[发明专利]用于测量气体的质量流率的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量气体的质量流率的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于使用压电振荡器来测量通过限流孔的气体的质量流量的方法和设备。

背景技术

本文描述的方法和设备可应用于其中存在较高压(例如大约10巴或更高)的流体的系统，诸如例如，高压罐中的流体供应或使用高压流体的加工装置。本发明尤其涉及“清洁”气体，即，具有较少杂质或污染物(诸如水蒸气或灰尘)，或者没有杂质或污染物的气体。

本发明特别适用于永久气体。永久气体是不会单独通过压力液化的气体，而且例如，永久气体可在高达450巴(表压)(bar g)(其中，巴(表压)是大气压力之上的压力的度量)的压力下的罐中供应。示例为氩和氮。但是，这不应理解为限制性的，用语气体而是可认为是包括较广范围的气体，例如，永久气体和液化气的蒸气两者。

液化气的蒸气存在于压缩气体罐中的液体之上。在为了填充到罐中而被压缩时受压液化的气体不是永久气体，并且被更精确地描述成受压液化气，或者液化气的蒸气。作为示例，在罐中以液体的形式供应一氧化二氮，在15℃下平衡蒸气压力为44.4巴(表压)。这样的蒸气不是永久气体或真实气体，因为它们能够被环境条件周围的压力或温度液化。

压缩气体罐是设计成容纳处于高压(即，处于显著大于大气压力的压力)的气体的压力容器。压缩气体罐在广大范围的市场中使用，从低成本的一般工业市场，到医疗市场，到较高成本的应用，诸如使用高纯度的有腐蚀性、毒性或自燃特质的气体的电子制造。通常，加压气体罐包含钢、铝或复合物，并且能够存储压缩、液化或溶解气体，最大填充压力对大多数气体来说高达450巴(表压)，以及对于诸如氢和氦的气体来说高达900巴(表压)。

为了有效且可控地从气体罐或其它压力容器中分配气体，需要阀或调节器。它们两者往往结合起来形成具有集成压力调节器的阀(VIPR)。调节器能够调节气体流，使得气体以恒定的压力或用户可变的压力分配。

对于许多应用，了解来自气体罐的气体的流率是合乎需要的。这对于许多应用可为至关重要的；例如医疗应用。多种不同的质量流量仪器组件是已知的。

在许多工业应用中常用的一系列质量流量仪器是机械质量流量仪器。这样的仪器包括移动或旋转以测量质量流量的机械构件。一个这种类型是惯性流量仪器(或科里奥利(coriolis)流量仪器)，其通过流体对成形管的作用来测量流体流量。科里奥利仪器可以高精度应付广大范围的流率。但是，为了检测流率，需要复杂的系统，诸如促动、感测、电子和计算特征。

备选的机械型质量流量仪器是膜片仪器、旋转式仪器和涡轮仪器。但是，这些类型的仪器一般没那么精确，而且包括活动部件，活动部件可遭受磨损。另外，诸如旋转式仪器的仪器仅可用于测量较低的流率。

一组备选的质量流量仪器是电子流量仪器。两个主要类型是热仪器和超声仪器。热流量仪器测量通过受加热管的热传递，以测量流率。超声流量仪器测量声音在气态介质中的速度，有时对声音在管内的多个路径上的速度取平均数。但是，两种类型的电子流量仪器一般都需要大量的信号处理硬件，而且一般是高成本的项目。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种测量通过孔的气体的质量流率的方法，在该孔中会出现阻流，该方法使用与孔上游的气体接触的压电振荡器，并且包括；a)驱动压电晶体振荡器，使得压电晶体振荡器以共振频率共振；b)测量压电振荡器的共振频率；以及c)根据共振频率来确定通过所述孔的气体的质量流率。

通过提供这种方法，可使用稳定可靠且较廉价的压电晶体振荡器(例如，石英晶体振荡器)来容易地确定通过约束孔的气体的质量流率。压电晶体振荡器将以共振频率振荡，共振频率取决于振荡器浸没在其中的气体的密度。因为，在阻流条件下，在孔上游的气体的密度与通过孔的质量流率成比例，所以晶体振荡器可用来测量质量流率。

这种振荡器用作激励源(通过响应于被驱动电路驱动而振荡)和检测器(通过具有单个共振频率，其取决于振荡器位于其中的环境)。另外，晶体振荡器是稳定可靠的，因此较不受环境干扰的影响。另外，运行这种振荡器所需要的构件紧凑且成本低。

在一个实施例中，在所述孔上游的压力比所述孔下游的压力高至少0.5巴。

在一个实施例中，方法进一步包括确定孔上游的气体的温度。

在一个组件中，从位于压电晶体振荡器的上游的压力调节器或阀分配气体。

在一个组件中，响应于测量到的通过所述孔的气体的质量流率，以电子的方式控制压力调节器。

在一个实施例中，所述压电振荡器包括石英晶体振荡器。