜片168起作用，以抵抗彈簧172的偏 壓力。
[0053] 如果在膜片168附近的區域中的氣體的壓力超過規定水平，則膜片168可運行來 向上運動（相對于圖2)。因此，提升閥164運動得較接近閥座166,從而使孔口 170的大小 縮小，并且因此，限制從入口 152到出口 154的氣體流量。大體上，彈簧172的阻力和氣體的 壓力的競爭性力將使得膜片處于平衡位置，并且因此，在出口 154處輸送恒定壓力的氣體。 [0054] 提供可抓持的把手176,以使得用戶能夠調節彈簧172的偏壓力，從而使膜片168 的位置移動，并且因此，調節提升閥164和閥座166之間的平衡間隔。這使得能夠調節來自 出口 110的高壓氣體流可穿過的孔口 170的尺寸。
[0055] 量計200包括本體202和傳感器組件204。本體202可包括任何適當的材料；例 如鋼、鋁或復合材料。本體202包括導管206和殼體208。導管206與出口管158的內部處 于連通，并且布置成連接到出口管158上。導管206在出口 154和聯接件160之間提供流 體連通通路（并且同時，連接到聯接件160上的用戶裝置或應用）。
[0056] 導管206在這個實施例中大體為圓柱形。此外，在這個實施例中，導管206包括限 流部206a。限流部206a包括一截導管，它具有減小的直徑。這會增加流量，并且協助傳感 器組件204測量流率，如將在后面描述的那樣。以示例的方式，收緊管的未收緊部分的直徑 的一半就足夠了。劇烈的收緊（諸如孔）是不需要的。
[0057] 殼體208布置成容納傳感器組件204的至少一部分。殼體208的內部可處于大氣 壓力，或者可與導管206的內部處于連通，并且因此，處于與出口管158的內部相同的壓力。 這將消除將壓力饋送通過殼體208和導管206的內部之間的需要。
[0058] 備選地，可提供殼體208作為導管206的一部分。例如，導管206的一部分將加寬， 以容納傳感器組件204。這些組件是行得通的，因為發明人已經發現，傳感器組件204的僅 少數構件對高壓敏感。特別地，較大的構件（諸如電池）可易受高壓的影響。但是，已經發 現，鋰電池在可能在導管206中遇到的高壓下運行特別好。但是，本領域技術人員將容易地 構想到適當的備選功率源。
[0059] 潛在地將傳感器組件204完全定位在導管206內會在構造量計200時提供額外的 靈活性。特別地，在不需要突起（諸如殼體208)的情況下將較脆弱的電子構件完全定位在 本體202的金屬壁或復合材料壁內會在很大程度上保護其免受環境或意外損傷。這在例如 其中氣體缸體可位于其它氣體缸體、重型機器或粗糙表面附近的存儲區域或倉庫中是特別 重要的。
[0060] 另外，傳感器組件204定位在內部保護這些構件免受環境條件的影響，諸如鹽、水 和其它污染物。這將允許例如對鹽和水高度敏感的高阻抗電路用作傳感器組件204的一部 分。
[0061] 量計200布置成測量沿著導管的氣體的流率。傳感器組件204包括連接到放大器 電路212上的石英晶體振蕩器210、電池214和微處理器216。
[0062] 在這個實施例中，石英晶體振蕩器210定位成與導管206的內部處于連通，而傳感 器組件204的其余構件則位于殼體208內。換句話說，石英晶體振蕩器210在孔板210上 游浸入氣體中。
[0063] 石英晶體振蕩器210包括經切割石英的平坦區段。如圖2中顯示的那樣，本實施 例的石英晶體振蕩器210為音叉形，并且包括一對大約5_長的叉210a，其布置成在真空 中以32. 768kHz的共振頻率振蕩。叉210a形成于石英的平坦區段中。音叉的叉210a通常 以它們的基本模式振蕩，其中，它們以共振頻率，同步地運動向彼此和運動遠離彼此。晶體 210以除了共振頻率之外的頻率振蕩會迅速失去幅度且漸漸止息。
[0064] 石英會展現壓電特性，即，在晶體上應用電壓會使晶體改變形狀，產生機械力。相 反，對晶體應用的機械力會產生電荷。本發明正是利用了這個屬性。
[0065] 使石英晶體振蕩器210的兩個平行表面金屬化，以便在大晶體上提供電連接。當 借助于金屬觸頭在晶體上應用電壓時，晶體改變形狀。通過對晶體應用交變電壓，可使晶體 振蕩。同時，晶體210的叉210a振蕩（S卩，晶體210的形狀改變）使得在電連接上產生電 壓。
[0066] 石英晶體振蕩器210位于沿著導管206的流中。特別地，石英晶體振蕩器210位 于沿著導管206的限流部206a中。這會提高氣體經過石英晶體振蕩器210的流速。
[0067] 石英晶體振蕩器210可運行來用作阻流部和流量檢測器。因此，石英晶體振蕩器 210可運行來延伸到沿著導管206的氣體流中。晶體振蕩器210的長軸X基本垂直于流向， 如顯示的那樣。換句話說，音叉型石英晶體振蕩器210的平行叉210a遠離導管206的內 壁而凸入導管206中。
[0068] 音叉型晶體210的叉210a在平面上彼此平行。石英晶體振蕩器210可在流中定 向成使得平面基本平行于流向（如圖2中顯示的那樣）。備選地，石英晶體振蕩器210可定 向成使得平面垂直于流向或與流向正交，或處于中間角。
[0069] 另外，石英晶體振蕩器210的長軸X不必定向成確切地垂直于流。重要的是石英 晶體振蕩器210凸入流中，以便產生流擾動。因此，本領域技術人員將容易地意識到可使用 的相對于流的其它角；例如，鈍角（其中，石英晶體振蕩器210的遠側端在其近側端的下游 成角度），或者銳角（其中，石英晶體振蕩器210的遠側端在其近側端的上游成角度）。
[0070] 石英晶體的物理大小和厚度確定石英晶體的特性或共振頻率。實際上，晶體210 的特性或共振頻率與兩個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域中 是眾所周知的，所以不在這里進一步描述石英晶體振蕩器210的結構。
[0071] 另外，石英晶體的共振振動頻率將取決于晶體所處的環境而改變。在真空中，晶體 將具有特定頻率。但是，這個頻率將在不同的環境中改變。例如，在流體中，晶體的振動將 由于周圍的分子而衰減，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。
[0072] 另外，氣體的吸附或周圍材料淀積到晶體上將影響振蕩晶體的質量，從而改變共 振頻率。這種吸附或材料淀積會對常用的選擇性氣體分析器形成基礎，其中，吸收層形成于 晶體上，并且吸收層的質量隨著氣體被吸收而增大。但是，在當前情況下，不對石英晶體振 蕩器210施加涂層。
[0073] 熔融（或非晶體）石英具有非常低的取決于溫度的膨脹系數和較低的彈性系數。 這會減小基本頻率對溫度的依賴性，而且如將顯示的那樣，溫度效應是最小的。
[0074] 另外，使用經AT切割或SC切割的石英是合乎需要的。換句話說，以特定的角度切 割石英的平坦區段，使得振蕩頻率的溫度系數可布置成拋物線形，其在大約室溫下具有寬 峰。因此，晶體振蕩器可布置成使得在高峰頂部處的斜率正好為零。
[0075] 通常可用較低的成本獲得這樣的石英晶體。與在真空中使用的大多數石英晶體振 蕩器相比，在本實施例中，石英晶體振蕩器210暴露于導管206中的加壓氣體。
[0076] 在圖3中顯示本發明的第二實施例。圖3中顯示的第二實施例的與圖2的第一實 施例相同的特征標有相同參考標號，并且在這里不再描述。
[0077] 在圖3的實施例中，調整器300不同于圖2的實施例的調整器150,因為調整器300 布置成借助于螺線管閥302,對來自出口 154的氣體提供自動控制。螺線管閥302包括銜鐵 304,銜鐵304可響應于通過螺線管閥302的線圈（未顯示）的電流而運動。銜鐵304可運 動成直接打開或關閉提升閥164,并且因此打開或關閉孔口 170。
[0078] 圖3中顯示的螺線管閥302處于常開狀況。換句話說，在沒有電流通過螺線管閥 302的情況下，銜鐵304處于伸出位置，使得提升閥164打開，S卩，孔口 170打開。如果對螺 線管閥302應用電流，則銜鐵304將收回，并且提升閥164將關閉。
[0079] 本領域技術人員將容易地意識到可用于本發明的螺線管閥的備選變型。例如銜鐵 304可直接對膜片起作用，或者可控制通過與出口 154處于連通的狹窄導管的流量，以便調 整膜片168的運動。備選地，可消除提升閥，并且膜片168本身可為直接控制從入口 152到 出口 154的氣體的流量的閥部件。
[0080] 第二實施例包括流量量計350。為了清楚，與量計200相同的量計350的構件標有 相同的參考標號。
[0081] 量計350基本類似于第一實施例的量計200。但是，量計350進一步包括連接到螺 線管閥302和傳感器組件204上的電子螺線管驅動器352。螺線管驅動器352布置成接收 來自傳感器組件204的信號，以及響應于那個信號來控制螺線管閥302,并且因此，控制通 過調整器300的流量。
[0082] 螺線管驅動器352可包括適合控制螺線管閥302的任何驅動電路。一個適當的電 路可為運算放大器組件，其具有從傳感器組件204到運算放大器的負極端子的輸入。因此， 可將設計成提供恒定基準水平且用作比較器的電阻器附連到正極端子上。
[0083] 從傳感器組件204到螺線管驅動器352的輸入將使螺線管閥302操作。例如，如 果來自傳感器組件204 (或者備選地，處理器216)的輸入信號超過特定閾值水平，則螺線管 驅動器352可激勵螺線管閥302?？捎脭底址绞剑矗_或關）控制螺線管閥302,其中，DC 電壓在最大值和最小值之間改變。備選地，來自螺線管驅動器352的DC電壓可連續改變， 以用模擬方式精確地調節提升閥164的位置。
[0084] 另外或備選地，螺線管驅動器352可借助于DC輸出（包括AC分量）來控制螺線 管閥302。由于銜鐵304從螺線管閥302的伸出量大致與應用的電流成比例，所以這使得 螺線管閥302的銜鐵304振蕩。這樣的振蕩會減輕銜鐵304的"靜摩擦"，即，協助防止銜鐵 304被卡住或堵住。
[0085] 備選地，可按需要使用諸如FET、微處理器或ASIC的其它控制組件，以控制螺線管 閥302的操作。另外，如所論述的那樣，螺線管閥302可按數字（即，開/關）或模擬（即， 可連續改變）模式操作，以使得提升閥164等能夠精確地運動。
[0086] 第一或第二實施例可另外包括顯示器（未顯示），以對用戶顯示對被檢測氣體的 測量結果。備選地，顯示器可位于量計200、350遠處，并且可遠程地傳送相關數據。
[0087] 現在將描述流噪聲傳感器的理論和運行。石英晶體振蕩器210具有取決于其所處 流體的密度的共振頻率。使振蕩的音叉型平面晶體振蕩器暴露于氣體會使得晶體的共振頻 率改變和衰減（當與真空中的晶體的共振頻率相比時）。這有許多原因。雖然氣體對晶體 的振蕩有哀減作用，但在首叉晶體振蕩器210的振蕩的叉210a附近的氣體會提1?振蕩器的 有效質量。這使得石英晶體振蕩器的共振頻率根據單邊固定彈性梁的運動而降低： /- /〇 1| M〇 其中，f是振蕩頻率，f〇是在真空中的振蕩頻率，P是氣體密度，而凡是常數。
[0088] 密度P在幾乎所有情況下都將小于Μ吏得該公式可通過線性方程來近似： 2) / =獻吾)。 2Μ0
[0089] 可按照相對于f。的頻率偏差Λ f來重新表達方程2)，如在方程3)中陳述的那樣： 3) 4/ = M 。 Μο
[0090] 因此，為了獲得良好的近似，頻率變化與石英晶體振蕩器所暴露于的氣體的密度 變化成比例。
[0091] 大體上，石英晶體振蕩器210的靈敏度為：例如對于氧氣（具有原子質量數32)， 當與大氣壓力相比時，在250巴下有5%的頻率變化。
[0092] 使用石英晶體振蕩器210的優點于，共振頻率被良好地限定，而且如上面陳述的 那樣，共振頻率僅隨氣體壓力緩慢地變化。另外，石英晶體振蕩器210對以除了共振頻率之 外的頻率的振動較不敏感，而且所以較不受外部振動和聲音的影響。
[0093] 當沿著導管206存在氣體流時，氣體將在限流部206a中流經石英晶體振蕩器210。 由于石英晶體振蕩器210在本質上是氣體流中阻礙，所以石英晶體振蕩器210將在氣體流 上產生拖曳，而且將產生擾動流。這會引起流噪聲。
[0094] 在石英晶體振蕩器210上的曳力以及其周圍的紊流將使叉210a運動，而且這又將 在石英晶體振蕩器210的電連接件上產生電壓。這個電壓被稱為噪聲電壓（V n)。已經根據 經驗發現，產生的噪聲電壓Vn與流率（Q)的立方成比例，如在方程4)中陳述的那樣： 4) K = πρ3 其中，κ在許多流情形中為常數，但它隨氣體密度緩慢地變化。
[0095] 因此，當傳送通過立方根濾波器時，噪聲電壓度量可提供關于流率的指示。典 型地，當安裝在3_的管（3升/分鐘的流率流過該管）中時，5_長的石英晶體振蕩器（其 具有共振頻率為32. 768kHz的晶體）提供30mW的電壓，其被放大器電路212放大10倍。在 應用10秒關于時間恒定的平滑數字濾波器之后，在這個信號上的典型噪聲會對流量引起 典型的+/-2%的誤差。
[0096] 圖4顯示以mV為單位的噪聲電壓Vn (在Y軸上）隨以升每分鐘為單位的流率（在 X軸上）改變的曲線圖。在此情形中的數據點各自按每分鐘取平均值。
[0097] 圖5顯示以mV為單位的相同的但求立方根的數據噪聲電壓Vn(在Y軸上），它隨 以升每分鐘為單位的流率（在X軸上）改變。如顯示的那樣，曲線大致為線性。
[0098] 在圖4和5的不例中，使用5mm長的石央晶體振湯器，它具有共振頻率為32. 8kHz 的晶體，來自石英晶體振蕩器的信號傳送通過單級放大器（諸如標準741放大器），其電壓 增益為10倍。
[0099] 圖6顯示噪聲電壓隨時間改變的曲線圖。在100秒的時間內以一秒的時間間隔進 行測量。四條線表示分別在3、4. 5、6和9升/分鐘下測得的流噪聲，其中，最快流率產生最 高電壓。
[0100] 另外，可在主動模式和半主動模式中使用石英晶體振蕩器210,而非僅僅將它用作 被動傳感器來測量流噪聲。如上面關于方程1)至3)所論述的那樣，石英晶體振蕩器210 將以與周圍氣體的密度P成比例的頻率f共振。
[0101] 因此，根據上面的方程1)至3)，可精確地測量頻率f，并且精確地估計氣體密度 P。然后這個信息可輸出給用戶，并且/或者用來調節以上方程4)的校準因子K，因為已經 在實驗上發現，方程4)中的經驗常數K的值隨氣體密度緩慢地變化。
[0102] 可根據石英晶體振蕩器210的流激勵式振動，直接推導出頻率f，因為石英晶體振 蕩器210將往往在特定介質中以其共振頻率f共振。
[0103] 備選地，驅動電路可間歇地以及在短時間里故意激勵頻率f。這將確保測得的共振 頻率f處于良好地限定的幅度，并且可進行更精確的測量。
[0104] 在圖7中顯示適合用于本發明的放大器電路212的示例。放大器電路212包括放 大器218、電阻器R1和R3和開關SW1和SW2。
[0105] 放大器218以及電阻器R1和R3形成非反相放大器。R3是可變電阻器，并且R3的 值的變化可用來控制放大器的增益（即，增加 R3的值會降低增益）。這可用來設定合適的 增益水平，以保持振蕩（當用來激勵石英晶體振蕩器210時），以及獲得可測的信號水平，當 用來放大來自石英晶體振蕩器210 (當它用作流噪聲檢測器時）的信號時，該可測的信號水 平足夠高且不飽和。
[0106] 開關SW1和SW2可運行來使電路212在放大器和振蕩器驅動模式之間切換。它們 可包括例如場效應晶體管（FET)開關或機電繼電器。
[0107] 當用作放大器來放大由石英晶體振蕩器210(當用作流噪聲檢測器時）產生的噪 聲電壓時，開關SW1處于關閉位置（即，斷開），而開關SW2則處于打開（即，接通）位置。
[0108] 在放大器模式中，輸出會反映在石英晶體振蕩器210被外部源激勵時所產生的電 壓。調節放大器218的增益，使得輸出信號對于精確的測量是足夠的，但不飽和。
[0109] 相反，當用作放大器來放大由石英晶體振蕩器210 (當用作流噪聲檢測器時）產生 的噪聲電壓時，開關SW1處于打開位置（S卩，接通），而開關SW2則處于關閉（即，斷開）位 置。
[0110] 在振蕩器模式中，石英晶體振蕩器210被放大器218的輸出激勵，而且這將反饋回 到放大器218的輸入。如果放大器218的增益足夠大，則將保持振蕩?？墒褂眠B接到輸出 上的頻率量計來測量振蕩頻率f。
[0111] 在變型中，開關SW1可由電阻器代替，在這種情況下，SW2將獨自控制運行模式。
[0112] 現在將參照圖8來描述根據本發明的實施例的方法。下面描述的方法可應用于上 面描述的第一和第二實施例中的各個。
[0113] 步驟400:開始測量 在步驟400處，開始測量通過導管206的氣體的流率。例如這可由用戶按壓殼體208 的外部上的按鈕來啟動。備選地，可借助于遠程連接來開始測量，例如，在無線網絡上傳輸 且由量計200、350通過天線接收的信號。
[0114] 作為另一個備選方案或補充方案，量計200、350可構造成遠程地開始或按定時器 開始。方法前進到步驟402。
[0115] 步驟402 :利用石英晶體振蕩器來產生電壓 一旦開始，經過石英晶體振蕩器210的氣體流將使石英晶體振蕩器210運動，以及借助 于流擾動和曳力引起的壓電效應產生電壓。如將理解的那樣，石英晶體振蕩器210本質上 是獨立的檢測器和阻流器。
[0116] 步驟404 :放大產生的電壓 然后放大器電路212放大由石英晶體振蕩器210產生的信號。在本實施例中使用單級 放大器電路212 (包括放大器218)，但可利用多級系統。放大器212在這個實施例中具有為 10倍的電壓增益，但可按需要使用其它增益。
[0117] 方法前進到步驟406。
[0118] 步驟406 :對數據求立方根 如上面陳述的那樣，噪聲電壓與流量Q的立方成比例。因此，實現立方根電路，以獲得 與流率Q成比例的數據值。方法前進到步驟408。
[0119] 步驟408 :積分和平滑 為了進行測量，在大約10秒的時段里測量求立方根的且放大的電壓值。這使得讀數能 夠穩定，以便確定精確的測量。然后通過使用數字濾波器來使數據平滑?？稍谖⑻幚砥?16 中執行這個步驟和前面的步驟，或者用放大器電路212上的專用電路執行。當測量開始時， 微處理器216還可記錄時間1\。
[0120] 步驟410 :根據頻率得出氣體密度 步驟410是可選的，而且可在流量量計的運行期間按需要執行。如上面關于方程1)、2) 和3)所陳述的那樣，氣體密度大致線性地取決于石英晶體振蕩器210的共振頻率。測量這 個頻率f，并且密度信息由處理器216按需要利用。
[0121] 方法前進到步驟412。
[0122] 步驟412 :確定氣體的流量 使用上面的方程4)來確定氣體的流量，其中，在步驟402中測量噪聲電壓，并且已經在 前面確定了常數K的默認值。如果已經在步驟410中確定了密度，則可按需要根據有關密 度信息來更新常數K的值。
[0123] 然后方法前進到步驟414。
[0124] 步驟414 :傳送和存儲結果 氣體的流率可按多種方式顯示。例如，附連到殼體208、本體202或調整器150、300上 的屏幕（未顯示）可顯示氣體的流率。在備選方案中，流率度量可遠程地傳送到基站或位 于附近配件上的量計，如將在后面描述的那樣。
[0125] 作為又一個備選方案，在時間?\時的氣體流率可存儲在所述微處理器216本地的 存儲器中，以產生時間日志。
[0126] 然后方法前進到步驟416。
[0127] 步驟416 :對傳感器組件斷電 不必使量計200、350時刻保持工作。相反，通過在不使用時關閉量計200、350來減少 功率消耗是有益的。這會延長電池214的壽命。
[0128] 以上實施例的變型對本領域技術人員將是顯而易見的。硬件和軟件構件的確切構 造可有所不同，但仍然落在本發明的范圍內。本領域技術人員將容易地認識到可使用的備 選構造。
[0129] 例如，電子功能可在永久地安裝在缸體上的單元和安裝在用戶使用站上或臨時安 裝在缸體的出口上（諸如通常用于傳統流量量計的位置）的單元之間分開。
[0130] 參照圖9來顯示這個組件的示例。該組件包括氣體缸體組件50,氣體缸體組件50 包括氣體缸體500、調整器502和質量流率量計504。氣體缸體500、調整器502和質量流率 量計504基本類似于基本在前面參照前面的實施例所描述的氣體缸體100、調整器150和量 計 200、350。
[0131] 在這個實施例中，質量流率量計504包括石英晶體振蕩器和放大器電路（未顯 示），它們類似于之前的實施例的石英晶體振蕩器210和放大器電路212。提供天線506,以 通過任何適當的遠程通信協議來進行通信；例如藍牙、紅外（IR)或RFID。備選地，可利用 單線通信。
[0132] 作為另一個備選方案，可使用聲學通信方法。這樣的方法的優點在于，可在不需要 外部天線的情況下實現遠程通信。
[0133] 連接管508連接到氣體缸體500的出口上。連接管由快速連接連接件510終止。 快速連接連接件510使得連接管系統或構件能夠輕易且快速地連接到氣體缸體500上，以 及輕易且快速地與氣體缸體500斷開。
[0134] 提供快速連接單元550是為了連接到氣體缸體500上。提供互補的快速連接連接 器512是為了連接到連接器508上。另外，對快速連接單元550提供數據單元552。數據 單元552包括顯示器554和用于與氣體缸體組件50的天線504通信的天線556。顯示器 554可包括例如IXD、LED或日光下可讀的顯示器，以最大程度地減少功率消耗，以及最大程 度地提高顯示器的可見性。
[0135] 數據單元552可記錄由氣體缸體組件50的傳感器組件502測得的各種參數。例 如，數據單元552可記錄流率與時間的關系。這種記錄例如對于想要檢查氣體流的存在以 及在關鍵構件上的冗長的氣體焊接過程期間進行校正的焊接承包人可為有用的，或者可用 于對公司供應關于特定顧客的使用量的數據。
[0136] 備選地，來自數據單元550的數據可輸出到計算機實現的焊接機（用于焊接應用） 或其它使用氣體的裝備，以允許計算推導出的參數，以及警告消息。
[0137] 作為備選方案，可以可選地在完全位于氣體缸體500或殼體208上（或它們之內） 的系統上處理、存儲或者獲得以上所有示例，如關于量計200、350所論述的那樣。
[0138] 雖然已經參照石英晶體振蕩器的使用來描述以上實施例，但本領域技術人員將容 易地意識到，還可使用備選的壓電材料。例如，非窮盡性列表可包括包含下者的晶體振蕩 器：鉭酸鋰、鈮酸鋰、硼酸鋰、塊磷鋁礦、砷化鎵、焦硼酸鋰、正磷酸鋁、鍺酸鉍、多晶鈦酸鋯陶 瓷、高氧化鋁陶瓷、硅-鋅氧化物復合材料或酒石酸二鉀。
[0139] 已經特別地參照示出的示例來描述了本發明的實施例。雖然在圖中顯示以及在本 文詳細描述了具體示例，但應當理解的是，圖和詳細描述不意于使本發明局限于公開的特 定形式。將理解的是，可對在本發明的范圍內描述的示例作出變型和修改。
【權利要求】
1. 一種測量沿著導管的氣體的流率的方法，所述方法包括： a) 定位延伸到所述導管中且接觸所述氣體的壓電振蕩器，所述壓電振蕩器包括布置成 響應于沿著所述導管的氣體流而振蕩的兩個平行平叉； b) 測量由所述壓電振蕩器的平叉在沿著所述導管的氣體流中的振蕩運動產生的電壓 的幅度；以及 c) 根據所產生的電壓的幅度，確定沿著所述導管的氣體的流率。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟a)包括將所述壓電振蕩器的平叉定 位成基本垂直于所述氣體流。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟b)進一步包括放大由所述壓電 振蕩器產生的電壓。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟c)進一步包括計算經放大的電壓的 立方根，以確定氣體的流率。
5. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括以下 步驟： d) 根據所述壓電振蕩器的共振頻率來確定所述氣體的密度。
6. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟d)進一步包括 e) 以共振頻率驅動所述壓電振蕩器。
7. -種用于測量沿著導管的氣體的流率的量計，所述量計包括傳感器組件，所述傳感 器組件包括壓電晶體振蕩器，所述壓電晶體振蕩器包括兩個平行平叉，在使用所述量計時， 所述平叉接觸所述氣體流，延伸到所述氣體流中，并且布置成響應于所述氣體流而振蕩，所 述傳感器組件布置成：測量由所述壓電振蕩器的平叉在沿著所述導管的氣體流中的振蕩運 動產生的電壓的幅度；以及根據所產生的電壓的幅度，確定沿著所述導管的氣體的流率。
8. 根據權利要求7所述的量計，其特征在于，所述壓電振蕩器的平叉布置成基本垂直 于所述氣體流。
9. 根據權利要求7或8所述的量計，其特征在于，所述傳感器組件進一步包括用于放大 由所述壓電振蕩器產生的電壓的放大器。
10. 根據權利要求9所述的量計，其特征在于，所述傳感器組件可運行來計算經放大的 電壓的立方根，以確定氣體的流率。
11. 根據權利要求7至10中的任一項所述的量計，其特征在于，所述傳感器組件進一步 可運行來根據所述壓電振蕩器在所述氣體流中的共振頻率，確定所述氣體的密度。
12. 根據權利要求11所述的量計，其特征在于，所述量計進一步包括驅動電路，其中， 所述驅動電路可運行來以共振頻率驅動所述壓電振蕩器。
13. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法或量計，其特征在于，所述平叉布置成以 大約32 kHz或更高的頻率振蕩。
14. 根據前述權利要求中的任一項所述的方法或量計，其特征在于，所述壓電振蕩器包 括石英晶體振蕩器。
15. -種可由可編程處理設備執行的計算機程序產品，包括用于執行權利要求1至6中 的任一項所述的步驟的一個或多個軟件部分。
【文檔編號】G01F15/00GK104303024SQ201380026588
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月23日 優先權日:2012年5月24日
【發明者】N.A.道尼 申請人:氣體產品與化學公司