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专利名称：测量机器部件与传感器的接近度的传感器组件和方法
技术领域：
本申请大体上涉及功率系统(power system)，更具体地涉及测量机器部件相对于传感器的接近度的传感器组件和方法。
背景技术：
已知的机器可在运行期间展现振动和/或其他异常行为。一个或多个传感器可用于测量和/或监测这样的行为并且确定例如在机器传动轴中展现的振动量、该机器传动轴的转速和/或运行机器或马达的任何其他运行特性。通常，这样的传感器耦合于包括多个监测器的机器监测系统。该监测系统从一个或多个传感器接收信号、执行关于这些信号的至少一个处理步骤和传送修改的信号到诊断平台，其向用户显示测量。至少一些已知的机器使用涡流传感器来测量机器部件中的振动和/或机器部件的相对位置。然而，已知的涡流传感器的使用可受到限制，因为这样的传感器的检测范围仅是涡流感测元件的宽度的大约一半。其他已知的机器使用光学传感器来测量机器部件的振动和/或位置。然而，已知的光学传感器可由污染物弄脏并且提供不准确的测量，并且如此可不适合于工业环境。此外，已知的光学传感器可不适合用于通过液体介质和/或包括微粒的介质来检测机器部件的振动和/或位置。此外，至少一些已知的接近传感器包括探头和信号处理器。已知的探头包括天线， 其产生一个或多个信号并且从紧密接近该天线的物体接受一个或多个反射信号。该探头传送反射信号到信号处理器用于处理和/或用于在计算接近度测量中使用。这样的信号典型地经由在探头和信号处理器之间延伸的数据电缆传送。然而，取决于探头和信号处理器之间的距离，在探头和信号处理器之间传送的信号可由于该数据电缆的阻抗而在幅度和/或功率上衰减。这样的衰减可使信号处理器产生不准确的接近度测量。如此，已知的接近度传感器的使用可受到限制。

发明内容
在一个实施例中，提供用于在监测机器部件中使用的传感器组件，其包括信号处理装置和至少一个探头。该至少一个探头包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器，其中当机器部件安置在该电磁场内时该发射器失谐使得产生加载信号。该至少一个探头还包括耦合于该发射器并且配置成无线传送该加载信号到该信号处理装置的传送器。在另一个实施例中，提供功率系统，其包括机器，该机器包括至少一个部件和接近该至少一个部件安置的传感器组件。该传感器组件包括信号处理装置和至少一个探头。该至少一个探头包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器，其中当机器部件安置在该电磁场内时该发射器失谐使得产生加载信号。该至少一个探头还包括耦合于该发射器并且配置成无线传送该加载信号到该信号处理装置的传送器。在再另一个实施例中，提供用于测量机器部件接近度的方法。该方法包括从至少一个微波信号产生电磁场并且产生代表该电磁场中断的加载信号。该加载信号无线传送到信号处理装置，并且该至少一个机器部件的接近度基于接收的该加载信号而计算。


图1是示范性功率系统的框图。图2是可与在图1中示出的功率系统一起使用的示范性传感器组件的框图。图3是可与在图1中示出的功率系统一起使用的备选传感器组件的框图。图4是可与在图1中示出的功率系统一起使用的另一个备选传感器组件的框图。
具体实施例方式图1示出包括机器102的示范性功率系统100。在示范性实施例中，机器102可以是，但不限于，只是风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机或压缩机。备选地，机器102可以是在功率系统中使用的任何其他机器。在示范性实施例中，机器102使耦合于负载106(例如发电机等)的传动轴104旋转。在示范性实施例中，传动轴104至少部分由容置在机器102内和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支撑。备选地或另外，这些轴承可容置在例如变速箱等独立支撑结构108内或在使功率系统100能够起到如本文描述的作用的任何合适的结构或部件内。在示范性实施例中，功率系统100包括至少一个传感器组件110，其测量和/或监测机器102、传动轴104、负载106和/或使系统100能够起到如本文描述的作用的任何其他部件的至少一个运行状况。更具体地，在示范性实施例中，传感器组件110是紧密地接近传动轴104安置用于测量和/或监测在传动轴104和传感器组件110之间限定的距离(在图1中未示出)的接近度传感器组件110。此外，在示范性实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量功率系统100的部件关于传感器组件110的接近度。如本文使用的，术语 “微波”指接收和/或传送具有在大约300兆赫(MHz)至大约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号。备选地，传感器组件110可测量和/或监测功率系统100的任何其他部件，并且/或可以是使功率系统100能够起到如本文描述的作用的任何其他传感器或换能器。在示范性实施例中，每个传感器组件110安置在功率系统100内的任何位置中。此夕卜，在示范性实施例中，至少一个传感器组件110耦合于诊断系统112用于在处理和/或分析由传感器组件110产生的一个或多个信号中使用。在运行期间，在示范性实施例中，机器102的运行可使功率系统100的一个或多个部件(例如传动轴104)关于至少一个传感器组件110改变位置。例如，可引起部件振动并且/或部件可随着功率系统内的运行温度变化而伸展或收缩。在示范性实施例中，传感器组件110测量和/或监测部件相对于每个传感器组件110的接近度、位置和/或振动量，并且传送代表测量的部件的接近度、位置和/或振动量的信号(在下文中称为“接近度测量信号”)到诊断系统112用于处理和/或分析。图2是可与功率系统100(在图1中示出)一起使用的示范性传感器组件110的示意图。在示范性实施例中，传感器组件Iio包括信号处理装置200和经由数据连接204 与信号处理装置200通信的探头202。在示范性实施例中，数据连接204是无线数据连接 204，其使探头202能够与信号处理装置200无线通信。此外，在示范性实施例中，探头202包括耦合于探头外壳208或安置在探头外壳208内的发射器206。更具体地，在示范性实施例中，探头202是包括微波发射器206的微波探头202。如此，在示范性实施例中，发射器 206具有在微波频率范围内的谐振频率。此外，在示范性实施例中，探头202包括传送器210和信号发生器212，其集成在探头外壳208内并且/或安置在探头外壳208内。备选地，传送器210和/或信号发生器 212可安置在耦合于探头外壳208的任何其他外壳或结构(未示出)内。传送器210、信号发生器212和/或探头202的任何其他部件可从电池(未示出)、从电力管道(未示出) 和/或从使传感器组件110能够起到如本文描述的作用的任何其他电源接收电力。在示范性实施例中，传送器210是无线传送器210，其经由数据连接204传送数据到信号处理装置 200。更具体地，在示范性实施例中，传送器210经由任何无线协议和/或传输机制传送数据到信号处理装置200。这样的无线协议和/或传输机制可包括，但不限于只包括无线以太网、ZigBee、蓝牙、红外通信、微波通信和/或任何其他射频或无线通信协议和/或介质。此外，在示范性实施例中，传送器210包括用于在存储信号数据中使用的存储器 214。例如，存储器214可包括，但不限于只包括随机存取存储器(RAM)、闪速存储器和/或任何其他存储电路和/或使传感器组件110能够起到如本文描述的作用的装置。在示范性实施例中，存储器214从发射器206接收信号并且存储代表这些信号的数据用于传送到信号处理装置200。更具体地，在示范性实施例中，如果例如数据连接204等通信链路中断， 则存储器214缓冲数据。当恢复数据连接204时，传送器210从存储器214检索数据并且传送该数据到信号处理装置200。如此，存储器214和传送器210便于防止在数据连接204 中断期间来自发射器206的数据损失。在示范性实施例中，信号发生器212是振荡器，其产生具有等于或近似等于发射器206的谐振频率的微波频率的至少一个电信号(在下文中称为“微波信号”)。备选地， 信号发生器212可以是产生微波信号的任何电路和/或装置。信号发生器212传送该微波信号到发射器206用于在产生电磁场216中使用。在示范性实施例中，接收器218集成和/或安置在信号处理装置200内。在示范性实施例中，接收器218通信地耦合于传送器210。更具体地，在示范性实施例中，接收器 218是无线接收器218，其经由数据连接204从传送器210接收数据。此外，在示范性实施例中，探头202包括集成在探头外壳208内的定向耦合装置 220。更具体地，定向耦合装置220耦合于天线206、传送器210和信号发生器212。在示范性实施例中，信号发生器212经由定向耦合装置220传送微波信号到发射器206，并且定向耦合装置220传送微波信号的反射到传送器210，如在本文更充分描述的。传送器210传送反射微波信号或代表反射微波信号的数据到接收器218。在备选实施例中，定向耦合装置 220安置在信号处理装置200内。在这样的实施例中，反射微波信号可传送到接收器218并且接收器218传送反射微波信号到定向耦合装置220。在示范性实施例中，接收器218从传送器210接收代表反射微波信号的数据。此夕卜，在示范性实施例中，接收器218从该数据再生反射微波信号，并且传送该反射微波信号到接收功率检测器224。备选地，接收器218传送代表反射微波信号的一个或多个特性的一个或多个信号到接收功率检测器224，例如包含在反射微波信号中的功率量、反射微波信号的频率、反射微波信号的幅度和/或反射微波信号的任何其他特性。
在示范性实施例中，信号处理装置200还包括传送功率检测器222和信号调节装置226。在示范性实施例中，信号调节装置2 包括信号参考228、减法器230和线性化器 232。传送功率检测器222耦合于信号参考2 和减法器230。此外，减法器230耦合于接收功率检测器2M和线性化器232。在运行期间，在示范性实施例中，信号发生器212产生至少一个微波信号并且传送该微波信号到发射器206。当该微波信号传送通过发射器206时，电磁场216从发射器 206发射并且从探头外壳208出来。如果例如传动轴104或机器102(在图1示出)和/ 或功率系统100的另一个部件等物体进入电磁场216内并且/或改变电磁场216内的相对位置，电磁耦合可在该物体和磁场216之间发生。更具体地，因为该物体的存在和/或因为这样的物体移动，电磁场216可例如被打乱，因为在该物体内引起的感应和/电容效应可使电磁场216的至少一部分作为电流和/或电荷感应地和/或电容性地耦合于部件。在这样的实例中，发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变)并且引起对发射器206加载(loading)。引起发射器206加载使微波信号的反射(在下文中称为“失谐加载信号”)和/或代表该失谐加载信号的数据经由定向耦合装置220、传送器210和数据连接204传送到接收器218。在示范性实施例中，该失谐加载信号具有比微波信号的功率幅度更低的功率幅度和/或与微波信号的相位不同的相位。此外，在示范性实施例中，该失谐加载信号的功率幅度取决于物体到发射器206的接近度。如此，在示范性实施例中，传送器 210在计算接近度测量之前传送该失谐加载信号和/或代表该失谐加载信号的数据到接收器218。因此，探头202和/或探头外壳208包括仅最少的部件，其使探头202和/或探头外壳208与包括另外的信号处理部件的探头相比能够在尺寸上更小。在示范性实施例中，接收器218传送失谐加载信号和/或代表失谐加载信号的数据到接收功率检测器224。在示范性实施例中，接收功率检测器2M确定基于失谐加载信号和/或包含在失谐加载信号内的功率的量并且传送代表该确定的失谐加载信号的信号到信号调节装置226。在示范性实施例中，信号参考2 传送与由信号发生器212产生的微波信号大致上相似的微波信号(在下文中称为“参考信号”)到传送功率检测器222。更具体地，在示范性实施例中，信号参考2 传送参考信号，其具有例如频率、幅度、功率的量和/或任何其他特性等一个或多个特性，这与由信号发生器212产生的微波信号的一个或多个特性大致上相等。传送功率检测器222确定基于参考信号和/或包含在参考信号内的功率的量并且传送代表该参考信号功率的信号到信号调节装置226。在示范性实施例中，减法器230接收参考信号功率和失谐加载信号功率，并且计算参考信号功率和失谐加载信号功率之间的差。减法器230传送代表该计算差的信号(在下文中称为“功率差信号”)到线性化器232。 在示范性实施例中，该功率差信号的幅度与在电磁场216内的物体和探头202之间限定的距离234( S卩，距离234称作物体接近度)成比例，例如反比例或指数比例。取决于发射器 206的特性(例如发射器206的几何形状)，功率差信号的幅度可关于物体接近度至少部分展现非线性关系。在示范性实施例中，线性化器232将功率差信号转变成电压输出信号(即，“接近度测量信号”)，其在物体接近度和接近度测量信号的幅度之间展现大致上线性关系。此外， 在示范性实施例中，线性化器232传送接近度测量信号到诊断系统112 (在图1中示出)，该接近度测量信号具有适合用于在诊断系统112内处理和/或分析的比例因子。在示范性实施例中，接近度测量信号具有每毫米电压数的比例因子。在示范性实施例中，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或功率系统100能够起到如本文描述的作用的任何其他比例因子。在备选实施例中，信号处理装置200不包括传送功率检测器222。相反，在这样的实施例中，信号参考2 存储代表包含在由信号发生器212产生的微波信号内的功率的量的数据。在这样的实施例中，信号参考2 直接传送确定的微波信号功率数据到减法器 230，并且减法器230将微波信号功率数据与失谐加载信号功率数据比较以计算功率差信号。功率差信号如上文描述的那样传送到线性化器232。在另一个实施例中，传送功率检测器222和/或接收功率检测器2 可代替安置在信号处理装置200而安置在探头202内。在这样的实施例中，省略信号参考2 并且传送功率检测器222经由传送器210传送代表包含在微波信号(从信号发生器212和/或定向耦合装置220接收的)中的功率的数据到接收器218。此外，接收功率检测器2M经由传送器210传送代表包含在失谐加载信号中的功率的数据到接收器218。该微波信号功率数据和失谐加载信号功率数据可通过减法器230比较并且功率差信号如上文描述的那样传送到线性化器232。备选地，减法器230还可安置在探头202内并且可省略信号参考228 使得仅接收器218和线性化器232安置在信号处理装置200内。此外，在一个实施例中，探头202和/或信号处理装置可包括功率管理系统(未示出)，其使探头202和/或信号处理装置内的一个或多个部件例如在预定的闲置期后或在第一预定时段过去后断电。该第一预定时段可以是大约1秒、大约1分钟或使探头202和 /或信号处理装置200能够测量物体相对于发射器206和/或探头202的接近度、位置和/ 或振动量的任何其他时段。在这样的实施例中，功率管理系统可使探头202和/或信号处理装置的部件例如在第二预定时段过去后和/或当另一个事件发生(例如用户发起的唤醒事件)时通电。该第二预定时段可以是大约1小时、大约15分钟、大约1分钟、大约30秒或使探头202和/或信号处理装置200能够起到如本文描述的作用的任何其他时段。图3是可与功率系统100(在图1中示出)一起使用的备选传感器组件300的框图。传感器组件300与传感器组件110(在图2中示出)大致上相似，并且同样的部件在图 3中用与在图2中使用的相同的标号标记。在示范性实施例中，传感器组件300包括多个探头202，例如第一探头302、第二探头304和第三探头306。尽管三个探头202在图3中图示，应该认识到任何数量的探头202可包括在传感器组件300中。在示范性实施例中，每个探头202经由数据连接204耦合于信号处理装置200，并且更具体地，耦合于接收器218。备选地，每个探头202可经由独立数据连接204耦合于独立信号处理装置200。此外，在示范性实施例中，每个探头202的信号发生器212产生与其他探头202的微波信号大致上相似的微波信号。更具体地，在示范性实施例中，每个探头信号发生器212产生微波信号，其具有例如频率、幅度、功率的量和/或任何其他特性等一个或多个特性，这与所有其他探头202的信号发生器212产生的微波信号的一个或多个特性近似相等。如此，接收器218和信号参考2 调到信号频率和/或微波信号使得单个信号处理装置200可使用多个探头202来计算一个或多个物体接近度。图4是可与功率系统100(在图1中示出)一起使用的另一个备选传感器组件400。传感器组件400与传感器组件110 (在图2中示出)大致上相似，并且同样的部件在图4中用与在图2中使用的相同的标号标记。在示范性实施例中，传感器组件400包括多个探头 202，例如第一探头402、第二探头404和第三探头406。尽管三个探头202在图4中图示， 应该认识到任何数量的探头202可包括在传感器组件400中。此外，当单个传送功率检测器222、接收功率检测器224、信号调节装置226、信号参考228、减法器230和线性化器232 在图4中图示时，应该认识到任何数量的传送功率检测器222、接收功率检测器224、信号调节装置226、信号参考228、减法器230和/或线性化器232可包括在信号处理装置200中。 如此，例如通过对于每个探头202提供独立传送功率检测器222、接收功率检测器224、信号调节装置226、信号参考228、减法器230和/或线性化器232，独立信号处理路径可对于每个探头202提供。在示范性实施例中，信号处理装置200包括多个接收器218。更具体地，在示范性实施例中，每个探头202经由相应的数据连接204耦合于相应的接收器218。例如，第一探头402经由第一数据连接410耦合于第一接收器408，第二探头404经由第二数据连接414 耦合于第二接收器412，并且第三探头406经由第三数据连接418耦合于第三接收器416。 此外，在示范性实施例中，至少一个探头202的信号发生器212产生与至少另一个探头202 的微波信号大致上不同的微波信号。更具体地，在示范性实施例中，至少一个探头202的信号发生器212产生微波信号，其具有例如频率、幅度、功率的量和/或任何其他特性等一个或多个特性，这与由至少另一个探头202的信号发生器212产生的微波信号的一个或多个特性大致上不同。在一个实施例中，每个探头202的信号发生器212产生微波信号，其与由每个另外的探头202的信号发生器212产生的微波信号大致上不同。此外，在示范性实施例中，尽管可发生相移使得失谐加载信号可具有不同于微波信号的相位，在每个探头202 内产生的失谐加载信号具有与传送到每个探头202的发射器206的微波信号大致上相似的频率和/或其他特性。如此，在示范性实施例中，每个探头202传送失谐加载信号(其与一个或多个探头202的失谐加载信号大致上不同)到信号处理装置200。每个接收器218调到由相应的探头202 (其耦合于接收器218)产生的微波信号的频率和/或失谐加载信号的频率使得每个接收器218能够接收由该相应的探头产生的失谐加载信号。此外，信号参考2 提供与在每个探头202内产生的微波信号大致上相似的参考信号和/或数据。备选地，独立信号参考2 包括在对于每个探头202的信号调节装置 226内，使得每个信号参考2 提供与由相应的探头202产生的微波信号大致上相似的参考信号和/或数据。失谐加载信号和参考信号和/或数据传送到接收功率检测器224、传送功率检测器222和/或减法器230用于在对于每个比较产生功率差信号中使用。对于每个探头202 的接近度测量信号采用与如上文参照图2描述的相似的方式产生。如此，每个接收器218 和与接收器218关联的每个信号参考2 可调到同频并且/或可提供有相似的微波信号使得单个信号处理装置200可使用多个探头202来计算一个或多个物体的接近度。在一个实施例中，每个探头202传送识别数据连同失谐加载信号到相应的接收器 218用于在识别从中生成失谐加载信号的探头202中使用。该识别数据可传送到信号参考 228、传送功率检测器222、减法器230和/或信号处理装置200的任何其他部件以使信号处理装置200能够将失谐加载信号与参考信号和/或数据关联。如此，减法器230可将来自多个探头202的失谐加载信号与匹配参考信号和/或数据比较来计算对于每个探头202的功率差信号。因此，信号处理装置200和探头202便于使用单个信号处理装置200来产生对于多个探头202 (其具有一个或多个不同的微波信号频率和/或特性)的接近度测量。与已知的微波传感器相比，本文描述的传感器组件包括集成在微波探头内的无线传送器和集成在信号处理装置内的无线接收器。这些无线接收器和传送器使传感器组件与使用物理数据电缆的已知传感器相比能够传送具有更低的信号损失量的微波信号。本文描述的传感器组件每个从集成在每个探头内的微波信号发生器产生电磁场，并且每个基于每个场内的物体存在而产生失谐加载信号。探头传送代表该失谐加载信号的信号到信号处理装置。信号处理装置将包含在用于产生电磁场的微波信号中的功率的量与包含在失谐加载信号中的功率的量比较。信号处理装置使用功率比较的结果来产生接近度测量。失谐加载信号的无线传送便于在传送期间减小信号损失，从而便于使信号处理装置与已知传感器 (其使用不同的接近度测量计算和/或使用物理数据电缆)相比能够提供更准确和稳健的接近度测量。传感器组件的示范性实施例和用于测量机器部件到传感器的接近度的方法在上文详细描述。方法和传感器组件不限于本文描述的具体实施例，相反地，传感器组件的部件和/或方法的步骤可独立并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，传感器组件还可结合其他测量系统和方法使用，并且不限于只用本文描述的功率系统实践。相反， 示范性实施例可以连同许多其他测量和/或监测应用实现和使用。尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中示出，这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来参考和/或来要求保护。该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。部件列表
权利要求
1.一种用于在监测机器部件(104)中使用的传感器组件(110)，所述传感器组件包括信号处理装置O00)；和至少一个探头002)，其包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器006)，其中当机器部件安置在所述电磁场内时所述发射器失谐使得产生加载信号；和耦合于所述发射器的传送器O10)，所述传送器配置成无线传送所述加载信号到所述信号处理装置。
2.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中所述信号处理装置(200)计算包含在所述至少一个微波信号内的功率的量和包含在从所述传送器(210)接收的所述加载信号内的功率的量之间的差。
3.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中所述信号处理装置(200)计算所述机器部件(104)关于所述至少一个探头O02)的接近度。
4.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中所述至少一个探头(202)包括多个探头，其每个无线传送至少一个加载信号到所述信号处理装置(200)。
5.如权利要求4所述的传感器组件(110)，其中所述信号处理装置(200)包括多个接收器018)，其每个从所述多个探头Q02)中的相应一个接收至少一个加载信号。
6.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中所述传送器(210)包括存储器装置 014)，其配置成如果所述传送器和所述信号处理装置(200)之间的通信被中断则缓冲代表所述加载信号的数据。
7.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中所述至少一个探头(202)包括配置成传送至少一个微波信号到所述发射器O06)的信号发生器012)。
8.一种功率系统(100)，其包括机器(102)，其包括至少一个部件(104)；和接近所述至少一个部件安置的传感器组件(110)，所述传感器组件包括 信号处理装置O00)；和至少一个探头002)，其包括发射器(206)和传送器010)，所述发射器配置成从至少一个微波信号产生电磁场，其中当所述至少一个部件安置在所述电磁场内时所述发射器失谐使得产生加载信号，所述传送器耦合于所述发射器并且配置成无线传送所述加载信号到所述信号处理装置。
9.如权利要求8所述的功率系统(100)，其中所述信号处理装置(200)计算包含在所述至少一个微波信号内的功率的量和包含在从所述传送器(210)接收的所述加载信号内的功率的量之间的差。
10.如权利要求8所述的功率系统(100)，其中所述信号处理装置(200)计算所述机器部件(104)关于所述至少一个探头O02)的接近度。
全文摘要
本发明涉及测量机器部件与传感器的接近度的传感器组件和方法。用于在监测机器部件(104)中使用的传感器组件(110)包括信号处理装置(200)和至少一个探头(202)。该至少一个探头包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器(206)，其中当机器部件安置在该电磁场内时该发射器失谐使得产生加载信号。该至少一个探头还包括耦合于该发射器并且配置成无线传送该加载信号到该信号处理装置的传送器(210)。
文档编号G01H9/00GK102540175SQ20111039333
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者B·L·谢克曼, R·詹森 申请人:通用电气公司