用于測量受壓氣體缸體的真實含量的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種用于測量壓力容器(100)內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組件(200)。傳感器組件(200)包括殼體和用于浸入壓力容器(100)內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器(202)。傳感器組件(200)布置成當(dāng)浸入所述氣體中時，測量壓力容器(100)內(nèi)的氣體的密度。殼體包括第一腔室和第二腔室。第一腔室與第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器。第二腔室與壓力容器的內(nèi)部處于流體連通。通過提供這種組件，可直接且精確地測量諸如缸體的壓力容器中的流體的真實含量(即，質(zhì)量)。本發(fā)明的殼體減小了由氣體缸體100內(nèi)的對流產(chǎn)生的噪聲和誤差，從而使得通過根據(jù)缸體中的氣體的密度的直接推導(dǎo)，能夠精確地確定質(zhì)量或質(zhì)量的變化速率。
【專利說明】用于測量受壓氣體缸體的真實含量的方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于測量受壓氣體的缸體的真實含量的方法和設(shè)備。更特別地，本發(fā) 明涉及用于使用壓電振蕩器和防護(hù)殼體來精確地測量氣體的缸體的真實含量或真實含量 的變化速率的方法和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 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，高壓缸體中的氣體供應(yīng)或利用高壓氣體的制造裝置。本發(fā)明尤其涉 及"清潔"氣體，即，沒有雜質(zhì)或污染物（諸如水蒸氣或灰塵）或者雜質(zhì)或污染物較少的氣 體。
[0003] 壓縮氣體缸體是設(shè)計成容納處于高壓（即，處于顯著大于大氣壓力的壓力）的氣 體的壓力容器。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(yè)市場，到醫(yī)療市 場，到較高成本的應(yīng)用，諸如利用高純度有腐蝕性、有毒或自燃的特殊氣體的電子制造。通 常，加壓氣體容器包括鋼、鋁或復(fù)合材料，并且能夠存儲經(jīng)壓縮、液化或溶解的氣體，其中， 對于大多數(shù)氣體，最高填充壓力高達(dá)450巴（表壓）（其中，巴（表壓）是高于大氣壓力的壓 力（單位為巴）的度量），而對于諸如氫和氦的氣體，最高填充壓力則高達(dá)900巴（表壓）。
[0004] 本發(fā)明尤其可應(yīng)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(dá)450巴（表壓）的壓力供應(yīng)。示例為氬氣和氮氣。但是，這不應(yīng)理解 為限制性，而是可認(rèn)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。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(yīng)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(huán)境條件的壓力 或溫度液化。
[0005] 在許多情況下，需要監(jiān)測給定缸體或壓力容器的含量，以確定剩余氣體量。這在諸 如保健應(yīng)用的情形中特別重要。
[0006] 已知在了解缸體內(nèi)的氣體的壓力的情況下，根據(jù)氣體定律來計算缸體的真實含 量。壓力測量是眾所周知的技術(shù)，并且存在多種用來測量壓力的裝置。最傳統(tǒng)的類型使用 配備有應(yīng)變計元件的彈性膜片。但是，雖然是目前制造的成本最低的一種壓力傳感器，但這 些傳感器的大小往往較大，而且具有雖然可用大規(guī)模照相平版印刷法生產(chǎn)但仍然較復(fù)雜且 制造起來昂貴的機(jī)械結(jié)構(gòu)。它們還具有一定程度的脆度，而且在使用它們之前需要進(jìn)行校 準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。
[0007] 另一種常用的壓力計是布爾登壓力計。這種壓力計包括脆弱的平坦薄壁式端部封 閉的管，管在空心端處連接到容納待測量的流體壓力的固定管上。壓力增大會使管的封閉 端展現(xiàn)弓形。這種壓力計包括精細(xì)構(gòu)件，它們易于由于例如暴露于高壓而受損。
[0008] 使得難以精確地測量氣體容器中的氣體量的一個問題在于容納在缸體內(nèi)的氣體 的溫度-壓力關(guān)系。根據(jù)氣體定律，由處于恒定體積的給定量的氣體施加的壓力與其溫度 直接成比例。因此,隨著氣體的溫度升高，氣體的壓力也將增大。
[0009] 因此，使用壓力計（諸如布爾登壓力計）所得出的壓力測量值會與絕對溫度成比 例的上下波動，例如從20°c的初始溫度到例如在太陽照射的環(huán)境中的50°C，布爾登壓力計 上指示的壓力將增大10%。
[0010] 額外的問題在于，為了使用壓力測量值來確定缸體的含量，需要針對氣體的可壓 縮性，校正壓力計。這由于處于高壓的氣體的特性與理想氣體的特性不一致而變得復(fù)雜。 [0011] 用來測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 體展現(xiàn)壓電特性，即，對它們應(yīng)用電壓會使固體略微壓縮或伸展，反之亦然。
[0012] Zeisel 等人的 "A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6) - Gas Density Control"（Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236)公開了一種組件，其中，使用石英晶體傳感器來測量高壓和中等電壓電力裝備中 的處于低的氣體壓力的SF6氣體的密度。3^氣體的密度測量對于設(shè)備的安全是至關(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公開了一種用于使用容納在可變?nèi)莘e殼體（包括風(fēng)箱組件）內(nèi)的石 英晶體振蕩器來測量流體的壓力的方法和設(shè)備。殼體的內(nèi)部容積由于風(fēng)箱被外部流體壓力 壓縮/膨脹而改變。因此，殼體內(nèi)的流體的密度在殼體的內(nèi)部容積改變時改變?？墒褂檬?英晶體振蕩器來測量殼體內(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，以上組件和方法都 不適合精確地測量壓力容器（諸如氣體缸體）中的氣體的質(zhì)量。
[0015] 關(guān)于測量容納在氣體缸體中的氣體的物理屬性的額外的復(fù)雜問題在于缸體內(nèi)的 氣體運動。例如,如果氣體缸體的頂部是冷的，則可產(chǎn)生強(qiáng)有力的對流，對流可使對氣體的 物理屬性測量值失真。
[0016] 格拉斯霍夫數(shù)（Gr)是無量綱數(shù)，它近似浮力與作用于流體上的粘性力的比。Gr值 提供關(guān)于在特定流體中出現(xiàn)對流的可能性的指示-Gr值越高，就越可能出現(xiàn)對流。
[0017] 例如在氣體缸體內(nèi)處于300巴（表壓）壓力的壓力的氬氣的Gr值非常大。處于 這樣的高壓的氬具有接近水的密度，但粘度顯著更低（比水低大約五十倍）。另外，當(dāng)加熱 時，氬比水更易于膨脹。因此，甚至小的負(fù)溫度梯度（即，在缸體的頂部較冷時）也可在氣 體缸體內(nèi)引起強(qiáng)烈的氣體對流。
[0018] 在使用中的多種情況下可發(fā)生沿著缸體的長度的溫度梯度。例如，如果近期已經(jīng) 填充好缸體，如果缸體在處于不同溫度的環(huán)境之間移動，或者在從附連到缸體上的閥抽取 流的情形中，缸體的頂部可顯著比缸體的整體更冷。溫度梯度通?？沙^10°c，而且甚至高 達(dá)30°C。目前，一體壓力調(diào)整閥（VIPR)變得越來越普遍。
[0019] 但是，這樣的閥在使氣體從存儲壓力膨脹時，會變得特別冷。因此，由于這些溫差， 往往會在缸體中產(chǎn)生對流。對流以紊流的方式出現(xiàn)，密度和溫度隨機(jī)調(diào)節(jié)，使得P~l/T，壓 力幾乎沒有變化。
[0020] 大體上，一種測量缸體內(nèi)的氣體的物理屬性的方法是將傳感器置于氣體缸體本身 內(nèi)。這使得傳感器能夠監(jiān)測缸體的中心處的氣體屬性。
[0021] 但是，當(dāng)使用具有VIPR的缸體從氣體缸體中抽取流時，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流。當(dāng)測量 氣體屬性（諸如缸體的質(zhì)量含量的變化速率）時，對流會引起過大的噪聲，從而使測量結(jié)果 不準(zhǔn)確或者甚至無意義。因此，已知的測量組件會遭受這樣的技術(shù)問題，即，它們無法提供 封殼（諸如其中很可能遇到對流的氣體缸體）中的氣體的物理屬性的準(zhǔn)確測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于測量氣體缸體內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的 傳感器組件，氣體缸體包括氣體缸體本體和限定氣體缸體的固定內(nèi)部容積的閥組件，傳感 器組件包括殼體、用于浸入氣體缸體內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器，以及驅(qū)動電路，驅(qū)動電路可 運行來驅(qū)動壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻率共振，傳感器組件布置成根據(jù)壓電振 蕩器在浸入所述氣體中時的共振頻率來確定氣體缸體內(nèi)的氣體的密度，其中，在使用中，殼 體位于氣體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)，并且包括第一腔室和第二腔室，第一腔室與第二腔室 處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔室則與氣體缸體的內(nèi)部 處于流體連通。
[0023] 本發(fā)明的組件涉及傳感器組件。傳感器組件包括封閉在殼體內(nèi)的壓電振蕩器。殼 體是包括至少兩個腔室的獨立結(jié)構(gòu)，并且布置成置于壓力容器（諸如氣體缸體）內(nèi)。這使 得能夠最佳將傳感器組件置于壓力容器內(nèi)，其中，傳感器組件例如可與容器的壁間隔開，在 壁處，溫度變化或邊界層流可例如影響密度測量。
[0024] 根據(jù)實施例，提供一種用于測量壓力容器內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組 件，傳感器組件包括殼體和用于浸入壓力容器內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器，壓電振蕩器布置 成在浸入所述氣體中時，測量壓力容器內(nèi)的氣體的密度，其中，殼體包括第一腔室和第二腔 室，第一腔室與第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔 室則與壓力容器的內(nèi)部處于流體連通。
[0025] 通過提供這種組件，可直接測量壓力容器（諸如缸體）中的流體的真實含量（即， 質(zhì)量），而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因素。本發(fā)明的殼體減小了由內(nèi)氣體缸體的對 流產(chǎn)生的噪聲和誤差，從而使得通過根據(jù)缸體中的氣體的密度的直接推導(dǎo)，能夠精確地確 定質(zhì)量或質(zhì)量的變化速度。
[0026] 另外，壓電振蕩器是能夠抵抗高壓或壓力的急劇變化的固態(tài)裝置，并且因而，不太 可能由于壓力"蠕變"或其它環(huán)境因素而受損。壓電振蕩器的結(jié)構(gòu)使得壓電振蕩器能夠完 全浸入氣體中，這與需要壓差來工作的傳統(tǒng)壓力計（諸如布爾登壓力計）相反。
[0027] 在一個實施例中，傳感器組件進(jìn)一步包括驅(qū)動電路，驅(qū)動電路可運行來驅(qū)動壓電 振蕩器使得壓電振蕩器以共振頻率共振，以及在預(yù)定時段里測量所述共振頻率，以確定所 述壓力容器中的氣體的密度。
[0028] 在一個實施例中，壓力容器具有固定內(nèi)部容積，并且傳感器組件進(jìn)一步構(gòu)造成根 據(jù)密度測量值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] 在一個實施例中，傳感器組件進(jìn)一步布置成：以離散的時間間隔對壓力容器內(nèi)的 氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測量，以獲得多個測量值；以及根據(jù)所述多個測量值來確定在離散的 時間間隔期間通往/來自壓力容器的氣體的質(zhì)量流量。
[0030] 在一個實施例中，離散的時間間隔為大約幾秒。
[0031] 在一個實施例中，對所述測量值應(yīng)用數(shù)值濾波。
[0032] 在一個實施例中，第一腔室具有壁，壁包括第一孔口，從而使得在第一腔室和第二 腔室之間能夠有流體連通，并且第二腔室具有壁，腔室包括第二孔口，從而使得在第二腔室 和壓力容器的內(nèi)部容積之間能夠有流體連通。
[0033] 在一個實施例中，第一和/或第二孔口具有0. 35mm或更小的尺寸。
[0034] 在一個實施例中，第一和/或第二孔口具有0. 22mm或更小的尺寸。
[0035] 在一個實施例中，殼體基本為圓柱形。
[0036] 在一個實施例中，殼體具有230mm或更小的長度。
[0037] 在一個實施例中，殼體具有80mm或更小的長度。
[0038] 在一個實施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于容納受壓氣體的氣體缸體，氣體缸體包括： 限定固定內(nèi)部容積的氣體缸體本體；閥組件，其連接到所述氣體缸體本體上，并且布置成使 得能夠選擇性地對缸體氣體填充氣體，或者從所述氣體缸體中分配氣體；以及第一方面的 傳感器組件。
[0040] 根據(jù)實施例，提供一種用于容納受壓氣體的壓力容器，壓力容器具有固定內(nèi)部容 積，并且包括：限定固定內(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對壓力容器填充氣體，或者從所述容器中分配氣體；以及第一 方面的傳感器組件。
[0041] 在一個實施例中，傳感器組件完全位于壓力容器的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
[0042] 在一個實施例中，壓力容器呈氣體缸體的形式。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種使用傳感器組件來測量受壓氣體的質(zhì)量的方 法，傳感器組件包括壓電振蕩器和殼體，所述氣體容納在壓力容器內(nèi)，壓力容器具有固定內(nèi) 部容積，壓電振蕩器浸入壓力容器內(nèi)的氣體中，殼體包括第一腔室和第二腔室，第一腔室與 第二腔室處于流體連通，并且第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器，而第二腔室則與壓力容 器的內(nèi)部處于流體連通，方法包括：a)使用所述壓電振蕩器來測量高壓容器內(nèi)的氣體的密 度；b)根據(jù)密度測量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。
[0044] 通過提供這種方法，可直接測量壓力容器（諸如缸體）中的氣體（諸如永久氣體） 的真實含量（即，質(zhì)量），而不需要補(bǔ)償諸如溫度或可壓縮性的因素。這允許通過根據(jù)缸體 中的氣體的密度直接推導(dǎo)來確定質(zhì)量，從而減少對額外的傳感器或復(fù)雜補(bǔ)償?shù)男枰?，而?不必進(jìn)行近似。另外，壓電振蕩器是固態(tài)裝置，它能夠抵抗高壓、壓力的急劇變化或其它環(huán) 境因素。壓電振蕩器可運行來完全浸入氣體中，這與需要壓差來工作的傳統(tǒng)壓力計（諸如 壓力計）相反。
[0045] 在一個實施例中，步驟a)包括：借助于驅(qū)動電路來驅(qū)動壓電振蕩器，使得壓電振 蕩器以共振頻率共振；以及在預(yù)定時段里測量所述共振頻率，以確定所述高壓容器中的氣 體的密度。
[0046] 在一個實施例中，步驟a)和b)重復(fù)一次或多次，使得獲得在一段時間的壓力容器 內(nèi)的氣體密度的一系列測量值，使用所述一系列測量值來確定壓力容器內(nèi)的氣體質(zhì)量在所 述時段期間的變化。
[0047] 在一個實施例中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0048] 在實施例中，石英晶體包括至少一個叉。在變型中，石英晶體包括一對平叉。
[0049] 在實施例中，石英晶體經(jīng)AT切割或SC切割。
[0050] 在變型中，石英晶體的表面直接暴露于氣體。
[0051] 在一個實施例中，傳感器組件包括驅(qū)動電路。在變型中，傳感器組件包括驅(qū)動電 路，驅(qū)動電路包括復(fù)合晶體管對，其布置成與共射放大器成反饋構(gòu)造。
[0052] 在一個實施例中，傳感器組件包括功率源。在一個組件中，功率源包括鋰離子電 池。
[0053] 在一個實施例中，傳感器組件包括處理器。
[0054] 在一個實施例中，壓力容器包括高壓容器。高壓容器是布置成經(jīng)受住大體大于10 巴的內(nèi)部壓力的容器。
[0055] 在變型中，壓力容器包括氣體缸體。
[0056] 在變型中，所述壓電振蕩器包括石英晶體振蕩器。
[0057] 在變型中，氣體是永久氣體。
[0058] 在一個組件中，高壓容器是氣體缸體。
[0059] 在實施例中，傳感器組件包括驅(qū)動電路。在實施例中，傳感器組件包括驅(qū)動電路， 驅(qū)動電路包括復(fù)合晶體管對，其布置成與共射放大器成反饋構(gòu)造。
[0060] 在一個實施例中，傳感器組件包括功率源。在一個組件中，功率源包括鋰離子電 池。
[0061] 在一個實施例中，傳感器組件包括處理器。
[0062] 在一個實施例中，傳感器組件布置成：驅(qū)動壓電振蕩器，使得壓電振蕩器以共振頻 率共振；以及在預(yù)定時段里測量所述共振頻率，以確定所述壓力容器中的氣體的密度。 [0063] 在一個實施例中，傳感器組件進(jìn)一步布置成：以離散的時間間隔對壓力容器內(nèi)的 氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測量，以獲得多個測量值；以及根據(jù)所述多個測量值來確定在離散的 時間間隔期間通往/來自壓力容器的氣體的質(zhì)量流量。多次使得獲得在一段時間里的壓力 容器內(nèi)的氣體密度的一系列測量值，使用所述一系列測量值來確定壓力容器內(nèi)的氣體的質(zhì) 量在所述時段期間的變化。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括第一方面的傳感器組件的閥組件，該閥組 件用于連接到壓力容器本體上，以形成有固定內(nèi)部容積的壓力容器具，閥組件布置成使得 能夠選擇性地對壓力容器填充氣體，或者從壓力容器中分配氣體。
[0065] 在一個實施例中，傳感器組件包括驅(qū)動電路。在一個實施例中，傳感器組件包括功 率源。在變型中，功率源包括鋰離子電池。
[0066] 在一個實施例中，傳感器組件完全位于壓力容器的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
[0067] 在一個組件中，壓力容器本體包括氣體缸體。
[0068] 根據(jù)本發(fā)明的第五實施例，提供一種可由可編程的處理設(shè)備執(zhí)行的計算機(jī)程序產(chǎn) 品，它包括用于執(zhí)行第三方面的步驟的一個或多個軟件部分。
[0069] 根據(jù)本發(fā)明的第六實施例，提供一種計算機(jī)可用的存儲介質(zhì)，其上存儲有根據(jù)第 五方面的計算機(jī)程序產(chǎn)品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0070] 現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例，其中： 圖1是氣體缸體組件的示意圖； 圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣體缸體組件的上部部分的示意圖； 圖3a是顯示圖2的實施例的傳感器組件的殼體的示意圖； 圖3b至3f是顯示適合用于圖2的實施例的傳感器組件的殼體的備選變型的示意圖； 圖4是用于本發(fā)明的實施例的驅(qū)動電路的示意圖； 圖5是顯示用于本發(fā)明的實施例的備選驅(qū)動電路的示意圖； 圖6是顯示用于本發(fā)明的實施例的另一個備選驅(qū)動電路的示意圖； 圖7針對多個不同氣體顯示Y軸上的石英晶體頻率（kHz)隨密度（kg/m3)改變的曲線 圖； 圖8針對氬、氧和氬：二氧化碳混合物顯示Y軸上的氣體質(zhì)量（單位為kg)隨X軸上 的壓力（巴（表壓））改變的曲線圖； 圖9針對圖7中顯示的相同的三種氣體（氬、氧和氬：二氧化碳混合物）顯示Y軸上 的氣體質(zhì)量（單位為kg)隨X軸上的密度（單位為kg/m3)改變的曲線圖； 圖10針對來自處于100巴（表壓）的壓力的50升氣體缸體的流率12升/分鐘顯示 Y軸上的頻率（單位為kHz)隨X軸上的時間（單位為分鐘）改變的曲線圖； 圖11針對處于100巴（表壓）的壓力的50升缸體顯示Y軸上的計算流率（單位為升 每分鐘）隨X軸上的時間（單位為分鐘）改變的曲線圖； 圖12針對典型的氣體缸體顯示Y軸上的頻率（單位為kHz)隨X軸上的氣體缸體質(zhì)量 (單位為kg)改變的曲線圖； 圖13是對于使用不帶殼體的石英晶體振蕩器進(jìn)行流率測量，流率（單位為升/分鐘除 以二）隨以秒為單位的時間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖14是對于根據(jù)第一實施例的使用被殼體包圍的石英晶體振蕩器來進(jìn)行流率測量， 流率（單位為升/分鐘除以二）隨以秒為單位的時間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖15是對于根據(jù)第一實施例的使用由殼體包圍的石英晶體振蕩器來進(jìn)行流率測量 (正方形），以及對于傳送通過數(shù)值濾波的相同數(shù)據(jù)（菱形），流率（單位為升/分鐘除以 二）隨以秒為單位的時間（在X軸上）改變的曲線圖； 圖16是示出根據(jù)描述的實施例的方法的流程圖； 圖17顯示不同晶體類型的頻率特性的曲線圖； 圖18是顯示包括兩個石英晶體的備選傳感器組件的示意圖；以及 圖19顯示使用遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)單元的備選組件。

【具體實施方式】
[0071] 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣體缸體組件10的示意圖。
[0072] 氣體缸體組件10包括氣體缸體100,氣體缸體100具有氣體缸體本體102和閥 104。氣體缸體本體102包括大體圓柱形的容器，其具有平坦基部102a，基部102a布置成使 得氣體缸體100能夠在不受支承的情況下直立在平坦表面上。
[0073] 氣體缸體本體102由鋼、鋁和/或復(fù)合材料形成，并且適應(yīng)且布置成經(jīng)受高達(dá)大約 900巴（表壓）的內(nèi)部壓力?？卓?106位于氣體缸體本體102的與基部102a相對的近側(cè)端 處，并且包括適于接收閥104的螺紋（未顯示）。
[0074] 氣體缸體本體102和閥104限定壓力容器（在這個實施例中，其呈氣體缸體100的 形式），壓力容器具有內(nèi)部容積V。內(nèi)部容積V是固定的。這表示氣體缸體100的結(jié)構(gòu)使得 可假設(shè)其內(nèi)部容積V(以及同時，容納在其中的氣體的體積）在使用、存儲中不會有顯著改 變，或者不依賴于環(huán)境條件，諸如溫度、壓力或濕度而改變。氣體缸體1〇〇的內(nèi)部容積V意 于包括氣體缸體本體102和閥104內(nèi)的整個容積。換句話說，內(nèi)部容積V是使氣體保持在 壓力下的氣體缸體組件10的總內(nèi)部容積。
[0075] 任何適當(dāng)?shù)牧黧w都可容納在氣體缸體組件100內(nèi)。但是，本實施例涉及（但不專 門局限于）其沒有雜質(zhì)，諸如灰塵和/或水分的純化的永久氣體。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、二氧化碳、氪、氖或者它們的混合物 (例如，氬和二氧化碳）。
[0076] 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(bǔ)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(gòu)件上；例如軟管、管或另外的壓力閥或調(diào)整器。閥104可以可選 地包括VIPR(具有一體壓力調(diào)整器的閥）。
[0077] 閥本體112可借助于可抓持把手116的旋轉(zhuǎn)，沿軸向調(diào)節(jié)向或遠(yuǎn)離閥座114,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移動會選擇性地控 制氣體缸體本體102的內(nèi)部和出口 110之間的連通通路的面積。這進(jìn)而控制從氣體缸體組 件100的內(nèi)部到外部環(huán)境的氣體的流量。
[0078] 貫通孔118形成于殼體108中，在出口 110下游。借助于饋通件120來關(guān)閉貫通 孔118,饋通件120使得構(gòu)件（諸如線材）能夠從氣體缸體100的外部饋送通過，到達(dá)氣體 缸體100的內(nèi)部。饋通件120用作保持氣體缸體100的完整性的高壓密封件。
[0079] 氣體缸體組件10設(shè)有傳感器組件200。傳感器組件200布置成測量氣體缸體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中顯示，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)呐渚€而連接到驅(qū)動電路204和電池206上。還可單獨 提供處理器220 (未在圖2中顯示），或者提供處理器220作為驅(qū)動電路204的一部分。這 將在后面描述。
[0080] 在圖2的實施例中，整個傳感器組件200位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)。因 此，石英晶體振蕩器202、驅(qū)動電路204 (和處理器220,如果提供了的話）和電池206全部 都位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)。傳感器組件200的構(gòu)件完全浸入氣體中，并且經(jīng)受 氣體缸體100內(nèi)的等靜氣體壓力。因此，傳感器組件200經(jīng)歷氣體缸體100內(nèi)的氣體的全 部氣體壓力。
[0081] 如圖2中顯示的那樣，傳感器組件200可連接到天線230上，以與例如基站進(jìn)行遠(yuǎn) 程通信。這將在后面論述。在這種情況下，天線230可位于氣體缸體100的外部，并且借助 于線材或等效連接器而連接到傳感器組件上。線材可穿過饋通件120,以便在天線230和傳 感器組件200之間實現(xiàn)連接。
[0082] 天線230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)傳輸或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
[0083] 備選地，可實現(xiàn)單線通信。單線通信僅需要單個金屬導(dǎo)體來進(jìn)行通信：電路的"回 行"路徑由通過通信裝置之間的空氣的電容性耦合提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識到 可用于本文論述的實施例的天線230的備選方案（以及相關(guān)聯(lián)的傳輸硬件）。
[0084] 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳感器組件200的僅少數(shù)構(gòu)件對高壓敏感。特別地，較大的構(gòu)件 (諸如電池）可易受高壓的影響。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在氣體缸體100中遇到高壓 下運行特別好。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)想到適 當(dāng)?shù)膫溥x功率源。
[0085] 當(dāng)構(gòu)造氣體缸體100時，傳感器組件200完全位于氣體缸體100內(nèi)會提供額外的 靈活性。特別地，較脆弱的電子構(gòu)件完全位于氣體缸體1〇〇的結(jié)實的金屬壁或復(fù)合材料壁 內(nèi)會在很大程度上保護(hù)其免受環(huán)境或意外的損害。這在例如其中氣體缸體100位于其它氣 體缸體100、重型機(jī)器或粗糙表面附近的存儲區(qū)域或倉庫中是特別重要的。
[0086] 另外，傳感器組件的電子構(gòu)件完全位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)使得能夠提 供較大的構(gòu)件，較大的構(gòu)件本來可能不適合在缸體100的外表面上使用。例如，可提供較大 的電池，以便增加傳感器組件200的工作期限。
[0087] 另外，傳感器組件200定位在內(nèi)部會保護(hù)這些電子構(gòu)件免受環(huán)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損害高度敏感的高阻抗電路用作傳感器組 件200的一部分。
[0088] 但是，雖然在圖2中顯示傳感器組件200位于缸體的內(nèi)部內(nèi)，但要理解的是，其它 位置是合適的。例如，傳感器組件200可安裝在閥104中在饋通件120附近，或者形成閥 104的單獨的區(qū)段。重要的是石英晶體振蕩器202暴露于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中的 氣體。
[0089] 額外的變型在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，石英晶體振蕩器202可位于氣體缸體100的 內(nèi)部容積V內(nèi)，并且驅(qū)動電路204位于氣體缸體100的外部。因此，傳感器組件200的至少 一部分位于貫通孔118中。石英晶體振蕩器202和驅(qū)動電路204然后通過配線208連接， 配線208穿過高壓饋通件120。
[0090] 在另一個變型中，傳感器組件的其它部分可位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)，并 且一部分可位于其外部。例如，驅(qū)動電路212和處理器220可位于氣體缸體100內(nèi)，而電池 206則可位于氣體缸體100的外部。此布置使得能夠保護(hù)傳感器組件的較脆弱的構(gòu)件免受 損害和污染物的影響，同時可輕易地接近電池206,以對其進(jìn)行維護(hù)和更換。
[0091] 關(guān)于外部通信，在一個構(gòu)造中，不是明確需要外部天線或天線（諸如天線230)。例 如，可借助于從缸體100內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)傳輸來實現(xiàn)通信。聲學(xué)傳輸可由位于氣體缸體100內(nèi) 的發(fā)送器實現(xiàn)。發(fā)送器可包括例如單個固定頻率壓電共振器。
[0092] 還需要互補(bǔ)的接收器，而且這個構(gòu)件可位于缸體100遠(yuǎn)處，并且可包括硬件，諸如 例如與話筒結(jié)合的相鎖環(huán)音調(diào)檢測器。這種聲學(xué)組件提供這樣的優(yōu)點：不需要需要饋通件 (而天線230則需要），而且所有電子構(gòu)件都可完全位于缸體100內(nèi)。
[0093] 備選地，傳感器組件200可連接到安裝在氣體缸體本身上的顯示器裝置上（未顯 示）。這可采取數(shù)字顯示器的形式，數(shù)字顯示器可運行來顯示缸體100中剩余的氣體的質(zhì) 量，或者例如氣體的使用速率。
[0094] 在這個組件中，石英晶體振蕩器202持續(xù)處于氣體缸體100的內(nèi)部容積V內(nèi)的等 靜壓力，并且因此，不經(jīng)歷壓力梯度。換句話說，源自氣體缸體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)力都在饋通件120上。
[0095] 傳感器組件200定位在內(nèi)部的好處對于固態(tài)傳感器裝置（諸如石英晶體振蕩器 202)是獨特的。例如，不可用這種方式定位傳統(tǒng)的壓力傳感器，諸如布爾登壓力計。雖然基 于晶體的傳感器可在完全浸入處于恒定壓力的氣體中時運行，但傳統(tǒng)的壓力傳感器無法測 量等靜壓力，而且需要壓力梯度來工作。因此，傳統(tǒng)壓力計必須位于待測量的高壓和大氣之 間。這會妨礙將傳統(tǒng)壓力計完全定位在氣體缸體100內(nèi)。
[0096] 現(xiàn)在將參照圖2和圖3a至3f更詳細(xì)地描述傳感器組件200。石英晶體振蕩器202 包括切割石英的小而薄的區(qū)段。石英會展示壓電特性，即，在晶體上應(yīng)用電壓會使晶體改變 形狀，從而產(chǎn)生機(jī)械力。相反，應(yīng)用于晶體的機(jī)械力則產(chǎn)生電荷。
[0097] 使石英晶體振蕩器202的兩個平行表面金屬化，以便提供跨過大晶體的電連接。 當(dāng)借助于金屬觸頭在晶體上應(yīng)用電壓時，晶體改變形狀。通過對晶體應(yīng)用交變電壓，可使晶 體振蕩。
[0098] 石英晶體的物理大小和厚度確定石英晶體的特征頻率或共振頻率。實際上，晶體 202的頻率頻率或共振頻率與兩個金屬化表面之間的物理厚度成反比。
[0099] 石英晶體的共振振動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 有特定頻率。但是，這個頻率將在不同的環(huán)境中改變。例如，在流體中，晶體的振動將由于 周圍的流體分子而衰減，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。 [0100] 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(zhì)量，從而改變共 振頻率。這形成常使用的選擇性氣體分析器的基礎(chǔ)，其中，吸收層形成于晶體上，并且在氣 體吸收到吸收層上時提高其質(zhì)量。但是，在本情形中，未對石英晶體振蕩器202應(yīng)用涂層。 實際上，材料吸附或淀積到石英晶體振蕩器202上在目前的情況下是不合需要的，因為測 量的精度可受到影響。
[0101] 本實施例的石英晶體振蕩器202為音叉形，并且包括一對大約5mm長的叉 210a (圖3a)，在本實施例中，叉210a布置成以32. 768 kHz的共振頻率振蕩。音叉的叉202a 通常以它們的基本模式振蕩，其中，它們以共振頻率同步地移動向彼此和遠(yuǎn)離彼此。
[0102] 另外，使用經(jīng)AT切割或SC切割的石英是合乎需要的。換句話說，以特別選擇的角 度切割石英的平坦區(qū)段，使得振蕩頻率的溫度系數(shù)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。
[0103] 通?？捎幂^低的成本獲得這樣的石英晶體。與在真空中使用的大多數(shù)石英晶體振 蕩器相反，在本實施例中，石英晶體振蕩器202暴露于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中的受壓 氣體。
[0104] 傳感器組件200進(jìn)一步包括殼體250。殼體250可運行來封閉石英晶體振蕩器 202,并且在使用中，殼體250位于氣體缸體100的內(nèi)部容積V中。殼體250可運行來減小 氣體缸體100內(nèi)的對流對傳感器組件200所作的測量的作用。在圖3a中更詳細(xì)地顯示圖 2的殼體250。
[0105] 參照圖3,殼體250在這個實施例中包括第一殼體部分252和第二殼體部分254。 第一殼體部分252具有基本圓柱形側(cè)壁256、遠(yuǎn)側(cè)端壁258和在石英晶體振蕩器202附近的 近側(cè)端壁260,并且近側(cè)端壁260密封殼體250的近側(cè)端。第一殼體部分252的壁限定第一 腔室262。第一腔室262基本封閉石英晶體振蕩器202,并且位于殼體250的近側(cè)端附近。
[0106] 第一殼體部分254可包括通常對于石英晶體傳感器可獲得的傳統(tǒng)壓力殼體。這可 降低制造成本。但是，可使用備選構(gòu)造，在圖3a至3f中示出它們的一些可行變型。
[0107] 第二殼體部分254具有基本圓柱形側(cè)壁264、遠(yuǎn)側(cè)端壁266和近側(cè)端壁268。第二 殼體部分254的壁限定第二腔室270。在這個實施例中，第二殼體部分254是圓柱形，其直 徑為大約6mm，并且長度為大約80mm。但是，不應(yīng)將這理解為限制，而是可按需要改變尺寸 和橫截面形狀。
[0108] 第二腔室270位于第一腔室262附近，并且借助于第一殼體部分252的遠(yuǎn)側(cè)端壁 258中的貫通孔272,與第一腔室262處于流體連通。在這個實施例中，貫通孔272具有大 約0.35_的直徑。但是，可按需要使用其它形狀和尺寸的貫通孔。另外，如果需要，可提供 多個貫通孔272。
[0109] 另一個貫通孔274形成于第二殼體部分254的側(cè)壁264中，使得第二腔室270與氣 體缸體100的內(nèi)部容積V中且在殼體250的外部的氣體處于流體連通。在這個實施例中， 該另一個貫通孔274具有0· 22mm的直徑。但是，還發(fā)現(xiàn)0· 35mm的備選大小的貫通孔274 可產(chǎn)生良好結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識到可用于本發(fā)明的貫通孔的構(gòu)造、尺寸和 形狀。另外，可提供多個貫通孔274。
[0110] 殼體250的結(jié)構(gòu)使得第一腔室262和第二腔室270與彼此和氣體缸體100的內(nèi)部 容積V處于串聯(lián)流體連通。換句話說，石英晶體振蕩器202所暴露于的氣體必須從氣體缸 體100的內(nèi)部容積V，傳送通過第二腔室270到達(dá)第一腔室262,然后到達(dá)石英晶體振蕩器 202。
[0111] 在圖2和3a中顯示的實施例中，由殼體250形成的第一腔室262和第二腔室270 形成為單獨的結(jié)構(gòu)。但是，不必這樣，而是可使用單個公共殼體250。
[0112] 圖3b至3f顯示在本發(fā)明的范圍內(nèi)的殼體250的備選實施例。為了清楚，已經(jīng)省 略了指示與圖3a的實施例相同的特征的參考標(biāo)號。
[0113] 圖3b顯示殼體250的第二實施例。第二實施例在結(jié)構(gòu)上類似于第一實施例，除了 貫通孔274形成于第二殼體部分254的遠(yuǎn)側(cè)端壁266中。
[0114] 圖3c顯示殼體250的第三實施例。圖3的實施例在結(jié)構(gòu)上類似于殼體250的第 一和第二實施例，除了第二殼體部分254具有延長的長度。在這個實施例中，第二殼體部分 254具有大約230mm的長度。雖然圖3c顯示了貫通孔274在遠(yuǎn)側(cè)端處，但是貫通孔274同 樣可形成于第二殼體部分254的側(cè)壁264中。
[0115] 圖3d至3f的實施例顯示不同結(jié)構(gòu)的殼體250。圖3d中顯示的殼體250的第四實 施例不同于前面的實施例，因為殼體250是一體部件，并且包括圓柱形外壁276、遠(yuǎn)側(cè)端壁 278和近側(cè)密封件280。
[0116] 壁276、278、280界定殼體250的內(nèi)部。殼體250進(jìn)一步包括內(nèi)壁282,內(nèi)壁282將 殼體250的內(nèi)部分成第一腔室284和第二腔室286。第一腔室284基本封閉石英晶體振蕩 器202,并且位于殼體250的近側(cè)端附近。
[0117] 第二腔室286位于第一腔室284附近，并且借助于內(nèi)部壁282中的貫通孔288而 與第一腔室284處于流體連通。在這個實施例中，貫通孔288具有大約0. 35mm的直徑。但 是，可按需要使用其它形狀和尺寸的貫通孔。另外，如果需要，可提供多個貫通孔288。 提供另一個貫通孔290,以使得在第二腔室286和氣體缸體100的內(nèi)部容積V之間能夠 有流體連通。與第一實施例相同，在殼體250的側(cè)壁276中提供貫通孔290。
[0118] 在圖3e中顯不殼體250的第五實施例。實施例殼體250在結(jié)構(gòu)上類似于第四實 施例；但是，在殼體250的遠(yuǎn)側(cè)端壁278中提供貫通孔290,并且殼體250具有較長的長度 (在這個實施例中，230mm)，使得第二腔室286具有較大的內(nèi)部容積。這些變型中的任一個 都可應(yīng)用于第五實施例。
[0119] 在圖3f中顯示殼體250的第六實施例。殼體250的第六實施例在結(jié)構(gòu)上類似于 第五實施例；但是，提供第二內(nèi)壁292。第二內(nèi)壁292具有形成于其中的貫通孔294,并且將 殼體250的內(nèi)部分成三個腔室-第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296。
[0120] 第一腔室284、第二腔室286和第三腔室296與彼此處于流體連通，并且與在氣體 缸體100的內(nèi)部且殼體250的外部處于流體連通。換句話說，石英晶體振蕩器202所暴露 于的氣體必須按順序以及連續(xù)地從氣體缸體100的內(nèi)部容積V，傳送通過第三腔室296、第 二腔室286到達(dá)第一腔室284,然后到達(dá)石英晶體振蕩器202。
[0121] 如上面描述的殼體250的第一至第六實施例所顯示的那樣提供一系列腔室使得 能夠?qū)怏w缸體100內(nèi)的對流進(jìn)行氣動衰減。如上面描述的那樣，缸體100內(nèi)的溫差導(dǎo)致 通常將在缸體中發(fā)生對流。對流以紊流的形式出現(xiàn)，調(diào)節(jié)密度和溫度（使得P~l/T)，幾乎 不引起壓力變化。
[0122] 發(fā)明人對殼體250的運行原理的理解如下。殼體250限定氣體的內(nèi)部容積，內(nèi)部 容積往往對密度和溫度取平均。原則上，將沒有流通過殼體250中的貫通孔，因為缺少壓力 變化。因此，系統(tǒng)將提供處于穩(wěn)定壓力的穩(wěn)定輸出，因為密度和溫度在其之外改變。只有殼 體250的溫度改變時，測得的密度才會改變。但是，這在實踐上受到限制，因為殼體250的 內(nèi)部內(nèi)的氣體體積的熱質(zhì)量較大。
[0123] 但是，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，殼體250對于例如在流從氣體缸體100中抽出時所經(jīng)歷的 壓力波動有不同的響應(yīng)。在這種情況下，貫通孔足夠大，以至于對應(yīng)的壓力變化經(jīng)由流體流 幾乎立刻傳送通過貫通孔。
[0124] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了獲得上面描述的好處，需要包括至少兩個腔室的殼體250。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)單個腔室組件在充分隔離缸體內(nèi)的對流引起的密度和溫度變化方面無效。
[0125] 在圖4中顯示用于驅(qū)動石英晶體振蕩器202的驅(qū)動電路204。驅(qū)動電路204必須 滿足多個特定標(biāo)準(zhǔn)。首先，本發(fā)明的石英晶體振蕩器202可暴露于一系列氣體壓力；潛在 地，壓力可從大氣壓力（當(dāng)氣體缸體100是空的時候）變成大約900巴（表壓）（如果氣體 缸體包含加壓氣體，諸如氫）。因而，要求石英晶體202在大范圍的壓力下運行（以及在不 使用的時期之后重新啟動）。
[0126] 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)大的改變。Q因數(shù) 是與振蕩器或共振器的衰減速率有關(guān)的無量綱參數(shù)。同樣，其特征可在于共振器相對于其 中心頻率的帶寬 大體上，振蕩器的Q因數(shù)越大，相對于振蕩器的存儲能量的能量損失速率就越低。換句 話說，Q因數(shù)大的振蕩器的振蕩幅度在沒有外力的情況下較緩慢地減小。具有較大的Q因 數(shù)的以正弦的方式驅(qū)動的共振器在共振頻率下以較大的幅度共振，但圍繞它們共振時所處 的頻率具有較小的頻率帶寬。
[0127] 驅(qū)動電路204必須能夠驅(qū)動石英晶體振蕩器202,不管Q因數(shù)如何改變。在氣體 缸體100中的壓力增大時，石英晶體振蕩器202的振蕩將變得越來越受到衰減，而且Q因數(shù) 將降低。降低的Q因數(shù)需要驅(qū)動電路204中的放大器提供較大的增益。但是，如果驅(qū)動電 路204提供的放大作用太大，則可能難以分辨來自石英晶體振蕩器202的響應(yīng)。在這種情 況下，驅(qū)動電路204可簡單地以不相關(guān)的頻率振蕩，或者以石英晶體振蕩器202的非基本模 式的頻率振蕩。
[0128] 作為另一個限制，驅(qū)動電路204的功率必須低，以便在有或沒有補(bǔ)充功率（諸如光 伏電池）的情況下，用低功率的小電池工作較長時間。
[0129] 現(xiàn)在將參照圖4來描述驅(qū)動電路204。為了驅(qū)動石英晶體振蕩器202,驅(qū)動電路 204實質(zhì)上獲得來自石英晶體振蕩器202的電壓信號，將它放大，并且將那個信號饋送回石 英晶體振蕩器202。石英晶體振蕩器202的基本共振頻率在實質(zhì)上隨石英的膨脹和收縮速 率改變。這大體上由晶體的切割和大小決定。
[0130] 但是，外部因數(shù)也會影響共振頻率。當(dāng)產(chǎn)生的輸出頻率的能量匹配電路中的損耗 時，可維持振蕩。驅(qū)動電路204布置成檢測和保持這個振蕩頻率。然后頻率可由處理器220 測量，用來計算用戶所需的氣體的合適屬性，并且如果需要的話，輸出到適當(dāng)?shù)娘@示器件 (如將在后面描述的那樣）。
[0131] 驅(qū)動電路204由6V的電池206提供功率。電池206在這個實施例中包括鋰離子 電池。但是，備選功率源對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的；例如，其它電池類型（可再充 電和不可再充電的）和太陽能電池組件。
[0132] 驅(qū)動電路204進(jìn)一步包括復(fù)合晶體管對共射放大器210。復(fù)合晶體管對包括由兩 個雙極NPN晶體管組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，雙極NPN晶體管構(gòu)造成使得由第一晶體管放大的電流 進(jìn)一步被第二晶體管放大。當(dāng)與單獨使用各個晶體管相比時，此構(gòu)造使得能夠獲得更大的 電流增益?？墒褂脗溥x的PNP雙極晶體管。
[0133] 復(fù)合晶體管對210與單晶體管（1\)共射放大器212布置成反饋構(gòu)造。在圖4中顯 示NPN雙極結(jié)型晶體管。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到可使用的備選晶體管組件；例如， 雙極結(jié)型PNP晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（M0SFET)。
[0134] 驅(qū)動電路204包括另一個NPN發(fā)射器跟隨器晶體管T2，它用作緩沖器放大器214。 緩沖器放大器214布置成用作電路和外部環(huán)境之間的緩沖器。
[0135] 電容器216定位成與石英晶體振蕩器202串聯(lián)。電容器216在此示例中具有 100pF的值，并且使得驅(qū)動電路204能夠在晶體已經(jīng)被污染（例如被鹽或其它淀積材料污 染）的情形中驅(qū)動石英晶體振蕩器202。
[0136] 現(xiàn)在將參照圖5來描述備選驅(qū)動電路240。驅(qū)動電路240可用來代替上面描述的 驅(qū)動電路204。與上面描述的驅(qū)動電路204相比，驅(qū)動電路240包括共漏金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管（M0SFET)放大器242,它代替圖6的電路的復(fù)合晶體管對。M0SFET 242用作 高阻抗輸入，這使得放大器級的輸入阻抗能夠匹配石英晶體振蕩器202的高阻抗。換句話 說，M0SFET 242提供具有高輸入阻抗的單位增益，以減小石英晶體振蕩器202上的電負(fù)載。
[0137] 共漏M0SFET放大器242的輸出饋送到兩個連續(xù)的單晶體管（Q2、Q3)共射放大器 244。電阻器R6和R8對晶體管提供負(fù)反饋和偏壓電流。共射放大器244提供高增益，以放 大石英晶體振蕩器202的振蕩，而且在這個實施例中，共射放大器244包括NPN雙極結(jié)型晶 體管。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到可使用的備選晶體管組件；例如，雙極結(jié)型PNP晶體 管或 M0SFET。
[0138] 電容器246連接在石英晶體振蕩器202和地線之間。電容器246在這個實施例中 可運行來提高對驅(qū)動石英晶體振蕩器202的驅(qū)動力。
[0139] 電阻器248與石英晶體振蕩器202串聯(lián)連接。電阻器248在這個實施例中具有 56 kQ的值，并且抑制石英晶體振蕩器202的振蕩，以便使得電路能夠在廣泛范圍的壓力中 振蕩，波形僅逐步地改變。
[0140] 驅(qū)動電路240由3V的電池249提供功率。電池249在這個實施例中包括鋰電池。 但是，備選功率源對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的；例如，其它電池類型（可再充電和不 可再充電的）和太陽能電池組件。備選地，可在DC整流和合適的電壓降低之后使用干線供 應(yīng)組件。
[0141] 現(xiàn)在將參照圖6來描述另一個備選驅(qū)動電路300。圖6中顯示的驅(qū)動電路構(gòu)造成類 似于皮爾斯振蕩器。從數(shù)字1C時鐘振蕩器中了解到皮爾斯振蕩器。實質(zhì)上，驅(qū)動電路300 包括單個數(shù)字反向器（呈晶體管的形式）T、三個電阻器Rp R2和Rs、兩個電容器Q、C2和石 英晶體振蕩器202。
[0142] 在此組件中，石英晶體振蕩器202用作高選擇性濾波元件。電阻器&用作晶體管 T的負(fù)載電阻器。電阻器&用作反饋電阻器，使反向器T偏壓到在其線性運行區(qū)域中。這 有效地使得反向器T能夠用作高增益反向放大器。另一個電阻器R s在反向器T的輸出和 石英晶體振蕩器202之間用來限制增益，以及抑制電路中的不合需要的振蕩。
[0143] 石英晶體振蕩器202以及Q和C2形成Pi網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器。這使得在大約石英晶 體振蕩器的共振頻率下能夠有180度相移和從輸出到輸入的電壓增益。上面描述的驅(qū)動電 路300可靠且制造起來廉價，因為它包括較少構(gòu)件。
[0144] 如上面論述的那樣，傳感器組件200可包括處理器220,處理器220接收來自石英 晶體振蕩器202和驅(qū)動電路204的輸入。處理器220可包括任何適當(dāng)?shù)慕M件，諸如專用集 成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。處理器220編程成計算、顯示和傳輸對缸體100的 用戶有用的參數(shù)。
[0145] 當(dāng)用于石英晶體振蕩器202時，處理器220可構(gòu)造成測量來自驅(qū)動電路204的信 號的頻率f或周期。這可通過下者實現(xiàn)：例如數(shù)固定時間里的振蕩，并且使用算法或查找表 將那個頻率轉(zhuǎn)換成密度值。這個值傳送到處理器220,處理器220構(gòu)造成基于供應(yīng)的輸入來 執(zhí)行計算，以確定氣體缸體1〇〇中的氣體的質(zhì)量。
[0146] 處理器220可以可選地設(shè)計成用于大規(guī)模生產(chǎn)，以在所有缸體中相同，軟件和硬 件中針對不同的氣體實現(xiàn)不同特征。
[0147] 另外，處理器220還可構(gòu)造成通過實現(xiàn)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)動電路204和石英晶體 振蕩器202。
[0148] 可實現(xiàn)各種方案；例如，處理器220在每11秒中可待機(jī)10秒。另外，處理器220 可控制石英晶體振蕩器202和驅(qū)動電路204,使得這些構(gòu)件在大多數(shù)時間都是待機(jī)的，僅每 30秒才打開較需要功率的構(gòu)件達(dá)1/2秒。備選地或另外，可按需要關(guān)閉通信構(gòu)件（諸如天 線230)，或用其啟動傳感器組件200。
[0149] 現(xiàn)在將參照圖7至14來描述傳感器組件200的理論和運行。
[0150] 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(dāng)與晶體在真空中的共 振頻率相比時）。這有許多原因。雖然氣體對晶體的振蕩有衰減作用，但在音叉晶體振蕩 器210的振動的叉210a附近的氣體會提高振蕩器的有效質(zhì)量。這使得石英晶體振蕩器的 共振頻率根據(jù)單邊固定彈性梁的運動而降低： 1)

【權(quán)利要求】
1. 一種用于測量氣體缸體內(nèi)的受壓氣體的物理屬性的傳感器組件，所述氣體缸體包 括氣體缸體本體和限定所述氣體缸體的固定內(nèi)部容積的閥組件，所述傳感器組件包括：殼 體；用于浸入所述氣體缸體內(nèi)的氣體中的壓電振蕩器；以及驅(qū)動電路，其可運行來驅(qū)動所 述壓電振蕩器，使得所述壓電振蕩器以共振頻率共振，所述傳感器組件布置成根據(jù)所述壓 電振蕩器在浸入所述氣體中時的共振頻率來確定所述氣體缸體內(nèi)的氣體的密度，其中，在 使用中，所述殼體位于所述氣體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)，并且包括第一腔室和第二腔室，所 述第一腔室與所述第二腔室處于流體連通，并且所述第一腔室基本封閉所述壓電振蕩器， 而所述第二腔室則與所述氣體缸體的內(nèi)部處于流體連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件進(jìn)一步包括處理 器，所述處理器布置成根據(jù)密度測量值和所述氣體缸體的內(nèi)部容積來確定所述氣體缸體內(nèi) 的氣體的質(zhì)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步布置成：以離 散的時間間隔對所述氣體缸體內(nèi)的氣體的質(zhì)量執(zhí)行重復(fù)測量，以獲得多個測量值；以及根 據(jù)所述多個測量值，來確定在所述離散的時間間隔期間通往/來自所述氣體缸體的氣體的 質(zhì)量流量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器布置成將所述離散的 時間間隔限定為大約幾秒鐘。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器組件，其特征在于，所述處理器布置成對所述測 量值應(yīng)用數(shù)值濾波。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一腔室具有 壁，所述壁包括第一孔口，使得在所述第一腔室和所述第二腔室之間能夠有流體連通，并且 所述第二腔室具有壁，所述壁包括第二孔口，使得在所述第二腔室和所述氣體缸體的內(nèi)部 容積之間能夠有流體連通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一孔口和/或所述第二孔 口具有0. 35mm或更小的尺寸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器組件，其特征在于，所述第一孔口和/或所述第二孔 口具有0. 22mm或更小的尺寸。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體基本為圓 柱形。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體具有 230mm或更小的長度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器組件，其特征在于，所述殼體具有80_或更小的長 度。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的傳感器組件，其特征在于，所述壓電振蕩器 包括石英晶體振蕩器。
13. -種用于容納受壓氣體的氣體缸體，所述氣體缸體： 氣體缸體本體，其限定固定內(nèi)部容積； 閥組件，其連接到所述氣體缸體本體上，并且布置成使得能夠選擇性地對所述氣體缸 體填充氣體，或者從所述氣體缸體中分配氣體；以及 權(quán)利要求1至12中的任一項所述的傳感器組件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的氣體缸體，其特征在于，所述傳感器組件完全位于所述氣 體缸體的固定內(nèi)部容積內(nèi)。
【文檔編號】G01N9/00GK104303039SQ201380026598
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月24日
【發(fā)明者】N.A.道尼, C.M.盧迪克 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司