用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種自動(dòng)控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率的方法,在使用中,使扼流出現(xiàn)在孔中。該方法使用了位于氣體源下游的電子閥、與孔上游和電子閥下游的氣體接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器。方法包括a)以共振頻率驅(qū)動(dòng)壓電晶體振蕩器;b)測(cè)量壓電振蕩器的共振頻率;c)測(cè)量氣體的溫度;以及d)響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率和氣體的溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
【專利說(shuō)明】用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的方法和設(shè)備。更特別地,本發(fā)明涉及用于 使用壓電振蕩器來(lái)調(diào)整通過(guò)限流孔的氣體的質(zhì)量流量的方法和設(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 流體的系統(tǒng),諸如例如,高壓缸體中的流體供應(yīng)或利用高壓流體的制造裝置。本發(fā)明尤其涉 及"清潔"氣體,即,很少或沒(méi)有雜質(zhì)或污染物(諸如水蒸氣或灰塵)的氣體。
[0003] 本發(fā)明尤其可應(yīng)用于永久氣體。永久氣體是無(wú)法單獨(dú)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)(其中,巴(表壓)是高于大氣壓力的壓力的度量)的 壓力供應(yīng)。示例為氬氣和氮?dú)?。但是,這不應(yīng)理解為限制性,而是可認(rèn)為用語(yǔ)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(shí) 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?yàn)樗鼈儽淮蠹s為環(huán)境條件的壓力 或溫度液化。
[0005] 壓縮氣體缸體是設(shè)計(jì)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(chǎng)范圍中使用壓縮氣體缸體,從一般低成本工業(yè)市場(chǎng),到醫(yī)療市場(chǎng), 到較高成本的應(yīng)用,諸如利用高純度有腐蝕性、有毒或自燃特性的氣體的電子制造。通常, 加壓氣體容器包括鋼、鋁或復(fù)合材料,并且能夠存儲(chǔ)經(jīng)壓縮、液化或溶解的氣體,其中,對(duì)于 大多數(shù)氣體,最高填充壓力高達(dá)450巴(表壓),而對(duì)于諸如氫和氦的氣體,最高填充壓力則 聞達(dá)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(diào)整器。 通常將閥或調(diào)整器組合起來(lái)形成具有一體壓力調(diào)整器的閥(VIPR)。調(diào)整器能夠調(diào)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(duì)于許多應(yīng)用,合乎需要的是從氣體缸體提供恒定流率的氣體。這對(duì)于許多應(yīng)用 是至關(guān)重要的;例如醫(yī)療應(yīng)用。為精確地提供恒定流率,首先必須測(cè)量流率,然后相應(yīng)地控 制流率。
[0008] 已經(jīng)了解多種不同的質(zhì)量流量測(cè)量組件。在許多工業(yè)應(yīng)用中常用的一類質(zhì)量流量 量計(jì)是機(jī)械質(zhì)量流量量計(jì)。這樣的量計(jì)包括運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)以測(cè)量質(zhì)量流量的機(jī)械構(gòu)件。一個(gè) 這種類型是慣性流量量計(jì)(或科里奧利流量量計(jì)),其通過(guò)影響成形管上的流體來(lái)測(cè)量流 體流量??评飱W利量計(jì)可以高精確性處理大范圍的流率。但是,為了檢測(cè)流率,需要復(fù)雜的 系統(tǒng),諸如促動(dòng)特征、感測(cè)特征、電子特征和計(jì)算特征。
[0009] 備選的機(jī)械型質(zhì)量流量量計(jì)是膜片量計(jì)、旋轉(zhuǎn)量計(jì)和渦輪量計(jì)。但是,這些類型的 量計(jì)一般沒(méi)那么精確,而且包括活動(dòng)部件,活動(dòng)部件可經(jīng)受磨損。另外,量計(jì)(諸如旋轉(zhuǎn)量 計(jì))僅可用于測(cè)量較低的流率。
[0010] 一類備選的質(zhì)量流量量計(jì)是電子流量量計(jì)。兩個(gè)主要類型是熱量計(jì)和超聲量計(jì)。 熱流量量計(jì)測(cè)量通過(guò)經(jīng)加熱管的熱傳遞,以測(cè)量流率。超聲流量量計(jì)測(cè)量聲音在氣態(tài)介質(zhì) 中的速度,有時(shí)對(duì)管內(nèi)的多個(gè)路徑取聲音的平均速度。但是,這兩種類型的電子流量量計(jì)一 般都需要重要的信號(hào)處理硬件,而且它們一般是高成本物品。
[0011] 因此,已知組件遭受這樣的技術(shù)問(wèn)題:只是為了測(cè)量質(zhì)量流量就需要復(fù)雜、體積大 且昂貴的硬件,更不用說(shuō)控制質(zhì)量流量了。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供一種自動(dòng)控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率的方法,在 使用中,使扼流出現(xiàn)在孔中,該方法使用位于氣體源下游的電子閥、與孔上游和電子閥下游 的氣體接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器,方法包括;a)以共振頻率驅(qū)動(dòng)壓電晶體振蕩 器;b)測(cè)量壓電振蕩器的共振頻率;c)測(cè)量氣體的溫度;以及d)借助于反饋回路,響應(yīng)于 壓電振蕩器的共振頻率和氣體的溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流 率。
[0013] 根據(jù)實(shí)施例,提供一種自動(dòng)控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率的方法,在使用中,使扼 流出現(xiàn)在孔中,該方法使用位于氣體源下游的電子閥、與孔上游和電子閥下游的氣體接觸 的壓電振蕩器,以及溫度傳感器,方法包括:a)以共振頻率驅(qū)動(dòng)壓電晶體振蕩器;b)測(cè)量壓 電振蕩器的共振頻率;c)測(cè)量氣體的溫度;以及d)響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率和氣體的 溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施例中,步驟d)包括響應(yīng)于與壓電振蕩器的共振頻率除以氣體的溫度 的平方根的得數(shù)成比例的函數(shù),來(lái)控制電子閥。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中,步驟d)進(jìn)一步包括:e)借助于電子反饋回路來(lái)控制電子閥。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中,步驟d)進(jìn)一步包括步驟:f)存儲(chǔ)根據(jù)所述共振頻率和溫度得到 的函數(shù)的預(yù)定目標(biāo)值;以及g)控制所述電子閥,以最大程度地減小目標(biāo)值和壓電振蕩器的 測(cè)量共振頻率和測(cè)量溫度的函數(shù)之間的差。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中,電子閥包括螺線管閥。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中,方法進(jìn)一步使用與孔下游的氣體接觸的另一個(gè)壓電振蕩器;以 及其中,步驟a)進(jìn)一步包括以共振頻率驅(qū)動(dòng)另一個(gè)壓電晶體振蕩器;步驟b)進(jìn)一步包括測(cè) 量另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率;以及步驟c)進(jìn)一步包括響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率、 另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率和氣體的溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的 質(zhì)量流率。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中,步驟c)進(jìn)一步包括:d)根據(jù)壓電振蕩器的共振頻率和另一個(gè)壓 電振蕩器的共振頻率,來(lái)確定孔上游的氣體的密度和孔下游的氣體的密度。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中,步驟C)進(jìn)一步包括:e)確定孔上游的氣體的密度和孔下游的氣 體的密度的比。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供一種用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的控制器,控制器可 運(yùn)行來(lái)自動(dòng)控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率,在使用中,使扼流出現(xiàn)在孔中,控制器包括位于 氣體源下游的電子閥、與孔上游和電子閥下游的氣體接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器, 控制器可運(yùn)行來(lái):以共振頻率驅(qū)動(dòng)壓電晶體振蕩器;測(cè)量壓電振蕩器的共振頻率;測(cè)量氣 體的溫度;以及借助于電子反饋回路,響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率和氣體的溫度來(lái)控制 電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
[0022] 根據(jù)實(shí)施例,提供一種用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的控制器,控制器可運(yùn)行來(lái)自動(dòng) 控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率,在使用中,使扼流出現(xiàn)在孔中,控制器包括位于氣體源下游 的電子閥、與孔上游和電子閥下游的氣體接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器,控制器可運(yùn) 行來(lái):以共振頻率驅(qū)動(dòng)壓電晶體振蕩器;測(cè)量壓電振蕩器的共振頻率;測(cè)量氣體的溫度;以 及響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率和氣體的溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體 的質(zhì)量流率。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中,控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)響應(yīng)于與壓電振蕩器的共振頻率除以氣 體的溫度的平方根的得數(shù)成比例的函數(shù),來(lái)控制電子閥。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中,控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)借助于電子反饋回路,來(lái)控制電子閥。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施例中,控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)存儲(chǔ)根據(jù)所述共振頻率和溫度得到的函 數(shù)的預(yù)定目標(biāo)值,以及控制所述電子閥,以最大程度地減小目標(biāo)值和壓電振蕩器的測(cè)量共 振頻率和測(cè)量溫度的函數(shù)之間的差。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中,電子閥包括螺線管閥。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中,控制器進(jìn)一步包括與孔下游的氣體接觸的另一個(gè)壓電振蕩器, 并且控制器進(jìn)一步布置成以共振頻率驅(qū)動(dòng)另一個(gè)壓電晶體振蕩器;測(cè)量另一個(gè)壓電振蕩器 的共振頻率;以及響應(yīng)于壓電振蕩器的共振頻率、另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率和氣體的 溫度來(lái)控制電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中,控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)根據(jù)壓電振蕩器的共振頻率和另一個(gè)壓 電振蕩器的共振頻率來(lái)確定孔上游的氣體的密度和孔下游的氣體的密度。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施例中,氣體從位于壓電晶體振蕩器上游的壓力調(diào)整器或閥中分配。
[0030] 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)電路包括復(fù)合晶體管對(duì),其布置成與共射放大器處于反饋構(gòu)造。
[0031] 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。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中,傳感器組件包括處理器。
[0033] 在一個(gè)組件中,所述壓電晶體振蕩器包括至少兩個(gè)平叉。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施例中,所述壓電晶體振蕩器具有32kHz或更高的共振頻率。
[0035] 在一個(gè)組件中,量計(jì)進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)電路、處理器和功率源中的一個(gè)或多個(gè)。
[0036] 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。
[0037] 在實(shí)施例中,石英晶體包括至少一個(gè)叉。在變型中,石英晶體包括一對(duì)平叉。
[0038] 在實(shí)施例中,石英晶體經(jīng)AT切割或SC切割。
[0039] 在變型中,石英晶體的表面直接暴露于氣體。
[0040] 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)電路包括復(fù)合晶體管對(duì),其布置成與共射放大器處于反饋構(gòu)造。
[0041] 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。
[0042] 在一個(gè)實(shí)施例中,傳感器組件包括處理器。
[0043] 在一個(gè)組件中,驅(qū)動(dòng)電路包括布置成與共射放大器處于反饋構(gòu)造的復(fù)合晶體管 對(duì)。
[0044] 在一個(gè)組件中,量計(jì)布置在壓力調(diào)整器或閥下游。
[0045] 在一個(gè)組件中,所述壓電晶體振蕩器包括至少兩個(gè)平叉。
[0046] 在一個(gè)組件中,所述壓電晶體振蕩器具有32kHz或更高的共振頻率。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例,提供一種可由可編程處理設(shè)備執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn) 品,其包括用于執(zhí)行第一方面的步驟的一個(gè)或多個(gè)軟件部分。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例,提供一種計(jì)算機(jī)可使用的存儲(chǔ)介質(zhì),其上存儲(chǔ)有根據(jù) 第四方面的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0049] 現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例,其中: 圖1是氣體缸體和調(diào)整器組件的示意圖; 圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的調(diào)整器組件和量計(jì)組件的示意圖; 圖3針對(duì)多個(gè)不同的氣體顯示Y軸上的石英晶體頻率(kHz)隨密度(kg/m3)改變的曲 線圖; 圖4顯示Y軸上的石英晶體頻率(kHz)隨通過(guò)孔的質(zhì)量流率(單位為升/分鐘)改變 的曲線圖; 圖5針對(duì)測(cè)量值和兩個(gè)預(yù)測(cè)模型顯示流率隨密度/壓力改變的曲線圖; 圖6針對(duì)預(yù)測(cè)模型和兩種極端運(yùn)行特性顯示流率隨密度/壓力改變的曲線圖; 圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的調(diào)整器組件和控制器組件的示意圖; 圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的調(diào)整器組件和控制器組件的示意圖; 圖9是用于第一至第三實(shí)施例中的任一個(gè)的驅(qū)動(dòng)電路的示意圖; 圖10是顯示用于第一至第三實(shí)施例中的任一個(gè)的備選驅(qū)動(dòng)電路的示意圖; 圖11是顯示用于第一至第三實(shí)施例中的任一個(gè)的另一個(gè)備選驅(qū)動(dòng)電路的示意圖; 圖12是顯示用于第二或第三實(shí)施例的調(diào)整器驅(qū)動(dòng)電路的示意圖; 圖13是示出第一實(shí)施例的運(yùn)行方法的流程圖; 圖14是示出第二或第三實(shí)施例的運(yùn)行方法的流程圖; 圖15顯示不同晶體類型的頻率特性的曲線圖; 圖16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17顯示使用遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)單元的備選組件。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(fā)明的情形的示意圖。提供氣體缸體100、調(diào)整器150和量計(jì)組件200。
[0051] 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。
[0052] 氣體缸體本體102由鋼、鋁和/或復(fù)合材料形成,并且適于且布置成經(jīng)受高達(dá)大約 900巴(表壓)的內(nèi)部壓力。孔口 106位于氣體缸體本體102的與基部102a相對(duì)的近側(cè)端 處,并且包括適于接收閥104的螺紋(未顯示)。
[0053] 氣體缸體100限定具有內(nèi)部容積V的壓力器皿。任何適當(dāng)?shù)牧黧w都可容納在氣體 缸體100內(nèi)。但是,本實(shí)施例涉及(但不專門局限于)純化永久氣體,其沒(méi)有雜質(zhì),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、二氧化碳、氪、氖或它們的以永久氣體的方式工作的混合物。
[0054] 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)。在此情形中,可省略調(diào)整器150。
[0055] 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)向或調(diào)節(jié)遠(yuǎn)離閥座114, 以選擇性地打開或關(guān)閉出口 110。換句話說(shuō),閥本體112運(yùn)動(dòng)向或運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離閥座112可選擇 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。
[0056] 調(diào)整器150位于出口 110的下游。調(diào)整器150具有入口 152和出口 154。調(diào)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(diào)整器150 之間提供連通路徑。調(diào)整器150的入口 152布置成接收來(lái)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(dāng)?shù)膲毫?;但是,大體上,離開出口 110的氣體的壓力將超過(guò) 20巴,而且很可能在100-900巴的范圍中。
[0057] 出口 154連接到出口管158上。聯(lián)接件160位于出口管158的遠(yuǎn)側(cè)端處,并且適 于連接到需要?dú)怏w的另外的管或裝置上(未顯示)。
[0058] 量計(jì)組件200定位成與出口 154和聯(lián)接件160之間的出口管158處于連通。量計(jì) 組件200位于調(diào)整器150的下游不遠(yuǎn)處,并且布置成確定輸送到出口 160的氣體的質(zhì)量流 率。
[0059] 在圖2中更詳細(xì)地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的調(diào)整器150和量計(jì)組件200。
[0060] 在這個(gè)實(shí)施例中,調(diào)整器150包括單個(gè)膜片調(diào)整器。但是,本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易 地意識(shí)到可用于本發(fā)明的變型;例如,雙膜片調(diào)整器或其它組件。
[0061] 調(diào)整器150包括與入口 152和出口 154處于連通的閥區(qū)域162。閥區(qū)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(gòu)造成使得提升 閥164能夠朝向和遠(yuǎn)離閥座166進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng),以分別關(guān)閉和打開它們之間的孔口 170。
[0062] 膜片168由于圍繞軸174定位的彈簧172而彈性地偏壓。
[0063] 調(diào)整器150可運(yùn)行來(lái)接收來(lái)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(jī)構(gòu)實(shí) 現(xiàn),由此,在孔口 170下游的氣體的壓力可運(yùn)行來(lái)對(duì)膜片168起作用,以抵抗彈簧172的偏 壓力。
[0064] 如果在膜片168附近的區(qū)域中的氣體的壓力超過(guò)規(guī)定水平,則膜片168可運(yùn)行來(lái) 向上運(yùn)動(dòng)(相對(duì)于圖2)。因此,提升閥164運(yùn)動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)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。
[0065] 提供可抓持的把手176,以使得用戶能夠調(diào)節(jié)彈簧172的偏壓力,從而使膜片168 的位置移動(dòng),并且因此,調(diào)節(jié)提升閥164和閥座166之間的平衡間隔。這使得能夠調(diào)節(jié)來(lái)自 出口 110的高壓氣體流可穿過(guò)的孔口 170的尺寸。
[0066] 量計(jì)組件200包括本體202、第一傳感器組件204和第二傳感器組件206。本體202 可包含任何適當(dāng)?shù)牟牧?;例如鋼、鋁或復(fù)合材料。本體202包括導(dǎo)管208、第一殼體210和 第二殼體212。導(dǎo)管208與出口管158的內(nèi)部處于連通,并且布置成連接到出口管158上。 導(dǎo)管208在出口 154和聯(lián)接件160 (并且同時(shí),連接到聯(lián)接件160上的用戶裝置或應(yīng)用)之 間提供連通通路。
[0067] 孔板214位于導(dǎo)管208的內(nèi)部?jī)?nèi)??装?14包括界定限流孔216的壁。孔板214 在導(dǎo)管208內(nèi)形成限流器???16具有橫截面積A,橫截面積A比導(dǎo)管406的橫截面積更 小,使得通過(guò)孔216的流速處于扼流狀況,如將在后面描述的那樣。
[0068] 雖然孔板214在圖2中顯示為薄壁板,但不是必須如此。孔板214可采取任何適 當(dāng)?shù)谋谛问?,并且可具有漸縮輪廓,或者可比顯示的具有更大的厚度。備選地,可使用任何 適當(dāng)?shù)南蘖髌鞔婵装?14。例如,限流器可包括直徑比其余部分更窄的管部分。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將容易地意識(shí)到可用來(lái)提供限流孔216 (在使用中,通過(guò)它而出現(xiàn)扼流)的備選限流 器。
[0069] 在本實(shí)施例中,導(dǎo)管208具有大約幾厘米的長(zhǎng)度??装?14界定直徑范圍為 0. 的孔216。這足以提供扼流條件,以及對(duì)于諸如氮或氦的氣體,將介于11至40 升/分鐘之間的流率的氣體供應(yīng)通過(guò)孔216。對(duì)于具有較低分子量的氣體,孔216的直徑可 縮小,以實(shí)現(xiàn)相似的流率。備選地,對(duì)于較大的流率,孔216可相應(yīng)地?cái)U(kuò)大,只要上游壓力充 分地高于下游壓力,以通過(guò)孔216產(chǎn)生扼流條件。
[0070] 孔板214將導(dǎo)管208的內(nèi)部分成在孔板214上游的上游區(qū)段218,以及在孔板214 下游的下游區(qū)段220。在使用中,當(dāng)氣體從調(diào)整器150的出口 154流到導(dǎo)管208的上游部 分214中時(shí),孔板214將用作限流器,從而在導(dǎo)管208的上游部分218和下游部分220之間 產(chǎn)生壓差。因此,導(dǎo)管208的上游部分218處于第一壓力Pi和密度P i,而導(dǎo)管的下游部分 220則處于第二(并且在使用中,必須較低的)壓力P2和密度P2。這將在后面詳細(xì)描述。
[0071] 第一殼體210位于導(dǎo)管208的上游部分214附近,并且布置成容納第一傳感器組 件204的至少一部分。第一殼體210的內(nèi)部可處于大氣壓力,或者可與導(dǎo)管208的內(nèi)部處 于連通,并且因此,與出口管158的內(nèi)部處于相同的壓力。這將消除在殼體210和導(dǎo)管208 的內(nèi)部之間進(jìn)行壓力饋送的需要。
[0072] 備選地,可提供第一殼體210作為導(dǎo)管208的一部分。例如,導(dǎo)管208的一部分可 加寬,以容納傳感器組件204。
[0073] 第二殼體212位于導(dǎo)管208的下游部分214附近,并且布置成容納第二傳感器組 件206的至少一部分。第二殼體212的內(nèi)部可處于大氣壓力,或者可與導(dǎo)管208的內(nèi)部處于 連通,并且因此,與出口管下游部分160的內(nèi)部處于相同的壓力。這將消除在第二殼體212 和導(dǎo)管208的內(nèi)部之間進(jìn)行壓力饋送的需要。
[0074] 備選地,與第一殼體210相同,可省略第二殼體212,并且第二傳感器組件206位于 導(dǎo)管208或聯(lián)接件160的一部分中。例如,導(dǎo)管208的下游部分可加寬,以容納傳感器組件 206。
[0075] 這些組件是可實(shí)行的,因?yàn)榘l(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn),第一傳感器組件204和第二傳感器 組件206的僅少數(shù)構(gòu)件對(duì)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),鋰電池在可能在導(dǎo)管208的上游部分218和下游部分220中遇到的高壓下 運(yùn)行特別好。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。
[0076] 當(dāng)構(gòu)造量計(jì)組件200時(shí),第一傳感器組件204和/或第二傳感器組件206可能完 全位于導(dǎo)管208內(nèi)會(huì)提供額外的靈活性。特別地,在不需要諸如殼體210的突起的情況下, 較脆弱的電子構(gòu)件完全位于本體202的金屬壁或復(fù)合材料壁內(nèi)會(huì)在很大程度上保護(hù)其免 受環(huán)境或意外損傷的影響。這在例如其中氣體缸體可位于其它氣體缸體、重型機(jī)器或粗糙 表面附近的存儲(chǔ)區(qū)域或倉(cāng)庫(kù)中是特別重要的。傳感器組件204、206的大小較小使得能夠容 易地實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定位。
[0077] 另外,第一傳感器組件204和/或第二傳感器組件206的內(nèi)部定位保護(hù)這些構(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(duì)鹽和水損傷高度敏感的高 阻抗電路用作第一傳感器組件204和/或第二傳感器組件206的一部分。
[0078] 量計(jì)組件200布置成測(cè)量傳送通過(guò)孔216的氣體的質(zhì)量流率。這使用第一傳感器 組件204和第二傳感器組件206測(cè)量,如下面描述的那樣。
[0079] 可在特定條件下僅使用第一傳感器組件204來(lái)精確地確定通過(guò)孔216的氣體的質(zhì) 量流率。這種確定的精度取決于通過(guò)孔216的扼流條件的存在,如將在下面描述的那樣。 對(duì)于也許如上面描述的那樣使用孔216的結(jié)構(gòu)參數(shù)的許多應(yīng)用,在大多數(shù)運(yùn)行條件下是這 樣。但是,在較低的流率下,這個(gè)條件可能無(wú)法滿足,并且由第一傳感器組件204確定的質(zhì) 量流率可能沒(méi)有那么精確。
[0080] 為了提高質(zhì)量流量確定的精度,或者指示質(zhì)量流量確定的有效性,提供第二傳感 器組件206。第二傳感器組件206可運(yùn)行來(lái)確定下游密度,以提高質(zhì)量流量確定的精度,以 及另外或備選地,確定扼流條件是否得到滿足。因此,第二傳感器組件206可運(yùn)行來(lái)與第一 傳感器組件204共同確認(rèn)由量計(jì)組件200確定的質(zhì)量流率是精確的。
[0081] 第一傳感器組件204包括連接到驅(qū)動(dòng)電路224上的石英晶體振蕩器222、溫度傳感 器226和電池228。
[0082] 在這個(gè)實(shí)施例中,石英晶體振蕩器222和溫度傳感器226定位成與導(dǎo)管208的上 游部分218的內(nèi)部處于連通,而傳感器組件204的其余構(gòu)件則位于殼體210內(nèi)。換句話說(shuō), 石英晶體振蕩器222浸入孔板214上游的氣體中。還可單獨(dú)提供微處理器238,或者提供微 處理器238作為驅(qū)動(dòng)電路224的一部分。
[0083] 第二傳感器組件206基本類似于第一傳感器組件204,但在這種情況下,不需要溫 度傳感器。第二傳感器組件206包括石英晶體振蕩器230、驅(qū)動(dòng)電路232和電池234。第二 傳感器組件206連接到微處理器238上。
[0084] 這個(gè)實(shí)施例,石英晶體振蕩器230定位成與導(dǎo)管208的下游部分220的內(nèi)部處于 連通,而傳感器組件206的其余構(gòu)件則位于殼體212內(nèi)。換句話說(shuō),石英晶體振蕩器230浸 入孔板214下游的氣體中。
[0085] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識(shí)到上面描述的組件的變型。例如,第二傳感器組件 206可簡(jiǎn)單地包括連接到第一傳感器組件204的驅(qū)動(dòng)電路224上的石英晶體振蕩器。換句 話說(shuō),第一傳感器組件204和第二傳感器組件206可共用公共驅(qū)動(dòng)電路和/或電池和/或 微處理器。
[0086] 將參照?qǐng)D6和7在后面詳細(xì)地描述驅(qū)動(dòng)電路224、232和石英晶體振蕩器222、230。 溫度傳感器226包括熱敏電阻??墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)臒崦綦娮琛崦綦娮璨恍枰呔?。?如,0. 5°C的精度適合這個(gè)實(shí)施例。因此,可使用廉價(jià)且小的構(gòu)件。
[0087] 在此組件中,石英晶體振蕩器222、230在導(dǎo)管208內(nèi)始終處于等靜壓力,因此,不 會(huì)經(jīng)歷壓力梯度。換句話說(shuō),在本體202上表現(xiàn)出源自外部大氣和量計(jì)組件200的本體202 的內(nèi)部之間的壓差的任何機(jī)械應(yīng)力。
[0088] 現(xiàn)在將參照?qǐng)D3和4來(lái)描述傳感器組件204的理論和運(yùn)行。
[0089] 石英晶體振蕩器222、230各自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(huì)使得晶體的共振頻率轉(zhuǎn)移和衰減(當(dāng)與晶體在真 空中的共振頻率相比時(shí))。這有許多原因。雖然氣體對(duì)晶體的振蕩有衰減作用,但在相應(yīng)的 音叉晶體振蕩器222、230的振動(dòng)的叉222a、230a(如圖7中顯示的那樣)附近的氣體會(huì)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(yùn)動(dòng)而降 低: 1)
【權(quán)利要求】
1. 一種自動(dòng)控制通過(guò)孔的氣體的質(zhì)量流率的方法,在使用中,使扼流出現(xiàn)在所述孔 中,所述方法使用了位于氣體源下游的電子閥、與所述孔上游和所述電子閥下游的氣體的 接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器,所述方法包括; a) 以共振頻率驅(qū)動(dòng)所述壓電晶體振蕩器; b) 測(cè)量所述壓電振蕩器的共振頻率; c) 測(cè)量所述氣體的溫度;以及 d) 借助于電子反饋回路,響應(yīng)于所述壓電振蕩器的共振頻率和所述氣體的溫度來(lái)控制 所述電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,步驟d)包括響應(yīng)于與所述壓電振蕩器的 共振頻率除以所述氣體的絕對(duì)溫度的平方根的得數(shù)成比例的函數(shù),來(lái)控制所述電子閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,步驟d)進(jìn)一步包括以下步驟: e) 存儲(chǔ)根據(jù)所述共振頻率和溫度得到的函數(shù)的預(yù)定目標(biāo)值; f) 控制所述電子閥,以最大程度地減小所述目標(biāo)值和所述壓電振蕩器的測(cè)量共振頻率 和測(cè)量溫度的函數(shù)之間的差。
4. 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,所述電子閥包括螺線管 閥。
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,所述方法進(jìn)一步使用與所 述孔下游的氣體接觸的另一個(gè)壓電振蕩器;以及其中,步驟a)進(jìn)一步包括以共振頻率驅(qū)動(dòng) 所述另一個(gè)壓電晶體振蕩器;步驟b)進(jìn)一步包括測(cè)量所述另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率; 以及步驟c)進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述壓電振蕩器的共振頻率、所述另一個(gè)壓電振蕩器的共 振頻率和所述氣體的溫度來(lái)控制所述電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,步驟c)進(jìn)一步包括: g) 根據(jù)所述壓電振蕩器的共振頻率和所述另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率來(lái)確定所述 孔上游的氣體的密度和所述孔下游的氣體的密度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,步驟c)進(jìn)一步包括: h) 確定所述孔上游的氣體的密度和所述孔下游的氣體的密度的比。
8. -種用于調(diào)整氣體的質(zhì)量流率的控制器,所述控制器可運(yùn)行來(lái)自動(dòng)地控制通過(guò)孔 的氣體的質(zhì)量流率,在使用中,使扼流出現(xiàn)在所述孔中,所述控制器包括位于氣體源下游的 電子閥、與所述孔上游和所述電子閥下游的氣體接觸的壓電振蕩器,以及溫度傳感器,所 述控制器可運(yùn)行來(lái):以共振頻率驅(qū)動(dòng)所述壓電晶體振蕩器;測(cè)量所述壓電振蕩器的共振頻 率;測(cè)量所述氣體的溫度;以及借助于電子反饋回路,響應(yīng)于所述壓電振蕩器的共振頻率 和所述氣體的溫度來(lái)控制所述電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制器,其特征在于,所述控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)響應(yīng)于與 所述壓電振蕩器的共振頻率除以所述氣體的絕對(duì)溫度的平方根的得數(shù)成比例的函數(shù),來(lái)控 制所述電子閥。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的控制器,其特征在于,所述控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)存儲(chǔ) 根據(jù)所述共振頻率和溫度得到的函數(shù)的預(yù)定目標(biāo)值,以及控制所述電子閥,以最大程度地 減小所述目標(biāo)值和所述壓電振蕩器的測(cè)量共振頻率和測(cè)量溫度的函數(shù)之間的差。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中的任一項(xiàng)所述的控制器,其特征在于,所述電子閥包括螺 線管閥。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8至11中的任一項(xiàng)所述的控制器,其特征在于,所述控制器進(jìn)一步 包括與所述孔下游的氣體接觸的另一個(gè)壓電振蕩器,并且所述控制器進(jìn)一步布置成以共振 頻率驅(qū)動(dòng)所述另一個(gè)壓電晶體振蕩器;測(cè)量所述另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率;以及響應(yīng) 于所述壓電振蕩器的共振頻率、所述另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率和所述氣體的溫度來(lái)控 制所述電子閥,以便調(diào)整通過(guò)所述孔的氣體的質(zhì)量流率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器,其特征在于,所述控制器進(jìn)一步可運(yùn)行來(lái)根據(jù)所 述壓電振蕩器的共振頻率和所述另一個(gè)壓電振蕩器的共振頻率,來(lái)確定所述孔上游的氣體 的密度和所述孔下游的氣體的密度。
14. 一種可由可編程的處理設(shè)備執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品,其包括用于執(zhí)行權(quán)利要求1 至7中的任一項(xiàng)所述的步驟的一個(gè)或多個(gè)軟件部分。
15. -種計(jì)算機(jī)可用的存儲(chǔ)介質(zhì),其上存儲(chǔ)有根據(jù)權(quán)利要求14的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【文檔編號(hào)】G01F1/78GK104303025SQ201380026639
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)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 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司