本發(fā)明一般涉及流量控制系統(tǒng)和方法，更具體地涉及用于換氣分析系統(tǒng)的多功能壓電驅(qū)動(dòng)流量控制系統(tǒng)和方法，換氣分析系統(tǒng)例如是光合作用測量系統(tǒng)。

用于測量植物光合作用和蒸騰作用速率的系統(tǒng)可分為開放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)。對(duì)于開放式系統(tǒng)，植物的葉裝在腔體內(nèi)，而氣流持續(xù)穿過腔體。測量進(jìn)出腔體CO₂和H₂O的濃度，并計(jì)算進(jìn)出的濃度差。該濃度差與質(zhì)量流率一同用于計(jì)算光合作用(CO₂)和蒸騰作用(H₂O)速率。對(duì)于封閉式系統(tǒng)，葉或植物裝在腔體內(nèi)，不提供新鮮空氣。持續(xù)監(jiān)控腔體內(nèi)的CO₂和H₂O濃度。該濃度的變化率與腔體容積一同用于計(jì)算光合作用(CO₂)和蒸騰作用(H₂O)速率。

在開放式和封閉式系統(tǒng)中，重要的是葉或植物是CO₂和H₂O唯一的源(source)或匯(sink)。不是由植物引起的CO₂或H₂O濃度變化各自都是測量誤差。這些誤差可以按經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)，例如“LI-COR Biosciences LI-6400User Manual”所述(頁碼4-43至4-48；并入為本文的附錄A)。某些儀器的用戶可能不理解這些修正的意義，并忽略它們。

開放式和封閉式系統(tǒng)均包含氣動(dòng)元件電路(例如泵、閥、腔體、管道、分析儀等等)。當(dāng)CO₂和H₂O濃度動(dòng)態(tài)變化時(shí)，這些元件的吸附作用可提供明顯的CO₂或H₂O的源和/或匯。在穩(wěn)態(tài)狀況下，吸附作用不是主動(dòng)的源或匯，且由于體泄漏和擴(kuò)散會(huì)有寄生的(parasitic)CO₂和H₂O的源和/或匯。

體泄漏由系統(tǒng)與大氣環(huán)境之間的壓差驅(qū)動(dòng)。適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造，以及固有的低工作壓力，一般將由于體泄漏而導(dǎo)致的寄生的源和匯降至最低。擴(kuò)散由系統(tǒng)與大氣環(huán)境之間的組分氣體(CO₂和H₂O)濃度梯度驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)內(nèi)的組分氣體濃度明顯不同于大氣狀況的任意時(shí)間擴(kuò)散勢(shì)都會(huì)上升。為幾乎任意實(shí)際工作厚度的金屬一般提供了顯著的氣體擴(kuò)散屏障。然而，事實(shí)上總是需要非金屬材料。例如，為了在金屬材料之間設(shè)置密封，使用墊片和O型圈。將傳感頭連接至其他系統(tǒng)元件的撓性管道是利用金屬無法合理實(shí)現(xiàn)的功能性的示例。

在開放式光合作用系統(tǒng)中，受制約氣流通常分為兩道氣流。第一流道(已知作為參照)穿過氣體分析儀(例如紅外氣體分析儀或IRGA)，其測量組分氣體濃度(CO₂和H₂O)。第二流道(已知作為樣品)穿過其內(nèi)發(fā)生換氣的樣品腔體(葉腔)。第二樣品流道離開腔體，并進(jìn)入第二氣體分析儀(例如IRGA)。樣品與參照之間的氣體濃度差用于計(jì)算光合作用(CO₂)和蒸騰作用(H₂O)。由于光合作用和蒸騰作用測量是基于這兩道氣流的濃度差的，測量差值的精度比測量各自的絕對(duì)濃度更嚴(yán)苛。為傳感頭提供樣品和參照氣流的管道、連接件以及配件，其中存在擴(kuò)散性寄生的源和/或匯會(huì)損害測量精度?？刂屏黧w流量的典型系統(tǒng)要求高壓流量控制，并具有高功率和熱耗散。此外，由流體路徑中的各種元件，如閥，以及相關(guān)的電子控制元件，引發(fā)的熱效應(yīng)會(huì)在測量中導(dǎo)致顯著誤差。在這些系統(tǒng)中，難以測量并修正這種熱耗散。

因此，期望提供將熱擴(kuò)散的影響最低化，并有助克服上述及其它問題的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明一般涉及流量控制系統(tǒng)和方法，更具體地涉及用于換氣分析系統(tǒng)例如光合作用測量系統(tǒng)的多功能壓電驅(qū)動(dòng)流量控制系統(tǒng)和方法。

根據(jù)一實(shí)施例，提供流體閥裝配模塊(或流量控制裝配模塊)，通常包括外殼結(jié)構(gòu)，該外殼結(jié)構(gòu)包括多個(gè)端口和與端口相互連接的多個(gè)流體通道，以及與流體通道流體連通的多個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)閥，各個(gè)閥包括壓電元件，該壓電元件控制沿通道的流量，其中該通道和該閥布置在外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便確定流體控制模塊。流體控制模塊通常包括流量交換元件、流量分流元件以及流量加壓元件。流量交換元件通常具有第一及第二入口和第一及第二輸出端口，并通常設(shè)置為在第一入口接收第一流體流量，在第二入口接收第二流體流量，并且在第一運(yùn)行模式下引導(dǎo)第一流體流量到第一輸出端口，第二流體流量到第二輸出端口，并且在第二運(yùn)行模式下引導(dǎo)第一流體流量到第二輸出端口，第二流體流量到第一輸出端口。流量分流元件通常具有輸入端口、第三輸出端口和第一出口，并通常設(shè)置為在輸入端口接收輸入流體流量，并以持續(xù)可調(diào)節(jié)的方式，控制供應(yīng)至第三輸出端口和第一出口的輸入流體流量的量，其中第一出口流體連接至流量交換元件的第一入口，而第三輸出端口適用于流體耦合至外部容器。流量加壓元件通常具有與第二出口流體連通的入口端，并通常設(shè)置為在入口端接收第三流體流量，并控制第二出口處的第三流體流量的壓力，其中第二出口流體連接至流量交換元件的第二入口，而入口端適用于流體耦合至外部容器。

在某些方面，流量交換元件包括兩個(gè)壓電元件，流量分流元件包括單個(gè)壓電元件，且流量加壓元件包括單個(gè)壓電元件。在某些方面，每個(gè)壓電元件包括懸臂式壓電元件，其響應(yīng)外加電壓信號(hào)而彎曲。在某些方面，壓電元件布置為大致平面并排的關(guān)系。在某些方面，壓電元件布置為垂直堆疊的關(guān)系。在某些方面，流體控制模塊從流體控制模塊外部的控制電路接收控制信號(hào)。在某些方面，流體閥裝配模塊進(jìn)一步包括連接在第三輸出端口與容器之間的流量傳感器，其中該流量傳感器向控制電路提供反饋信號(hào)。

根據(jù)另一實(shí)施例，提供換氣分析系統(tǒng)，通常包括氣源、確定用于樣品分析的測量容積的腔體、第一氣體分析儀、第二氣體分析儀、以及閥裝配模塊，該閥裝配模塊包括外殼結(jié)構(gòu)，該外殼結(jié)構(gòu)包括與氣源、腔體、第一氣體分析儀以及第二氣體分析儀相互連接的多個(gè)端口，其中該閥裝配模塊包括與端口相互連接的多個(gè)通道，以及控制沿通道的流體流量的多個(gè)閥。通常以定義各個(gè)功能性元件的方式，將該通道和閥布置在外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)。在某些實(shí)施例中，子元件包括流量分流元件、流量加壓元件和流量交換元件，其中流量分流元件從氣源接收輸入流體流量，并設(shè)置為調(diào)節(jié)供應(yīng)至流量交換元件作為第一流體流量、以及供應(yīng)至腔體的輸入流體流量的量，流量加壓元件設(shè)置為控制第二流體流量的壓力，其中第二流體流量沿從腔體到流量交換元件的流道，并且流量交換元件沿分開的流道接收第一流體流量和第二流體流量，并設(shè)置為可控制地交換或互換第一及第二氣體分析儀之間的第一及第二流體流量。

在某些方面，流量分流元件具有流體耦合至氣源的輸入端口、流體耦合至腔體的第一輸出端口以及流體連接至流量交換元件第一入口的第一出口，其中流量分流元件設(shè)置為調(diào)節(jié)供應(yīng)至第一輸出端口和第一出口的輸入流體流量的量。在某些方面，流量加壓元件具有流體連通至腔體的入口端、以及流體連接至流量交換元件第二入口的第二出口，其中流量加壓元件設(shè)置為在入口端處從腔體接收第二流體流量，并控制第二出口處的第二流體流量壓力。在某些方面，流量交換元件包括第一及第二入口、以及分別流體耦合至第一及第二氣體分析儀的第二及第三輸出端口，其中流量交換元件設(shè)置為在第一入口接收第一流體流量，在第二入口接收第二流體流量，并且在第一運(yùn)行模式下引導(dǎo)第一流體流量到第二輸出端口，第二流體流量到第三輸出端口，并且在第二運(yùn)行模式下引導(dǎo)第一流體流量到第三輸出端口，第二流體流量到第二輸出端口。

在某些方面，流量交換元件包括兩個(gè)壓電元件，流量分流元件包括單個(gè)壓電元件，且流量加壓元件包括單個(gè)壓電元件。在某些方面，每個(gè)壓電元件包括懸臂式壓電元件，其響應(yīng)外加電壓信號(hào)而彎曲。在某些方面，壓電元件布置為大致平面并排的關(guān)系。在某些方面，壓電元件布置為垂直堆疊的關(guān)系。在某些方面，流體控制模塊從流體控制模塊外部的控制電路接收控制信號(hào)。在某些方面，流體閥裝配模塊進(jìn)一步包括連接在第三輸出端口與容器之間的流量傳感器，其中該流量傳感器向控制電路提供反饋信號(hào)。

參照說明書的余下部分，包括附圖和權(quán)利要求書，將會(huì)理解本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作，將在下文參照所附附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。在附圖中，相同序號(hào)指示相同或功能性相似的元件。

附圖說明

圖1顯示了換氣分析系統(tǒng)(GEAS)的實(shí)施例。

圖2顯示了流量控制裝配模塊(FCAM)的功能性實(shí)施例。

圖3是流道和塊件的示意圖，它們定義了圖2所示實(shí)施例的壓電閥的三項(xiàng)不同功能。

圖4是流量控制裝配模塊實(shí)施例的機(jī)械零件層示意圖。

圖5是根據(jù)圖4的已封裝流量控制裝配模塊的示意圖。

圖6是流量控制裝配模塊實(shí)施例的機(jī)械零件層示意圖。

圖7顯示了用于流量控制裝配模塊中的壓電式致動(dòng)器示例。

具體實(shí)施方式

下文進(jìn)一步說明本文的多功能壓電驅(qū)動(dòng)流量控制系統(tǒng)，但是其當(dāng)然不應(yīng)理解為以任意方式限制其范圍。

圖1顯示了換氣分析系統(tǒng)(GEAS)的實(shí)施例。在一實(shí)施例中，GEAS 10包括氣體控制臺(tái)或氣源15、流量控制裝配模塊25、樣品腔體30(例如葉腔)、第一氣體分析儀40和第二氣體分析儀50。氣體控制臺(tái)或氣源15包括一種或多種氣體的一個(gè)或多個(gè)容器，以及氣體調(diào)節(jié)元件。例如，在測量光合作用和蒸騰作用的背景下，氣源可以包括CO₂和H₂O的容器，以及調(diào)節(jié)每種氣體濃度的空調(diào)設(shè)備。連接源15與流量控制裝配模塊20的流道20通常包括撓性管道和連接件，并可包括流道的各種元件，以適當(dāng)調(diào)節(jié)氣流。流量控制裝配模塊20從源15接收氣流，并將部分或全部接收到的輸入源流量引導(dǎo)至樣品腔體30，從腔體30接收排氣流量，并可控制地將部分或全部接收到的輸入源流量和腔體排氣流量供應(yīng)至第一氣體分析儀40和第二氣體分析儀50，這將會(huì)在下文更詳細(xì)地描述。第一氣體分析儀40和第二氣體分析儀50各自可包括本領(lǐng)域公知的紅外氣體分析儀(IRGA)或其他氣體分析儀。

需要注意的是，端口和元件的相對(duì)位置可與圖示不同。

流量控制裝配模塊25包括多個(gè)通道和多個(gè)主動(dòng)閥元件，包括具有主動(dòng)閥致動(dòng)器的閥，它們布置的方式有助于以可控方式調(diào)節(jié)并提供從各種輸入到各種輸出氣體流量?！爸鲃?dòng)”設(shè)備或元件包括能夠由計(jì)算機(jī)、控制器或其他機(jī)器電子控制的設(shè)備或元件。主動(dòng)設(shè)備或元件通?？蓪?shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需操作人員介入。在某些實(shí)施例中，主動(dòng)閥元件包括壓電式或壓阻式(下文也稱之為“壓電”)元件。

壓電元件通常由外加電壓信號(hào)來激活。壓電閥包括確定內(nèi)部容積并具有至少一個(gè)端口的閥體，通過該至少一個(gè)端口引入流體；鄰近端口的至少一個(gè)閥座，以允許流體流過；壓電彎曲板，具有固定端和鄰近閥座的末端，還包括與閥座配合的配合元件。電路或電路板向壓電彎曲板提供電壓信號(hào)，由此根據(jù)所施加的電壓，張緊彎曲板，并將末端移向或移離閥座，從而打開或關(guān)閉端口。對(duì)于比例閥，外加電壓控制末端行進(jìn)的距離以及流體流量通過端口的速率。

使用壓電閥的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括壓電元件可非常低能耗地運(yùn)行，這有益于蓄電池供電的儀器。壓電閥的實(shí)際尺寸相對(duì)小，而壓電致動(dòng)器的幾何形狀更利于小儀器。

圖2顯示了流量控制裝配模塊(FCAM)25的功能性實(shí)施例。在所示示例中，流量控制裝配模塊25設(shè)置為發(fā)揮三項(xiàng)功能：比例流量分流、在2個(gè)入口端口和2個(gè)輸出端口之間進(jìn)行流量交換、以及流量的加壓控制。如圖所示，流量控制裝配模塊25設(shè)置有三個(gè)功能性模塊：流量分流元件60、流量交換元件70和流量加壓元件80。反饋控制電路90向FCAM 25的各個(gè)主動(dòng)元件提供給控制信號(hào)，例如電壓控制信號(hào)，以控制FCAM 25各個(gè)閥的運(yùn)行，并根據(jù)用戶輸入和/或FCAM 25的各個(gè)元件提供的反饋信號(hào)，按需調(diào)節(jié)各個(gè)閥的設(shè)定。在某些方面，反饋控制電路90包括智能模塊，例如一個(gè)或多個(gè)微處理器或ASIC或其他集成電路設(shè)備。如圖所示，反饋控制電路可位于FCAM 25內(nèi)部(例如具有電子連接件以連接至外部控制設(shè)備，如外部；計(jì)算機(jī)、用戶輸入設(shè)備等等)，位于FCAM外部，例如具有各種電子信號(hào)線路，以與FCAM 25的各個(gè)元件通信，或可包括在FCAM 25內(nèi)部和外部的模塊。

如本文將會(huì)使用那樣，對(duì)于端口的命名術(shù)語，“入口”端口和“出口”端口一般指的是與FCAM 25內(nèi)部元件或設(shè)備耦合的端口，而“輸入”端口和“輸出”端口和“入口”端一般指的是與FCAM 25外部元件或設(shè)備耦合的端口。然而需要注意的是，任何端口可以耦合到(FCAM 25)內(nèi)部或外部的元件或設(shè)備。

在一實(shí)施例中，流量分流元件或機(jī)構(gòu)60設(shè)置為在輸入端口處，從外部源，例如氣源15接收氣流，并將接收到的氣流不定地分為兩道不同的流量。尤其是，流量分流機(jī)構(gòu)60設(shè)置為在輸入端口61處，從外部源(氣源15)接收氣流，并將接收到的氣流不定地分到或供應(yīng)至輸出端口62和出口端63，參見圖2。輸出端口62通過流道28流體耦合至樣品分析腔體30，而入口端63流體耦合至流量交換元件70的入口端71。流量分流機(jī)構(gòu)60改變供應(yīng)至輸出端口和出口端的輸入氣流比率或比例。在某些方面，流量分流機(jī)構(gòu)60設(shè)置為以持續(xù)不定的方式調(diào)節(jié)流量比率，使得氣流能夠可控地、持續(xù)地變化，以此向輸出端口62供應(yīng)范圍為0％-100％的流量，而向出口端63供應(yīng)范圍為100％-0％的流量。例如，流量分流機(jī)構(gòu)可通過控制信號(hào)來控制，以向輸出端口62或出口端63的其中之一供應(yīng)25％流量，并向另一個(gè)端口供應(yīng)75％流量，或者向一個(gè)端口供應(yīng)50％，向另一個(gè)端口也供應(yīng)50％。

在一實(shí)施例中，流量分流機(jī)構(gòu)60包括壓電流量分流閥64，其設(shè)置為將在輸入端口61接收到的氣流不定地分向輸出端口62和出口端63。響應(yīng)于從控制電路90接收到的電壓控制信號(hào)，流量分流閥64如3通比例閥一樣運(yùn)行，但是也可以像3通2位閥運(yùn)行(術(shù)語3通2位指的是閥具有三個(gè)端口和2種運(yùn)行位置(例如開關(guān)設(shè)備))。在某些方面，壓電流量分流設(shè)備包括壓電致動(dòng)器，其具有固定于設(shè)備內(nèi)的第一端，以及位于輸出端口62和出口端63附近的第二端，還具有電觸頭，以向致動(dòng)器提供控制電勢(shì)，從而相對(duì)于輸出端口和出口端控制第二端的位置，由此控制這些端口的流體阻力和流量速率。例如，在某些方面，施加的控制電勢(shì)控制第二端，以相對(duì)于輸出端口和出口端調(diào)節(jié)第二端的位置，例如可控地、持續(xù)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)供應(yīng)至輸出端口62的流量比率大約在0％-100％，同時(shí)供應(yīng)至出口端63的比率大約在100％-0％。在一實(shí)施例中，致動(dòng)器包括金屬條，其兩端涂覆有壓電彎曲材料。在某些方面，壓電彎曲材料包括鉭酸鋰或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他壓阻材料。

輸出端口62流體耦合至封閉樣品腔體30的入口，封閉樣品腔體30定義了樣品分析的測量容積。樣品腔體30的輸出端口流體耦合至流量加壓元件80的輸入端口81。

在一實(shí)施例中，流量加壓元件或機(jī)構(gòu)80設(shè)置為在入口端81接收氣流，并向出口端83提供受控的接收氣流壓力。尤其是，流量加壓機(jī)構(gòu)80設(shè)置為控制來自樣品腔體30的流量壓力(并由此控制腔體30的流體壓力)，并向出口端83提供受控的流量，出口端83流體連接至流量交換元件70的入口端72。

在一實(shí)施例中，流量加壓元件80包括壓電流量加壓閥，其設(shè)置為控制在入口端81接收到的輸入氣流壓力，并供向出口端83。響應(yīng)于從控制電路90接收到的電壓控制信號(hào)，流量加壓閥如2通比例閥一樣運(yùn)行，但是也可以像2通2位閥運(yùn)行(術(shù)語2通2位指的是閥具有兩個(gè)端口和兩種運(yùn)行位置)。

在一實(shí)施例中，流量交換元件或機(jī)構(gòu)70包括兩個(gè)或多個(gè)匹配閥75，其設(shè)置為在入口端71接收第一氣流，在入口端72接收第二氣流，并以受控方式，將第一及第二氣流各自供應(yīng)至第一輸出端口73和第二輸出端口74的其中之一。尤其是，流量交換元件或機(jī)構(gòu)70設(shè)置為在入口端接收第一氣流，在入口端72接收第二氣流，并在第一運(yùn)行模式下，將第一及第二氣流分別供應(yīng)至第一輸出端口73和第二輸出端口74，或者在第二運(yùn)行模式下，將它們分別供應(yīng)至第二輸出端口74和第一輸出端口73。

在一實(shí)施例中，流量交換元件70包括兩個(gè)獨(dú)立的壓電閥75，各自設(shè)置為響應(yīng)接收自控制電路90的電壓控制信號(hào)，如3通2位閥一樣運(yùn)行。

第一氣體分析儀40流體耦合至第一輸出端口73，而第二氣體分析儀50流體耦合至第二輸出端口74。每個(gè)氣體分析儀可包括紅外氣體分析儀(IRGA)或其他氣體分析儀，設(shè)置為測量接收自各個(gè)輸出端口的氣流的氣體濃度。氣體分析儀測量的數(shù)據(jù)代表值可由數(shù)據(jù)分析儀提供給處理模塊(未示出)。

圖3是流道和塊件的示意圖，它們定義了圖2所示實(shí)施例的壓電閥的三項(xiàng)不同功能。每個(gè)R代表壓電表面和孔口之間的接口(其通常很可能通過通道的額外長度，直接連接至端口)。可激活雙壓電晶片零件或彎曲件，以改變壓電表面與孔口之間的距離，從而改變流體阻力(R值)。箭頭代表氣流通過系統(tǒng)的方向。壓力可處置成對(duì)流率Q的函數(shù)(例如P＝R(Q))，這是用于分析流體圖表的符號(hào)。閥性能可表示為函數(shù)R或P＝R(Q)。一般地，R為二階值，但是線性逼近已經(jīng)足夠。在線性逼近下，系統(tǒng)類似于具有高低電阻的電氣系統(tǒng)，使得P＝R*Q。這樣提供了在任一IRGA處的分壓對(duì)在入口處的分壓的函數(shù)表示方式。利用足夠高的阻力(例如關(guān)閉閥)和足夠低的阻力(例如打開閥)，通道之間的交流變得非常小。

在某些實(shí)施例中，壓電閥為流體通道提供了低壓降和低功耗。例如，在某些實(shí)施例中，打開時(shí)在2sLpm下壓降大約是8Pa，在2sLpm下系統(tǒng)總壓降大約是50Pa，而關(guān)閉時(shí)匹配閥的最大密封壓力大約是7kPa，流量分流機(jī)構(gòu)的最大密封壓力大約是35kPa。功耗小于或大約等于4W，由于大部分發(fā)熱元件遠(yuǎn)離氣流，這有利于不會(huì)導(dǎo)致過多的溫升。

在一實(shí)施例中，流量計(jì)(未示出)沿流量分流元件的輸出端口62與樣品腔體的輸入端口之間的流道耦合，流量計(jì)適用于測量流道內(nèi)的流率。反饋控制電路90響應(yīng)接收自流量計(jì)的流率信號(hào)，以及各種控制參數(shù)，例如由用戶輸入的參數(shù)，適用于控制壓電流量分流設(shè)備，以調(diào)節(jié)供至輸出端口62和出口端63的氣流比率。所示流量分流器的閉環(huán)反饋控制器具有換氣分析系統(tǒng)的高級(jí)性能，其測量現(xiàn)實(shí)世界植物微妙的光合作用因素。應(yīng)該精確地了解并控制流量分流進(jìn)入葉測量腔體的一側(cè)流量，以便準(zhǔn)確測量腔體內(nèi)的蒸散。流率是測量葉光合作用的其中一個(gè)參數(shù)。不帶反饋(即開環(huán))流量分流器可以漂移，因?yàn)槿~腔的狀況會(huì)改變。正在變化的狀況可包括溫度、某些氣體的分壓等等。這些變化可包括壓力變化，這會(huì)影響通過腔體的流率。

在某些實(shí)施例中，期望調(diào)節(jié)進(jìn)入葉測量腔體的流量，以適應(yīng)不同的測量狀況。然而，因?yàn)樵诹髁糠至髦傲髁客ǔＪ呛愣ǖ?，因此發(fā)現(xiàn)改變分流比率是調(diào)節(jié)控制樣品腔體流量的好辦法。某人可控制進(jìn)入樣品腔體的流量，因?yàn)榱髁繎?yīng)該精確地了解并調(diào)節(jié)。剩下的過量流量能夠用于參照路徑。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，流量分流器非常靠近腔體路徑或在其附近，會(huì)大幅消除腔體、軟管和配件壁的吸附作用。

在一實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括處理模塊，和/或可通信地耦合至遠(yuǎn)程處理模塊，可通信地耦合至第一及第二氣體分析儀，設(shè)置為從氣體分析儀接收氣體濃度測量，并提供數(shù)據(jù)處理和顯示功能。這些處理模塊還可通信地耦合至控制電路90，以提供額外系統(tǒng)控制并接收額外系統(tǒng)數(shù)據(jù)。處理模塊能夠接收氣體測量數(shù)據(jù)并顯示氣體濃度結(jié)果。結(jié)果(數(shù)據(jù))可以輸出、顯示或供給另一計(jì)算系統(tǒng)或裝置，以作進(jìn)一步操作。在某些方面，氣體包括CO₂和/或H₂O。

在某些方面，當(dāng)供至流道的流量比在流量分流機(jī)構(gòu)內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，包括樣品腔體30內(nèi)的測量容積以及通過各個(gè)元件的流道容積在內(nèi)的流量體積足夠小，以便減少流量體積的氣體濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間。例如，測量容積的數(shù)量級(jí)可以是1mL至10mL至大約1000mL，這樣包括了流量分流設(shè)備與第一IRGA和/或第二IRGA之間的流量體積的流道可以小于大約20mL至大約1000mL，或在該數(shù)量級(jí)上。

圖4顯示了流量控制裝配模塊25實(shí)施例的機(jī)械零件層示意圖。如圖所示，頂層1包括各種電子控制和接口元件。層2包括通道的機(jī)械部分，層3包括本體，其包括多個(gè)壓電彎曲元件，而所示層4是機(jī)械零件，其可包括通道的額外通道或部分。可選地，層4可包括所有或附加的控制和/或接口電路元件。層2和層3的結(jié)合產(chǎn)生了外殼結(jié)構(gòu)，其包括閥體、端口和流量通道，例如其設(shè)置為實(shí)施參照?qǐng)D1-3所示及所述的功能。當(dāng)所有層結(jié)合，形成外殼結(jié)構(gòu)，構(gòu)造成如圖5所示的流量控制裝配模塊，這是根據(jù)圖4的已封裝流量控制裝配模塊25的示意圖。各層的所有或部分控制及接口電路確定了控制電路90。在某些方面，如圖4所示，壓電元件(例如壓電彎曲件)布置為大致平面并排的關(guān)系(例如層3)。在其他實(shí)施例中，部分或所有壓電元件布置為垂直堆疊的關(guān)系。

流道布局實(shí)現(xiàn)了簡單裝配，因?yàn)樗袑訁⒄毡舜藢?duì)齊?？卓谂c密封表面之間的間隙通過機(jī)械零件來控制。所有機(jī)械零件限制為雙面加工，這樣減少了機(jī)械安裝的數(shù)量并有助于減少制造復(fù)雜度。就地制模、聚氨酯以及乙烯基墊片6是密封各層之間的有用選項(xiàng)，并減少裝配時(shí)間。

雙壓電晶片零件壓電彎曲件優(yōu)選用作頂?shù)至黧w端口，例如頂?shù)珠y座的致動(dòng)器。致動(dòng)器能夠密封流體流量并將之轉(zhuǎn)移到組件內(nèi)的不同區(qū)域。利用“層疊”概念將流道創(chuàng)設(shè)在致動(dòng)器周圍。如圖4所示，壓電致動(dòng)器其夾在4層之間：在機(jī)械零件的一側(cè)有2個(gè)機(jī)械零件，而在另一側(cè)有1個(gè)機(jī)械零件以及1塊電路板(圖4頂部)，每側(cè)2個(gè)?？杉せ铍p壓電晶片零件，以改變壓電表面與孔口之間的距離，從而改變流體阻力(R值)。

圖6是流量控制裝配模塊25實(shí)施例的機(jī)械零件層示意圖。如圖所示，頂層1a包括機(jī)械外殼板。層2a包括通道的機(jī)械部分，層3a包括本體，其包括多個(gè)壓電彎曲元件，而層4a包括通道的額外部分。層5a包括另一機(jī)械外殼板。層3a還包括接口電路，例如用于與關(guān)斷模塊控制電路90通信或連接。層1a-5a的結(jié)合產(chǎn)生了外殼結(jié)構(gòu)，其包括閥體、端口和流量通道，例如其設(shè)置為實(shí)施參照?qǐng)D1-3所示及所述的功能。在圖6所示實(shí)施例中，放大器和電子控制設(shè)備可整合到一層或多層中，以通過板間連接件，為中央致動(dòng)器板層3a提供流量控制和接口。該實(shí)施例可在出口處包括基于MEMS的流量傳感器，該出口通向樣品腔體。在某些方面，緊固件和墊片6可替換為VHB沖切帶，其充當(dāng)墊片和/或緊固件。在某些方面，壓電元件利用導(dǎo)電性粘合劑結(jié)合到位?；蛘?，帶有焊絲的結(jié)構(gòu)性環(huán)氧樹脂可用于將壓電元件固定到電路板或其他元件附近的位置上。

圖7顯示了用于流量控制裝配模塊25中的壓電式致動(dòng)器示例。如圖所示，墊片材料的外模覆蓋壓電致動(dòng)器的所有表面。這種方式的二次成型方便地提供了壓電致動(dòng)器端部的受約束尺寸。在某些實(shí)施例中，尿烷材料直接澆鑄到致動(dòng)器，還彌補(bǔ)了致動(dòng)器表面的不一致性。整個(gè)致動(dòng)器上的尿烷有助于防止水進(jìn)入高壓元件。

在某些方面，不同于包含內(nèi)部金屬層的混合設(shè)計(jì)，可使用更小更廉價(jià)的全瓷設(shè)計(jì)式致動(dòng)器。現(xiàn)有致動(dòng)器包含全瓷外層并天然防水。在某些方面通過在壓電表面覆蓋、涂裝或涂覆疏水材料來實(shí)現(xiàn)防水?？捎檬杷牧系氖纠蛲?墊片材料)以及各種噴涂環(huán)氧樹脂涂層。

本文的實(shí)施例便于為流量控制提供低功耗和最低的流體壓降、小尺寸、更小的部件數(shù)量、且易于檢修閥座(該設(shè)計(jì)同時(shí)支持耐用及不耐用致動(dòng)器)。優(yōu)化各個(gè)實(shí)施例中的流量通道和孔口，以將壓降降至若干10Pa的數(shù)量級(jí)。而且，壓電致動(dòng)器本質(zhì)上是快速的，致動(dòng)器的固有頻率通常為60至120Hz。

本文所述實(shí)施例方便地提供了低功耗和自熱，這樣為在流量控制裝配模塊的通道內(nèi)流動(dòng)的流體提供了改進(jìn)的溫度控制。每種流體，例如氣體、流量，對(duì)各個(gè)設(shè)備元件的熱效應(yīng)敏感。隨著溫度變化導(dǎo)致流體流的密度變化，即使小的溫度變化也能夠引起顯著的測量誤差。因此，本文提供的實(shí)施例提供了對(duì)流率和流體轉(zhuǎn)移的加強(qiáng)控制，而不會(huì)干擾到流體溫度。

各個(gè)實(shí)施例還方便地提供了更易于接近壓電元件和閥座，例如清潔閥座、彎曲件、通道等等的污垢。

需要注意的是，盡管上述流量控制裝配模塊25的示例包括特定的控制結(jié)構(gòu)，其他流量控制結(jié)構(gòu)也在本文的范圍內(nèi)。

由此，通過引用合并本文引用的所有參照，包括出版物、專利公布文本、以及專利，其合并的程度就如單獨(dú)并具體地指明每個(gè)參照，以通過引用來合并，并且在本文中呈現(xiàn)其全部內(nèi)容。

所用術(shù)語“一”和“某一”和“該”和“至少一個(gè)”以及描述實(shí)施例的語境中類似的參照物(特別是下列權(quán)利要求的語境中)應(yīng)解釋為同時(shí)覆蓋單個(gè)和多個(gè)，除非本文另有指明或根據(jù)語境明顯矛盾。所用術(shù)語“至少一個(gè)”之后伴隨有一系列的一個(gè)或多個(gè)物品(例如“至少一個(gè)A和B”)應(yīng)解釋為從所列物品(A或B)或者兩個(gè)或多個(gè)所列物品的任意組合(A和B)中選擇一個(gè)物品，除非本文另有指明或根據(jù)語境明顯矛盾。術(shù)語“包括”、“具有”、“其包括”、以及“包含”應(yīng)理解為開放式術(shù)語(即意味著“包括，但不限于”)，除非另有注釋。本文的范圍值表述僅旨在用作單獨(dú)涉及落在該范圍內(nèi)的各個(gè)獨(dú)立值的速記法，除非本文另有指明，并且各個(gè)獨(dú)立值引入到說明書的程度就像是它是本文單獨(dú)敘述的一樣。本文所述的所有方法或程序步驟可以按任意合適的順序執(zhí)行，除非本文另有指明或根據(jù)語境明顯矛盾。本文提供的所用任意或所有示例、或示范性語句(如“例如”)僅旨在更好地說明各個(gè)實(shí)施例，而不是為各個(gè)實(shí)施例的范圍設(shè)置限制，除非另有聲明。說明書的語句不應(yīng)理解為將任一未要求保護(hù)的元件指定為各個(gè)實(shí)施例的實(shí)施關(guān)鍵。

本文描述的是示范性實(shí)施例。根據(jù)閱讀上文的描述，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，這些實(shí)施例的變體變得顯而易見。發(fā)明人預(yù)期熟練工匠可適當(dāng)采用這些變體，并且發(fā)明人旨在提供待實(shí)施的實(shí)施例，而不是本文具體描述的實(shí)施例。相應(yīng)地，根據(jù)適用法，本發(fā)明說法權(quán)利要求中所記載的主題的所有修改和等同形式均已囊括在內(nèi)。而且，上述元件其所有可行變體的任意組合已被囊括，除非本文另有指明或根據(jù)語境明顯矛盾。

盡管本發(fā)明以示例形式并且用具體實(shí)施例術(shù)語進(jìn)行描述，需要理解的是本發(fā)明不受限于所公開的實(shí)施例。相反，其目的在于覆蓋對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的各種修改和相似結(jié)構(gòu)。因此，所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)該與最廣泛理解相一致，以包括所有這些修改和相似結(jié)構(gòu)。