[发明专利]用于测量受压气体缸体的真实含量的方法和设备

说明书

技术领域

本发明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。

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。本发明尤其涉及“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)。

本发明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℃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℃的初始温度到例如在太阳照射的环境中的50℃，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。SF₆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。