特許 6082103 ガス混合物を提供するための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6082103

(24)【登録日】2017年1月27日

(45)【発行日】2017年2月15日

(54)【発明の名称】ガス混合物を提供するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B01F 15/04 20060101AFI20170206BHJP

   B01F 3/02 20060101ALI20170206BHJP

   B01F 5/00 20060101ALI20170206BHJP

   B01F 5/06 20060101ALI20170206BHJP

   B01F 15/06 20060101ALI20170206BHJP

【ＦＩ】

   B01F15/04 D

   B01F3/02

   B01F5/00 D

   B01F5/06

   B01F15/06 Z

【請求項の数】16

【全頁数】50

(21)【出願番号】特願2015-513202(P2015-513202)

(86)(22)【出願日】2013年5月23日

(65)【公表番号】特表2015-523198(P2015-523198A)

(43)【公表日】2015年8月13日

(86)【国際出願番号】EP2013060692

(87)【国際公開番号】WO2013174960

(87)【国際公開日】20131128

【審査請求日】2015年1月21日

(31)【優先権主張番号】12169396.4

(32)【優先日】2012年5月24日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】591035368

【氏名又は名称】エア プロダクツ アンド ケミカルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100173107

【弁理士】

【氏名又は名称】胡田 尚則

(74)【代理人】

【識別番号】100128495

【弁理士】

【氏名又は名称】出野 知

(72)【発明者】

【氏名】ニール アレクサンダー ダウニー

(72)【発明者】

【氏名】トーマス デイビッド マシュー リー

【審査官】 河野 隆一朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１５５１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４４９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４１３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３８８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４３５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２６７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２６６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２６６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２６６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２０８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００００５５９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｆ １／００ − ５／２６

Ｂ０１Ｆ １５／００ − １５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一のガスを供給するための第一のガス源、
前記第一のガスとは異なる第二のガスを供給するための第二のガス源、
前記第一および第二のガス源からの前記第一のガスおよび第二のガスの対応する流量を調節するための第一および第二の電子バルブ、
ミキサー、ならびに
出口部
を含み、前記ミキサーは、前記第一および第二の電子バルブの下流に配置され、使用時に、前記第一および第二のガスを混合して混合ガスを前記出口部へ提供するように構成されるガスミキサー設備であって、ここで、前記ガスミキサー設備は、メーターをさらに含み、前記メーターは、
前記混合ガスの平均分子量を特定するように作動可能であり、前記混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器を含む第一のセンサーアセンブリー、
前記第一または第二の電子バルブのうちの一方の下流でかつ前記ミキサーの上流の対応する第一または第二のガスの圧力を特定するように作動可能である第二のセンサーアセンブリー、および
前記混合ガスの前記平均分子量および前記ガス圧力に応答して前記第一および第二の電子バルブを自動制御し、前記混合ガス中の前記第一および第二のガスの相対的比率、ならびに前記出口部からの前記混合ガスの圧力または質量流速を制御するように作動可能であるコントローラー
を含む、ガスミキサー設備。

【請求項2】

前記第二のセンサーアセンブリーが、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスと接触する第二の高周波平面型圧電水晶発振器を含む、請求項１に記載のガスミキサー設備。

【請求項3】

前記第一または第二の電子バルブのうちの他方の下流のガスの圧力を特定するように作動可能である第三のセンサーアセンブリーをさらに含む、請求項１または２に記載のガスミキサー設備。

【請求項4】

前記第三のセンサーアセンブリーが、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスの他方と接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器を含む、請求項３に記載のガスミキサー設備。

【請求項5】

前記第一のセンサーアセンブリーが、使用時に前記混合ガスが流れる導管をさらに含み、前記導管は、使用時にチョーク流を発生させる流量制限オリフィスを前記出口部の上流に有し、前記流量制限オリフィスは、前記オリフィスの上流の上流部分と前記出口部に連結された下流部分とに前記導管を分割し、ここで、前記圧電水晶発振器は、前記上流部分に配置され、前記第一のセンサーアセンブリーは、さらに、前記オリフィスを通る混合ガスの質量流速を測定するように作動可能である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスミキサー設備。

【請求項6】

ガスミキサー設備を用いてある相対的比率のガスの混合物を提供する方法であって、前記ガスミキサー設備は、第一のガスを供給するための第一のガス源、前記第一のガスとは異なる第二のガスを供給するための第二のガス源、前記第一および第二のガス源からの前記第一のガスおよび第二のガスの対応する流量を調節するための第一および第二の電子バルブ、前記第一および第二の電子バルブの下流に配置されるミキサー、出口部、ならびに第一および第二のセンサーアセンブリーを含み、前記第一のセンサーアセンブリーは、前記混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器を含み、前記方法は、
ａ）前記第一のガス源から前記第一のガスを受けること、
ｂ）前記第二のガス源から前記第二のガスを受けること、
ｃ）前記第一および第二のガスを混合して混合ガスを形成すること、
ｄ）前記混合ガスと接触する前記高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定すること、
ｅ）前記第二のセンサーアセンブリーを用いて、前記第一または第二の電子バルブのうちの一方の下流でかつ前記ミキサーの上流の対応する第一または第二のガスの圧力を特定すること、
ｆ）前記共振周波数および前記圧力測定から、前記混合ガスの平均分子量を特定すること、ならびに
ｇ）前記特定された平均分子量および前記圧力測定に応答して前記第一および第二の電子バルブを自動制御して、前記混合ガス中の前記第一および第二のガスの前記相対的比率、ならびに前記出口部からの前記混合ガスの圧力または質量流速を制御すること
を含む、ガスミキサー設備を用いてある相対的比率のガスの混合物を提供する方法。

【請求項7】

前記第二のセンサーアセンブリーが、第二の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、および工程ｅ）が、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスのうちの対応する一方と接触する前記第二の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記ガスミキサー設備が第三のセンサーアセンブリーをさらに含み、前記方法が、工程ｅ）に続いて、
ｈ）前記第三のセンサーアセンブリーを用いて、前記第一または第二の電子バルブの他方の下流のガスの圧力を特定すること
をさらに含む、請求項６または７に記載の方法。

【請求項9】

前記第三のセンサーアセンブリーが前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスの他方と接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、工程ｈ）が、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスと接触する前記第三の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第一のセンサーアセンブリーが、使用時に前記混合ガスが流れる導管をさらに含み、前記導管は、使用時にチョーク流を発生させる流量制限オリフィスを前記出口部の上流に有し、前記流量制限オリフィスは、前記オリフィスの上流の上流部分と前記出口部に連結された下流部分とに前記導管を分割し、前記方法は、
ｉ）前記共振周波数から、前記オリフィスを通るガスの質量流速を特定すること
をさらに含む、請求項６〜９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

第一のガスを供給するための第一のガス源、前記第一のガスとは異なる第二のガスを供給するための第二のガス源、前記第一および第二のガス源からの前記第一のガスおよび第二のガスの対応する流量を調節するための第一および第二の電子バルブ、前記第一および第二の電子バルブの下流に配置されるミキサー、出口部、混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器を含む第一のセンサーアセンブリー、第二のセンサーアセンブリー、ならびにプロセッサーを含むガスミキサー設備において、前記プロセッサーに
ａ）前記第一の電子バルブを制御して前記第一のガス源から前記第一のガスを供給する工程、
ｂ）前記第二の電子バルブを制御して前記第二のガス源から前記第二のガスを供給する工程、
ｃ）前記ミキサーを用いて前記第一および第二のガスを混合して混合ガスを形成させる工程、
ｄ）前記混合ガスと接触する前記高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定する工程、
ｅ）前記第二のセンサーアセンブリーを用いて、前記第一または第二の電子バルブのうちの一方の下流でかつ前記ミキサーの上流の対応する第一または第二のガスの圧力を特定する工程、
ｆ）前記共振周波数および前記圧力測定から、前記混合ガスの平均分子量を特定する工程、ならびに
ｇ）前記特定された平均分子量および前記圧力測定に応答して前記第一および第二の電子バルブを自動制御して、前記混合ガス中の前記第一および第二のガスの相対的比率、ならびに前記出口部からの前記混合ガスの圧力または質量流速を制御する工程
を実行させる、コンピュータープログラム。

【請求項12】

前記第二のセンサーアセンブリーが、第二の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、および工程ｅ）が、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスのうちの対応する一方と接触する前記第二の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む、請求項１１に記載のコンピュータープログラム。

【請求項13】

前記ガスミキサー設備が第三のセンサーアセンブリーをさらに含み、工程ｅ）に続いて、
ｈ）前記第三のセンサーアセンブリーを用いて、前記第一または第二の電子バルブの他方の下流のガスの圧力を特定する工程
を前記プロセッサーにさらに実行させる、請求項１１または１２に記載のコンピュータープログラム。

【請求項14】

前記第三のセンサーアセンブリーが前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスの他方と接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、工程ｈ）が、前記ミキサーの上流の前記第一または第二のガスと接触する前記第三の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む、請求項１３に記載のコンピュータープログラム。

【請求項15】

前記第一のセンサーアセンブリーが、使用時に前記混合ガスが流れる導管をさらに含み、前記導管は、使用時にチョーク流を発生させる流量制限オリフィスを前記出口部の上流に有し、前記流量制限オリフィスは、前記オリフィスの上流の上流部分と前記出口部に連結された下流部分とに前記導管を分割し、
ｉ）前記共振周波数から、前記オリフィスを通るガスの質量流速を特定する工程
を前記プロセッサーにさらに実行させる、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のコンピュータープログラム。

【請求項16】

請求項１１〜１５のいずれか一項に記載のコンピュータープログラムが記録された、コンピューターで読み取り可能である記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス混合物を提供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、混合物中のガスの比率が、圧電水晶発振器を用いて特定され、維持される、ガス混合物を提供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）の流体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。

【0003】

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（ここで、バールｇは、大気圧を超える圧力のバール単位での尺度である）。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。

【背景技術】

【0004】

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】

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。

【0006】

多くの場合、シリンダー内部における、または溶接プロセスの過程での管中を例とするシリンダーの下流地点におけるガスの種類を知ることが望ましく、場合によっては不可欠である。そのような状況の例としては、いつパージングが行われたかを知ることである。

【0007】

分子量は、一般的に、質量分析器を用いて測定される。そのような設備は、分子量を直接特定するために、ガスの質量対電荷比を測定する。一般的に用いられる設備は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化源と飛行時間型質量分析器との組み合わせである（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦとして知られる）。しかし、そのような設備は、かさ高く、高価であり、可搬性およびコストが重要な意味を持ち得る多くの用途にとって不適である。

【0008】

分子量の測定に用いられ得る別の選択肢としての種類のメーターは、”GD series Vibratory Gas Density Meters”, Suzuki et al, Yokogawa Technical Report No 29 (2000)に示され、記載されるものなどの振動式ガス密度計である。そのような設備は、ガスがその内部および外部を流れることができるように構成された薄肉金属シリンダーを含む。２対の圧電素子がシリンダー上に配置され、１対は駆動素子であり、１対は検出素子である。ガス密度は、２つの異なる共振周波数の測定から、温度に起因する変動を補正して得られる。用いられる共振周波数は、非常に低く、数百Ｈｚのオーダーである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記の設備は、複雑であり、比較的高価であり、振動の影響に対して非常に弱い。これは、用いられる共振周波数が、外部振動によって発生する周波数と同等であるからである。加えて、温度による影響を補正するために、複雑な励起および検出設備が必要とされる。

【0010】

加えて、本技術分野において、ガスの混合物の制御された流れを提供することが求められている。ガス流ミキサーは、通常、各ガスの計量された流れを提供するために、２つの質量流量メーターを用いる。しかし、各ガスの質量流量が既知である一方で、そうして製造されたガスの組成、または全体を合わせた流速を測定するための信頼性の高い方法は現時点では存在しない。従って、２種類以上のガスの所望される混合物の正確に計量された流速または圧力を、公知の設備を用いて提供することができないという技術的問題が存在する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の第一の態様によると、第一のガスを供給するための第一のガス源；前記第一のガスとは異なる第二のガスを供給するための第二のガス源；第一および第二のガス源からの第一のガスおよび第二のガスの対応する流量を調節するための第一および第二の流量調節デバイス；ミキサー；および出口部を含み、ミキサーは、第一および第二の流量調節デバイスの下流に配置され、使用時に、第一および第二のガスを混合して混合ガスを出口部へ提供するように構成される、ガスミキサー設備が提供され、ここで、ガスミキサー設備は、メーターをさらに含み、メーターは：混合ガスの平均分子量を特定するように作動可能であり、混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器を含む第一のセンサーアセンブリー；第一または第二の流量調節デバイスのうちの一方の下流のガスの圧力を特定するように作動可能である第二のセンサーアセンブリー；ならびに、混合ガスの平均分子量および前記ガス圧力に応答して前記第一および第二の流量調節デバイスを自動制御し、前記混合ガス中の第一および第二のガスの相対的比率、ならびに出口部からの混合ガスの圧力または質量流速を制御するように作動可能であるコントローラーを含む。

【0012】

１つの実施形態では、第一および／または第二の流量調節デバイスは、電子バルブを含む。

【0013】

１つの実施形態では、第二のセンサーアセンブリーは、ミキサーの上流の第一または第二のガスと接触する第二の高周波平面型圧電水晶発振器を含む。

【0014】

１つの実施形態では、ガスミキサー設備は、第一または第二の流量調節デバイスのうちの他方の下流のガスの圧力を特定するように作動可能である第三のセンサーアセンブリーをさらに含む。

【0015】

１つの実施形態では、第三のセンサーアセンブリーは、ミキサーの上流の第一または第二のガスのうちの他方と接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器を含む。

【0016】

１つの実施形態では、第一のセンサーアセンブリーは、使用時に混合ガスが流れる導管をさらに含み、この導管は、使用時にそれを通してチョーク流を発生させる流量制限オリフィスを前記出口部の上流に有し、流量制限オリフィスは、前記オリフィスの上流の上流部分と出口部に連結された下流部分とに導管を分割し、ここで、前記圧電水晶発振器は、前記上流部分に配置され、第一のセンサーアセンブリーは、さらに、前記オリフィスを通る混合ガスの質量流速を測定するように作動可能である。

【0017】

本発明の第二の態様によると、ガスミキサー設備を用いてある相対的比率のガスの混合物を提供する方法が提供され、ガス混合設備は、第一のガスを供給するための第一のガス源、前記第一のガスとは異なる第二のガスを供給するための第二のガス源、第一および第二のガス源からの第一のガスおよび第二のガスの対応する流量を調節するための第一および第二の流量調節デバイス、第一および第二の流量調節デバイスの下流に配置されるミキサー、出口部、ならびに第一および第二のセンサーアセンブリーを含み、第一のセンサーアセンブリーは、混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器を含み、この方法は：ａ）第一のガス源から第一のガスを受けること；ｂ）第二のガス源から第二のガスを受けること；ｃ）第一および第二のガスを混合して混合ガスを形成すること；ｄ）混合ガスと接触する高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定すること；ｅ）第二のセンサーアセンブリーを用いて、第一または第二の流量調節デバイスの下流のガスの圧力を特定すること；ｆ）前記共振周波数および前記圧力測定から、混合ガスの平均分子量を特定すること；ならびにｇ）前記特定された平均分子量および前記圧力測定に応答して前記第一および第二の流量調節デバイスを自動制御して、前記混合ガス中の第一および第二のガスの相対的比率、ならびに出口部からの混合ガスの圧力または質量流速を制御することを含む。

【0018】

１つの実施形態では、第一および／または第二の流量調節デバイスは、電子バルブを含む。

【0019】

１つの実施形態では、第二のセンサーアセンブリーは、第二の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、工程ｅ）は、ミキサーの上流の第一または第二のガスと接触する第二の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む。

【0020】

１つの実施形態では、ガスミキサー設備は、第三のセンサーアセンブリーをさらに含み、方法は、工程ｅ）に続いて、ｈ）第一または第二の流量調節デバイスの他方の下流のガスの圧力を特定することをさらに含む。

【0021】

１つの実施形態では、第三のセンサーアセンブリーは、ミキサーの上流の第一または第二のガスの他方と接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器を含み、工程ｈ）は、ミキサーの上流の第一または第二のガスと接触する第三の高周波平面型圧電水晶発振器の共振周波数を測定することを含む。

【0022】

１つの実施形態では、第一のセンサーアセンブリーは、使用時に混合ガスが流れる導管をさらに含み、この導管は、使用時にそれを通してチョーク流を発生させる流量制限オリフィスを前記出口部の上流に有し、流量制限オリフィスは、前記オリフィスの上流の上流部分と出口部に連結された下流部分とに導管を分割し、方法はさらに：ｉ）共振周波数から、前記オリフィスを通るガスの質量流速を特定することを含む。

【0023】

実施形態では、方法は、温度センサーでガスの温度を測定することをさらに含む。１つの実施形態では、温度センサーは、サーミスターまたは温度依存性抵抗器を含む。

【0024】

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。１つの設備では、前記圧電水晶発振器は、少なくとも２つの平面型タイン部を含む。平面型水晶発振器は、小さく、強固であり、その結果、環境による妨害の影響を比較的受けにくい。さらに、発振器の発振周波数が高い（ｋＨｚのオーダー）ことにより、発振器は、局所的な揺れ（Ｈｚのオーダーの周波数を有する傾向にある）による影響を比較的受けにくい。これは、公知の分子量検出設備とは対照的である。

【0025】

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。

【0026】

変更では、石英水晶の表面は、ガスに直接暴露される。

【0027】

１つの実施形態では、前記圧電水晶発振器は、３２ｋＨｚ以上の共振周波数を有する。

【0028】

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、リチウム電池を含む。

【0029】

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。

【0030】

１つの実施形態では、メーターは、駆動回路、プロセッサー、および電力源の１つ以上をさらに含む。

【0031】

１つの実施形態では、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（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。

【0032】

１つの実施形態では、メーターは、ガスの圧力を測定するための圧力センサーをさらに含む。

【0033】

１つの実施形態では、前記圧力センサーは、電子圧力センサーである。１つの実施形態では、電子圧力センサーは、圧電抵抗式ダイアフラムセンサーを含む。

【0034】

実施形態では、石英水晶は、少なくとも１つのタイン部を含む。１つの変更では、石英水晶は、１対の平面型タイン部を含む。

【0035】

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。

【0036】

変更では、石英水晶の表面は、ガスに直接暴露される。

【0037】

１つの実施形態では、圧電水晶発振器は、３２ｋＨｚ以上の共振周波数を有する。

【0038】

１つの実施形態では、メーターは、入り口部に配置されるフィルターを含む。実施形態では、フィルターは、５から１０μｍの範囲の細孔サイズを有する。

【0039】

１つの実施形態では、メーターは、筺体内に配置されたヒーター素子を含む。実施形態では、ヒーター素子は、圧電水晶発振器に隣接して配置される。さらなる設備では、ヒーター素子は、圧電水晶発振器に接触して配置される。

【0040】

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、リチウム電池を含む。

【0041】

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。

【0042】

１つの実施形態では、ディスプレイを含む。

【0043】

実施形態では、メーターは、センサーアセンブリーと接続され、メーターからのデータの無線送信を可能とするように構成されるアンテナを含む。実施形態では、メーターは、離れたディスプレイユニットにデータを無線送信するように作動可能である。

【0044】

本発明の第三の態様によると、プログラム可能な処理装置によって実行可能であり、第一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。

【0045】

本発明の第四の態様によると、記憶された第四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。

【0046】

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】

【0047】

【図1】図１は、ガスシリンダーおよびレギュレーターアセンブリーの概略図である。

【図2】図２は、レギュレーターアセンブリーおよび分子量メーターの第一の実施形態を示す概略図である。

【図3】図３は、レギュレーターアセンブリーおよび分子量メーターの第二の実施形態を示す概略図である。

【図4】図４は、レギュレーターアセンブリーおよび分子量メーターの第三の実施形態を示す概略図である。

【図5】図５は、分子量メーターの第四の実施形態を示す概略図である。

【図6】図６は、第一から第四の実施形態のいずれかで用いるための駆動回路の概略図である。

【図7】図７は、第一から第四の実施形態のいずれかで用いるための別の選択肢としての駆動回路を示す概略図である。

【図8】図８は、第一から第四の実施形態のいずれかで用いるための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9】図９は、第一から第四の実施形態のいずれかで用いるためのプロセッサーの入力および出力されたパラメーターを示す概略図である。

【図10】図１０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11】図１１は、最大３００バールｇまでの圧力のアルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素：酸素混合物に対する、Ｘ軸の圧力（バールｇ）の関数としてのガス密度（ｋｇ／ｍ³）をＹ軸とするグラフを示す。

【図12】図１２は、最大１００バールｇまでの圧力のアルゴン、酸素、およびアルゴン：二酸化炭素：酸素混合物に対する、Ｘ軸の圧力（バールｇ）の関数としてのガス密度（ｋｇ／ｍ³）をＹ軸とするグラフを示す。

【図13】図１３は、ガスがパージされる際の、Ｘ軸の時間（秒）の関数としての周波数変化（Ｈｚ）をＹ軸として示すグラフである。

【図14】図１４は、Ｘ軸の時間（秒）の関数としての算出された分子量変化（Ｙ軸）を示す、図１３に対応するグラフである。

【図15】図１５は、記載の実施形態に従う方法を示すフローチャートである。

【図16】図１６は、ガスミキサー設備を示す本発明の実施形態の概略図を示す。

【図17】図１７は、ガスミキサー設備を示す本発明のさらなる実施形態の概略図を示す。

【図18】図１８は、ガスミキサー設備を示す本発明のさらなる実施形態の概略図を示す。

【図19】図１９は、ガスミキサー設備を示す本発明のさらなる実施形態の概略図を示す。

【図20】図２０は、図１９および２３の実施形態で用いるための質量流量アセンブリーを示す。

【図21】図２１は、図１９および２３の実施形態で用いるための別の選択肢としての質量流量アセンブリーを示す。

【図22】図２２は、質量流速の関数としての水晶周波数のグラフを示す。

【図23】図２３は、ガスミキサー設備を示す本発明のさらなる実施形態の概略図を示す。

【図24】図２４は、異なる種類の水晶の周波数挙動のグラフを示す。

【図25】図２５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26】図２６は、リモート電子データユニットを用いる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】

【0048】

図１は、本発明を用いることができる状況の概略図を示す。ガスシリンダー１００、レギュレーター１５０、および分子量メーター２００が提供される。

【0049】

ガスシリンダー１００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圧力容器を含む。

【0050】

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。

【0051】

ガスシリンダー１００は、内部容積Ｖを有する圧力容器を定める。ガスシリンダー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、クリプトン、またはネオンであってよい。

【0052】

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。この場合、レギュレーター１５０は省略されてよい。

【0053】

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。

【0054】

レギュレーター１５０は、出口部１１０の下流に配置される。レギュレーター１５０は、入り口部１５２および出口部１５４を有する。レギュレーター１５０の入り口部１５２は、ガスシリンダー１００の出口部１１０とレギュレーター１５０との間の連結経路を提供する入り口管１５６と接続される。レギュレーター１５０の入り口部１５２は、ガスシリンダー１００の出口部１１０から高圧のガスを受けるように構成される。これは、適切ないかなる圧力であってもよいが、一般的には、出口部１１０から出るガスの圧力は、２０バールを超えており、１００〜９００バールの範囲である可能性がより高い。

【0055】

出口部１５４は、出口管１５８と接続される。カップリング１６０は、出口管１５８の遠位端部に配置され、ガスを必要とするさらなる管またはデバイス（図示せず）と接続されるように適合される。

【0056】

分子量メーター２００は、出口部１５４とカップリング１６０との間の出口管１５８と連結されて配置される。分子量メーター２００は、レギュレーター１５０のすぐ下流に配置され、レギュレーター１５０の下流にてガスの分子量（またはガス混合物の平均分子量）を特定するように構成される。

【0057】

レギュレーター１５０および分子量メーター２００は、図２においてより詳細に示される。

【0058】

本実施形態では、レギュレーター１５０は、単一のダイアフラムレギュレーターを含む。しかし、当業者であれば、２つのダイアフラムレギュレーターまたはその他の設備を例とする本発明で用いることが可能である変更を容易に認識するであろう。

【0059】

レギュレーター１５０は、入り口部１５２および出口部１５４と連結されたバルブ領域１６２を含む。バルブ領域１６２は、バルブシート１６６に隣接して配置されるポペットバルブ１６４を含む。ポペットバルブ１６４は、ダイアフラム１６８と接続され、それは、バルブシート１６６に向かう、およびそれから遠ざかるポペットバルブ１６４との平行移動によってそれらの間にある開口部１７０をそれぞれ閉および開とすることを可能とするよう構成される。ダイアフラム１６８は、シャフト１７４の周りに配置されるスプリング１７２の弾性によって偏った状態とされている。

【0060】

レギュレーター１５０は、全シリンダー圧力（例：１００バール）にて、出口部１１０からガスを受けるが、実質的に一定である固定された低圧力（例：５バール）にて、出口部１５４にガスを供給するように作動可能である。これは、開口部１７０の下流のガスの圧力が、スプリング１７２の偏らせる力とは逆向きにダイアフラム１６８に作用するように作動可能であるフィードバック機構によって達成される。図２の実施形態では、レギュレーター１５０は、固定圧力レギュレーターであり、既知の固定圧力にて、出口部１５４からガスを供給するように構成される。圧力は、スプリング１７２の相対的な偏らせる力によって特定される。

【0061】

ダイアフラム１６８に隣接する領域のガス圧力が指定されたレベルを超えた場合に、ダイアフラム１６８は、上向き（図２に対して）に移動するように作動可能である。結果として、ポペットバルブ１６４は、バルブシート１６６に近付くように移動し、開口部１７０のサイズが低下し、その結果、入り口部１５２から出口部１５４へのガスの流量が制限される。一般的に、スプリング１７２の抵抗力およびガスの圧力の競合する力が、ダイアフラムの平衡位置をもたらし、その結果、出口部１５４にてガスの一定圧力が供給される。

【0062】

分子量メーター２００は、筺体２０２およびセンサーアセンブリー２０４を含む。筺体２０２は、鋼鉄、アルミニウム、またはコンポジットを例とする適切ないかなる材料を含んでもよい。筺体は、短フィード管２０８を介して、出口管１５８の内部と連結されている内部２０６を有する。その結果、筺体２０２の内部２０６は、出口管１５８の内部と同じ圧力である。使用時、筺体２０２は、一般的に、密封され、外部大気から隔離されている。分子量メーター２００は、筺体２０２内のガスの分子量を測定するように構成される。別の選択肢として、分子量メーター２００は、筺体２０２内のガスの均質混合物の平均分子量を測定してもよい。

【0063】

別の選択肢として、筺体２０２は、出口管１５８の一部として提供され得る。例えば、出口管１５８の一部が、センサーアセンブリー２０４を収容するために拡大され得る。別の選択肢として、センサーアセンブリー２０４の一部のみが管１５８内に配置され、残りの部分が、外側またはそれから間隔を空けて配置されてよい。

【0064】

さらに、筺体２０２は、レギュレーター１５０の一体部分を形成してもよい。例えば、センサーアセンブリー２０４は、全体がレギュレーター１５０の出口部１５４内に配置されてよい。当業者であれば、本発明の範囲内に含まれる変更および代替手段を容易に認識するであろう。

【0065】

センサーアセンブリー２０４は、駆動回路２１２と接続された石英水晶発振器２１０、温度センサー２１４、および電池２１６を含む。これらのコンポーネントは、筺体２０２内に配置される。

【0066】

駆動回路２１２および石英水晶発振器２１０について、図６および７を参照して以降で詳細に記載する。温度センサー２１４は、サーミスターを含む。適切ないかなるサーミスターが用いられてもよい。サーミスターからは、高い精度は必要とされない。例えば、本実施形態では、０．５℃の精度が適切である。従って、安価な小コンポーネントが用いられてよい。

【0067】

プロセッサー２３０（図８を参照して以降で示し、記載する）も、別個に、または駆動回路２１２の一部として提供されてよい。

【0068】

本設備では、石英水晶発振器２１０は、常に分子量メーター２００の筺体２０２内の均衡圧力下にあり、その結果、圧力勾配を受けることはない。言い換えると、外部大気と分子量メーター２００の内部コンポーネントとの間の圧力差に起因するいかなる機械的ストレスも、筺体２０２全体にわたって表される。

【0069】

しかし、これは、そうである必要はない。例えば、石英水晶発振器２１０および温度センサー２１４のみが筺体２０２内に配置され、センサーアセンブリー２０４の残りがその外部に配置されてよい。

【0070】

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２０４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２１６は、リチウムセルを含む。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。

【0071】

センサーアセンブリー２０４を完全に筺体２０２内に配置することにより、レギュレーター１５０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、筺体２０２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、レギュレーター１５０を含むガスシリンダー１００が、ガスシリンダー、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。

【0072】

さらに、センサーアセンブリー２０４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これらの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２０４の一部分として用いることが可能となる。

【0073】

センサーアセンブリー２０４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。このことは、分子量メーター２００の外部コンポーネントが損傷を受けるリスクを高めてしまう。

【0074】

分子量メーターの第二の実施形態を、図３に示す。図２の第一の実施形態と共通する図３に示される第二の実施形態の特徴には、同じ符号が割り当てられ、ここでは再度記載しない。

【0075】

図３の実施形態において、レギュレーター２５０は、レギュレーター２５０が出口部１５４からガスの可変の出口部圧力を提供するように構成されるという点で、図２の実施形態のレギュレーター１５０とは異なる。

【0076】

この点において、スプリング１７２の偏らせる力をユーザーが調節可能であるように、握ることのできるハンドル２５２が提供される。これは、ダイアフラム１６８の平衡位置を移動させ、結果として、ポペットバルブ１６４とバルブシート１６６との間の平衡間隔を調節する。このことにより、出口部１１０からの高圧ガス流が通過することのできる開口部１７０の寸法の調節が可能となる。

【0077】

圧力は、通常、最大約２０バールｇまで様々であり得る。しかし、当業者であれば、別の選択肢としての設備およびレギュレーター２５０によって供給され得る圧力が容易に認識されるであろう。さらに、レギュレーターは、圧力の精密な調節が必要とされるオキシアセチレン溶接などの状況で用いるための二次ステージを含んでよい。

【0078】

第二の実施形態は、分子量メーター３００を含む。分子量メーター２００と共通する分子量メーター３００のコンポーネントは、明確にするために、同じ符号が割り当てられる。

【0079】

分子量メーター３００は、第一の実施形態の分子量メーター２００と非常に類似している。しかし、分子量メーター３００は、筺体２０２内に配置される圧力センサー３０２をさらに含む。適切ないかなる圧力センサーが用いられてもよい。

【0080】

例えば、圧力センサー３０２は、圧電抵抗式ダイアフラムセンサーを含んでよい。そのような圧力センサーは、通常、その中に形成された圧電抵抗歪ゲージ（piezo-resistive strain gauges）を有する機械加工されたシリコンダイアフラムを含む。ダイアフラムは、シリコンまたはガラスのバックプレートと融合される。歪ゲージは、一般的に、接続されてホイートストンブリッジを形成し、その出力は、測定された圧力と正比例する。圧力センサー３０２からの出力は、次に、プロセッサー２３０に入力することができる。

【0081】

当業者であれば、本発明で用いられ得る別の選択肢としての電子圧力センサーを容易に認識するであろう。言い換えると、圧力センサー３０２は、ガスの圧力を測定し、その測定値の電子出力を提供することができるいかなるセンサーを含んでもよい。

【0082】

本設備では、石英水晶発振器２１０および圧力センサー３０２は、常に分子量メーター２００の筺体２０２内の均衡圧力下にあり、その結果、圧力勾配を受けることはない。言い換えると、外部大気と分子量メーター３００の内部コンポーネントとの間の圧力差に起因するいかなる機械的ストレスも、筺体２０２全体にわたって表される。

【0083】

本発明の第三の実施形態を図４に示す。図３の第二の実施形態と共通する図４に示される第三の実施形態の特徴には、同じ符号が割り当てられ、ここでは再度記載しない。

【0084】

図４の実施形態では、レギュレーター２５０は、第二の実施形態のレギュレーター２５０に相当し、出口部１５４からガスの可変の出口部圧力を提供するように構成される。レギュレーター２５０のコンポーネントは、既に記載しており、ここではさらに記載しない。

【0085】

第三の実施形態は、分子量メーター４００を含む。分子量メーター２００、３００と共通する分子量メーター４００のコンポーネントには、明確にするために、同じ符号が割り当てられる。

【0086】

分子量メーター４００は、第一および第二の実施形態の分子量メーター２００、３００と非常に類似している。しかし、分子量メーター４００は、第二の実施形態の圧力センサー３０２を必要とすることなく、可変圧力レギュレーター２５０で作動可能である。

【0087】

分子量メーター４００は、導管４０２を含む。導管４０２の内部は、筺体２０２の内部２０６と連結されている。導管４０２の近位端部は、短管２０８のすぐ下流に配置され、出口部１５４と連結された制限オリフィス（restricting orifice）４０４を含む。制限オリフィス４０４は、出口部１５４から導管４０２に入るガスの圧力を限定する物理的制限を提供するように構成される。従って、制限オリフィス４０４の下流の導管４０２内のガスの圧力が、出口部１５４よりも大きく低下される。

【0088】

導管４０２の遠位端部４０６は、大気に解放されている。遠位端部４０６は、筺体２０２の下流の導管４０２のセクションの端部に位置する。典型的な適用の場合、適切な導管４０２は、２ｍｍの範囲の内径および約１００ｍｍの長さを有する。このことにより、大気中のガスが筺体２０２の内部に逆拡散することがなく、測定の潜在的な誤差が確実に回避される。

【0089】

図４において、導管４０２は、本質的に直線状に示されているが、導管４０２は、適切ないかなる形状であってもよい。例えば、よりコンパクトな構成としては、導管をより小さい空間に合わせる目的で、入り組んだ、またはコイルの形状に導管４０２を構成することである。

【0090】

従って、制限オリフィス４０４および導管４０２の離れた遠位端部４０６（大気圧である）の組み合わされた効果は、筺体２０２の内部２０６が、常に大気圧または大気圧に近いことである。これは、出口部１５４の下流および制限オリフィス４０４の上流のガスの圧力とは無関係である。

【0091】

その結果として、圧力が常に大気圧であると想定することができることから、圧力ゲージは必要とされない。補正が必要とされる場合は（例えば、大気圧が低下する高い標高の作動の場合）、プロセッサー２３０にそれを手動で入力することができる。

【0092】

従って、特定の条件下では、圧力値は自動設定、またはユーザーによる手動入力が可能であるために、圧力センサーは必要ではなく、得られた圧力値がプロセッサー２３０によって用いられて、検出中の１もしくは複数のガスの分子量が特定される。

【0093】

分子量メーターの第四の実施形態を図５に示す。第四の実施形態は、分子量メーター５００に関する。分子量メーター５００は、第一および第二の実施形態の分子量メーター２００、３００、４００と非常に類似している。しかし、分子量メーター５００は、第二の実施形態の圧力センサー３０２を必要とせず、可変圧力レギュレーター２５０（またはその他の可変圧力ガス源）と共に作動可能である。

【0094】

分子量メーター５００は、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接装置を例とするガスが大気中へ放出されている状況で作動可能である。分子量メーター５００は、導管１５８上、レギュレーター１５０から充分遠く、大気出口部１６０に充分近く、それによって、筺体２０２中の圧力条件が大気圧であることが確保される。

【0095】

分子量メーター２００、３００、４００の設備に加えて、第二の駆動回路５１２および第二の電池５１６と接続された石英水晶発振器５１０を含む第二のセンサーアセンブリー５０４が提供される。第二の駆動回路５１２および第二の電池５１６は、駆動回路２１２および電池２１６と非常に類似しており、ここではさらに記載しない。

【0096】

第二の石英水晶発振器５１０は、開放筺体５１８を通して外部大気に暴露される。筺体５１８は、第二の石英水晶発振器５１０を機械的損傷から保護するが、第二の石英水晶発振器５１０が大気に暴露されることは可能となるように作動可能である。筺体５１８は、その遠位端部に形成された貫通孔部を有する覆い付き筺体を含んでよい。

【0097】

第二のセンサーアセンブリー５０４（石英水晶発振器５１０を含む）は、大気圧の正確な特定を可能とするように提供される。図４の実施形態は、特定の条件下にて効果的であり得るが、大気圧の変動によって、分子量の特定に誤差が引き起こされる場合がある。これは、ガスの混合物（後の実施形態で述べるように）が用いられる場合、および上記の実施形態の分子量メーターが不正確な測定値を与える可能性がある場合に特に重要である。

【0098】

以降で述べるように、第二の石英水晶発振器５１０は、ガスの密度に比例する周波数で共振する。しかし、空気のガス組成は、充分に知られており、一般的に一定である。従って、以下に示す方程式７）を用いることにより、既知の密度および既知の分子量から圧力を特定することができる。この設備は、改善された精度を提供し、製造の費用対効果が高く、および小さいサイズを有する。

【0099】

分子量メーター５００の残りのコンポーネントは、第一から第四の実施形態の分子量メーター２００、３００、４００のコンポーネントに類似しており、ここではさらに記載しない。

【0100】

第一から第四の実施形態のいずれも、検出されたガスに対して成された測定の結果をユーザーに示すためのディスプレイ（図示せず）をさらに含んでよい。別の選択肢として、ディスプレイは、分子量メーター２００、３００、４００、５００から離れて配置されてよく、該当するデータは、リモート通信されてよい。

【0101】

例えば、第一から第四の実施形態のいずれか１つは、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（図示せず）をさらに含んでよい。これについては以降で考察する。この場合、アンテナは、筺体２０２の外側に配置され、ワイヤー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２０４と接続されてよい。

【0102】

アンテナ自体は、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。

【0103】

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（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。

【0104】

例えば、通信は、シリンダー１００内からの音響送信によって行われてよい。筺体２０２内に配置される送信機が、音響送信を行ってよい。この送信機は、例えば、単純な固定周波数圧電共振器を含んでよい。

【0105】

相補的な受信機も必要であり、このコンポーネントは、分子量メーター２００、３００、４００、５００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。

【0106】

ここで、センサーアセンブリー２０４について、図６および７を参照してより詳細に記載する。石英水晶発振器２１０は、石英カット品の平面セクションを含む。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。

【0107】

石英水晶発振器２１０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。

【0108】

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２１０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。石英水晶発振器は、本技術分野にて公知であり、従って、石英水晶発振器２１０の構造については、ここでさらに記載しない。

【0109】

加えて、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。

【0110】

さらに、周囲の物質が水晶上に堆積することにより、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。物質のそのような吸着または堆積は、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ており、ガスが吸収されるに従って、その質量が増加する。

【0111】

しかし、本発明の場合、石英水晶発振器２１０にコーティングは適用されない。実際、石英水晶発振器２１０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。

【0112】

図６に示されるように、本実施形態の石英水晶発振器２１０は、音叉の形状をしており、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２１０ａを含む。タイン部２１０ａは、石英の平面セクションに形成される。音叉形状のタイン部２１０ａ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。

【0113】

溶融（または非結晶）石英は、温度依存性膨張係数が非常に低く、弾性係数も低い。このことにより、示されるように、基本周波数の温度依存性が低減され、温度の影響が最小限に抑えられる。

【0114】

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を、室温近辺での広いピークを有する放物線状となるように定めることができるように、特定の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することができる。

【0115】

そのような石英水晶は、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２１０は、筺体２０２中にて、圧力下のガスに暴露される。

【0116】

石英水晶発振器２１０のための駆動回路２１２を、図６に示す。駆動回路２１２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２１０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、水晶発振器２１０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。

【0117】

従って、石英水晶発振器２１０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。

【0118】

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。

【0119】

駆動回路２１２は、Ｑ値の変化に関わらず、石英水晶発振器２１０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２１０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２１２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２１２、石英水晶発振器２１０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２１２は、単に、関連しない周波数にて、または石英水晶発振器２１０の非基本モードの周波数にて発振し得る。

【0120】

さらなる制限として、駆動回路２１２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。

【0121】

ここで、駆動回路２１２について、図６を参照して記載する。石英水晶発振器２１０を駆動するために、駆動回路２１２は、本質的に、石英水晶発振器２１０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２１０へ供給する。石英水晶発振器２１０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。

【0122】

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２１２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２３０によって測定され（図９）、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）。

【0123】

駆動回路２１２は、６Ｖ電池２１６によって電力供給される。電池２１６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。

【0124】

駆動回路２１２は、ダーリントンペア共通エミッタ増幅器２１８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。

【0125】

ダーリントンペア２１８は、シングルトランジスター（Ｔ₁）共通エミッタ増幅器２２０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。

【0126】

変更として、自動ゲイン制御（図示せず）が、ダーリントンペア２１８と共通エミッタ増幅器２２０との間のフィードバックループに実装されてよい。これは、例えば図６に示す最も右側の２２ｋ抵抗器の代わりに配置される、電位差計、可変抵抗器、またはその他の適切なコンポーネントの形を取り得る。

【0127】

自動ゲイン制御により、圧力によるＱ値の変化、および供給電圧の変化（例えば、電池電力低下状態下）を補償することが可能となる。自動ゲイン制御は、低圧力での適用の場合に特に適用可能であり得る。

【0128】

駆動回路２１２は、バッファー増幅器２２２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２２２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。しかし、この特徴は、オプションであり、必要でない場合もあり；例えば、ＦＥＴが直接接続されて、回路２１２を駆動してもよい。

【0129】

キャパシター２２４は、石英水晶発振器２１０と直列に配置される。この例では、キャパシター２２４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２１２が石英水晶発振器２１０を駆動することを可能とする。

【0130】

ここで、別の選択肢としての駆動回路２４０について、図７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。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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。

【0135】

ここで、さらなる別の選択肢としての駆動回路２６０について、図８を参照して記載する。図８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２６０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Ｒ_S、２つのキャパシターＣ₁、Ｃ₂、ならびに石英水晶発振器２１０を含む。

【0136】

本設備において、石英水晶発振器２１０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Ｒ_Sは、インバーターＴの出力と石英水晶発振器２１０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。

【0137】

石英水晶発振器２１０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２６０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。

【0138】

上記で考察したように、センサーアセンブリー２０４は、石英水晶発振器２１０からの入力を受けるプロセッサー２３０、および駆動回路２１２を含む。プロセッサー２３０は、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなど、適切ないかなる設備を含んでもよい。

【0139】

プロセッサー２３０は、ガスの分子量（またはガスの均質混合物の平均分子量）特定の計算を行い、必要に応じてそれを表示し、通信するようにプログラムされる。プロセッサー２３０の主な入力および出力の概略を図９に示す。

【0140】

石英水晶発振器２１０と共に用いられる場合、プロセッサー２３０は、駆動回路２１２を含むセンサーアセンブリー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。この値が、プロセッサー２３０に送られる。

【0141】

プロセッサー２３０は、温度センサー２１４からの測定された温度Ｔも受ける。さらに、プロセッサー２３０は、圧力センサー３０２から（存在する場合）、または固定圧力値からの圧力値も受ける。この値は、例えば、分子量メーター４００、５００が大気圧でのみ用いられることになるか、または分子量メーター２００の場合にように、固定圧力レギュレーターの出口部で用いられることになる状況において、自動的に設定されてよい。この状況では、固定圧力値がプロセッサー２３０に入力される。別の選択肢として、固定圧力値は、ユーザーによって手動で入力されてもよい。

【0142】

さらなる別の選択肢として、センサーアセンブリー５０４（駆動回路５１２を含む）からのシグナルの周波数ｆまたは周期を、プロセッサー２３０が受けてよい。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圧力値に変換することによって達成することができる（周波数は密度に比例し、空気のガス組成が既知である場合、密度は圧力に比例するため）。この値が、プロセッサー２３０に送られる。

【0143】

プロセッサー２３０は、供給された入力に基づいて、石英水晶発振器２１０が浸漬されているガスの分子量を特定する計算を行うように構成される。プロセッサー２３０は、分子量メーター２００、３００、４００、５００のうちのいずれか１つの一部を含んでよい。

【0144】

分子量が特定されると、このデータは、ローカルメモリに記憶されるか、ディスプレイスクリーン上に表示されるか、またはリモートステーションに送信されてよい。

【0145】

プロセッサー２３０は、所望に応じて、すべての分子量メーター２００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。

【0146】

さらに、プロセッサー２３０は、プロセッサー２３０、ならびに駆動回路２１２および石英水晶発振器２１０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。

【0147】

種々のスキームが実装されてよく；例えば、プロセッサー２３０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２３０は、石英水晶発振器２１０および駆動回路２１２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。

【0148】

センサーアセンブリー２０４の理論および作動について、ここで、図１０から１４を参照して記載する。

【0149】

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が、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】

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。

【0150】

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】

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】

【0151】

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１０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。

【0152】

一般的に、石英水晶発振器２１０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。

【0153】

石英水晶発振器２１０は、商業的に供給されるガスのための分子量メーターの一部を形成する密度センサーとしての使用に特に適している。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。

【0154】

石英水晶発振器２１０から密度値が得られると、ガスの分子量は、以下から特定することができ：

【数4】

ここで、Ｐは、ガスの圧力であり、Ｖは、ガスの体積であり、ｎは、ガスのモル数であり、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、温度である。続いて、Ｖを消去するために：

【数5】

および

【数6】

であり、ここで、ＭＷは、ガスの分子量であり、Ｍは、ガスの質量である。従って、方程式５）のＶを置き換えると：

【数7】

となり、ここで、αは、ＲＴに等しい定数であり、ここで、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、ケルビン単位の絶対温度である。従って、ガスの既知圧力、密度、および温度に対して、ガスの分子量（または、ガスの混合物の場合は平均分子量）を特定することができる。上記の誘導は、ガスが理想気体に近いことを仮定している。

【0155】

上記の方程式７）に基づいて、圧力が既知である場合（例：圧力が大気圧、または固定圧力レギュレーターの出力である場合）、分子量を正確に特定するには、ガスの温度および密度のみが必要である。それに伴って、圧力および温度が妥当な程度で既知である場合、ガスの分子量は、密度に、または言い換えると、石英水晶発振器の共振周波数に所定の因子を積算したものに実質的に比例する。

【0156】

従って、ガスの分子量（または混合物の平均）は、密度の関数として、圧力の勾配から特定することができ、ここで、方程式７）を再構成すると、以下が得られる：

【数8】

【0157】

図１１および１２は、分子量測定の実験データを示す。両グラフ共に、同じ４種類のガスに対して、Ｘ軸の圧力（バールｇ）の関数として、Ｙ軸に密度（ｋｇ／ｍ³単位）を示す。これら２つのグラフは、図１０が、３００バールｇまでの圧力を示し、一方図１１が、１００バールｇまでの圧力のみを示すこと以外は、同一である。

【0158】

用いた４種類のガスは、図９に示すように、Ｆｅｒｒｏｍａｘ １５（アルゴン：二酸化炭素：酸素混合物）、ヘリウム、二酸化炭素、および酸素である。線の勾配は、分子量に比例する（３つすべてに対してＲＴが一定であると仮定）。従って、石英水晶発振器２１０は、ガスまたはガスの混合物の分子量を容易に特定することができる。

【0159】

さらに、石英水晶発振器２１０の高い精度により、百万分率の分解能での非常に高い精度までの測定が可能となる。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、この高精度により、Ｈ₂およびＨｅなどの非常に軽いガスの分子量の正確な測定が可能となる。

【0160】

加えて、図５の実施形態の場合、分子量メーター５００は、大気圧を特定するように作動可能である追加の石英水晶発振器５１０を含む。この場合、方程式８）を簡便に再構成して、方程式９）を得ることができる：

【数9】

【0161】

上記で示されるように、一般的に空気の組成（すなわち、約７８％窒素、約２１％酸素、約１％その他）は比較的一定であり、従って、方程式９）を用いて、石英水晶発振器５１０による密度測定から圧力を特定することができる。

【0162】

この技術の１つの有用な適用は、パージ検出である。図１３および１４は、ガスパージ検出の実験データを示す。そのような情報は、パイプラインの自動球状溶接などの状況において極めて重要である。

【0163】

図１３は、窒素環境中へ５リットル／分でアルゴンが流入し、続いて窒素が再充填される場合における、Ｘ軸の時間（秒）の関数としてのＹ軸の周波数（Ｈｚ）のグラフである。明らかに、周波数の段階的な変化を、高い精度で容易に測定可能である。

【0164】

図１４は、同じデータを示すが、但しこの場合、Ｙ軸を分子量（質量単位）に読み替えるように換算している。

【0165】

これらの図は、ほとんどの通常の使用の場合、ガスの分子量を、石英水晶発振器を用いて容易に特定することができることを明らかに示している。さらに、１つのガスが別のガスでパージされる場合に発生する分子量の変化が、明確に明らかにされ、識別可能である。従って、石英水晶発振器２１０および駆動回路２０４を用いることで、ガスパージの過程での分子量変化を、充分な精度および時間分解能で算出することができる。

【0166】

ここで、実施形態の作動の方法を、図１５を参照して記載する。以下に記載する方法は、上述した第一から第四の実施形態の各々に適用可能である。

【0167】

［工程５５０：測定初期化］
工程５５０において、筺体２０２内のガスの分子量の測定が初期化される。これは、例えば、筺体２０２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、アンテナを通して分子量メーター２００、３００、４００、５００によって受信される。

【0168】

さらなる別の選択肢として、または追加として、分子量メーター２００、３００、４００、５００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５５２へ進む。

【0169】

［工程５５２：石英水晶発振器の駆動］
初期化されると、駆動回路２１２を用いて石英水晶発振器２１０が駆動される。初期化の過程で、駆動回路２１２は、水晶２１０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２１０に発振を引き起こすのに適する周波数である。水晶２１０は、次に、そのシグナルと同期して発振を開始する。

【0170】

理解されるように、石英水晶発振器２１０は、水晶の共振周波数自体が測定されることから、本質的に、独立型検出器およびドライバーである。

【0171】

次に、圧電効果により、石英水晶発振器２１０の運動が、石英水晶発振器２１０の共振周波数バンドの電圧を発生させる。次に、駆動回路２１２は、石英水晶発振器２１０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２１２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２１２は、基本共振周波数ｆで石英水晶発振器２１０を駆動する。石英水晶発振器２１０が特定の共振周波数で安定化すると、方法は、工程５５４へ進む。

【0172】

［工程５５４：石英水晶発振器の共振周波数測定］
共振周波数ｆは、筺体２０２内の環境条件に依存する。本実施形態では、共振周波数の変化Δｆは、良好な近似として、筺体２０２の内部２０６における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。

【0173】

測定を行うために、石英水晶発振器２１０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２３０で行われる。プロセッサー２３０は、測定が開始された時間Ｔ₁の記録も行ってよい。

【0174】

周波数が測定されると、方法は、工程５５６へ進む。

【0175】

［工程５５６：ガスの温度測定］
工程５５６では、温度センサー２１４が、筺体２０２内のガスの温度を測定する。この測定は、工程５５４で測定された周波数変化からの分子量の計算の精度を高めるために行われる。

【0176】

温度測定は、特に正確である必要はない。例えば、温度センサー２１４が０．５℃までの精度である場合、これは、以降の工程での分子量の計算に必要とされる絶対温度値に対して、僅かにおよそ６００分の１部の誤差に相当する（通常の大気温度と仮定する）。

【0177】

別の選択肢として、この工程は、単に、プロセッサー２３０に入力される固定温度値が関与するだけでもよい。これは、例えば、温度が既知である環境が用いられる状況で行われてよい。この場合、温度センサー２１４は必要ない。

【0178】

［工程５５８：ガスの圧力の特定］
工程５５４において石英水晶発振器２１０の周波数が満足の行く形で測定され、工程５５６で温度が測定されると、次にプロセッサー２３０は、筺体２０２の内部２０６内のガスの圧力を特定する。

【0179】

これは、筺体２０２内の測定された圧力に比例する電気シグナルを提供する圧力センサー３０２（備えられる場合）からの入力値によって行われてよい。これは、第二および第四の実施形態の場合に適用される。

【0180】

別の選択肢として、圧力が妥当な度合いで既知である場合、圧力値は、手動または自動でプロセッサー２３０に入力されてもよい。これは、固定圧力レギュレーターの出力に相当し得るか（第一の実施形態の場合のように）、または大気圧に相当し得る（第三の実施形態の場合のように）。

【0181】

［工程５６０：ガスの分子量の特定］
これは、ガスの密度ρ、圧力Ｐ、および温度Ｔが既知である場合に、上記の方程式８）を用いて行われる。従って、工程５５４で測定される共振周波数が既知であり、工程５５６で測定される筺体２０２中のガスの温度Ｔが既知であり、および工程５５８で特定されるガスの圧力が既知であれば、分子量（または、ガスの均質混合物の場合は平均分子量）の正確な測定を行うことができる。次に、方法は、工程５６２へ進む。

【0182】

［工程５６２：結果の通信および記憶］
ガスの分子量は、いくつかの方法で表示させることができる。例えば、筺体２０２またはレギュレーター１５０、２５０に取り付けられたスクリーン（図示せず）に、ガスの分子量（または平均分子量）が表示されてよい。別の選択肢として、圧力測定は、以降で記載するように、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。

【0183】

後に取り出すために、分子量メーター２００、３００、４００、５００。なおさらなる別の選択肢として、時間Ｔ₁でのガスの圧力は、時間ログを作製するために、前記プロセッサー２３０のローカルメモリに記憶されてよい。

【0184】

次に、方法は、工程５６４へ進む。

【0185】

［工程５６４：センサーアセンブリーの電源オフ］
分子量メーター２００、３００、４００、５００を常時作動状態に保持しておく必要はない。逆に、非使用時に分子量メーター２００、３００、４００、５００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２１６の寿命が長くなる。

【0186】

駆動回路２１２の設計により、筺体２０２中の圧力に関係なく、石英水晶発振器２１０の再スタートが可能である。従って、分子量メーター２００、３００、４００、５００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。

【0187】

本発明に従う分子量メーターの重要な適用は、フィードバック式ガスミキサーである。そのような設備では、２つの異なるガスが、精密な濃度および比率で混合される必要がある。これは、例えば、アルゴンおよび二酸化炭素の混合物が必要とされ、二酸化炭素の比率が詳しく定められているＭＩＧ溶接での適用などの状況で必要とされ得る。別の選択肢として、多くのヘルスケアまたは医療での適用においても、ガスの精密な混合物が必要とされ、この場合、特定の種類のガスの相対的比率が、高い精度で既知であることが必要とされ得る。

【0188】

本発明に従うガスミキサーの実施形態を、図１６に示す。図１６は、先の実施形態の分子量メーター５００と共に用いられるガスミキサー６００を示す。

【0189】

ガスミキサー６００は、第一のガス源６０２および第二のガス源６０４を含む。この実施形態では、ガス源６０２、６０４は、高圧下で永久ガスを保存するように構成されるガスシリンダーを含む。各シリンダーは、第一の実施形態で示したバルブ１０４に類似していてよいバルブ（図示せず）を含む。

【0190】

各ガスシリンダー内に含まれるガスは、異なっており、必要とされる用途に応じて選択される。例えば、溶接への適用では、アルゴンおよび二酸化炭素の混合物が用いられる。別の選択肢として、医療への適用では、酸素および窒素の混合物が必要とされ得る。

【0191】

第一および第二のガス源６０２、６０４は、それぞれ、第一および第二の供給ライン６０６、６０８と接続されている。逆止バルブ６１０、６１２が、各々の第一および第二のガス源６０２、６０４の下流の第一および第二の供給ラインにそれぞれ配置され、ガス源６０２、６０４へ向かってのガスの逆流が防止される。

【0192】

さらに、メインバルブ６１４が、逆止バルブ６１０の下流の第一の供給ライン６０６に配置される。メインバルブ６１４は、手動で作動可能であり、適切ないかなる形態を取ってもよい。例えば、メインバルブ６１４は、単純なオン／オフバルブの形態を取ってよく、または流量調節バルブ（adjustable flow valve）、ＶＩＰＲ、もしくはレギュレーターを含んでもよい。別の選択肢として、メインバルブ６１４は、ガスミキサー６００から離れたユーザーによって電子制御されてもよい。ガスの混合物の全体の流速（以降で述べる）は、メインバルブ６１４によって設定される。

【0193】

ソレノイドバルブ６１６が、逆止バルブ６１２の下流の第二の供給ライン６０８に配置される。ソレノイドバルブ６１６は、ソレノイドバルブ６１６の本体に配置される一式のコイル（図示せず）を通る電流に応答して動くことができるアーマチュア（図示せず）を含む。アーマチュアは、ガスがソレノイドバルブ６１６を通ってその下流のコンポーネントへ流れることを可能とするために、ソレノイドバルブ６１６を開または閉とするように動くことができる。

【0194】

ソレノイドバルブ６１６は、通常時開の状態であってよい。言い換えると、ソレノイドバルブ６１６を通る電流が存在しない場合、アーマチュアは、ソレノイドバルブ６１６が開となるように後退した位置にあり、すなわち、第二のガス源６０４からのガスが、そこを通ってソレノイドバルブ６１６の下流のコンポーネントへと流れることができる。ソレノイドバルブ６１６に電流が印加されると、アーマチュアは後退し、ソレノイドバルブ６１６は閉となり、そこを通るガスの流れが止められる。本実施形態では、ソレノイドバルブ６１６は、直線方向に連続的に可変である。

【0195】

当業者であれば、本発明で用いることが可能である異なる型のソレノイドバルブを容易に認識するであろう。例えば、アーマチュアは、選択的作動可能流量制限部（selectably-operable flow restriction）として直接作用してもよい。別の選択肢として、アーマチュアは、ダイアフラムへ直接作用することも可能である。さらなる別の選択肢として、アーマチュアは、ダイアフラムの動きを調節する目的で、ソレノイドバルブ６１６の下流の供給ライン６０８と連結された狭い導管を通る流量を制御することも可能である。そのような設備は、ダイアフラムパイロットバルブとして知られている。ソレノイドバルブ６１６は、以降で述べるように、分子量メーター５００によって制御される。

【0196】

第一および第二の供給ライン６０６、６０８は、いずれも、ミキサーユニット６１８と接続されている。ミキサーユニット６１８は、第一および第二の供給ライン６０６、６０８からの２つの流れを組み合わせ、組み合わされた流れを第三の供給ライン６２０へ送るように作動可能である。ミキサーユニット６１８は、単に２つの流れを組み合わせるように作用し、ガスの比率または各流れの圧力を変化させるものではない。

【0197】

ガスミキサー６００は、第四の実施形態の分子量メーター５００を含む。本設備では、分子量メーター５００は、第三の供給ライン６２０内のその出力部６２２に隣接するその遠位端部に配置される第一の石英水晶発振器２１０を含む。出力部６２２は、大気中へ開放されている。従って、第一の石英水晶発振器２１０が受ける圧力は、良好な近似として、大気圧に相当する。

【0198】

分子量メーター５００はまた、図５の実施形態と同様に、ミキサー６００の外側の、大気圧に暴露される第二の石英水晶発振器５１０も含む。この場合、第二の石英水晶発振器５１０は、出力部近傍（しかし出力部自体ではない）に配置されることで、出力部６２２からのガス流による影響を受けない状態が維持され、正確な圧力の読みが確保される。

【0199】

加えて、分子量メーター５００は、ソレノイドバルブ６１６と、および分子量メーター５００のセンサーアセンブリー２０４と接続された電子ソレノイド駆動部６５２を含む。

【0200】

ソレノイド駆動部６５２は、センサーアセンブリー２０４からのシグナルを受け、そのシグナルに応答してソレノイドバルブ６１６を制御するように構成される。従って、分子量メーター５００は、ソレノイドバルブ６１６を通してガスの流量を制御するように作動可能である。言い換えると、分子量メーター５００およびソレノイドバルブ６１６は、第二の供給ライン６０８に沿ってミキサーユニット６１８までのガスの流れの圧力調節を、精密にリモートで行うことを可能とするフィードバックループを形成する。従って、ミキサーユニット６１８中で混合されるガスの比率を、以降で述べるように、精密に制御することができる。

【0201】

ソレノイド駆動部６５２は、ソレノイドバルブ６１６を制御するための適切ないかなる駆動回路を含んでもよい。１つの適切な回路は、センサーアセンブリー２０４から演算増幅器の負端子への入力を有する演算増幅器の設備であってよい。従って、可変抵抗器が、正端子へ取り付けられてよい。この可変抵抗器は、一定の基準レベルを提供し、比較器として作用するように構成されていてよい。基準レベルは、自動または手動で変更されてよい。

【0202】

センサーアセンブリー２０４からソレノイド駆動部６５２への入力は、ソレノイドバルブ６１６を作動させる。例えば、センサーアセンブリー２０４（または、別の選択肢として、プロセッサー２３０）からの入力シグナルが特定の閾値レベルを超える場合に、ソレノイド駆動部６５２がソレノイドバルブ６１６を作動させてよい。ソレノイドバルブ６１６は、デジタル式に制御されてよく（すなわち、オンまたはオフ）、この場合、ＤＣ電圧が、最大および最小値の間で変化される。別の選択肢として、ソレノイド駆動部６５２からのＤＣ電圧が連続的に可変であって、ソレノイドバルブ６１６を通る流量の制限量が正確に調節されてよい。

【0203】

加えて、または別の選択肢として、ソレノイド駆動部６５２は、ＡＣ成分を含むＤＣ出力によってソレノイドバルブ６１６を制御してもよい。ソレノイドバルブ６１６からのアーマチュアの伸びは、印加電流におよそ比例することから、これは、ソレノイドバルブ６１６のアーマチュアの振動を引き起こす。そのような振動は、アーマチュアの静摩擦を緩和し、すなわち、アーマチュアの引っ掛かりまたは詰まりを防止する手助けとなる。

【0204】

別の選択肢として、ＦＥＴ、プロセッサー、またはＡＳＩＣなどのその他の制御設備が、ソレノイドバルブ６１６の作動の制御に適宜用いられてもよい。さらに、ソレノイドバルブ６１６は、アーマチュアまたは類似物の正確な動きを可能とするために、デジタル（すなわち、オン／オフ）またはアナログ（すなわち、連続的に可変）モードのいずれかで作動されてよい。

【0205】

図１６には、分子量メーター５００の主要なコンポーネントが、ソレノイドバルブ６１６から分離されて示される。このような状況では、ソレノイドバルブ６１６は、センサーアセンブリー２０４とソレノイド駆動部６５２との間のワイヤレス通信によってリモート制御されてよい。

【0206】

ここで、ガスミキサー６００の作動について記載する。これまでに考察したように、分子量メーター５００は、ガスの分子量またはガスの平均分子量を特定することができる。２つのガスが異なる比率で混合される場合、このガス混合物の平均分子量は、各ガスの相対的比率に応じて変化することになる。従って、個別の各ガスの分子量の知見と共に、混合物の平均分子量の測定を行い、ならびに圧力（第二の石英水晶発振器５１０から）および温度（温度センサー２１４から）の測定を行うことにより、混合物中の各ガスの比率を特定することができる。

【0207】

第一のガス源６０２からのガスのメイン流速は、メインバルブ６１４によって設定され、上述のように、これはユーザーによって作動可能である。これが設定されると、分子量メーター５００は、所望される比率のガス混合物を得るために、ソレノイドバルブ６１６を制御して、第二のガス源６０４から正しい量のガスを供給することができる。これは、ソレノイド駆動部６５２によって行われる。

【0208】

従って、第二のガス源６０４からのガスの比率が高過ぎる場合、分子量メーター５００は、ソレノイド駆動部６５２を介して、ソレノイドバルブ６１６を閉じるか、または部分的に閉じ、第二のガス源６０４からのガスの流量を制限する。同様に、第二のガス源６０４からのガスの比率が低過ぎる場合、分子量メーター５００は、ソレノイド駆動部６５２を介して、ソレノイドバルブ６１６を開くか、または部分的に開き、第二のガス源６０４からのガスの流量を増加させる。

【0209】

上記の実施形態は、混合物中の各ガスの比率を信頼性高く、正確に特定し、維持することができる、ガス混合物を提供する低コストで信頼性の高い強固な方法を提供する。

【0210】

ガスミキサー７００の別の選択肢としての実施形態を、図１７に示す。先の実施形態のガスミキサー６００が、ユーザーによって特定される圧力での２つの異なるガスの所望される比例混合物を供給するように作動可能であるのに対し、ガスミキサー７００は、ガス圧力および２つのガスの比率の両方を電子制御するように作動可能である。

【0211】

ガスミキサー７００は、ガスＡを供給するための第一のガス源７０２、およびガスＢを供給するための第二のガス源７０４を含む。本実施形態では、ガス源７０２、７０４は、高圧下の永久ガスを保存するように構成されるガスシリンダーを含む。各シリンダーは、第一の実施形態で示したバルブ１０４に類似していてよいバルブ（図示せず）を含む。各ガスシリンダー内に含有されるガスＡ、Ｂは、異なっており、図１６の実施形態の場合のように、必要とされる用途に応じて選択される。

【0212】

第一および第二のガス源７０２、７０４は、それぞれ、第一および第二の供給ライン７０６、７０８に接続される。逆止バルブ７１０、７１２が、各々の第一および第二のガス源７０２、７０４の下流の第一および第二の供給ラインにそれぞれ配置され、ガス源７０２、７０４へ向かってのガスの逆流が防止される。

【0213】

第一のソレノイドバルブ７１４が、逆止バルブ７１０の下流の第一の供給ライン７０６に配置される。第一のソレノイドバルブ７１４は、第一のソレノイドバルブ７１４の本体に配置される一式のコイル（図示せず）を通る電流に応答して動くことができるアーマチュア（図示せず）を含む。アーマチュアは、ガスが第一のソレノイドバルブ７１４を通ってその下流のコンポーネントへ流れることを可能とするために、第一のソレノイドバルブ７１４を開または閉とするように動くことができる。ガスの混合物の全体としての流速（以降で記載）は、以降で記載するように、ソレノイドバルブ７１４によって設定される。

【0214】

第二のソレノイドバルブ７１６が、逆止バルブ７１２の下流の第二の供給ライン７０８に配置される。ソレノイドバルブ７１６は、第一のソレノイドバルブ７１４と非常に類似しており、ガスが第二のソレノイドバルブ７１６を通ってその下流のコンポーネントへ流れることを可能とするために、開または閉とするように作動可能である。

【0215】

第一および／または第二のソレノイドバルブ７１４、７１６は、通常時開の状態であってよい。言い換えると、第一および／または第二のソレノイドバルブ７１４、７１６を通る電流が存在しない場合、アーマチュアは、ソレノイドバルブ７１４、７１６が開となるように後退した位置にあり、すなわち、第一および／または第二のガス源７０２、７０４からのガスが、そこを通ってソレノイドバルブ７１４、７１６の下流のコンポーネントへと流れることができる。ソレノイドバルブ７１４、７１６に電流が印加されると、アーマチュアは後退し、ソレノイドバルブ７１４、７１６は閉となり、そこを通るガスの流れが止められる。本実施形態では、ソレノイドバルブ７１４、７１６は、直線方向に連続的に可変である。

【0216】

当業者であれば、本発明で用いることが可能である異なる型のソレノイドバルブを容易に認識するであろう。例えば、アーマチュアは、選択的作動可能流量制限部として直接作用してもよい。別の選択肢として、アーマチュアは、ダイアフラムへ直接作用することも可能である。さらなる別の選択肢として、アーマチュアは、ダイアフラムの動きを調節する目的で、ソレノイドバルブ７１４、７１６の下流の供給ライン７０６、７０８と連結された狭い導管を通る流量を制御することも可能である。そのような設備は、ダイアフラムパイロットバルブとして知られている。ソレノイドバルブ７１４、７１６は、以降で述べるように、分子量メーター７５０によって制御される。

【0217】

第一および第二の供給ライン７０６、７０８は、いずれも、ミキサーユニット７１８と接続されている。ミキサーユニット７１８は、第一および第二の供給ライン７０６、７０８からの２つの流れ（すなわち、ガスＡおよびガスＢ）を組み合わせ、組み合わされた流れ（ＡおよびＢの混合物）を第三の供給ライン７２０へ送るように作動可能である。ミキサーユニット７１８は、単に２つの流れを組み合わせるように作用し、ガスの比率または各流れの圧力を変化させるものではない。

【0218】

ガスミキサー７００は、分子量メーター７５０を含む。本設備では、分子量メーター７５０は、これまでに述べたプロセッサー２３０に類似のプロセッサー２３０と接続された第一のセンサーアセンブリー７５２および第二のセンサーアセンブリー７５４を含む。

【0219】

第一のセンサーアセンブリー７５２は、第一のソレノイドバルブ７１４の下流の第一の供給ライン７０６内に配置され、そこのガスに浸漬された第一の石英水晶発振器７５６を含む。第一のセンサーアセンブリー７５２はまた、先の実施形態の駆動回路２１２および電池２１６に非常に類似する駆動回路および電力源（図示せず）も含む。

【0220】

第二のセンサーアセンブリー７５６は、ミキサーユニット７１８の下流の供給ライン７２０内に配置され、そこのガスに浸漬された第二の石英水晶発振器７５８および温度センサー２６０を含む。第二のセンサーアセンブリー７５６はまた、先の実施形態の駆動回路２１２および電池２１６に非常に類似する駆動回路および電力源（図示せず）も含む。

【0221】

加えて、分子量メーター７５０は、ソレノイドバルブ７１４と、およびプロセッサー２３０と接続された第一の電子ソレノイド駆動部７６２、ならびにソレノイドバルブ７１６と、およびプロセッサー２３０と接続された第二の電子ソレノイド駆動部７６４を含む。

【0222】

ソレノイド駆動部７６２は、プロセッサー２３０からのシグナルを受け、そのシグナルに応答してソレノイドバルブ７１４を制御するように構成される。従って、分子量メーター７５０は、出口部７２２から出るガス流の全量を、または別の選択肢として、出口部７２２からの出力圧力を制御するように作動可能である。言い換えると、分子量メーター７５０およびソレノイドバルブ７１４は、第一の供給ライン７０６に沿ってミキサー７１８までのガスの流量の圧力調節を、精密にリモートで行うことを可能とするフィードバックループを形成する。

【0223】

ソレノイド駆動部７６４はまた、プロセッサー２３０からのシグナルを受け、そのシグナルに応答してソレノイドバルブ７１６を制御するようにも構成される。従って、分子量メーター７５０は、ガス源７０２からのガス流に対するガス源７０４からのガス流の比率を制御するように作動可能である。言い換えると、分子量メーター７５０およびソレノイドバルブ７１６は、第一の供給ライン７０６に沿って流れるガスの比率に対しての、第二の供給ライン７０８に沿ってミキサー７１８までのガスの流量の調節を、精密にリモートで行うことを可能とするフィードバックループを形成する。そこで、第二のガス源７０４からのガスの必要とされる比率が、ユニット７１８中で混合される。

【0224】

ソレノイド駆動部７６２、７６４は、対応するソレノイドバルブ７１４、７１６を制御するために適するいかなる駆動回路を含んでいてもよい。１つの適切な回路は、センサーアセンブリー７５２、７５６およびプロセッサー２３０から演算増幅器の負端子への入力を有する演算増幅器の設備であってよい。従って、可変抵抗器が、正端子へ取り付けられてよい。この可変抵抗器は、一定の基準レベルを提供し、比較器として作用するように構成されていてよい。基準レベルは、自動または手動で変更されてよい。

【0225】

プロセッサー２３０からソレノイド駆動部７６２、７６４への入力は、ソレノイドバルブ７１４、７１６を作動させる。例えば、プロセッサー２３０）からの入力シグナルが特定の閾値レベルを超える場合に、ソレノイド駆動部７６２またはソレノイド駆動部７６４が、対応するソレノイドバルブ７１４、７１６を作動させてよい。ソレノイドバルブ７１４、７１６は、ＤＣ電圧が最大および最小値の間で変化されるデジタル式（すなわち、オンまたはオフ）で制御されてよい。別の選択肢として、ソレノイド駆動部７６２、７６４からのＤＣ電圧が連続的に可変であって、対応するソレノイドバルブ７１４、７１６を通る流量の制限量が正確に調節されてよい。

【0226】

加えて、または別の選択肢として、ソレノイド駆動部６５２は、先の実施形態に関連して述べたように、ＡＣ成分を含むＤＣ出力によってソレノイドバルブ６１６を制御してもよい。

【0227】

別の選択肢として、ＦＥＴ、プロセッサー、またはＡＳＩＣなどのその他の制御設備が、ソレノイドバルブ７１４、７１６の作動の制御に適宜用いられてもよい。さらに、ソレノイドバルブ７１４、７１６は、アーマチュアまたは類似物の正確な動きを可能とするために、デジタル（すなわち、オン／オフ）またはアナログ（すなわち、連続的に可変）モードのいずれかで作動されてよい。

【0228】

図１７には、分子量メーター７５０の主要なコンポーネントが、ソレノイドバルブ７１４、７１６から分離されて示される。このような状況では、ソレノイドバルブ７１４、７１６は、プロセッサー２３０とソレノイドバルブ７１４、７１６との間のワイヤレス通信によってリモート制御されてよい。

【0229】

ここで、ガスミキサー７００の作動について記載する。これまでに考察したように、分子量メーター７５０は、ガスＡおよびＢの混合物の平均分子量を特定することができる。加えて、分子量メーター７５０は、ガス圧力を特定するようにも作動可能である。２つのガスが異なる比率で混合される場合、このガス混合物の平均分子量は、各ガスの相対的比率に応じて変化することになる。従って、個別の各ガスの分子量の知見と共に、混合物の平均分子量の測定を行い、ならびに圧力および温度の測定を行うことにより、所望される圧力の出力と共に、混合物中の各ガスの比率を特定することができる。

【0230】

第一のガス源７０２からのガスＡのメイン流速は、ユーザーによって設定されるか、または自動で設定されてもよい。これにより、プロセッサー２３０の設定値が決定される。第一のガス源７０２からのガスＡが、多い方のガスであり、第二のガス源７０４からのガスＢが、少ない方のガスであると仮定する。

【0231】

センサーアセンブリー７５２を用いて、ソレノイドバルブ７１４の下流の圧力Ｐが算出される。第一のガス源の分子量ＭＷ_Aが既知（ガス源７０２からの第一のガスＡがパッケージガスであるために）であることから、ソレノイドバルブ７１４のすぐ下流の圧力は、この場合、方程式１０）から特定することができ：

【数10】

ここで、Ｐは、圧力であり、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、絶対温度（温度センサー７６０で測定される）であり、ＭＷ_Aは、第一のガス源７０２からのガスＡの分子量であり、ρ_Aは、第一の供給ライン７０６のソレノイドバルブ７１４のすぐ下流での測定された密度である。

【0232】

第一の供給ライン７０６で測定される圧力は、ミキサーユニット７１８および出力供給ライン７２０における圧力とおよそ等しいと仮定する。この仮定は、第二のガス源７０４からのガスの比率が、第一のガス源７０２からの多い方のガスと比較して少ない方である場合に適用される。

【0233】

センサーアセンブリー７５２によって測定されるＰの測定値は、次に、所望される出力圧力を達成するためにそれに応じてソレノイドバルブ７１４を制御するように作動可能であるプロセッサー２３０へ入力される。これは、比例に基づいて行われてよく、プロセッサー２３０に記憶されている設定値圧力が測定圧力値から差し引かれ、その間の差異を用いて、ソレノイドバルブが制御される。

【0234】

次に、第三の供給ライン７２０のガスミックスの平均分子量が、センサーアセンブリー７５４によって特定される。本実施形態では、第二の石英水晶発振器７５８は、第三の供給ライン７２０のガス混合物の密度ρ_mixを特定するように作動可能である。次に、ガス混合物の平均分子量ＭＷ_mixは、方程式１１）から特定することができ：

【数11】

ここで、Ｐは、第一のセンサーアセンブリー７５２によって測定される圧力である。ガス混合物の平均分子量（ＭＷ_mix）が算出されると、第二のガス源７０４からの少ない方のガスＢの体積パーセント（％Ｂ）を、方程式１２）に従って特定することができ：

【数12】

これから、次に、方程式１３）が得られる：

【数13】

【0235】

次に、ガスＢの体積パーセントの値（％Ｂ）が、プロセッサー２３０によって、所望される設定値と比較され、それに従ってソレノイドバルブ７１６を制御することができる。従って、分子量メーター７５０は、ガスＡおよびＢの所望される比率の混合物を得る目的で、第二のガス源７０４からガスＢの正しい量を供給するようにソレノイドバルブ７１６を制御することができる。これは、ソレノイド駆動部７６４を介して行われる。

【0236】

従って、第二のガス源７０４からのガスＢの比率が高過ぎる場合、分子量メーター７５０は、ソレノイド駆動部７６４を介して、ソレノイドバルブ７１６を閉じるか、または部分的に閉じ、第二のガス源７０４からのガスＢの流量を制限する。同様に、第二のガス源７０４からのガスの比率が低過ぎる場合、分子量メーター７５０は、ソレノイド駆動部７５４を介して、ソレノイドバルブ７１６を開くか、または部分的に開き、第二のガス源７０４からのガスの流量を増加させる。

【0237】

上記の実施形態は、任意の圧力のガスの正確な混合物を提供する低コストで信頼性の高い強固な方法を提供するものであり、すなわち、ガスの圧力は一定で、混合物中の各ガスの比率を、信頼性高く、正確に維持することができる。

【0238】

ガスミキサー８００の別の選択肢としての実施形態を、図１８に示す。ガスミキサー８００は、ガス圧力および２つのガスの比率の両方を電子制御するように作動可能であり、先の実施形態のガスミキサー７００と共通している。ガスミキサー７００と共通するガスミキサー８００の特徴は、同じ符号が割り当てられ、ここではこれ以上記載しない。

【0239】

ガスミキサー８００は、分子量メーター８５０を含む。本設備では、分子量メーター８５０は、第一のセンサーアセンブリー７５２、第二のセンサーアセンブリー７５４、および第三のセンサーアセンブリー８５２を含む。各センサーアセンブリー７５２、７５４、８５２は、プロセッサー２３０と接続されている。第一および第二のセンサーアセンブリー７５２、７５４は、ガスミキサー７００のものと同一であり、ここではさらに記載しない。

【0240】

第三のセンサーアセンブリー８５２は、第二のソレノイドバルブ７１６の下流の第二の供給ライン７０８内に配置され、そこのガスに浸漬された第三の石英水晶発振器８５６を含む。第三のセンサーアセンブリー８５２はまた、先の実施形態の駆動回路２１２および電池２１６に非常に類似する駆動回路および電力源（図示せず）も含む。

【0241】

ここで、ガスミキサー８００の作動について記載する。これまでに考察したように、分子量メーター８５０は、ガスＡおよびＢの混合物の平均分子量を特定することができる。加えて、分子量メーター８５０は、ガス圧力を特定するようにも作動可能である。２つのガスが異なる比率で混合される場合、このガス混合物の平均分子量は、各ガスの相対的比率に応じて変化することになる。従って、個別の各ガスの分子量の知見と共に、混合物の平均分子量の測定を行い、ならびに圧力および温度の測定を行うことにより、所望される圧力の出力と共に、混合物中の各ガスの比率を特定することができる。

【0242】

第一のガス源７０２からのガスＡのメイン流速は、ユーザーによって設定されるか、または自動で設定されてもよい。これにより、プロセッサー２３０の設定値が決定される。第一のガス源７０２からのガスＡが、多い方のガスであり、第二のガス源７０４からのガスＢが、少ない方のガスであると仮定する。

【0243】

センサーアセンブリー８５２を用いて、第二の供給ライン７０８のソレノイドバルブ７１６の下流の圧力Ｐが算出される。ガスＢの分子量ＭＷ_Bが既知（ガス源７０４からのガスＢがパッケージガスであるために）であることから、ソレノイドバルブ７１６のすぐ下流の圧力は、この場合、方程式１４）から特定することができ：

【数14】

ここで、Ｐは、圧力であり、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、絶対温度（温度センサー７６０で測定される）であり、ＭＷ_Bは、第二のガス源７０４からのガスＢの分子量であり、ρ_Bは、第二の供給ライン７０８のソレノイドバルブ７１６のすぐ下流での測定された密度である。

【0244】

この値は、センサーアセンブリー７５２を用いて、方程式９）で成された計算の代わりに用いることもできる。別の選択肢として、両圧力を測定し、その平均を取ることで、以下の方程式１５）に示されるように、ミキサーユニット７１８の下流の圧力をより良好に推定することもできる：

【数15】

【0245】

センサーアセンブリー７５２およびセンサーアセンブリー８５２によって測定されるＰの測定値は、次に、所望される出力圧力を達成するためにそれに応じてソレノイドバルブ７１４を制御するように作動可能であるプロセッサー２３０へ入力される。これは、比例に基づいて行われてよく、測定圧力Ｐとプロセッサー２３０に記憶されている設定値圧力との差異の時間に関する積分および／または微分を所望に応じて含めてよい。

【0246】

次に、第三の供給ライン７２０のガスミックスの平均分子量が、上記で得られたＰの値を用いて、センサーアセンブリー７５４によって特定される。本実施形態では、第二の石英水晶発振器７５８は、第三の供給ライン７２０のガス混合物の密度ρ_mixを特定するように作動可能である。次に、ガス混合物の平均分子量ＭＷ_mixは、上記の方程式１０）から特定することができ、第二のガス源７０４からの少ない方のガスＢの体積パーセント（％Ｂ）は、上記の方程式１２）および１３）に従って特定することができる。

【0247】

別の選択肢として、ガスＢの体積パーセントの値（％Ｂ）は、測定された密度を用いて、方程式１６）に従って算出することができる：

【数16】

【0248】

加えて、ミキサーの下流の圧力を、必要である場合、方程式１７）から算出することもでき：

【数17】

ここで、ＭＷ_mixは、上記の方程式１２）から特定される。

【0249】

上記実施形態は、任意の圧力のガスの正確な混合物を提供する低コストで信頼性の高い強固な方法を提供するものであり、すなわち、ガスの圧力は一定で、混合物中の各ガスの比率を、信頼性高く、正確に維持することができる。

【0250】

ガスミキサー９００の別の選択肢としての実施形態を、図１９に示す。ガスミキサー９００は、先の実施形態のガスミキサー６００、７００、８００と共通して、２つのガスの比率を電子制御するように作動可能である。しかし、先の実施形態のガスミキサー７００、８００とは対照的に、ガスミキサー９００は、出口部７２２からのガスの質量流速を電子制御するように作動可能である。ガスミキサー７００、８００と共通するガスミキサー９００の特徴は、同じ符号が割り当てられ、ここではこれ以上記載しない。

【0251】

ガスミキサー９００は、分子量メーター９５０を含む。本設備では、分子量メーター９５０は、第一のセンサーアセンブリー７５２および質量流量アセンブリー９５２を含む。各アセンブリー７５２、９５２は、プロセッサー２３０と接続されている。第一のセンサーアセンブリー７５２は、ガスミキサー７００、８００のものと同一であり、ここではさらに記載しない。

【0252】

質量流量アセンブリー９５２の実施形態を、図２０に示す。質量流量アセンブリー９５２のさらなる実施形態を、図２１に示す。

【0253】

まず図２０の質量流量アセンブリー９５２を参照すると、質量流量アセンブリー９５２は、本体９５４およびセンサーアセンブリー９５６を含む。センサーアセンブリー９５６は、先の実施形態のセンサーアセンブリーと非常に類似しており、それには、同じ符号が用いられる。

【0254】

本体９５４は、適切ないかなる材料を含んでもよく；例えば、鋼鉄、アルミニウム、またはコンポジットである。本体９５４は、導管９５８および筺体９６０を含む。導管９５８は、供給管７２０の内部と連結されており（図１９）、それと接続するように構成されている。導管９５８は、出口部７２２と供給管７２０との間の連結経路を提供する。

【0255】

オリフィスプレート９６２が、導管９５８の内部に配置される。オリフィスプレート９６２は、制限オリフィス９６４の境界を定める壁部を含む。オリフィスプレート９６２は、導管９５８内の流量制限部を形成する。オリフィス９６４は、導管９５８の断面積と比べて小さい断面積Ａを有し、それによって、後述するように、オリフィス９６４を通る流速は、チョーク状態（choked condition）となっている。

【0256】

オリフィスプレート９６２は、図２０において薄肉プレートとして示されるが、そうである必要はない。オリフィスプレート９６２は、適切ないかなる壁部の形態を取ってもよく、次第に薄くなるプロファイルを有してよく、または示したものよりも大きい厚さを有してもよい。別の選択肢として、オリフィスプレート９６２の代わりに、適切ないかなる流量制限部が用いられてもよい。例えば、流量制限部は、残りの部分よりも狭い直径のチューブの一部を含んでよい。当業者であれば、使用時にそれを通してチョーク流が発生する流量制限オリフィス９６４を提供するために用いられてよい別の選択肢としての流量制限部を容易に認識するであろう。

【0257】

本実施形態において、導管９５８は、数センチメートルのオーダーの長さを有する。オリフィスプレート９６２は、０．１ｍｍ〜４ｍｍの範囲の直径を有するオリフィス９６４の境界を定める。これは、チョーク流状態を提供し、窒素またはアルゴンなどのガスに場合に、１から４０リットル／分のガス流速を、オリフィス９６４を通して供給するのに充分である。これよりも分子量が低いガスの混合物の場合、類似の流速を得るために、オリフィス９６４の直径は、スケールダウンされてよい。別の選択肢として、より大きい流速のためには、オリフィス９６４を通してチョーク流状態を作り出すために、上流の圧力が下流の圧力よりも充分に高い限りにおいて、オリフィス９６４は、それに応じてスケールアップされてよい。

【0258】

オリフィスプレート９６２は、導管９５８の内部を、オリフィスプレート９６２の上流にある上流セクション９６６、およびオリフィスプレート９６２の下流にある下流セクション９６８に分割する。使用時、ガスが、供給管７２０から導管９５８の上流部分９６６へ流れると、オリフィスプレート９６２は、流量制限部として作用し、その結果、導管９５８の上流部分９６６と下流部分９６６との間に圧力差をもたらす。従って、導管９５８の上流部分９６６は、第一の圧力Ｐ₁および密度ρ₁であり、導管の下流部分９６８は、第二の（そして使用時は、低い方の）圧力Ｐ₂および密度ρ₂である。これについては、より詳細に後述する。

【0259】

筺体９６０は、導管９５８の上流部分９６６に隣接して配置され、センサーアセンブリー９５６の少なくとも一部を含有するように構成される。筺体９６０の内部は、大気圧であってよく、または導管９５８の内部と連結されていてよく、従って、供給ライン７２０の内部と同じ圧力であってもよい。これにより、筺体９６０と導管９５８の内部との間の圧力フィードスルー（pressure feed-through）の必要性が排除される。

【0260】

別の選択肢として、筺体９６０は、導管９５８の一部として提供されてよい。例えば、導管９５８の一部が、センサーアセンブリー９５６を収容するために広げられてよい。

【0261】

質量流量アセンブリー９５４は、オリフィス９６４を通るガスの質量流速を測定するように構成される。このガスは、センサーアセンブリー９５６によって測定される。センサーアセンブリー９５６は、先の実施形態で述べたように、駆動回路２１２、温度センサー２１４、および電池２１６と接続された石英水晶発振器２１０を含む。

【0262】

本実施形態では、石英水晶発振器２１０および温度センサー２２２は、導管９５８の上流部分９６６の内部と連結されて配置され、一方センサーアセンブリー９５６の残りのコンポーネントは、筺体９６０内に配置される。言い換えると、石英水晶発振器２１０は、オリフィスプレート９６２の上流のガスに浸漬される。

【0263】

密度値が石英水晶発振器２１０から得られると、オリフィス９６４を通るガスの質量流速を、プロセッサー２３０によって特定することができる。オリフィスを通るこの質量流速は：

【数18】

として定義され、ここで、ｋは、定数であり、ｖは、ガスの速度であり、ρ₁は、ガスの上流密度であり、Ａは、オリフィスＡの断面積である。しかし、ベルヌーイ方程式１９）からは、以下の通りである：

【数19】

【0264】

オリフィスの断面積が小さくなると、ガスの速度は上昇し、ガスの圧力は低下する。

【0265】

オリフィス９６４を通る質量流速の特定は、「チョーク」または「臨界」流として知られる状態に依存する。そのような状況が発生するのは、ガスの速度が音速状態となる場合、すなわち、オリフィスプレート９６２によって引き起こされる流量の制限が、オリフィス９６４を通って流れるガスの速度を音速に到達させるようなものである場合である。これは、オリフィス９６４の前後の圧力比（すなわち、Ｐ₁／Ｐ₂）が、およそ２以上である場合に発生する。別の選択肢としての方法として、この状態は、上流の絶対圧力Ｐ₁が、下流の絶対圧力Ｐ₂よりも少なくとも０．５〜１バール高い場合にも一般的に該当する。

【0266】

この条件が満たされると、オリフィス９６４を通る空気の速度のさらなる増加はほとんどない。従って、ｖ＝ｃ（問題となるガス中での音速）であるチョーク流状態では、方程式１８）は、以下のようになる：

【数20】

【0267】

従って、固定された断面積Ａを有するオリフィスの場合、オリフィス９６４を通る質量流量は、上流密度のみに依存する。これは、石英水晶発振器２１０が測定するように構成されるパラメーターである。

【0268】

図２２は、質量流速測定の実験データを示す。図２２は、窒素ガスの場合の、Ｘ軸のガス流速（リットル／分）の関数としての、Ｙ軸の共振周波数（ｋＨｚ）のグラフである。示されるように、グラフは高い直線性を有し、石英水晶発振器２１０を用いて質量流速を正確に測定することができることを示している。

【0269】

さらに、石英水晶発振器２１０の高い精度により、百万分率の分解能での非常に高い精度までの測定が可能となる。高い密度および圧力での石英密度センサー２１０の直線応答と合わせて、この高い精度により、Ｈ₂およびＨｅなどの非常に軽いガスの質量流速の正確な測定が可能となる。

【0270】

しかし、上述のように、石英水晶発振器２１０を用いた質量流量測定は、チョーク流状態下でのみ、すなわち、オリフィス９６４を通る流速が、そのガス中の音速に近いかまたは等しい場合にのみ正確である。このことは、実際には、正確な測定を得るために、供給ライン７２０を通る特定の最小ガス流を維持することをユーザーに求めることになる。

【0271】

その結果として、単独で作動する単一の上流石英水晶発振器２１０は、オリフィス９６４を通してチョーク流状態が存在するかどうかを示すことができない。図２１の実施形態は、この態様に対処するよう作動可能である。

【0272】

図２１の質量流量アセンブリー９５２では、さらなる石英水晶発振器９７２を含むさらなるセンサーアセンブリー９７０が提供される。オリフィス９６４の上流および下流の両方で圧電センサーを用いることにより、正確な流量測定を達成することが可能となる。

【0273】

方程式１９）に関して上記で示したように、質量流速Ｑは、オリフィス９６４を通る流体流の速度が音速であるか、または音速に近い場合、上流密度ρ₁に比例する。上記で示したように、この条件が満たされるのは、一般的に、上流圧力の下流圧力に対する比率（すなわち、Ｐ₁／Ｐ₂）が、およそ２以上である場合である。

【0274】

しかし、実際には、圧力比は不充分であり得る。ベルヌーイの方程式、ならびにチョーク流および音速の確立された理論を適用することで、方程式２１）が得られ、

【数21】

ここで、ｋ’は、無次元の定数であり、Ａは、オリフィスの面積であり、ρ₁は、上流密度であり、ρ₂は、下流密度である。

【0275】

明らかに、ρ₁／ρ₂≧２である場合、チョーク流状態がオリフィス９６４の前後で存在すると考えられることから、方程式２１）は、上記の方程式２０）で近似することができる。従って、この場合は、第一のセンサーアセンブリー９５６のみからの測定値を用いることで、ρ₁／ρ₂≧２である状況での質量流速の正確な示度を得ることができる。

【0276】

しかし、比率がこれよりも低い場合、方程式１８）を用いることで、上流密度ρ₁および下流密度ρ₂の測定にそれぞれ両センサーアセンブリー９５４、９７０を用いて質量流速を算出し、チョーク流に達しない状態におけるオリフィス９６４を通る流速での質量流速を特定することができる。

【0277】

図１９に戻ってこれを参照すると、図２０の質量流量アセンブリー９５２または図２１の質量流量アセンブリー９５２のいずれかを、ガスミキサー９００と共に用いることができる。

【0278】

ここで、ガスミキサー９００の作動について記載する。これまでに考察したように、分子量メーター９５０は、ガスＡおよびＢの混合物の平均分子量を特定することができる。加えて、分子量メーター９５０は、出口部７２２からの質量流速を特定し、電子設定するように作動可能である。

【0279】

２つのガスが異なる比率で混合される場合、このガス混合物の平均分子量は、各ガスの相対的比率に応じて変化することになる。従って、個別の各ガスの分子量の知見と共に、混合物の平均分子量の測定を行い、ならびに圧力および温度の測定を行うことにより、所望される質量流量の出力と共に、混合物中の各ガスの比率を特定することができる。

【0280】

ガス混合物の所望される質量流速は、ユーザーによって設定されるか、または自動設定されてもよい。これにより、プロセッサー２３０の設定値が決定される。第一のガス源７０２からのガスＡが、多い方のガスであり、第二のガス源７０４からのガスＢが、少ない方のガスであると仮定する。

【0281】

先の実施形態と共通して、センサーアセンブリー７５２を用いて、ソレノイドバルブ７１４の下流の圧力Ｐが算出される。第一のガス源の分子量ＭＷ_Aが既知（ガス源７０２からの第一のガスＡがパッケージガスであるために）であることから、ソレノイドバルブ７１４のすぐ下流の圧力は、この場合、上記の方程式１０）から特定することができる。

【0282】

センサーアセンブリー７５２によって測定されるＰの測定値は、次にプロセッサー２３０によって用いられる。第三の供給ライン７２０のガスミックスの平均分子量が、質量流量アセンブリー９５２の一部を形成するセンサーアセンブリー９５６によって特定される。本実施形態では、石英水晶発振器２１０は、先の実施形態の発振器７５８と共通して、第三の供給ライン７２０の、または導管９５４の上流部分９６６のガス混合物の密度ρ_mixを特定するように作動可能である。次に、ガス混合物の平均分子量ＭＷ_mixは、上記方程式１０）から、プロセッサー２３０によって特定することができる。

【0283】

方程式２０）（ここで、方程式２０）中のρ₁は、ρ_mixに相当する）に従って質量流速を算出するためには、この場合、方程式２２）から、ガス混合物中の音速を算出する必要があり：

【数22】

ここで、γは、定圧および定体積での比熱の比であり（ガスに応じて１．３から１．６６７ − これは、例えば多い方のガスに対して、ユーザーによってプリセットされてよい）、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、オリフィス９６４の前の混合物の絶対温度である。

【0284】

次に、流速を、方程式２３）に従って算出することができる：

【数23】

【0285】

次に、流速値Ｑを、予め定めた設定値と比較し、その差異（比例的、所望に応じて時間に関する積分および／または微分を含めてよい）をバルブ７１４にフィードバックすることにより、それに応じた質量流速の調節を行うことができる。

【0286】

第二のガス源７０４からの少ない方のガスＢの体積パーセント（％Ｂ）を、上記の方程式１１）および１２）に従って特定し、分子量メーター９５０により、それを適宜調節することができる。

【0287】

上記実施形態は、任意の質量流速のガスの正確な混合物を提供する低コストで信頼性の高い強固な方法を提供するものであり、すなわち、ここで、ガスの一定の質量流量が必要とされ、および混合物中の各ガスの比率を、信頼性高く、正確に維持することができる。

【0288】

ガスミキサー１０００の別の選択肢としての実施形態を、図２３に示す。ガスミキサー１０００は、先の実施形態のガスミキサー６００、７００、８００、９００と共通して、２つのガスの比率を電子制御するように作動可能である。

【0289】

図１８のガスミキサー８００と共通して、ガスミキサー１００は、出口部７２２からのガスの質量流速を電子制御するように作動可能である。ガスミキサー７００、８００、９００と共通するガスミキサー１０００の特徴は、同じ符号が割り当てられ、ここではこれ以上記載しない。

【0290】

ガスミキサー１０００は、分子量メーター１０５０を含む。本設備では、分子量メーター１０５０は、図１８のガスミキサー８００の第一のセンサーアセンブリー７５２および第二のセンサーアセンブリー７５４を含む。加えて、分子量メーター１０５０は、質量流量アセンブリー１０５２も含む。質量流量アセンブリー１０５２は、ソレノイドバルブ７１４の下流およびセンサーアセンブリー７５６の上流の第一の供給ライン７０６に配置される。

【0291】

各アセンブリー７５２、７５６、１０５２は、プロセッサー２３０と接続されている。第一のセンサーアセンブリー７５２および第二のセンサーアセンブリー７５６は、ガスミキサー７００、８００のものと同一であり、ここではさらに記載しない。質量流量アセンブリー１０５２は、図２０または２１のいずれかに示される質量流量アセンブリー９５２と非常に類似している。本設備において、いずれが用いられてもよい。構造を記載する目的で、本実施形態における違いは、質量流量アセンブリー１０５２が、先の実施形態の場合のようにミキサーユニット７１８の下流ではなく、その上流の第一の供給ライン７０６に配置されることである。

【0292】

ここで、分子量メーター１０５０の作動について記載する。本実施形態では、質量流量アセンブリー１０５２は、分子量特定とは本質的に独立しており、石英密度センサー２１０が両機能のために用いられた先の実施形態とは対照的である。

【0293】

本実施形態では、質量流量アセンブリー１０５２は、石英水晶発振器２１０を用いてのオリフィス９６４の上流のガスＡの密度（ρ_A）の測定のためにまず用いられる（図２０／２１）。オリフィス９６４の上流の絶対温度も、温度センサー２１４を用いて測定される。第一のガス源７０２からのガスＡの質量流速を、次に、方程式２２）および２３）から特定することができる。

【0294】

次に、流速を、方程式２４）に従って算出することができ：

【数24】

ここで、

【数25】

であり、ここで、γは、定圧および定体積での比熱の比であり（ガスに応じて１．３から１．６６７ − これは、例えば多い方のガスに対して、ユーザーによってプリセットされてよい）、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、オリフィス９６４の前のガスＡの絶対温度である。

【0295】

次に、プロセッサー２３０に入力された設定値を用いてソレノイドバルブ７１４を制御し、オリフィス９６４を通るガスＡの一定流量を維持することができる。この手法を用いることは、単一のガス、ガスＡ中でチョーク流状態が発生していることから、ガス混合物中の音速のための補正が必要ではないという利点を有する。

【0296】

次に、質量流量アセンブリー１０５２の下流の圧力Ｐを、方程式２６）に従ってセンサーアセンブリー７５２によって特定することができ：

【数26】

ここで、ρ’_Aは、センサーアセンブリー７５２の石英水晶発振器７５６によって測定される、オリフィス９６４の下流のガスＡの密度である。

【0297】

加えて、石英水晶発振器７５６を用いて、質量流量アセンブリー１０５２の作動をチェックし、必要に応じて、図２１に記載の実施形態の操作に従って、補正を提供することもできる。

【0298】

圧力Ｐが特定されると、ミックスの平均分子量、および％Ｂ値を、第二のセンサーアセンブリー７５４、および上記で列挙し、先の実施形態に関連して述べた方程式１１）から１３）を用いて特定することができる。

【0299】

加えて、追加のセンサーアセンブリーが、そのように所望される場合は、図１８の実施形態の方法で、第二の供給ライン７０８に配置されてもよい。

【0300】

上記の実施形態の変更は、当業者に明らかである。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。

【0301】

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２４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。

【0302】

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。

【0303】

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外部の大気に開放されていてよい。

【0304】

適切なセンサーアセンブリー１１００を図２５に示す。センサーアセンブリー１１００は、第一の石英水晶発振器１１０２および第二の石英水晶発振器１１０４を含む。第一の石英水晶発振器１１０２は、真空下の密封容器１１０６内に配置される参照水晶である。第一の石英水晶発振器１１０２は、駆動回路１１０８によって駆動される。

【0305】

第二の石英水晶発振器１１０４は、先の実施形態で述べた水晶２１０に類似の水晶である。第二の石英水晶発振器１１０４は、筺体１１０６内のガス環境に暴露される。第二の石英水晶発振器１１０４は、駆動回路１１１０によって駆動される。

【0306】

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１１１４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。

【0307】

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、センサーアセンブリー９５６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。

【0308】

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。

【0309】

本設備の例を、図２６を参照して示す。この設備は、ガスシリンダー１２００、レギュレーター１２０２、および分子量メーター１２０４を有するガスシリンダーアセンブリー１２００を含む。ガスシリンダー１２００、レギュレーター１２０２、および分子量メーター１２０４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１００、レギュレーター１５０、および分子量メーター２００、３００、４００、５００に非常に類似している。

【0310】

本実施形態では、分子量メーター１２０４は、先の実施形態の石英水晶発振器２１０および駆動回路２１２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１２０６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。

【0311】

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。

【0312】

接続管１２０８が、ガスシリンダー１２００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）１２１０が末端に接続されている。このクイックコネクト接続部１２１０は、接続配管またはコンポーネントとガスシリンダー１２００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。

【0313】

クイックコネクトユニット１２５０は、ガスシリンダー１２００との接続のために提供される。コネクター１２０８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１２１２が提供される。さらに、クイックコネクトユニット１２５０は、データユニット１２５２を備える。データユニット５５２は、ディスプレイ１２５４、およびガスシリンダーアセンブリー１２０のアンテナ１２０４との通信のためのアンテナ１２５６を含む。ディスプレイ１２５４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、ＬＣＤ、ＬＥＤ、または昼光視認可能ディスプレイ（daylight-readable display）を含んでよい。

【0314】

データユニット１２５２は、ガスシリンダーアセンブリー１２００のセンサーアセンブリー１２０２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１２５２は、時間に対する分子量を記録してよい。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企業へ提供するために、有用であり得る。

【0315】

加えて、データユニット１２５０は、以下の機能：ガスの種類が変わった際の聞こえる、または見える形でのアラームを提供すること；ガスの種類についてのデータを含有し、それを表示すること；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；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。

【0316】

別の選択肢として、上記の例のすべては、所望に応じて、分子量メーター２００、３００、４００、５００に関して考察したように、全体がガスシリンダー１００または筺体２０２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。

【0317】

上記の例は、所望されるいかなる比率でも、および予め特定された質量流速または圧力にて、２つのガスを混合するように作動可能であるミキサー設備を例示する。しかし、これらの設備を直列にして、３つ以上のガスを混合できるようにすることも可能である。例えば、追加のセンサーアセンブリーが、出力部７２２に付加されてよく、および追加のセンサーアセンブリーが、追加のガス源Ｃに付加されてよい。一般的に、Ｎ個の成分の混合物を得るためには、（２Ｎ−１）個のセンサーアセンブリーが必要である。

【0318】

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。

【0319】

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】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図25】

【図26】

【図10】

【図24】