(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスシリンダーの固定内部容積を定めるガスシリンダー本体およびバルブ設備を含む前記ガスシリンダー内における圧力下のガスの物理的特性を測定するためのセンサーアセンブリーであって、前記センサーアセンブリーは、筐体、前記ガスシリンダー内の前記ガス中に浸漬させるための圧電発振器、および前記圧電発振器が共振周波数で共振するように前記圧電発振器を駆動するように作動可能である駆動回路を含み、前記センサーアセンブリーは、前記ガス中に浸漬された際の前記圧電発振器の前記共振周波数から、前記ガスシリンダー内の前記ガスの密度を特定するように構成されており、ここで、使用時、前記筐体は、前記ガスシリンダーの前記固定内部容積内に配置され、第一のチャンバーおよび第二のチャンバーを含み、前記第一のチャンバーは、前記第二のチャンバーと流体連結され、前記圧電発振器を実質的に封入しており、前記第二のチャンバーは、前記ガスシリンダーの内部と流体連結されている、センサーアセンブリー。
【請求項２】
前記センサーアセンブリーが、前記密度測定および前記ガスシリンダーの前記内部容積から、前記ガスシリンダー内の前記ガスの質量を特定するように構成されるプロセッサーをさらに含む、請求項１に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項３】
前記プロセッサーが、前記ガスシリンダー内の前記ガスの前記質量の測定を別々の時間間隔で繰り返し行って複数の測定値を取り、前記複数の測定値から、前記別々の時間間隔の過程での前記ガスシリンダーへの／からのガスの質量流量を特定するようにさらに構成された、請求項２に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項４】
前記プロセッサーが、秒のオーダーとして前記別々の時間間隔を定めるように構成された、請求項３に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項５】
前記プロセッサーが、前記測定値に数値フィルタリングを適用するように構成された、請求項３または４に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項６】
前記第一のチャンバーが、前記第一および第二のチャンバーの間の流体連結を可能とする第一の開口部を含む壁部を有し、前記第二のチャンバーが、前記第二のチャンバーと前記ガスシリンダーの前記内部容積との間の流体連結を可能とする第二の開口部を含む壁部を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項７】
前記第一および／または第二の開口部が０．３５ｍｍ以下の寸法を有する、請求項６に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項８】
前記第一および／または第二の開口部が０．２２ｍｍ以下の寸法を有する、請求項７に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項９】
前記筐体が実質的に円柱形状である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項１０】
前記筐体が２３０ｍｍ以下の長さを有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項１１】
前記筐体が８０ｍｍ以下の長さを有する、請求項１０に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項１２】
前記圧電発振器が石英水晶発振器を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサーアセンブリー。
【請求項１３】
圧力下のガスを収容するためのガスシリンダーであって、前記ガスシリンダーは、
固定内部容積を定めるガスシリンダー本体、
前記ガスシリンダー本体に接続され、前記ガスシリンダーへのガスの充填、または前記ガスシリンダーからのガスの分配を選択的に可能とするように構成されたバルブ設備、ならびに
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のセンサーアセンブリー
を含む、ガスシリンダー。
【請求項１４】
前記センサーアセンブリーが、前記ガスシリンダーの前記固定内部容積内に完全に配置された、請求項１３に記載のガスシリンダー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力下のガスのシリンダーの真の含有量を測定するための方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、圧電発振器および遮蔽筐体を用いて、ガスのシリンダーの真の含有量、または真の含有量の変化率を正確に測定するための方法および装置に関する。
【０００２】
本明細書で述べる方法および装置は、比較的高圧（例：約１０バールもしくはそれ以上）のガスが存在する系に適用することができ、例えば、高圧シリンダーでの流体の供給、または高圧流体を用いる製造プラントなどである。本発明は、特に、「清浄な」ガス、すなわち、水蒸気もしくはダストなどの不純物または汚染物をほとんどまたはまったく含まないガスに関する。
【背景技術】
【０００３】
圧縮ガスシリンダーは、高圧、すなわち、大気圧よりも非常に高い圧力のガスを収容するように設計された圧力容器である。圧縮ガスシリンダーは、低コストの一般的工業分野の市場から、医療分野の市場、さらには高純度の腐食性、毒性、または発火性特殊ガスを用いる電子製造分野などのより高コストの用途まで、幅広い範囲の市場で用いられる。一般的に、圧縮ガス容器は、鋼鉄、アルミニウム、またはコンポジットを含み、ほとんどのガスについては４５０バールｇ（ここで、バールｇは、大気圧を超える圧力（バール単位）の尺度である）までの、水素およびヘリウムなどのガスについては９００バールｇまでの最大充填圧力で、圧縮、液化、または溶解ガスを保存することができる。
【０００４】
本発明は、特に、永久ガスに適用可能である。永久ガスとは、圧力単独によっては液化することのできないガスであり、例えば、最大４５０バールｇまでの圧力で、シリンダーとして供給され得る。例としては、アルゴンおよび窒素である。しかし、これは限定的に解釈されるべきではなく、ガスの用語は、永久ガスおよび液化ガスの蒸気の両方を例とするより広範囲のガスを包含するものとして見なされ得る。液化ガスの蒸気は、圧縮ガスシリンダー中の液体上に存在する。シリンダー中に充填するために圧縮されるに従って圧力下で液化するガスは、永久ガスではなく、圧力下での液化ガスまたは液化ガスの蒸気としての記述がより正確である。例として、亜酸化窒素は、液体の形態でシリンダーとして供給され、平衡蒸気圧は１５℃で４４．４バールｇである。そのような蒸気は、それらが周囲条件付近の圧力または温度によって液化可能であることから、永久ガスまたは真のガス（true gases）ではない。
【０００５】
多くの場合、任意のシリンダーまたは圧力容器の含有量をモニタリングして残留するガスの量を特定することが必要である。これは、医療での適用などの状況で特に極めて重要である。
【０００６】
気体法則に従って、シリンダー内のガスの圧力の情報から、シリンダーの真の含有量を算出することは知られている。圧力測定は、公知の技術であり、圧力を測定するように機能する様々なデバイスが存在する。最も従来からのタイプは、歪ゲージ素子を備えた弾性ダイアフラムを用いる。しかし、現在作製される最も低コストの圧力センサーの１つではあるが、これらのセンサーは、サイズが比較的大きく、大量生産フォトリソグラフィ法で製造可能ではあるが、それでも比較的複雑で作製コストが高い機械的構造を有する傾向にある。それらはまた、ある程度の脆弱性を有し、ならびにそれらが使用可能となる前に、較正および温度補償が必要である。
【０００７】
別の一般的に用いられる圧力ゲージは、ブルドンゲージである。そのようなゲージは、測定されるべき流体圧力を含む固定管にその中空末端で接続された脆弱な扁平薄肉末端封止管（fragile flattened thin-wall, closed-ended tube）を有する。圧力の上昇により、管の封止末端が弧を描く。そのようなゲージは、例えば高圧への暴露からの損傷を受けやすい繊細なコンポーネントを含む。
【０００８】
ガス容器中のガスの量を正確に測定することを困難とする１つの問題は、シリンダー内に収容されたガスの温度−圧力の関係である。気体法則によると、任意の量のガスによって及ぼされる圧力は、一定体積下にて、その温度に正比例する。従って、ガスの温度が上昇するに従って、ガスの圧力も上昇する。
【０００９】
従って、ブルドンゲージなどの圧力ゲージを用いた圧力の測定は、例えば、２０℃の初期温度から、例えば日照環境中の５０℃まで、絶対温度に比例して上下し、ブルドンゲージの指示圧力は１０％高くなってしまう。
【００１０】
さらなる課題としては、圧力測定を用いてシリンダーの含有量を特定するためには、圧力ゲージを、ガスの圧縮性に応じて補正する必要がある。これは、理想気体の挙動に追随しない高圧のガスの挙動により、複雑である。
【００１１】
ガスの物理的特性を測定するために用いられる別の選択肢としてのデバイスの種類は、石英水晶などの圧電デバイスである。石英水晶は、圧電挙動を示し、すなわち、それに電圧を印加することで、固体の僅かな収縮または伸長が引き起こされ、逆も同様である。
【００１２】
"A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6) - Gas Density Control" Zeisel et al, Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236には、低ガス圧力での高および中電圧電気機器中のＳＦ6ガスの密度測定に石英水晶センサーを用いる設備が開示されている。ＳＦ6ガスの密度の測定は、装置の安全性にとって極めて重要である。この文書は、最大８バールｇまでの圧力が用いられる石英センサー技術の低圧力での適用について記載している。
【００１３】
米国特許第４，６４４，７９６号には、ベローズ設備（bellows arrangement）を含む可変容積筐体内に収容された石英水晶発振器を用いて流体の圧力を測定するための方法および装置が開示されている。筐体の内部容積は、外部流体圧力によるベローズの圧縮／膨張によって変化する。従って、筐体の内部容積の変化に応じて、筐体内の流体の密度も変化する。筐体内の密度は、石英水晶発振器を用いて測定することができる。
【００１４】
上記の設備は、石英水晶発振器などのソリッドステートセンサーの使用について述べるものである。しかし、上記設備および方法のいずれも、ガスシリンダーなどの圧力容器中のガスの質量の正確な測定には適していない。
【００１５】
ガスシリンダー中に収容されたガスの物理的特性の測定に関するさらなる問題は、シリンダー内でのガスの動きである。例えば、ガスシリンダーの上部が冷たい場合、ガスの物理的特性の測定を乱し得る激しい対流が発生する場合がある。
【００１６】
グラスホフ数（Ｇｒ）は、流体に作用する粘性力に対する浮力の比を近似する無次元数である。Ｇｒの値は、特定の流体における対流の発生しやすさの指標を提供し、Ｇｒの値が高い程、対流が発生する可能性が高くなる。
【００１７】
例えば、ガスシリンダー内の圧力３００バールｇのアルゴンガスのＧｒ値は、非常に大きい。そのような高い圧力のアルゴンは、水の密度に近い密度を有するが、粘度は水よりも非常に低い（水よりもおよそ５０倍低い）。加えて、アルゴンは、加熱された場合に膨張する傾向が、水よりも非常に大きい。その結果として、小さい負の温度勾配であっても（すなわち、シリンダーの上部の方が冷たい）、ガスシリンダー内でのガスの強い対流を引き起こし得る。
【００１８】
シリンダーの長さ方向に沿った温度勾配は、使用時のいくつかの状況で発生し得る。例えば、シリンダーが充填されたばかりである場合、温度の異なる環境間を移動される場合、またはシリンダーに取り付けられたバルブから流量が抜き取られる状況において、シリンダーの上部は、シリンダー全体よりも非常に冷たくなり得る。温度勾配は、多くの場合、１０℃を超え得るものであり、３０℃の大きさもあり得る。現時点では、圧力低下装置内蔵バルブ（integrated pressure reduction valve）（ＶＩＰＲ）が、次第に一般的となりつつある。
【００１９】
しかし、そのようなバルブは、ガスを保存圧力から膨張させるために、特に冷たくなる。従って、このような温度差の結果として、シリンダー中で対流が発生することが多い。対流は、乱流の形で発生し、ρ〜１／Ｔとなるような密度および温度のランダムな変化に対して、圧力はほとんど変化しない。
【００２０】
一般的に、シリンダー内のガスの物理的特性を測定するための１つの手法は、ガスシリンダー自体の内部にセンサーを配置することである。これにより、センサーは、シリンダーの中央部でガスの特定をモニタリングすることが可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかし、ＶＩＰＲを有するシリンダーを用いてガスシリンダーから流量が抜き取られる場合、強い対流が発生する。対流は、シリンダーの質量含有量の変化率などのガス特性を測定する際に過剰なノイズを引き起こし、測定結果を不正確に、または無意味とさえしてしまう。従って、公知の測定設備は、対流を起こしやすいガスシリンダーなどの密閉容器中のガスの物理的特性の正確な測定を提供することができないという技術的問題点を抱えている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の第一の態様によると、ガスシリンダーの固定内部容積を定めるガスシリンダー本体およびバルブ設備を含むガスシリンダー内における圧力下のガスの物理的特性を測定するためのセンサーアセンブリーが提供され、センサーアセンブリーは、筐体、ガスシリンダー内のガス中に浸漬させるための圧電発振器、および圧電発振器が共振周波数で共振するように圧電発振器を駆動するように作動可能である駆動回路を含み、センサーアセンブリーは、前記ガス中に浸漬された際の圧電発振器の共振周波数から、ガスシリンダー内のガスの密度を特定するように構成されており、ここで、使用時、筐体は、ガスシリンダーの固定内部容積内に配置され、第一のチャンバーおよび第二のチャンバーを含み、第一のチャンバーは、第二のチャンバーと流体連結され、前記圧電発振器を実質的に封入しており、第二のチャンバーは、ガスシリンダーの内部と流体連結されている。
【００２３】
本発明の設備は、センサーアセンブリーに関する。センサーアセンブリーは、筐体内に封入された圧電発振器を含む。筐体は、少なくとも２つのチャンバーを含む独立型構造であり、ガスシリンダーなどの圧力容器内に配置されるように構成される。これにより、圧力容器内でのセンサーアセンブリーの最適な配置が可能となり、ここで、それは、例えば、温度の変動または境界層流が例えば密度測定に影響を与え得る容器の壁部から離れて配置することができる。
【００２４】
実施形態によると、圧力容器内における圧力下のガスの物理的特性を測定するためのセンサーアセンブリーが提供され、センサーアセンブリーは、筐体、および圧力容器内のガス中に浸漬させるための圧電発振器を含み、圧電発振器は、前記ガス中に浸漬された際に、圧力容器内のガスの密度を測定するように構成され、ここで、筐体は、第一のチャンバーおよび第二のチャンバーを含み、第一のチャンバーは、第二のチャンバーと流体連結され、前記圧電発振器を実質的に封入しており、第二のチャンバーは、圧力容器の内部と流体連結されている。
【００２５】
そのような設備を提供することにより、シリンダーなどの圧力容器中の流体の真の含有量（すなわち、質量）を、温度または圧縮性などの因子についての補正を行う必要性なしに、直接測定することができる。本発明の筐体は、ガスシリンダー内の対流によって引き起こされるノイズおよび誤差を軽減し、それによって、シリンダー中のガスの密度からの直接誘導を介して、質量または質量の変化率を正確に特定することが可能となる。
【００２６】
さらに、圧電発振器は、高圧または圧力の急変に対する耐久性を有するソリッドステートデバイスであり、従って、圧力「クリープ」またはその他の環境因子によって損傷を受ける可能性が低減される。圧電発振器の構造により、圧電発振器をガス中に完全に浸漬させることが可能となり、これは、機能するために圧力差を必要とする従来のゲージ（ブルドンゲージなど）とは対照的である。
【００２７】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧電発振器が共振周波数で共振するように圧電発振器を駆動するように作動可能であり、および予め定めた継続時間にわたって前記共振周波数を測定して前記圧力容器中のガスの密度を特定するように作動可能である駆動回路をさらに含む。
【００２８】
１つの実施形態では、圧力容器は、固定内部容積を有し、センサーアセンブリーは、密度測定および前記圧力容器の内部容積から、圧力容器内のガスの質量を特定するようにさらに構成される。
【００２９】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧力容器内のガスの質量測定を別々の時間間隔で繰り返し行って複数の測定値を取り、前記複数の測定値から、別々の時間間隔の過程での圧力容器への／からのガスの質量流量を特定するようにさらに構成される。
【００３０】
１つの実施形態では、別々の時間間隔は、秒のオーダーである。
【００３１】
１つの実施形態では、前記測定値に対して、数値フィルタリングが適用される。
【００３２】
１つの実施形態では、第一のチャンバーは、第一および第二のチャンバーの間の流体連結を可能とする第一の開口部を含む壁部を有し、第二のチャンバーは、第二のチャンバーと圧力容器の内部容積との間の流体連結を可能とする第二の開口部を含む壁部を有する。
【００３３】
１つの実施形態では、第一および／または第二の開口部は、０．３５ｍｍ以下の寸法を有する。
【００３４】
１つの実施形態では、第一および／または第二の開口部は、０．２２ｍｍ以下の寸法を有する。
【００３５】
１つの実施形態では、筐体は、実質的に円柱形状である。
【００３６】
１つの実施形態では、筐体は、２３０ｍｍ以下の長さを有する。
【００３７】
１つの実施形態では、筐体は、８０ｍｍ以下の長さを有する。
【００３８】
１つの実施形態では、前記圧電発振器は、石英水晶発振器を含む。
【００３９】
本発明の第二の態様によると、圧力下のガスを収容するためのガスシリンダーが提供され、ガスシリンダーは：固定内部容積を定めるガスシリンダー本体；前記ガスシリンダー本体に接続され、ガスシリンダーへのガスの充填、または前記ガスシリンダーからのガスの分配を選択的に可能とするように構成されるバルブ設備；ならびに第一の態様のセンサーアセンブリーを含む。
【００４０】
実施形態によると、圧力下のガスを収容するための圧力容器が提供され、圧力容器は、固定内部容積を有し：固定内部容積を定める圧力容器本体；前記容器本体に接続され、圧力容器へのガスの充填、または前記容器からのガスの分配を選択的に可能とするように構成されるバルブ設備；ならびに第一の態様のセンサーアセンブリーを含む。
【００４１】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧力容器の固定内部容積内に完全に配置される。
【００４２】
１つの実施形態では、圧力容器は、ガスシリンダーの形態である。
【００４３】
本発明の第三の態様によると、圧電発振器および筐体を含むセンサーアセンブリーを用いて圧力下のガスの質量を測定する方法が提供され、前記ガスは、固定内部容積を有する圧力容器内に収容されており、圧電発振器は、圧力容器内のガス中に浸漬されており、筐体は、第一のチャンバーおよび第二のチャンバーを含み、第一のチャンバーは、第二のチャンバーと流体連結され、前記圧電発振器を実質的に封入しており、ならびに第二のチャンバーは、圧力容器の内部と流体連結されており、この方法は：ａ）前記圧電発振器を用いて、高圧容器内のガスの密度を測定すること；ｂ）密度測定および前記圧力容器の内部容積から、圧力容器内のガスの質量を特定すること、を含む。
【００４４】
そのような方法を提供することにより、シリンダーなどの圧力容器中のガス（永久ガスなど）の真の含有量（すなわち、質量）を、温度または圧縮性などの因子についての補償を行う必要性なしに、直接測定することができる。これにより、シリンダー中のガスの密度からの直接誘導を介して質量を特定することが可能となり、追加のセンサー、または複雑な補償および近似を行う必要性が低減される。さらに、圧電発振器は、高圧、圧力の急変、またはその他の環境因子に対する耐久性を有するソリッドステートデバイスである。圧電発振器は、ガス中に完全に浸漬されて作動可能であり、これは、機能するために圧力差を必要とする従来のゲージ（ブルドンゲージなど）とは対照的である。
【００４５】
１つの実施形態では、工程ａ）は：駆動回路により、圧電発振器が共振周波数で共振するように圧電発振器を駆動すること；および予め定めた継続時間にわたって前記共振周波数を測定して前記圧力容器中のガスの密度を特定することを含む。
【００４６】
１つの実施形態では、工程ａ）およびｂ）は、継続時間にわたる圧力容器内のガス密度の一連の測定値が得られるように、１回以上繰り返され、前記一連の測定値を用いて、前記継続時間の過程での圧力容器内のガスの質量変化が特定される。
【００４７】
１つの実施形態では、前記圧電発振器は、石英水晶発振器を含む。
【００４８】
実施形態では、石英水晶は、少なくとも１つのタイン部（tine）を含む。変更では、石英水晶は、１対の平面型タイン部を含む。
【００４９】
実施形態では、石英水晶は、ＡＴカットまたはＳＣカットである。
【００５０】
変更では、石英水晶の表面は、ガスに直接暴露される。
【００５１】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、駆動回路を含む。変更では、センサーアセンブリーは、共通のエミッタ増幅器からのフィードバックコンフィギュレーション（feedback configuration）で構成されるダーリントンペアを有する駆動回路を含む。
【００５２】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、電力源を含む。１つの設備では、電力源は、リチウムイオン電池を含む。
【００５３】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、プロセッサーを含む。
【００５４】
１つの実施形態では、圧力容器は、高圧容器を含む。高圧容器は、おおよそ１０バール超の内圧に耐えるように構成される容器である。
【００５５】
変更では、圧力容器は、ガスシリンダーを含む。
【００５６】
変更では、前記圧電発振器は、石英水晶発振器を含む。
【００５７】
変更では、ガスは、永久ガスである。
【００５８】
１つの設備では、高圧容器は、ガスシリンダーである。
【００５９】
実施形態では、センサーアセンブリーは、駆動回路を含む。実施形態では、センサーアセンブリーは、共通のエミッタ増幅器からのフィードバックコンフィギュレーションで構成されるダーリントンペアを有する駆動回路を含む。
【００６０】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、電力源を含む。１つの設備では、電力源は、リチウムイオン電池を含む。
【００６１】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、プロセッサーを含む。
【００６２】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧電発振器が共振周波数で共振するように圧電発振器を駆動するように、および予め定めた継続時間にわたって前記共振周波数を測定して前記圧力容器中のガスの密度を特定するように構成される。
【００６３】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧力容器内のガスの質量測定を別々の時間間隔で繰り返し行って複数の測定値を取り、前記複数の測定値から、別々の時間間隔の過程での圧力容器への／からのガスの質量流量をより多くの回数特定するようにさらに構成され、それによって、ある継続時間にわたる圧力容器内のガス密度の一連の測定値が得られ、前記一連の測定値を用いて、前記継続期間の過程での圧力容器内のガスの質量の変化が特定される。
【００６４】
本発明の第四の態様によると、第一の態様のセンサーアセンブリーを含むバルブ設備が提供され、バルブ設備は、圧力容器本体と接続されて固定内部容積を有する圧力容器を形成するためのものであり、バルブ設備は、圧力容器へのガスの充填、または前記容器からのガスの分配を選択的に可能とするように構成される。
【００６５】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、駆動回路を含む。１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、電力源を含む。変更では、電力源は、リチウムイオン電池を含む。
【００６６】
１つの実施形態では、センサーアセンブリーは、圧力容器の固定内部容積内に完全に配置される。
【００６７】
１つの設備では、圧力容器本体は、ガスシリンダーを含む。
【００６８】
本発明の第五の実施形態によると、プログラム可能な処理装置によって実行可能であり、第三の態様の工程を実施するための１つ以上のソフトウェア部分を含むコンピュータープログラム製品が提供される。
【００６９】
発明の第六の実施形態によると、記憶された第五の態様に従うコンピュータープログラム製品を有する、コンピューターが使用可能である記憶媒体が提供される。
【００７０】
ここで、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、ガスシリンダーアセンブリーの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従うガスシリンダーアセンブリーの上側部分を示す概略図である。
【図３ａ】図３ａは、図２の実施形態のセンサーアセンブリー筐体を示す概略図である。
【図３ｂ】図３ｂは、図２の実施形態のセンサーアセンブリーでの使用に適する筐体の別の選択肢としての変更を示す概略図である。
【図３ｃ】図３ｃは、図２の実施形態のセンサーアセンブリーでの使用に適する筐体の別の選択肢としての変更を示す概略図である。
【図３ｄ】図３ｄは、図２の実施形態のセンサーアセンブリーでの使用に適する筐体の別の選択肢としての変更を示す概略図である。
【図３ｅ】図３ｅは、図２の実施形態のセンサーアセンブリーでの使用に適する筐体の別の選択肢としての変更を示す概略図である。
【図３ｆ】図３ｆは、図２の実施形態のセンサーアセンブリーでの使用に適する筐体の別の選択肢としての変更を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態で用いられる駆動回路の概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態で用いられる別の選択肢としての駆動回路を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態で用いられるさらに別の選択肢としての駆動回路を示す概略図である。
【図７】図７は、いくつかの異なるガスに対する、密度（ｋｇ／ｍ3）の関数としての石英水晶周波数（ｋＨｚ）をＹ軸とするグラフを示す。
【図８】図８は、アルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素混合物に対する、Ｘ軸の圧力（バールｇ）の関数としてのガス質量（ｋｇ）をＹ軸とするグラフを示す。
【図９】図９は、図７で示されるものと同じ３種類のガス（アルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素混合物）に対する、Ｘ軸の密度（ｋｇ／ｍ3）の関数としてのガス質量（ｋｇ）をＹ軸とするグラフを示す。
【図１０】図１０は、１００バールｇの圧力での５０リットルガスシリンダーからの１２Ｌ／分の流速に対する、Ｘ軸の時間（分）の関数としての周波数（ｋＨｚ）をＹ軸とするグラフを示す。
【図１１】図１１は、１００バールｇの圧力での５０リットルシリンダーに対する、Ｘ軸の時間（分）の関数としての算出流速（１分間あたりのリットル）をＹ軸とするグラフを示す。
【図１２】図１２は、典型的なガスシリンダーに対する、Ｘ軸のガスシリンダー質量（ｋｇ）の関数としての周波数（ｋＨｚ）をＹ軸とするグラフを示す。
【図１３】図１３は、筐体なしの石英水晶発振器を用いた流速測定に対する、秒での時間（Ｘ軸）の関数としての流速（リットル／分を２で除した単位）のグラフである。
【図１４】図１４は、第一の実施形態に従う筐体で囲われた石英水晶発振器を用いた流速測定に対する、秒での時間（Ｘ軸）の関数としての流速（リットル／分を２で除した単位）のグラフである。
【図１５】図１５は、第一の実施形態に従う筐体で囲われた石英水晶発振器を用いた流速測定に対する（四角）、および数値フィルターを通した同じデータに対する（ひし形）、秒での時間（Ｘ軸）の関数としての流速（リットル／分を２で除した単位）のグラフである。
【図１６】図１６は、記載した実施形態に従う方法を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、異なる種類の水晶の周波数挙動のグラフを示す。
【図１８】図１８は、２つの石英水晶を含む別の選択肢としてのセンサーアセンブリーを示す概略図である。
【図１９】図１９は、リモート電子データユニットを用いた別の選択肢としての設備を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
図１は、本発明の実施形態に従うガスシリンダーアセンブリー１０の概略図を示す。
【００７３】
ガスシリンダーアセンブリー１０は、ガスシリンダー本体１０２およびバルブ１０４を有するガスシリンダー１００を含む。ガスシリンダー本体１０２は、ガスシリンダーアセンブリー１０が平面上で支持なしに自立可能であるように構成された平面基部１０２ａを有する概略円柱形状の容器を含む。
【００７４】
ガスシリンダー本体１０２は、鋼鉄、アルミニウム、および／またはコンポジット材料から形成され、最大およそ９００バールｇまでの内圧に耐えるように適合され、構成される。開口部１０６は、基部１０２ａの反対側のガスシリンダー本体１０２の近位端部に配置され、バルブ１０４を受けるように適合されたねじ山（図示せず）を含む。
【００７５】
ガスシリンダー本体１０２およびバルブ１０４は、内部容積Ｖを有する圧力容器（本実施形態では、ガスシリンダー１００の形態）を定める。内部容積Ｖは、固定である。これは、ガスシリンダー１００の構造が、使用時、保存時、または温度、圧力、もしくは湿度などの環境条件に応じてその内部容積Ｖを（同時にその中に収容されているガスの体積を）著しい度合いで変化させることがないと仮定することができるようなものであることを意味する。ガスシリンダー１００の内部容積Ｖは、ガスシリンダー本体１０２およびバルブ１０４内の全容積を含むことを意図している。言い換えると、内部容積Ｖは、ガスが圧力下で保持されるガスシリンダーアセンブリー１０内の全内部容積である。
【００７６】
ガスシリンダーアセンブリー１００内には、適切ないかなる流体が収容されてもよい。しかし、本実施形態は、それだけに限定されないが、ダストおよび／または水分などの不純物を含まない精製された永久ガスに関する。網羅的ではないそのようなガスの例は：酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、メタン、三フッ化窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、クリプトン、ネオン、またはこれらの混合物（例えば、アルゴンと二酸化炭素）であってよい。
【００７７】
バルブ１０４は、筺体１０８、出口部１１０、バルブ本体１１２、およびバルブシート１１４を含む。筺体１０８は、ガスシリンダー本体１０２の開口部１０６とかみ合わせるための相補的ねじ山を含む。出口部１１０は、ガスシリンダー１００を、ホース、管、またはさらなる圧力バルブもしくはレギュレーターを例とするガスアセンブリーの他のコンポーネントと接続することを可能とするように適合され、構成される。バルブ１０４は、所望に応じて、ＶＩＰＲ（圧力低下装置内蔵バルブ（Valve with Integrated Pressure Reduction））を含んでよい。
【００７８】
バルブ本体１１２は、選択的に出口部１１０を開または閉とするために、握ることのできるハンドル１１６の回転によって、バルブシート１１４に向かって、またはそれから遠ざかるように、軸方向に調節することができる。言い換えると、バルブ本体１１２のバルブシート１１２に向かう、またはそれから遠ざかる動きにより、ガスシリンダー本体１０２の内部と出口部１１０との間の連結経路の領域が選択的に制御される。そしてこれは、ガスシリンダーアセンブリー１００の内部から外部環境へのガスの流量を制御する。
【００７９】
出口部１１０の下流の筐体１０８に、貫通孔部１１８が形成される。この貫通孔部１１８は、コンポーネント（ワイヤなど）をガスシリンダー１００の外部からガスシリンダー１００の内部へ送り込むことを可能とするフィードスルー（feed through）１２０によって閉じられる。フィードスルー１２０は、ガスシリンダー１００の完全性を維持する高圧シールとして機能する。
【００８０】
ガスシリンダーアセンブリー１０は、センサーアセンブリー２００を備える。センサーアセンブリー２００は、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内のガスの密度を測定するように構成される。センサーアセンブリー２００は、図２に示され、適切なワイヤリングによって駆動回路２０４および電池２０６と接続された石英水晶発振器２０２を含む。プロセッサー２２０（図２には示さず）が、完全に分離されて、または駆動回路２０４の一部として提供されてもよい。これについては後述する。
【００８１】
図２の実施形態では、センサーアセンブリー２００の全体が、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内に配置される。従って、石英水晶発振器２０２、駆動回路２０４（および、提供される場合は、プロセッサー２２０）、および電池２０６は、すべてガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内に配置される。センサーアセンブリー２００のコンポーネントは、完全にガスに浸漬され、ガスシリンダー１００内の均衡ガス圧力下にある。従って、センサーアセンブリー２００は、ガスシリンダー１００内のガスの全ガス圧力を受ける。
【００８２】
図２に示されるように、センサーアセンブリー２００は、例えばベースステーションとのリモート通信のためのアンテナ２３０と接続されてよい。これについては以降で考察する。この場合、アンテナ２３０は、ガスシリンダー１００の外側に配置され、ワイヤまたは同等のコネクターによってセンサーアセンブリーと接続されてよい。ワイヤは、アンテナ２３０とセンサーアセンブリー２００との間の接続を行うために、フィードスルー１２０を通して送り込むことが可能である。
【００８３】
アンテナ２３０自体は、適切ないかなる通信プロトコルを用いるように適合、構成されてもよく；例えば、非網羅的なリストとしては、ＲＦＩＤ、ブルートゥース、赤外（ＩＲ）、８０２．１１ワイヤレス、周波数変調式（ＦＭ）送信、またはセルネットワークであってよい。
【００８４】
別の選択肢として、ワンワイヤ通信が実行されてもよい。ワンワイヤ通信の場合、通信に必要であるのは単一の金属導電体のみであり、回路の「戻り」経路は、通信デバイス間の空気を通した容量結合によって提供される。当業者であれば、本明細書で考察する実施形態で用いることが可能である別の選択肢としてのアンテナ２３０（および関連する送信用ハードウェア）を容易に認識するであろう。
【００８５】
発明者らは、高圧の影響を受けやすいのは、センサーアセンブリー２００の少数のコンポーネントのみであることを見出した。特に、電池などのより大きいコンポーネントが、高圧に弱いものであり得る。しかし、リチウムイオン電池が、ガスシリンダー１００内で遭遇する高圧下で特に良好に機能することが見出された。従って、電池２０６は、リチウムイオンセルを含む。しかし、当業者によれば、別の選択肢としての適切な電力源が容易に考慮される。
【００８６】
センサーアセンブリー２００を完全にガスシリンダー１００内に配置することにより、ガスシリンダー１００の設計の際にさらなる柔軟性が得られる。特に、比較的脆弱な電子コンポーネントを、ガスシリンダー１００の強い金属またはコンポジット壁内に完全に配置することにより、環境または不慮の損傷からの高い保護が得られる。このことは、例えば、ガスシリンダー１００が、他のガスシリンダー１００、重機械、または粗い表面に隣接して配置される保管領域または倉庫において特に重要である。
【００８７】
さらに、センサーアセンブリーの電子コンポーネントをガスシリンダー１００の内部容積内に完全に配置することにより、そうでなければシリンダー１００の外面での使用に適さない場合のあるより大きいコンポーネントを配置することが可能となる。例えば、センサーアセンブリー２００の作動寿命を延ばす目的で、より大きい電池が提供され得る。
【００８８】
さらに、センサーアセンブリー２００が内部に配置されることにより、塩分、水分、およびその他の汚染物などの環境条件から電子コンポーネントが保護される。このことにより、例えば、塩分および水分による損傷を非常に受けやすい高インピーダンス回路を、センサーアセンブリー２００の一部分として用いることが可能となる。
【００８９】
しかし、図２では、センサーアセンブリー２００がシリンダーの内部に配置されて示されるが、その他の配置も適切であることは理解されたい。例えば、センサーアセンブリー２００は、フィードスルー１２０に隣接してバルブ１０４に搭載されるか、またはバルブ１０４の別のセクションを形成してよい。重要なことは、石英水晶発振器２０２が、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ中のガスに暴露されることである。
【００９０】
さらなる変更が、本発明の範囲内である。例えば、石英水晶発振器２０２が、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内に配置され、駆動回路２０４が、ガスシリンダー１００の外部に配置されてよい。従って、センサーアセンブリー２００の少なくとも一部が、貫通孔部１１８中に配置される。石英水晶発振器２０２および駆動回路２０４は、その場合、高圧フィードスルー１２０を通されるワイヤリング２０８によって接続される。
【００９１】
さらなる変更では、センサーアセンブリーの他の部分が、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内に配置されてよく、１つの部分が、その外部に配置されてよい。例えば、駆動回路２１２およびプロセッサー２２０が、ガスシリンダー１００内に配置されてよく、一方電池２０６が、ガスシリンダー１００の外側に配置されてよい。この設備により、センサーアセンブリーのより脆弱なコンポーネントを、損傷および汚染から保護することが可能となり、一方電池２０６は、メンテナンスおよび交換のために容易に接触可能である。
【００９２】
外部との通信に関して、１つの設計では、外部エアリアルまたはアンテナ（アンテナ２３０など）が明確に必要というわけではない。例えば、通信は、シリンダー１００内部からの音響送信によって行われてよい。音響送信は、ガスシリンダー１００内に配置された送信機によって行われてよい。送信機は、例えば、単純な固定周波数圧電共振器を含んでよい。
【００９３】
相補的な受信機も必要であり、このコンポーネントは、シリンダー１００から離れて配置されてよく、例えばマイクロホンと一体化された位相同期ループ式トーン検出器（phase-locked loop tone detector）などのハードウェアを含んでよい。そのような音響設備は、フィードスルーを必要としないこと（アンテナ２３０の場合のようには）、および電子コンポーネントのすべてを完全にシリンダー１００内に配置することができることという利点を提供する。
【００９４】
別の選択肢として、センサーアセンブリー２００は、ガスシリンダー自体に搭載されるディスプレイデバイス（図示せず）に接続されてもよい。これは、シリンダー１００に残留するガスの質量、または例えばガスの使用率を表示するように作動可能であるデジタルディスプレイの形態を取ってよい。
【００９５】
本設備では、石英水晶発振器２０２は、常にガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内の均衡圧力下にあり、圧力勾配を受けることはない。言い換えると、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖと外部環境との間の圧力差に起因するいかなる機械的ストレスも、フィードスルー１２０に掛かっている。
【００９６】
センサーアセンブリー２００が内部に配置されることによる有益性は、石英水晶発振器２１０などのソリッドステートセンサーデバイスに特有である。例えば、ブルドンゲージなどの従来の圧力センサーは、この方法で配置することができない。水晶系センサーが、一定圧力のガス中に完全に浸漬された状態で作動することができるのに対し、従来の圧力センサーは、均衡圧力を測定することができず、機能するためには、圧力勾配が必要である。従って、従来の圧力ゲージは、測定すべき高圧と大気との間に配置される必要がある。このことにより、従来の圧力ゲージをガスシリンダー１００内に完全に配置することはできない。
【００９７】
ここで、センサーアセンブリー２００について、図２、および３ａから３ｆを参照してより詳細に記載する。石英水晶発振器２０２は、石英カット品の小さく薄いセクションを含む。石英は、圧電挙動を示し、すなわち、水晶全体にわたって電圧を印加することで、水晶に形状の変化が引き起こされ、機械的な力が発生する。逆に、水晶に機械的な力が加えられると、電荷が発生する。
【００９８】
石英水晶発振器２０２の２つの平行な表面は、水晶の塊全体にわたって電気接続を提供する目的で、金属化される。その金属接点によって電圧が水晶全体に印加されると、水晶は形状を変化させる。交流電圧を水晶に印加することにより、水晶に発振を引き起こすことができる。
【００９９】
石英水晶の物理的サイズおよび厚さが、石英水晶の特性、または共振周波数を決定する。実際、水晶２０２の特性、または共振周波数は、２つの金属化表面間の物理的厚さに逆比例する。
【０１００】
石英水晶の共振振動周波数は、水晶が配置される環境に依存して様々となる。真空下では、水晶は、特定の周波数を有する。しかし、この周波数は、異なる環境中では変化する。例えば、流体中では、水晶の振動は、周囲の流体分子によって減衰されることになり、このことが、共振周波数、および任意の振幅での水晶の発振に必要とされるエネルギーに影響を与える。
【０１０１】
さらに、水晶上へのガスの吸着または周囲の物質の堆積により、振動する水晶の質量が影響を受け、共振周波数が変化する。これは、一般的に用いられる選択性ガス分析器の基礎を形成するものであり、そこでは、水晶上に吸収層が形成され、吸収層上にガスが吸収されるに従って、その質量が増加する。しかし、本発明の場合、石英水晶発振器２０２にコーティングは適用されない。実際、石英水晶発振器２０２上への物質の吸着または堆積は、測定の精度が影響を受けかねないことから、本発明の場合は望ましくない。
【０１０２】
本実施形態の石英水晶発振器２０２は、音叉の形状をしており、本実施形態では３２．７６８ｋＨｚの共振周波数で発振するように構成された長さがおよそ５ｍｍである１対のタイン部２０２ａ（図３ａ）を含む。音叉形状のタイン部２０２ａは、通常、その基本モードで発振し、その場合、それらは、共振周波数で同期して、互いに向かう方向に、および互いから離れる方向に動く。
【０１０３】
加えて、ＡＴカットまたはＳＣカットである石英を用いることが望ましい。言い換えると、石英の平面セクションは、発振周波数の温度係数が、室温近辺での広いピークを有する放物線状として構成され得るように、特定の選択された角度でカットされる。従って、水晶発振器は、ピークトップの傾きが精密にゼロとなるように構成され得る。
【０１０４】
そのような水晶は、一般的に、比較的低コストで入手可能である。真空下で用いられる大部分の石英水晶発振器とは対照的に、本実施形態では、石英水晶発振器２０２は、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ中にて、圧力下のガスに暴露される。
【０１０５】
センサーアセンブリー２００は、筐体２５０をさらに含む。筐体２５０は、石英水晶発振器２０２を封入するように作動可能であり、使用時、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ中に配置される。筐体２５０は、センサーアセンブリー２００によって行われる測定に対するガスシリンダー１００内の対流による影響を低減するように作動可能である。図２の筐体２５０を、より詳細に図３ａに示す。
【０１０６】
図３ａを参照すると、筐体２５０は、本実施形態では、第一の筐体部分２５２および第二の筐体部分２５４を含む。第一の筐体部分２５２は、実質的円柱形状側壁部２５６、遠位端壁部２５８、ならびに石英水晶発振器２０２に隣接し、筐体２５０の近位端部を封止する近位端壁部２６０を有する。第一の筐体部分２５２の壁部は、第一のチャンバー２６２を定める。第一のチャンバー２６２は、石英水晶発振器２０２を実質的に封入し、筐体２５０の近位端部に隣接して配置される。
【０１０７】
第一の筐体部分２５４は、石英水晶センサーに一般的に利用可能である従来の圧力筐体を含んでよい。これによって、製造コストを削減することができる。しかし、別の選択肢としての設計が用いられてもよく、そのいくつかの考え得る変更を、図３ｂから３ｆに示す。
【０１０８】
第二の筐体部分２５４は、実質的円柱形状側壁部２６４、遠位端壁部２６６、および近位端壁部２６８を有する。第二の筐体部分２５４の壁部は、第二のチャンバー２７０を定める。本実施形態では、第二の筐体部分２５４は、直径がおよそ６ｍｍおよび長さがおよそ８０ｍｍの円柱形状である。しかし、これは、限定的に解釈されるべきではなく、寸法および断面形状は、必要に応じて変更されてよい。
【０１０９】
第二のチャンバー２７０は、第一のチャンバー２６２に隣接して配置され、第一の筐体部分２５２の遠位端壁部２５８の貫通孔部２７２によってそれと流体連結されている。本実施形態では、貫通孔部２７２は、およそ０．３５ｍｍの直径を有する。しかし、貫通孔部のその他の形状および寸法が必要に応じて用いられてよい。加えて、必要とされる場合は、複数の貫通孔部２７２が提供されてよい。
【０１１０】
さらなる貫通孔部２７４が、第二の筐体部分２５４の側壁部２６４に形成され、それによって、第二のチャンバー２７０は、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ中のガスと、および筐体２５０の外部と流体連結される。本実施形態では、さらなる貫通孔部２７４は、０．２２ｍｍの直径を有する。しかし、別の選択肢としてのサイズである０．３５ｍｍの貫通孔部２７４でも、良好な結果を得られることが見出された。当業者であれば、本発明で用いられ得る貫通孔部の設計、寸法、および形状を容易に認識するであろう。加えて、複数の貫通孔部２７４が提供されてよい。
【０１１１】
筐体２５０は、第一および第二のチャンバー２６２、２７０が、直列状態で互いに、およびガスシリンダー１００の内部容積Ｖと流体連結される構造である。言い換えると、石英水晶発振器２０２が暴露されるガスは、石英水晶発振器２０２に到達する前に、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖから第二のチャンバー２７０を通って第一のチャンバー２６２まで送られる必要がある。
【０１１２】
図２および３ａに示す実施形態では、筐体２５０によって形成される第一および第二のチャンバー２６２、２７０は、別々の構造として形成される。しかし、こうである必要はなく、単一の共通の筐体が用いられてもよい。
【０１１３】
図３ｂから３ｆは、本発明の範囲内の筐体２５０の別の選択肢としての実施形態を示す。分かりやすくするために、図３ａの実施形態と共通する特徴を表す符号は省略した。
【０１１４】
図３ｂは、筐体２５０の第二の実施形態を示す。第二の実施形態は、第一の実施形態と構造的に類似ているが、但し、貫通孔部２７４が、第二の筐体部分２５４の遠位端壁部２６６に形成される。
【０１１５】
図３ｃは、筐体２５０の第三の実施形態を示す。図３ｃの実施形態は、筐体２５０の第一および第二の実施形態と構造的に類似ているが、但し、第二の筐体部分２５４の長さが延長されている。本実施形態では、第二の筐体部分２５４は、およそ２３０ｍｍの長さを有する。図３ｃは、貫通孔部２７４が遠位端部にあるものとして示されるが、貫通孔部２７４は、同様に、第二の筐体部分２５４の側壁部２６４に形成されてもよい。
【０１１６】
図３ｄから３ｆの実施形態は、筐体２５０の異なる構造を示す。図３ｄに示される筐体２５０の第四の実施形態は、筐体２５０が単体部分であり、円柱形状外側壁部２７６、遠位端壁部２７６、および近位シール２８０を含む。
【０１１７】
壁部２７６、２７８、２８０は、筐体２５０の内部の境界を定める。筐体２５０は、筐体２５０の内部を第一および第二のチャンバー２８４、２８６に分割する内側壁部２８２をさらに含む。第一のチャンバー２８４は、石英水晶発振器２０２を実質的に封入し、筐体２５０の近位端部に隣接して配置される。
【０１１８】
第二のチャンバー２８６は、第一のチャンバー２８４に隣接して配置され、内側壁部２８２の貫通孔部２８８によってそれと流体連結されている。本実施形態では、貫通孔部２８８は、およそ０．３５ｍｍの直径を有する。しかし、必要に応じて、その他の形状および寸法の貫通孔部が用いられてもよい。加えて、必要とされる場合、複数の貫通孔部２８８が提供されてよい。
【０１１９】
第二のチャンバー２８６とガスシリンダー１００の内部容積Ｖとの間の流体連結を可能とするために、さらなる貫通孔部２９０が提供される。第一の実施形態と共通して、貫通孔部２９０は、筐体２５０の側壁部２７６に提供される。
【０１２０】
筐体２５０の第五の実施形態を図３ｅに示す。筐体２５０の第五の実施形態は、第四の実施形態と構造的に類似しているが、貫通孔部２９０は、筐体２５０の遠位端壁部２７８に提供されており、および筐体２５０は、第二のチャンバー２８６の内部容積が大きくなるように、長さが長くなっている（本実施形態では、２３０ｍｍ）。これらの変更のいずれかが、第五の実施形態に適用されてよい。
【０１２１】
筐体２５０の第六の実施形態を図３ｆに示す。筐体２５０の第六の実施形態は、第五の実施形態と構造的に類似しているが、第二の内側壁部２９２が提供されている。第二の内側壁部２９２は、そこに形成された貫通孔部２９４を有し、筐体２５０の内部を、第一のチャンバー２８４、第二のチャンバー２８６、および第三のチャンバー２９６の３つのチャンバーに分割する。
【０１２２】
第一、第二、および第三のチャンバー２８４、２８６、２９６は、直列状態で互いに、および筐体２５０の外部のガスシリンダー１００の内部と流体連結される。言い換えると、石英水晶発振器２０２が暴露されるガスは、石英水晶発振器２０２に到達する前に、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖから、第三のチャンバー２９６、第二のチャンバー２８６を通って第一のチャンバー２８４まで、順に連続して送られる必要がある。
【０１２３】
上述した筐体２５０の第一から第六の実施形態で示されるように、一連のチャンバーを提供することにより、ガスシリンダー１００内の対流の気圧力学的抑制が可能となる。上述のように、シリンダー１００内の温度差の結果として、対流がシリンダー中で発生することが多い。対流は乱流の形で発生し、密度および温度の変化（ρ〜１／Ｔとなるように）に対して、圧力の変化はほとんど得られない。
【０１２４】
発明者らは、筐体２５０の作動原理を以下のように理解する。筐体２５０は、密度および温度の変化を平滑化する傾向にあるガスの内部容積を定める。原理上、圧力が変化しないことから、筐体２５０の貫通孔部を通る流れは存在しない。従って、この系は、そのすぐ外側での密度および温度の変化に従って、一定の圧力での一定の出力を提供する。筐体２５０の温度が変化した場合にのみ、測定される密度が変化する。しかし、筐体２５０の内部におけるガスの体積の熱質量が大きいことから、これは実際には限定的である。
【０１２５】
しかし、発明者らは、筐体２５０が、例えばガスシリンダー１００から流量が抜き取られる場合にみられる圧力変動に関して、異なった応答を見せることを見出した。この場合、貫通孔部が充分に大きいため、対応する圧力変化が、貫通孔部を通る流体流を介して、ほとんど瞬時に伝達される。
【０１２６】
上述の有益性を得るためには、少なくとも２つのチャンバーを含む筐体２５０が必要であることが見出された。単一チャンバー設備は、シリンダー内の対流によってもたらされる密度および温度の変化からの充分な隔離性を提供するには非効果的であることが見出された。
【０１２７】
石英水晶発振器２０２を駆動するための駆動回路２０４を図４に示す。駆動回路２０は、いくつかの特定の基準を満たす必要がある。第一に、本発明の石英水晶発振器２０２は、様々なガス圧に暴露される可能性があり；可能性として、その圧力は、大気圧（ガスシリンダー１００が空である場合）から、ガスシリンダーが水素などの圧縮ガスを含有する場合の約９００バールｇまで様々であり得る。従って、石英水晶２０２は、広範囲に及ぶ圧力下で作動（およびある非使用期間後に再作動）することが要求される。
【０１２８】
従って、石英水晶発振器２０２の特性値（Ｑ）は、使用の過程で大きく変動することになる。Ｑ値は、発振器または共振器の減衰率に関連する無次元のパラメーターである。換言すれば、それは、その中心周波数に対する共振器のバンド幅を特徴づけ得る。
【０１２９】
一般的に、発振器のＱ値が高いほど、発振器に蓄えられたエネルギーに対するエネルギー喪失率が低くなる。言い換えると、Ｑ値の高い発振器の発振は、外部力の非存在下において、振幅の低下がより遅い。より高いＱ値を有する正弦波で駆動される共振器（sinusoidally driven resonators）は、共振周波数にてより大きい振幅で共振するが、それが共振するその周波数近辺の周波数のバンド幅はより小さい。
【０１３０】
駆動回路２０４は、Ｑ値の変化に関わらず、石英水晶発振器２０２を駆動することが可能である必要がある。ガスシリンダー１００中の圧力が上昇すると、石英水晶発振器２０２の発振は次第に減衰され、Ｑ値は低下する。Ｑ値の低下により、駆動回路２０４の増幅器によってより高いゲインが提供されることが必要となる。しかし、提供される増幅が高過ぎると、駆動回路２０４、石英水晶発振器２０２からの応答を区別することが難しくなり得る。この場合、駆動回路２０４は、単に、関連しない周波数にて、または石英水晶発振器２０２の非基本モードの周波数にて発振し得る。
【０１３１】
さらなる制限として、駆動回路２０４は、光起電力セルなどの補給電力有りまたは無しで、長期間にわたって小型低電力電池で運転する目的で、低電力である必要がある。
【０１３２】
ここで、駆動回路２０４について、図４を参照して記載する。石英水晶発振器２０２を駆動するために、駆動回路２０４は、本質的に、石英水晶発振器２０２からの電圧シグナルを取り、それを増幅し、そのシグナルを逆に石英水晶発振器２０２へ供給する。石英水晶発振器２０２の基本共振周波数は、本質的に、石英の膨張および収縮率の関数である。これは、一般的には、水晶のカットおよびサイズによって決定される。
【０１３３】
しかし、外部因子も、共振周波数に影響を及ぼす。発生された出力周波数のエネルギーが、回路のロスと合致する場合、発振を維持することができる。駆動回路２０４は、この発振周波数を検出し、維持するように構成される。次に、周波数がプロセッサー２２０によって測定され、これを用いて、ユーザーが求めるガスの適切な特性を算出し、必要である場合は、適切な表示手段へ出力することができる（以降で述べるように）。
【０１３４】
駆動回路２０４は、６Ｖ電力源２０６によって電力供給される。電力源２０６は、本実施形態において、リチウムイオン電池を含む。しかし、当業者であれば、別の選択肢としての電力源も容易に明らかであり；例えば、充電式および非充電式の両方のその他のタイプの電池、ならびにソーラーセル設備である。
【０１３５】
駆動回路２０４は、ダーリントンペア共通エミッタ増幅器２１０をさらに含む。ダーリントンペアは、第一のトランジスターによって増幅された電流が、第二のトランジスターによってさらに増幅されるように設計された２つのバイポーラＮＰＮトランジスターから成る複合構造を含む。この設計により、各トランジスターが別々に用いられることと比較して、より高い電流ゲインを得ることが可能となる。別の選択肢として、ＰＮＰバイポーラトランジスターが用いられてもよい。
【０１３６】
ダーリントンペア２１０は、シングルトランジスター（Ｔ1）共通エミッタ増幅器２１２からのフィードバックコンフィギュレーションで構成される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスターを図４に示す。しかし、当業者であれば、バイポーラ接合ＰＮＰトランジスターまたは酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）を例とする、用いることができる別の選択肢としてのトランジスター設備を認識するであろう。
【０１３７】
駆動回路２０４は、バッファー増幅器２１４として作用するさらなるＮＰＮエミッタフォロワートランジスターＴ2を含む。バッファー増幅器２１４は、回路と外部環境との間のバッファーとして機能するように構成される。
【０１３８】
キャパシター２１６は、石英水晶発振器２０２と直列に配置される。この例では、キャパシター２１６は、１００ｐＦの値を有し、水晶が例えば塩またはその他の堆積物によって汚染された状況において、駆動回路２０４が石英水晶発振器２０２を駆動することを可能とする。
【０１３９】
ここで、別の選択肢としての駆動回路２４０について、図５を参照して記載する。駆動回路２４０は、上述の駆動回路２０４の代わりに用いることができる。上述の駆動回路２０４とは対照的に、駆動回路２４０は、図６の回路のダーリントンペアの代わりに、共通ドレイン酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）増幅器２４２を含む。ＭＯＳＦＥＴ２４２は、増幅器ステージの入力インピーダンスが石英水晶発振器２０２の高インピーダンスと合致可能とする高インピーダンス入力として機能する。言い換えると、ＭＯＳＦＥＴ２４２は、石英水晶発振器２０２上の電気的負荷を低減するために、高入力インピーダンスのユニティゲインを提供する。
【０１４０】
共通ドレインＭＯＳＦＥＴ増幅器２４２の出力は、２つの連続するシングルトランジスター（Ｑ２、Ｑ３）共通エミッタ増幅器２４４に供給される。抵抗器Ｒ６およびＲ８は、これらのトランジスターのためのネガティブフィードバックおよびバイアス電流の両方を提供する。共通エミッタ増幅器２４４は、高ゲインを提供して石英水晶発振器２０２の発振を増幅し、本実施形態では、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスターを含む。しかし、当業者であれば、バイポーラ接合ＰＮＰトランジスターまたはＭＯＳＦＥＴを例とする、用いることができる別の選択肢としてのトランジスター設備を認識するであろう。
【０１４１】
キャパシター２４６は、石英水晶発振器２０２とアースとの間に接続される。キャパシター２４６は、本実施形態において、石英水晶発振器２０２への駆動を増加させるように作動可能である。
【０１４２】
抵抗器２４８は、石英水晶発振器２０２と直列に接続される。抵抗器２４８は、本実施形態において、５６ｋΩの値を有し、広範囲の圧力にわたって、波形の緩やかな変化のみで回路の発振を可能とする目的で、石英水晶発振器２０２の発振を減衰する。
【０１４３】
駆動回路２４０は、３Ｖ電池２４９によって電力供給される。電池２４９は、本実施形態において、リチウム電池を含む。しかし、当業者であれば、別の選択肢としての電力源も容易に明らかであり；例えば、充電式および非充電式の両方のその他のタイプの電池、ならびにソーラーセル設備である。別の選択肢として、電気幹線供給設備（mains supply arrangement）が、ＤＣ整流および適切な電圧低下後に用いられてもよい。
【０１４４】
ここで、さらなる別の選択肢としての駆動回路３００について、図６を参照して記載する。図６に示される駆動回路は、ピアス発振器に類似して設計される。ピアス発振器は、デジタルＩＣクロック発振器から知られている。本質的に、駆動回路３００は、シングルデジタルインバーター（トランジスターの形態で）Ｔ、３つの抵抗器Ｒ1、Ｒ2、およびＲS、２つのキャパシターＣ1、Ｃ2、ならびに石英水晶発振器２０２を含む。
【０１４５】
本設備において、石英水晶発振器２０２は、高選択性フィルター素子として機能する。抵抗器Ｒ1は、トランジスターＴのための負荷抵抗器として作用する。抵抗器Ｒ2は、フィードバック抵抗器として作用し、作動のその直線領域にて、インバーターＴにバイアスをかける。このことにより、インバーターＴが、高ゲイン反転増幅器として作動することが実質的に可能となる。別の抵抗器ＲSは、インバーターＴの出力と石英水晶発振器２０２との間に用いられて、ゲインを制限し、回路中の望ましくない発振を減衰する。
【０１４６】
石英水晶発振器２０２は、Ｃ1およびＣ2と組み合わされて、Ｐｉネットワークバンドパスフィルターを形成する。これにより、１８０度の位相偏移、および石英水晶発振器のおよそ共振周波数での出力から入力への電圧ゲインが可能となる。上述の駆動回路３００は、信頼性が高く、それが比較的少数のコンポーネントを含むことから、安価に製造される。
【０１４７】
上記で考察したように、センサーアセンブリー２００は、石英水晶発振器２０２からの入力を受けるプロセッサー２２０、および駆動回路２０４を含む。プロセッサー２２０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの適切な設備を含んでもよい。プロセッサー２２０は、シリンダー１００のユーザーにとって有用であるパラメーターを算出、表示、および通信するようにプログラム可能である。
【０１４８】
石英水晶発振器２０２と共に用いられる場合、プロセッサー２２０は、駆動回路２０４からのシグナルの周波数ｆまたは周期を測定するように設計されてよい。これは、例えば、一定時間にわたって発振をカウントし、アルゴリズムまたはルックアップテーブルを用いてその周波数を密度値に変換することによって達成することができる。この値は、供給された入力に基づいて計算を実施して、ガスシリンダー１００中のガスの質量を特定するように設計されるプロセッサー２２０に送られる。
【０１４９】
プロセッサー２２０は、所望に応じて、すべてのシリンダーにおいて同一となるように大量生産され、異なるガスに対してソフトウェアおよびハードウェアの異なる機能が可能となるように設計されてよい。
【０１５０】
加えて、プロセッサー２２０は、プロセッサー２２０、ならびに駆動回路２０４および石英水晶発振器２０２などのさらなるコンポーネントに適用されてよいスタンドバイまたは「スリープ」モードを実装することで、電力消費量を最小限に抑えるように設計されてもよい。
【０１５１】
種々のスキームが実装されてよく；例えば、プロセッサー２２０は、毎１１秒のうちの１０秒間がスタンドバイ状態であってよい。さらに、プロセッサー２２０は、石英水晶発振器２０２および駆動回路２０４の制御を、これらのコンポーネントが大部分の時間はスタンドバイ状態に置かれ、これらのより電力を消費するコンポーネントが３０秒ごとに１／２秒間だけスイッチが入った状態となるように行ってよい。別の選択肢として、または追加として、アンテナ２３０などの通信コンポーネントが、必要に応じてスイッチが切られてよく、またはセンサーアセンブリー２００の起動に用いられてもよい。
【０１５２】
センサーアセンブリー２００の理論および作動について、ここで、図７から１４を参照して記載する。
【０１５３】
石英水晶発振器２１０は、それが配置されている流体の密度に依存する共振周波数を有する。発振する音叉型の平面水晶発振器をガスに暴露することにより、水晶の共振周波数の偏移および減衰が引き起こされる（真空中の水晶の共振周波数と比較した場合）。これにはいくつかの理由がある。水晶の発振に対するガスの減衰効果が存在する一方で、音叉型水晶発振器２１０の振動するタイン部２１０ａに隣接するガスは、発振器の有効質量を増加させる。このことは、片側固定弾性棒（one-sided, fixed elastic beam）の運動に従って、石英水晶発振器の共振周波数の低下を引き起こすものであり：
【数１】
0005990322.tif 000002
ここで、ｆは、発振の周波数であり、ｆ0は、真空中での発振の周波数であり、ρは、ガス密度であり、Ｍ0は、定数である。
【０１５４】
密度ρは、ほとんどすべての場合において、Ｍ0と比較して小さく、従って、この式は、以下の一次方程式によって近似することができ：
【数２】
0005990322.tif 000003
これは、ｆ0からの周波数偏移Δｆに関して再度表すことができ、方程式３）で示される。
【数３】
0005990322.tif 000004
【０１５５】
従って、良好な近似として、周波数の変化は、石英水晶発振器が暴露されるガスの密度の変化に比例する。図７は、いくつかの異なるガス／ガス混合物に対して、石英水晶発振器２１０の共振周波数が、密度の関数として直線的に変化することを示している。
【０１５６】
一般的に、石英水晶発振器２０２の感度は、大気圧と比較した場合に、例えば２５０バールの酸素ガス（原子質量数３２を有する）で、周波数の５％の変化が見られる感度である。そのような圧力およびガス密度は、永久ガスに用いられる保存シリンダーに典型的なものであり、通常、ほとんどのガスの場合、１３７から４５０バールｇであり、ヘリウムおよび水素の場合、７００または９００バールｇまでである。
【０１５７】
石英水晶発振器２０２は、商業的に供給されるガスのための密度センサーとしての使用に特に適している。第一に、ガスの密度を正確に検知するために、ガスがダストおよび液滴を含まないことが必要であり、これは、商業的に供給されるガスでは保障されるが、空気または大多数の圧力モニタリングの状況ではそうではない。
【０１５８】
第二に、シリンダー内のガス圧力は、通常の使用時（すなわち、ガスが出口部１１０を通して排出される場合）にはゆっくり変化することしかできないことから、石英水晶発振器２０２が読み取りに少しの時間（およそ１秒間）を要することは、測定の精度に影響を与えるものではない。およそ１秒間という時間は、発振のカウントのための必要性、および石英水晶発振器２０２が新しいガス圧力で平衡に達するための必要性のために、必要とされる。
【０１５９】
この方法は、ガスシリンダー１００中のガスが均一でない場合、例えば、ガスが、部分的に液体が充填されたシリンダー内にて起こり得るか、または作製されたばかりで、混合が不充分である軽質および重質ガスの混合物の場合など、不均一混合物である場合に、精度が下がる場合がある。しかし、ほとんどのパッケージガス用途では、これが発生する可能性は低い。
【０１６０】
既述のように、ガスシリンダー１００内の内部容積Ｖは、固定である。従って、ガスシリンダー１００の内部容積Ｖ内のガス密度ρがセンサーアセンブリー２００による測定から得られると、シリンダー中のガスの質量Ｍは、以下の方程式から得ることができる：
【数４】
0005990322.tif 000005
【０１６１】
従って、ガス密度ρの直接測定から、ガスシリンダー１００中に残留するガスの質量を算出することができる。
【０１６２】
この方法によるガス質量の測定は、公知の設備と比較していくつかの利点を有する。例えば、本発明の実施形態に従って測定される質量は、本質的に温度補正されている。対照的に、例えばブルドンゲージを用いる圧力測定は、絶対温度に比例して変動する。従って、本設備は、公知の設備の場合のような温度の測定および／または補正を必要としない。
【０１６３】
さらに、本発明の実施形態に従って測定されるガスの質量は、本質的に圧縮性Ｚに対する補正が成されている。例えば、圧力からガス内容量を得るためにブルドンゲージを用いる従来の設備では、ガスの圧縮性に対する補正が必要である。これは、圧縮性Ｚが理想気体で期待される形でガス圧力と比例しない高圧力の場合に特に重要である。
【０１６４】
圧縮性に対する自動的な補償を、図８および９を参照して示す。図８は、アルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素混合物に対する、圧力（バールｇ）の関数としてのガス質量（ｋｇ）をＹ軸とするグラフを示す。図８に示されるように、異なるガスの質量は、圧力の上昇と共に異なっている。さらに、２５０バールｇを超える高圧では、質量と圧力との間に直線関係が存在しなくなる。
【０１６５】
図９は、図８と同じ３種類のガス（アルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素混合物）に対する、密度（ｋｇ／ｍ3）の関数としてのガス質量（ｋｇ）をＹ軸とするグラフを示す。図８とは対照的に、密度の関数としてのガスの質量は、各ガス／ガス混合物において同一であることが分かる。さらに、高密度においても、関係は依然として直線である。従って、石英水晶発振器２０２は、高分解能、および密度との高直線性を兼ね備えることができる。
【０１６６】
上記で概説するように、本発明の設備では、百万分率の分解能の非常に高い精度での質量測定が可能である。高い密度および圧力での石英密度センサー２０２の直線応答と合わせて（図８および９に示すように）、高精度であることにより、Ｈ2およびＨｅなどの非常に軽質であるガスを正確に測定することが可能となる。
【０１６７】
多くの実際の状況では、ガスシリンダー１００への、またはそこからの質量流量を測定することは重要である。これは、例えばシリンダーが空になるまでの残り時間を算出するために、ガスシリンダー１００からのガスの使用率が必要とされる状況において有用であり得る。別の選択肢として、または加えて、ガスの精密な量を管理する目的で、質量流量をモニタリングすることもできる。
【０１６８】
大気圧でのガス密度は、僅かに１ｇ／リットルのオーダーであり、通常のガス使用率は、多くの場合、１分間あたり僅かに数リットルである。発明者らは、石英水晶発振器２０２が、指示密度の変化によってガスシリンダー１００から出るガスの質量流量の測定を可能とするのに充分な安定性および精度を有することを見出した。質量流量
【数５】
0005990322.tif 000006
は、方程式５）から算出され、
【数６】
0005990322.tif 000007
ここで、Ｖは、容積であり、Δρは、時間間隔Δｔにわたって示される密度の変化である。この場合、センサーアセンブリー２００の作動には、石英水晶発振器２０２のいくつかの発振サイクルにわたって積分を行うことが駆動回路２０４に必要となる。
【０１６９】
従って、時間に対する密度の瞬間的な変化率
【数７】
0005990322.tif 000008
を得ることは不可能である。しかし、時間に対する密度の変化率は、通常作動下のガスシリンダー１００では、比較的小さい。従って、センサーアセンブリー２００を用いて得られる測定値は、通常の使用では充分に正確である。
【０１７０】
図１０および１１は、質量流量検出の実験データを示す。図１０は、指示圧力約１００バールでの５０リットルシリンダーからの１分間あたり１２リットルの流速の場合の、Ｘ軸の時間（分）の関数としてのＹ軸の周波数（ｋＨｚ）のグラフを示す。図１１は、圧力約１００バールでの５０リットルシリンダーの場合の、Ｘ軸の時間（分）の関数としてのＹ軸の算出流速（１分間あたりのリットル）のグラフを示す。
【０１７１】
これらの図は、ほとんどの通常使用において、ガスシリンダー１００からのガスの質量流速を、時間に対する密度の変化の測定から特定することができることを示している。従って、質量流速は、石英水晶発振器２０２および駆動回路２０４を用いて、充分な精度および時間分解能で算出することができる。
【０１７２】
図１２は、本発明の作動を示すさらなる実験データを示す。図１２は、Ｘ軸の全シリンダー質量（ｋｇ）の関数としてのＹ軸の周波数（ｋＨｚ）のグラフを示す。分かるように、グラフは、高い精度で、ほぼ直線である。従って、図１２は、ガスシリンダー１００内のガスの質量を、石英水晶発振器２０２を用いて正確に測定することができることを示している。
【０１７３】
しかし、上述のように、シリンダーから流量が抜き取られる場合、シリンダーの上部は、シリンダーの他の部分よりも非常に冷たくなる場合があり、シリンダー内に強い対流を発生させる。図１３は、ガス流が１０分間にわたって抜き取られたシリンダーからのガス流量の測定に対する対流の影響を示す。
【０１７４】
この実験設定では、筐体２５０は省略され、石英水晶発振器２０２は、ガスシリンダー１００の内部に、カバーを外されて、シリンダー１００中のガスに直接暴露されて配置される。
【０１７５】
図１３から、対流は、流れの停止後の流量シグナルに著しいノイズを引き起こすことが分かる。Ｙ軸は、リットル／分の流量を２で除したものを示し、一方Ｘ軸は、時間であり、１秒あたり１データポイントである。対流に起因するノイズレベルは、誤った流速が検出される可能性があり、ほとんど意味を成さない情報が収集される恐れがあることを意味している。特に、ノイズの変動は、＋１０リットル／分から−１０リットル／分までの振動する流速の誤った測定値をもたらし得る。これは、高い精度の商業的使用にとって、明らかに容認できないものである。
【０１７６】
図１４は、類似の測定を示す。しかし、この場合、実験設備は、第一の実施形態の筐体２５０を含み、これは、石英水晶発振器２０２の周囲に配置されて、気圧ダンパー（pneumatic damper）として作用する。図１４に示されるように、データは、バルブが開けられてガスが流れている場合（およそ１２リットル／分の流速で）、およびバルブが閉じられている場合の両方において、図１３に示される測定よりも著しくノイズが少ないことを示している。
【０１７７】
示されるように、本発明の実施形態に従う筐体２５０は、シリンダー１００内の対流に起因するデータノイズ（およびその結果としての測定誤差）を大きく低減する。
【０１７８】
発明者らは、電子フィルタリング単独を用いることでは、このノイズの低減を効果的に達成することができないことを見出した。例えば、ＲＣフィルターまたは指数関数デジタルフィルター（exponential digital filter）を適用すると、ある程度のシグナルのスムージングは得られるが、実験から、許容される結果を得るためには、およそ３０秒の時定数が必要とされることが見出された。この遅い応答時間は、ほとんどの典型的な商業的用途において、許容されない。
【０１７９】
しかし、筐体２５０（対流に起因するノイズを大きく低減する）および電子フィルタリングの組み合わせにより、良好な結果を得ることができることが見出された。ノイズは、筐体２５０を用いることによって大きく低減されることから、より短い時間にわたる平滑化を行う電子フィルタリングを提供することで、応答を改善することができる。
【０１８０】
指数関数平滑化モデルを、方程式６）の式を用いて適用し：
【数８】
0005990322.tif 000009
ここで
【数９】
0005990322.tif 000010
は、これまでに算出された
【数１０】
0005990322.tif 000011
の値（または平均値）であり、
【数１１】
0005990322.tif 000012
は、現在記録されている
【数１２】
0005990322.tif 000013
の値であり、γは、指数関数減衰定数（exponential decay constant）である（０から＜１）。
【０１８１】
しかし、指数関数フィルタリング（exponential filtering）は、報告される値にタイムラグを誘導する。この遅延は、方程式７）を用いて算出することができ：
【数１３】
0005990322.tif 000014
ここで、
【数１４】
0005990322.tif 000015
は、読み取り間の時間である。
【０１８２】
図１５は、減衰定数γ０．９のフィルタリングの効果を示す実験測定を示す。フィルターが、シグナルのノイズをさらにスムージングする効果を有することが明らかに分かる。
【０１８３】
以下の表１は、本発明の実施形態に従う筐体の設備に対して行った測定の概要を示す。以下に示すように、筐体２５０の種々の実施形態の使用により、シリンダー１００内の対流の結果としてのノイズの低減が、最大で１桁分改善される結果となる。さらに、数値フィルタリングは、流量の幅（flow spread）（すなわち、測定シグナル上のノイズの結果としての流量の測定される変動）をなおさらに低減することができる。しかし、数値平滑化は、応答時間という代償を払うことになる。従って、実際には、トレードオフが必要とされる。
【０１８４】
【表１】
0005990322.tif 000016
【０１８５】
ここで、本発明の実施形態に従う方法を、図１６を参照して記載する。以下に記載する方法は、上述した実施形態の各々に適用可能である。
【０１８６】
［工程４００：測定初期化］
工程４００において、ガスシリンダー１００中のガスの質量の測定が初期化される。これは、例えば、ガスシリンダー１００の外側にあるボタンをユーザーが押すことによって起動されてよい。別の選択肢として、測定は、リモート接続によって開始されてもよく、例えば、ワイヤレスネットワークを通してシグナルが送信され、アンテナ２３０を通してセンサーアセンブリー２００によって受信される（図２参照）。
【０１８７】
さらなる別の選択肢として、または追加として、センサーアセンブリー２００は、リモートで、またはタイマーで初期化されるように設計されてよい。方法は、工程４０２へ進む。
【０１８８】
［工程４０２：石英水晶発振器の駆動］
初期化されると、駆動回路２０４を用いて石英水晶発振器２０２が駆動される。初期化の過程で、駆動回路２０４は、水晶２０２全体にランダムノイズＡＣ電圧を印加する。そのランダム電圧の少なくとも一部は、水晶２０２に発振を引き起こすのに適する周波数である。水晶２０２は、次に、そのシグナルと同期して発振を開始する。
【０１８９】
次に、圧電効果により、石英水晶発振器２０２の運動が、石英水晶発振器２０２の共振周波数バンドの電圧を発生させる。次に、駆動回路２０４は、石英水晶発振器２０２によって発生されたシグナルを、石英水晶共振器２０２の周波数バンドで発生されたシグナルが駆動回路２０４の出力中で支配的となるように増幅する。石英水晶の狭い共振バンドにより、不要な周波数がすべて選別除去され、次に、駆動回路２０４は、基本共振周波数ｆで石英水晶発振器２０２を駆動する。石英水晶発振器２０２が特定の共振周波数で安定化すると、方法は、工程３０４へ進む。
【０１９０】
［工程４０４：石英水晶発振器の共振周波数測定］
共振周波数ｆは、ガスシリンダーの内部容積Ｖ内の条件に依存する。本実施形態では、共振周波数の変化Δｆは、ガスシリンダー１００内のガスの密度の変化に対してその大きさが比例し、密度の増加と共に減少する。
【０１９１】
測定を行うために、石英水晶発振器２０２の周波数は、およそ１秒間にわたって測定される。これにより、読みの安定化、および正確な測定値を特定するために充分な発振のカウントが可能となる。周波数の測定は、プロセッサー２２０で行われる。プロセッサー２２０は、測定が開始された時間Ｔ1の記録も行ってよい。
【０１９２】
石英水晶発振器２０２は、既述の実施形態のうちの１つの筐体２５０内に配置される。従って、測定時間の間、筐体２５０は、シリンダー１００内の対流に起因する密度および温度の変動から石英水晶発振器２０２を保護する。この状況は、例えば、ガスが所定の時間にわたってシリンダー１００から抜き取られ、シリンダー１００の上部が冷たくなった場合に発生し得る。
【０１９３】
周波数が測定されると、方法は、工程４０６へ進む。
【０１９４】
［工程４０６：ガスシリンダー中のガスの質量の特定］
石英水晶発振器２０２の周波数が工程３０３で満足の行く形で測定されると、次にプロセッサー２２０は、ガスシリンダー１００中のガスの質量を算出する。
【０１９５】
これは、上記の方程式５）を用いて行われ、ここで、ガスの質量を、工程３０４で特定された密度、およびガスシリンダー１００の既知の内部容積Ｖから直接算出することができる。方法は続いて、工程４０８へ進む。
【０１９６】
［工程４０８：測定結果の記憶］
ガスの質量が算出されると、質量は、後に取り出すために、センサーアセンブリー２００のプロセッサー２２０に付随する内部メモリーに単に記録されてよい。なおさらなる別の選択肢として、時間Ｔ1でのガスの質量が、前記プロセッサー２２０のローカルメモリーに記憶されてもよい。
【０１９７】
方法は続いて、工程４１０へ進む。
【０１９８】
［工程４１０：結果の通信］
所望に応じて行ってよい工程として、ガスの質量を、いくつかの方法で表示させてよい。例えば、ガスシリンダー１００またはバルブ１０４に取り付けられたスクリーンが、ガスシリンダー１００内に含有されるガスの質量を表示してよい。別の選択肢として、ガス質量測定値は、ベースステーションへ、または隣接する付属備品上に配置されるメーターへ、リモート通信されてもよい。
【０１９９】
方法は続いて、工程４１２へ進む。
【０２００】
［工程４１２：センサーアセンブリーの電源オフ］
センサーアセンブリー２００を常時作動状態に保持しておく必要はない。逆に、非使用時にセンサーアセンブリー２００のスイッチを切ることによって電力消費を低減することは有益である。これにより、電池２０６の寿命が長くなる。
【０２０１】
駆動回路２０４の設計により、ガスシリンダー１００中のガス圧力に関係なく、石英水晶発振器２０２の再スタートが可能である。従って、センサーアセンブリー２００は、電池の電力を節約するために、必要である限り、シャットダウンされてよい。
【０２０２】
上述の方法は、シリンダー１００の内容量の単一測定に関する。本発明の筐体２５０は、最も顕著に質量流量測定に影響を与える対流を遮断するように構成される一方で、筐体２５０は、定常状態内容量測定（すなわち、単一測定）も補助する。これは、ユーザーが、残留ガス質量を特定することができるように、特定の流量が抜き取られた後にシリンダー１００の真の内容量の定常状態測定を必要とする場合があるからである。
【０２０３】
しかし、流量が抜き取られた後、シリンダー１００の上部が他の部分よりも冷たくなり、中での対流を発生させる場合がある。筐体２５０は、シリンダー１００内の対流に関係なく、真の質量内容量の正確な測定を可能とする。これにより、定常状態測定の精度および速度が改善される。
【０２０４】
本発明の実施形態の動作方法を、定常状態測定に関連して、上記工程４００から４１２を参照して上述した。しかし、シリンダー１００からの質量流量を測定するために、以下の追加の工程も、所望に応じて行ってよい。
【０２０５】
［工程４１４−４１８：質量のさらなる特定］
ガスシリンダー１００からの／へのガスの質量流量を算出することが所望される場合がある。Ｔ1の後の時間Ｔ2において、工程４１４、４１６、および４１８が実施される。工程４１４、４１６、および４１８は、それぞれ、時間Ｔ2において実施される工程４０５、４０６、および４０８に対応する。工程４１４、４１６、および４１８から得られる値は、時間Ｔ2におけるガスの質量として、プロセッサー２２０の内部メモリーに記憶される。
【０２０６】
Ｔ1とＴ2との間の時間間隔は、図９に示されるように、秒のオーダーの非常に短いものであってよい。別の選択肢として、流速が遅い場合、または、例えば漏えいに起因するガスシリンダー１００内の喪失量を測定することが所望される場合、Ｔ1とＴ2との間の時間間隔は、分、時間、もしくは日のオーダーを例とする非常に長いものであってもよい。
【０２０７】
方法は続いて、工程４２０へ進む。
【０２０８】
［工程４２０：数値フィルタリングの適用］
本工程は、上述のように、所望に応じて行ってよいものである。数値フィルタリングは、非常に正確な流速が必要とされるが、測定装置の応答時間はそれほど重要ではない状況で選択され得る。そのような状況は、例えば、長期間にわたって低流速が測定される場合に生じ得る。
【０２０９】
数値フィルタリングが選択される場合、それは、プロセッサー２２０の一部を形成する専用のコンピューターハードウェアによって行われてよく、または別の選択肢として、プロセッサー２２０上で実行されるソフトウェア中にコード化されてもよい。
【０２１０】
上述のように、数値フィルタリングは、工程４０６で行われる（そして工程４０８で記憶される）測定を、工程４１６で行われる（そして工程４１８で記憶される）その後の測定と共に用いる指数関数フィルターを含んでよい。
【０２１１】
方法は続いて、工程４２２へ進む。
【０２１２】
［工程４２２：質量流量の算出］
Ｔ1とＴ2との時間差、およびこれらの時間におけるガスシリンダー１００中のガスの質量が分かることで、プロセッサー２２０は、方程式６）から、Ｔ1からＴ2までの時間にわたる質量流量を算出することができる。
【０２１３】
方法は続いて、所望される場合、工程３１４から３２０までを繰り返して、さらに質量流量を算出してよい。別の選択肢として、方法は、工程３１２に移ってよく、センサーアセンブリー２００の電源が切られてよい。
【０２１４】
上記実施形態の変更は、当業者には明らかである。ハードウェアおよびソフトウェアコンポーネントの厳密な設計は異なっていてもよく、それでも、本発明の範囲内に含まれる。当業者であれば、用いられてよい別の選択肢としての設計を、容易に認識するであろう。
【０２１５】
例えば、上述の実施形態では、基本周波数３２．７６８ｋＨｚを有する石英水晶発振器を用いた。しかし、別の選択肢としての周波数で作動する水晶が用いられてもよい。例えば、６０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚで作動する石英水晶発振器が、上述の実施形態で用いられてよい。異なる水晶における、密度に応じた周波数変化を示すグラフを図１７に示す。さらなる例として、１．８ＭＨｚの周波数で作動する水晶発振器が用いられてもよい。
【０２１６】
より高い周波数で作動することにより、任意のサイクル数あたりのサンプリングに要する時間が短くなることから、より高い頻度でモニタリングすることが可能となる。加えて、より高い周波数の水晶により、水晶の「スリープ」モードにおいて、より小さいデューティサイクルを用いることが可能となる。説明として、ほとんどの場合、水晶および駆動回路は、ほんとんどの時間がスイッチオフで費やされ、測定が必要とされる時に１秒程度スイッチオンとされるだけである。例えば、これは、１分間に１回行われてよい。より高周波数の水晶が用いられる場合、圧力をより早く測定することができる。従って、水晶が作動中である時間を短縮することができる。これにより、電力消費が抑えられ、同時に電池の寿命が改善され得る。
【０２１７】
加えて、石英水晶発振器の絶対周波数を測定することによる上記実施形態について記載してきた。しかし、ガスシリンダー付随レギュレーターに組み込まれた独立型電子機器の場合、その周波数を、同一の型ではあるが真空または圧力パッケージ中に封入された参照水晶と比較することにより、センサーの周波数の偏移を測定することが有利であり得る。圧力パッケージは、選択された密度でのガスを含有するか、大気条件下のガスを含有するか、またはガスシリンダー１００の外部大気に開放されていてよい。
【０２１８】
適切なセンサーアセンブリー５００を図１８に示す。センサーアセンブリー５００は、第一の石英水晶発振器５０２および第二の石英水晶発振器５０４を含む。第一の石英水晶発振器５０２は、真空下の密封容器５０６内に配置される参照水晶である。第一の石英水晶発振器５０２は、駆動回路５０８によって駆動される。
【０２１９】
第二の石英水晶発振器５０４は、先の実施形態で述べた水晶２０２に類似の水晶である。第二の石英水晶発振器５０４は、ガスシリンダー１００の内部容積内のガス環境に暴露される。第二の石英水晶発振器５０４は、駆動回路５１０によって駆動される。
【０２２０】
この比較は、２つの周波数シグナルを組み合わせ、２つの水晶間の差異に等しい周波数の出力を発生させる電子ミキサー回路５１２を用いて行うことができる。この設備により、例えば温度に起因する小さい変化を打ち消すことが可能となる。
【０２２１】
さらに、差異周波数の測定が必要とされるだけであることから、ガスシリンダー１００で用いられる回路網を単純化することができる。さらに、この手法は、水晶周波数を直接測定することが困難であり得る高周波数（ＭＨｚ）水晶発振器での使用に特に適している。
【０２２２】
加えて、密度、質量、または質量流量の測定および表示に必要とされる電子機器のすべてが、ガスシリンダー上またはガスシリンダー中に搭載されている必要はない。例えば、電子機能は、シリンダー上に恒久的に搭載されるユニットと、顧客用ステーションに搭載されるユニットか、または従来の流量メーターに通常は用いられる位置などのシリンダーの出口部に一時的に搭載されるユニットとに分割されてよい。
【０２２３】
本設備の例を、図１９を参照して示す。この設備は、ガスシリンダー６００およびセンサーアセンブリー６０２を有するガスシリンダーアセンブリー５０を含む。ガスシリンダーアセンブリー５０、ガスシリンダー６００、およびセンサーアセンブリー６０２は、先の実施形態に関連してこれまでに述べたガスシリンダーアセンブリー１０、ガスシリンダー１００、およびセンサーアセンブリー２００に非常に類似している。
【０２２４】
本実施形態では、センサーアセンブリー６０２は、先の実施形態の石英水晶発振器２０２および駆動回路２０４に類似する石英水晶発振器および駆動回路（図示せず）を含む。適切ないずれかのリモート通信プロトコルを介する通信のためのアンテナ６０４が提供され；例えば、ブルートゥース、赤外（ＩＲ）、またはＲＦＩＤである。別の選択肢として、ワンワイヤ通信が用いられてもよい。
【０２２５】
さらなる別の選択肢として、音響通信法が用いられてもよい。そのような方法の利点は、外部アンテナを必要とせずにリモート通信を行うことができることである。
【０２２６】
接続管６０６が、ガスシリンダー６００の出口部に接続される。接続管は、クイックコネクト接続部（quick connect connection）６０８が末端に接続されている。このクイックコネクト接続部５０８は、接続配管またはコンポーネントとガスシリンダー６００との接続および分離を、容易に素早く行うことを可能とするものである。
【０２２７】
クイックコネクトユニット６５０は、ガスシリンダー６００との接続のために提供される。コネクター５０８との接続のために、相補的なクイックコネクトコネクター６１０が提供される。さらに、クイックコネクトユニット６５０は、データユニット６５２を備える。データユニット６５２は、ディスプレイ６５４、およびガスシリンダーアセンブリー５０のアンテナ６０４との通信のためのアンテナ６５６を含む。ディスプレイ６５４は、ディスプレイの電力消費を最小限に抑え、最大限の視認性を得るために、例えばＥ‐ｉｎｋディスプレイを含んでよい。
【０２２８】
データユニット６５２は、ガスシリンダーアセンブリー５０のセンサーアセンブリー６０２によって測定される種々のパラメーターを記録してよい。例えば、データユニット６５２は、時間に対する流速を記録してよい。そのようなログは、例えば、重要なコンポーネントへの時間の掛かるガス溶接手順の間にガス流が存在し、それが正しかったことを確認したいと考える溶接施工業者にとって、または特定の顧客の使用に関するデータを提供するために、有用であり得る。
【０２２９】
加えて、ガスシリンダー６００から得られたデータを用いて、ランアウトタイム、すなわち、シリンダー５００中のガスが使い切られるまでの時間に関するデータを提示することもできる。これは、病院間の患者移送中に用いられる医療機関用酸素シリンダーなどの用途において特に不可欠である。そのような時間（Ｔro）は、流速（上記で考察）、シリンダー５００の質量含有量、および現在時間（Ｔc）の知見から、以下の方程式８）を介して算出することができる：
【数１５】
0005990322.tif 000017
【０２３０】
別の選択肢として、データユニット６５２からのデータを、コンピューター操作可能溶接機（溶接用途の場合）、またはその他のガス使用機器へ出力して、警告メッセージと共に、誘導されるパラメーターの算出を可能とすることもできる。この非網羅的な例は：単位アーク時間あたりに用いられるガス、溶接ワイヤ１ｋｇあたりに用いられるガス（例：溶接部の多孔性に関する警告と共に）、標準サイズバルーンの数（または非標準サイズのバルーンの測定およびそれに対する較正）、残りの溶接時間数、圧力の表示（既知のガスデータを用いて、測定された密度値を圧力へ変換することにより）であり得る。
【０２３１】
加えて、データユニット６５２は、以下の機能：ガスレベルが特定のレベルまたは流速を下回った際に聞こえる、または見える形でのアラームを提供すること；シリンダーの寿命（例：ゆっくり変化する混合物の場合）またはシリンダーの使用期限を出力すること；ガスの使用に関するデータ、すなわち、溶接の種類、溶接される金属の種類、を含有し、表示すること、または携帯電話もしくはコンピューターによって詳細なデータを拾うことができるようにリンクを提供すること；マルチモードの作動を提供すること、例えば、供給業者／充填業者用モードおよび顧客用モード；シリンダーを充填するガス会社によって表示される量と異なる量を顧客に表示すること；データの入力を可能とすること；シリンダー番号、ガスの種類、分析証明書、顧客歴（誰がどの期間にわたってシリンダーを保有していたか）、安全データなどのデータを提供すること、を提供するように構成されてもよく、ならびにシリンダーは、まとめた形での操作に関する情報を有していてもよい。
【０２３２】
別の選択肢として、上記の例のすべては、所望に応じて、センサーアセンブリー２００、６０２に関して考察したように、全体がガスシリンダー６００上（または内）に配置されるシステムによって処理され、保存され、またはそこから得られてもよい。
【０２３３】
加えて、本発明の実施形態は、漏えい検出を行うために用いることもできる。石英水晶発振器は、そのようなセンサーとしての感度が良好であることから、この作業に特に適している。加えて、石英水晶発振器は、圧力ゲージを用いて漏えいを検知する場合のようにシリンダーの温度変化によって圧力変化を不正確に読み取るようなこともない。加えて、本発明の実施形態は、残圧バルブ損傷の検出を例とする損傷の検出に用いることもできる（例：３バールｇより低い圧力の使用済みシリンダーの場合）。
【０２３４】
上記実施形態を、石英水晶発振器の使用に関連して記載したが、当業者であれば、やはり用いることが可能である別の選択肢としての圧電材料を容易に認識するであろう。例えば、非網羅的なリストとしては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、ベルリナイト、ガリウムヒ素、四ホウ酸リチウム、リン酸アルミニウム、酸化ビスマスゲルマニウム、多結晶チタン酸ジルコニウムセラミック、高アルミナセラミック、ケイ素‐酸化亜鉛コンポジット、または酒石酸二カリウムを含む水晶発振器が挙げられ得る。
【０２３５】
加えて、上記実施形態を、ガスシリンダーに関連して説明したが、本発明のその他の適用も用いることができる。例えば、石英水晶発振器は、自動車、オートバイ、またはトラックなどの車両のタイヤ内に配置することができる。車両のタイヤの形状は、負荷またはスピード下で変化し得るが、本出願の発明者らは、タイヤの内部容積は、使用時に大きく変化しないことを示した。例えば、本文脈において、内部容積の変化が全内部容積の２〜３％未満である場合、本発明は、車両のタイヤ内のガス質量を信頼性高く算出するように作動可能である。
【０２３６】
さらに、多くの適用において、空気が車両タイヤ内のガスとして用いられるが、窒素などのガスも次第に使われつつある。本発明の設備は、そのような適用に対して特に適している。さらに、質量の測定が、本質的に温度に依存しないことから、本発明の設備は、環境条件が測定に影響を与えかねない状況において特に有用である。
【０２３７】
さらなる例として、本発明はまた、車両用エアサスペンションシステムにも適用可能であり得る。
【０２３８】
本発明の実施形態を、例示した例に特に関連して記載した。特定の例を図面で示し、本明細書にて詳細に記載したが、図面および詳細な記載は、開示した特定の形態に本発明を限定することを意図するものではないことは理解されるべきである。本発明の範囲内にて、記載の例に変更および改変を施してよいことは理解されるであろう。
【図１】
0005990322.tif 000018
【図２】
0005990322.tif 000019
【図３ａ】
0005990322.tif 000020
【図３ｂ】
0005990322.tif 000021
【図３ｃ】
0005990322.tif 000022
【図３ｄ】
0005990322.tif 000023
【図３ｅ】
0005990322.tif 000024
【図３ｆ】
0005990322.tif 000025
【図４】
0005990322.tif 000026
【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005990322.tif 000034
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
0005990322.tif 000039
【図７】
0005990322.tif 000040
【図１７】
0005990322.tif 000041