用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备技术

提供一种用于测量压力容器(100)内的受压气体的物理属性的传感器组件(200)。传感器组件(200)包括壳体和用于浸入压力容器(100)内的气体中的压电振荡器(202)。传感器组件(200)布置成当浸入所述气体中时，测量压力容器(100)内的气体的密度。壳体包括第一腔室和第二腔室。第一腔室与第二腔室处于流体连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器。第二腔室与压力容器的内部处于流体连通。通过提供这种组件，可直接且精确地测量诸如缸体的压力容器中的流体的真实含量(即，质量)。本发明专利技术的壳体减小了由气体缸体100内的对流产生的噪声和误差，从而使得通过根据缸体中的气体的密度的直接推导，能够精确地确定质量或质量的变化速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】提供一种用于测量压力容器(100)内的受压气体的物理属性的传感器组件(200)。传感器组件(200)包括壳体和用于浸入压力容器(100)内的气体中的压电振荡器(202)。传感器组件(200)布置成当浸入所述气体中时，测量压力容器(100)内的气体的密度。壳体包括第一腔室和第二腔室。第一腔室与第二腔室处于流体连通，并且第一腔室基本封闭所述压电振荡器。第二腔室与压力容器的内部处于流体连通。通过提供这种组件，可直接且精确地测量诸如缸体的压力容器中的流体的真实含量(即，质量)。本专利技术的壳体减小了由气体缸体100内的对流产生的噪声和误差，从而使得通过根据缸体中的气体的密度的直接推导，能够精确地确定质量或质量的变化速率。【专利说明】用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备
本专利技术涉及用于测量受压气体的缸体的真实含量的方法和设备。更特别地，本发 明涉及用于使用压电振荡器和防护壳体来精确地测量气体的缸体的真实含量或真实含量 的变化速率的方法和设备。
技术介绍
本文描述的方法和设备可应用于其中存在较高压力（例如大约10巴或更高）的 气体的系统，诸如例如，高压缸体中的气体供应或利用高压气体的制造装置。本专利技术尤其涉 及"清洁"气体，即，没有杂质或污染物（诸如水蒸气或灰尘）或者杂质或污染物较少的气 体。 压缩气体缸体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。在广泛的市场范围中使用压缩气体缸体，从一般低成本工业市场，到医疗市 场，到较高成本的应用，诸如利用高纯度有腐蚀性、有毒或自燃的特殊气体的电子制造。通 常，加压气体容器包括钢、铝或复合材料，并且能够存储经压缩、液化或溶解的气体，其中， 对于大多数气体，最高填充压力高达450巴（表压）（其中，巴（表压）是高于大气压力的压 力（单位为巴）的度量），而对于诸如氢和氦的气体，最高填充压力则高达900巴（表压）。 本专利技术尤其可应用于永久气体。永久气体是无法单独用压力液化的气体，而且例 如可在缸体中以高达450巴（表压）的压力供应。示例为氩气和氮气。但是，这不应理解 为限制性，而是可认为用语气体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。液化气体的蒸气在压缩气体缸体中存在于液体之上。在被压缩以填充到缸体中时在 压力下液化的气体不是永久气体，并且较精确地将它描述成加压的液化气体或液化气体 蒸气。作为示例，在缸体中以液体形式供应一氧化二氮，其中，在15°C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气体，因为它们被大约为环境条件的压力 或温度液化。 在许多情况下，需要监测给定缸体或压力容器的含量，以确定剩余气体量。这在诸 如保健应用的情形中特别重要。 已知在了解缸体内的气体的压力的情况下，根据气体定律来计算缸体的真实含 量。压力测量是众所周知的技术，并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。但是，虽然是目前制造的成本最低的一种压力传感器，但这 些传感器的大小往往较大，而且具有虽然可用大规模照相平版印刷法生产但仍然较复杂且 制造起来昂贵的机械结构。它们还具有一定程度的脆度，而且在使用它们之前需要进行校 准和温度补偿。 另一种常用的压力计是布尔登压力计。这种压力计包括脆弱的平坦薄壁式端部封 闭的管，管在空心端处连接到容纳待测量的流体压力的固定管上。压力增大会使管的封闭 端展现弓形。这种压力计包括精细构件，它们易于由于例如暴露于高压而受损。 使得难以精确地测量气体容器中的气体量的一个问题在于容纳在缸体内的气体 的温度-压力关系。根据气体定律，由处于恒定体积的给定量的气体施加的压力与其温度 直接成比例。因此,随着气体的温度升高，气体的压力也将增大。 因此，使用压力计（诸如布尔登压力计）所得出的压力测量值会与绝对温度成比 例的上下波动，例如从20°c的初始温度到例如在太阳照射的环境中的50°C，布尔登压力计 上指示的压力将增大10%。 额外的问题在于，为了使用压力测量值来确定缸体的含量，需要针对气体的可压 缩性，校正压力计。这由于处于高压的气体的特性与理想气体的特性不一致而变得复杂。 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 体展现压电特性，即，对它们应用电压会使固体略微压缩或伸展，反之亦然。 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)公开了一种组件，其中，使用石英晶体传感器来测量高压和中等电压电力装备中 的处于低的气体压力的SF6气体的密度。3^气体的密度测量对于设备的安全是至关重要 的。此文献描述了石英传感器技术的低压应用，其中，使用高达8巴（表压）的压力。 US 4, 644, 796公开了一种用于使用容纳在可变容积壳体（包括风箱组件）内的石 英晶体振荡器来测量流体的压力的方法和设备。壳体的内部容积由于风箱被外部流体压力 压缩/膨胀而改变。因此，壳体内的流体的密度在壳体的内部容积改变时改变。可使用石 英晶体振荡器来测量壳体内的密度。 以上组件描述了使用固态传感器，诸如石英晶体振荡器。但是，以上组件和方法都 不适合精确地测量压力容器（诸如气体缸体）中的气体的质量。 关于测量容纳在气体缸体中的气体的物理属性的额外的复杂问题在于缸体内的 气体运动。例如,如果气体缸体的顶部是冷的，则可产生强有力的对流，对流可使对气体的 物理属性测量值失真。 格拉斯霍夫数（Gr)是无量纲数，它近似浮力与作用于流体上的粘性力的比。Gr值 提供关于在特定流体中出现对流的可能性的指示-Gr值越高，就越可能出现对流。 例如在气体缸体内处于300巴（表压）压力的压力的氩气的Gr值非常大。处于 这样的高压的氩具有接近水的密度，但粘度显著更低（比水低大约五十倍）。另外，当加热 时，氩比水更易于膨胀。因此，甚至小的负温度梯度（即，在缸体的顶部较冷时）也可在气 体缸体内引起强烈的气体对流。 在使用中的多种情况下可发生沿着缸体的长度的温度梯度。例如，如果近期已经 填充好缸体，如果缸体在处于不同温度的环境之间移动，或者在从附连到缸体上的阀抽取 流的情形中，缸体的顶部可显著比缸体的整体更冷。温度梯度通常可超过10°c，而且甚至高 达30°C。目前，一体压力调整阀（VIPR)变得越来越普遍。 但是，这样的阀在使气体从存储压力膨胀时，会变得特别冷。因此，由于这些温差， 往往会在缸体中产生对流。对流以紊流的方式出现，密度和温度随机调节，使得P~l/T，压 力几乎没有变化。 大体上，一种测量缸体内的气体的物理属性的方法是将传感器置于气体缸体本身 内。这使得传感器能够监测缸体的中心处的气体属性。 但是，当使用具有VIPR的缸体从气体缸体中抽取流时，产生强烈的对流。当测量 气体属性（诸如缸体的质量含量的变化速率）时，对流会引起过大的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量气体缸体内的受压气体的物理属性的传感器组件，所述气体缸体包括气体缸体本体和限定所述气体缸体的固定内部容积的阀组件，所述传感器组件包括：壳体；用于浸入所述气体缸体内的气体中的压电振荡器；以及驱动电路，其可运行来驱动所述压电振荡器，使得所述压电振荡器以共振频率共振，所述传感器组件布置成根据所述压电振荡器在浸入所述气体中时的共振频率来确定所述气体缸体内的气体的密度，其中，在使用中，所述壳体位于所述气体缸体的固定内部容积内，并且包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述第二腔室处于流体连通，并且所述第一腔室基本封闭所述压电振荡器，而所述第二腔室则与所述气体缸体的内部处于流体连通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：NA道尼，CM卢迪克，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US