[发明专利]用于测量气体的压力的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量气体的压力的方法和设备。更特别地，本发明涉及用于使用压电振荡器来测量气体的压力的方法和设备。

背景技术

本文描述的方法和设备特别适用于其中可能存在处于较高压力(例如大约10巴或更高)的流体的系统，诸如例如，来自高压罐的气体供应或使用高压气体的加工装置。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。

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，加压气体容器包含钢、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)(bar g)，以及对于诸如氢和氦的气体来说高达900巴(表压)。

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所液化的气体，而且例如，永久气体可在高达450巴(表压)的压力下在气体罐中供应。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，永久气体和液化气体的蒸气两者。

液化气体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压缩时受压而液化的气体不是永久气体，而是被更精确地描述成受压液化气体，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附近的压力或温度液化。

为了有效且可控地从气体罐或其它压力容器中分配气体，需要调节器。调节器能够调节气体的流量，使得气体在恒定的压力下，或者在用户可变的压力下分配。

测量这样的系统中的压力在本领域中是众所周知的，而且存在多种用来测量压力的装置。最传统的类型使用配备有应变计元件的弹性膜片。另一个常用的压力计是波尔登(Bourdon)压力计。这种压力计包括平薄壁闭端管，管在空心端处连接到包含待测量的流体压力的固定的管道上。压力升高会使管道的闭合端形成弧。

虽然这些类型的压力计成本较低，但它们往往在大小上较大，而且具有制作起来较复杂和昂贵的机械结构。另外，这样的变应计包括易于由于环境因素(例如暴露于高压的)而受损的精细构件。

例如，如果暴露于显著地较大的压力，诸如例如200巴，则设计成在0-5巴之间的压力下可靠地运行的传统压力计将受到无法弥补的损害。如果发生这种情况，压力计将需要更换。另外，压力计可危险地失效，并且可泄漏。这是特别严重的问题，如果存在易燃或可燃气体的话。

其中这种压力计可变得意外地暴露于非常高的压力的情形被称为“蠕变”。考虑其中压力计设置在高压气体罐的高压调节器的输出上且输出关闭的布置。在这种情况下，气体罐可处于例如300巴的内部压力。当一段时间过去时，调节器的阀座上即使有少量气体泄漏也可导致调节器和封闭出口之间有压力，该压力接近，甚至可能等于气体罐的内部压力。这样的压力可损害传统压力计，使其无法修复。

作为另一个示例，考虑300巴的固定压力调节器，其具有通过高压隔离阀而连接到高压气体罐上的入口。调节器的出口连接到低压压力计上。这样的固定压力组件构造成提供恒定的出口压力，例如5巴。但是，当高压隔离阀先打开时，在调节器的膜片能够适于调节压力之前，压力将短暂地脉冲到较高的值。这个短暂高压脉冲可损害压力计。

用来测量气体的物理属性的备选类型的装置是压电装置，诸如石英晶体。石英晶体会展现压电行为，即，对石英晶体施加电压会使固体略微有挤压或拉伸，反之亦然。

《Sensors and Actuators(传感器和促动器)》80(2000)233-236中Zeisel等人的“A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF₆) - Gas Density Control(基于(SF₆)-气体密度控制的音叉技术的精确且可靠的石英传感器)”公开了一种组件，其中，使用石英晶体传感器来在高电压电力装备和中等电压电力装备中测量SF₆气体的密度。测量SF₆气体的密度对于设备的安全性是至关重要的。因此，该公开不涉及压力测量。