KR100416468B1 - 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법은 실질적으로 동등한 제 1 크기의 스텝으로 제 1 주파수 범위를 통해 주사함으로써 공진기의 내부에 음향 신호를 적용하는 음향 송신기를 구동하는 단계, 상기 제 1 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 상기 공진기내의 음향 신호의 진폭을 검출하도록 구성된 음향 수신기로부터 신호를 검출하는 단계, 제 1 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 단계, 상기 제 1 주파수 범위보다 작고, 상기 제 1 주파수 범위로부터의 결정된 주파수를 포함하는 제 2 주파수 범위를 통해 주사하고, 상기 제 1 크기의 스텝보다 작고 실질적으로 동등한 제 2 크기의 스텝으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 음향 송신기를 구동하는 단계, 상기 제 2 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 상기 음향 수신기로부터의 신호를 검출하는 단계 및 상기 제 2 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A FREQUENCY AT WHICH A RESONATOR RESONATES}

본 발명은 주파수, 특히 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

공진기의 공진 주파수를 결정하기 위해서는 공진기가 현재 구동되고 있는 주파수에 대해 마이크로폰으로 공진기에서의 신호의 진폭을 검출하면서 스피커로 소정의 주파수 범위에 걸쳐서 공진기를 구동해야 한다. 스피커는 공진이 발생할 수 있는 가능한 주파수 범위를 통해 주사된다. 공진 주파수를 정확히 결정하기 위해서 스피커는 작은 스텝으로 공진이 발생할 수 있는 가능한 주파수 범위를 통해 주사되어야 한다. 예를 들어 +/-0.5㎐의 정확도를 얻기 위해서 스피커는 1㎐ 스텝으로 주파수 범위를 통해 주사해야 한다. 그러나, 주사되어야 하는 주파수 범위가 크면, 시간이 오래 걸리기 때문에 불편할 수 있다.

본 발명의 제 1 측면에 따르면, 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법은

실질적으로 등거리인 제 1 크기의 스텝으로 제 1 주파수 범위를 통해 주사함으로써 공진기 내부에 음향 신호를 적용하는 음향 송신기를 구동하는 단계,

제 1 주파수 범위에 걸쳐 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 공진기내의 음향 신호의 진폭을 검출하도록 구성된 음향 수신기로부터 신호를 검출하는 단계,

제 1 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대값이 발생하는 주파수를 결정하는 단계,

제 1 주파수 범위보다 작고 제 1 주파수 범위로부터 결정된 주파수를 포함하는 제 2 주파수 범위를 통해 주사하고, 제 1 크기의 스텝보다 작고 실질적으로 등거리인 제 2 크기의 스텝으로 제 2 범위를 통해 주사함으로써 음향 송신기를 구동하는 단계,

제 2 주파수 범위에 걸쳐 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 음향 수신기로부터 신호를 검출하는 단계 및

제 2 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대값이 발생하는 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치는

실질적으로 등거리인 제 1 크기의 스텝으로 제 1 주파수 범위를 통해 주사함으로써 공진기 내부에 음향 신호를 적용하도록 구성된 음향 송신기를 구동하는 수단,

제 1 주파수 범위에 걸쳐 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 공진기내의 음향 신호의 진폭을 검출하도록 구성된 음향 수신기로부터 신호를 검출하는 수단,

검출된 신호에서 최대값이 발생하는 주파수를 결정하는 수단,

제 1 주파수 범위보다 작고 결정된 주파수를 포함하는 제 2 주파수 범위를 통해 주사하고, 제 1 크기의 스텝보다 작고 실질적으로 등거리인 제 2 크기의 스텝으로 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 음향 송신기를 구동하는 수단,

제 2 주파수 범위에 걸쳐 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 음향 수신기로부터 신호를 검출하는 수단 및

제 2 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대값이 발생하는 주파수를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

비교적 큰 주파수 스텝 크기로 비교적 넓은 제 1 주파수 범위에 걸쳐 음향 송신기를 구동함으로써 공진 피크에 대한 대략적인 값이 주사된 비교적 넓은 제 1 주파수 범위에 대하여 신속하게 얻어진다. 공진 피크에 대한 대략적인 값이 얻어진 후에 음향 송신기는 보다 정밀하게 공진 주파수를 결정하기 위해 초기에 검출된 공진 피크에 대한 대략적인 값을 포함하는 보다 좁은 제 2 주파수 범위에 걸쳐 구동된다. 따라서 공진 주파수는 신속하고 정밀하게 검출될 수 있다.

그러나, 이것의 문제는 음향 송신기를 구동하는 주파수의 변화가 검출된 음향 수신기 진폭을 변화시키기 전에 하드웨어가 제한된 시간을 갖는다는 사실에 의해 공진 피크가 검출되는 때에 음향 송신기가 구동되는 주파수를 결정하는 작업이 복잡하게 된다는 것이다. 이 때문에 검출된 생성 주파수에서 오류가 발생한다.

이것은 본 발명의 또 다른 측면에서 제 1 방향으로 각각의 주파수 범위를 주사하고, 최대값이 발생하는 제 1 주파수를 결정하고, 이어서 반대 방향으로 주사하고, 최대값이 발생하는 제 2 주파수를 결정하며, 최대값이 발생된 제 1 및 제 2 주파수의 평균을 결정함으로써 해결된다.

검출된 신호에서 최대값이 발생하는 주파수의 최종 값은 음향 송신기가 또 다른 주사에 걸쳐 구동되는 각각의 주파수에서 소정 수의 샘플을 합산함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 소정 수의 샘플을 합산함으로써 노이즈와 같은 무작위 오류의 영향이 감소되어 보다 신뢰할 만한 결과가 발생한다. 각각의 주파수에서 많은 샘플을 합산하는 것은 이전의 주사보다 느리기 때문에 또 다른 주사에서 주사된 주파수 범위는 주사를 실시하는데 걸리는 시간을 줄이기 위해 이전의 주사의 주파수 범위보다 작은 것이 바람직하다. 합산 주사는 공진 주파수가 이미 실질적으로 식별된 후에 실시된 최종 주사인 것이 바람직하다.

음향 트랜스듀서가 구동될 때 공진을 발생하는 실제 주파수는 소정 주기에서 사이클의 수를 계수하거나 소정 수의 사이클을 발생하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 측정되는 것이 바람직하다.

첨부한 도면을 참조하여 예를 통해 본 발명을 기술한다.

도 1은 공진기를 사용하여 가스의 음속을 측정하는 장치의 전체 동작을 나타내는 블럭도이다.

도 2는 상기 장치에서 사용될 수 있는 실질적으로 구형의 공진기를 보여준다.

도 3은 음향 수신기가 공진기에 어떻게 설치되는지를 보여준다.

도 4는 음향 송신기가 공진기에 어떻게 설치되는지를 보여준다.

도 5는 주파수 범위에 걸쳐 음향 수신기에 의해 검출된 신호의 진폭을 보여준다.

도 6은 정현파에 대한 근사를 발생하기 위해 조합되는 펄스폭 변조된 신호를 발생하기 위해 클럭 신호가 어떻게 사용되는지를 나타낸다.

도 7은 도 6에 나타낸 동작을 실시하는 전자장치를 보여준다.

도 8은 도 6에 도시된 장치에 클럭 신호를 공급하는 전압제어 발진기를 보여준다.

도 9는 공진 주파수를 결정하는 동작 시퀀스를 보여준다.

도 10은 공진 주파수를 결정하는 처리수단에 대한 접속을 보여준다.

도 11은 제한된 하드웨어 응답 시간을 허용하는 방법을 보여준다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서 형태이거나 이를 포함하는 구동전자회로(1)는 스피커(2)를 구동하기 위해 적당한 주파수 범위에 걸쳐 정현파 신호를 발생하도록 구성된다. 스피커는 공진기(3) 내부에 음향 신호를 적용하도록 구성된다. 마이크로폰(4)은 공진기내의 음향 신호의 진폭을 픽업하도록 구성된다. 마이크로폰으로부터의 신호는 적당한 전자회로(5)에 의해 필터되고 증폭되며, 처리수단(6)은 가스의 음속을 결정하기 위해 공진기내의 가스와 관련된 공진 주파수를 결정한다.

이 경우에 도 2에 도시된 공진기(3)는 완전한 구형이다. 도시된 공진기는구체(球體)를 형성하기 위해 서로 용접된 내부 반경 1.5㎝, 벽두께 3㎜의 2개의 CNC(컴퓨터 수치제어) 가공된 금속 반구(半球)(31, 32)(이 경우에는 구리로 구성)로 형성된다. 반구의 정점은 반구가 도 2에 도시된 바와 같이 접합될 때 가장 큰 진폭의 마이크로폰 신호를 제공하는 것으로 발견된 실질적으로 180° 떨어져 있는 스피커(2)와 마이크로폰(4)을 지지한다.

공진기는 공진기(3) 내부 및 외부로 가스를 발산할 수 있도록 하는 많은 가스 확산 출입구(33)를 갖지만, 도 2에는 다만 하나의 가스 확산 출입구가 도시되어 있다. 각각의 반구(31, 32)는 90° 떨어져 배치된 4개의 가스 확산 출입구(33)를 갖는 것이 바람직하다. 가스 확산 출입구(33)는 공진기 하우징에 구멍을 뚫어 형성되는 것이 바람직하며, 공진기 내부에 규칙적으로 반복하는 표면을 제공하기 위해 부스러기는 제거된다.

대안적으로 공진 구체는 소결된 물질과 같은 다공성 물질로 구성될 수 있다. 이에 따라 도 2의 구리 공진 구체에 도시된 가스 확산 구멍(33)은 필요없어지고, 따라서 구멍(33)에 기인한 공진 주파수의 교란이 감소한다. 사용된 다공성 물질은 구리보다 낮은 열팽창을 갖는 것이 바람직하며, 이 때문에 주위 온도 변화로 공진기의 크기의 변화에 필요한 보정량이 감소한다.

이 경우에 스피커(2)는 5V의 공급 전압과 약 33㎽의 전력을 갖는 보청기에서 사용될 수 있는 소형 스피커이고, 마이크로폰(4)은 초소형 마이크로폰이다.

도 3은 마이크로폰(4)이 공진기에 어떻게 설치되는지를 보여준다. 공진기는 구멍을 뚫어 형성되고 부스러기가 제거되는 것이 바람직한 약 1.5㎜ 직경의출입구(41)를 갖는다. 원통형 스핀들(spindle)(42)이 공진기의 외부에 설치되거나 그의 일부로서 형성되고, 출입구(41)와 중심이 일치하도록 배치된다. 스핀들(42)은 약 10㎜ 길이가 바람직하며, 마이크로폰(4)을 수납하기에 충분한 내부 직경을 갖는다.

스피커가 공진기에 공진 주파수를 적용할 때, 가장 급격한 출력신호 피크가 발생되는 최적 포인트에 배치될 수 있도록 스핀들내의 마이크로폰(4)의 위치는 길이를 따라 변화한다. 마이크로폰(4)은 접착제(43)를 사용하여 스핀들(42)내의 최적 포인트에 고정된다. 접착제는 공진 주파수의 교란을 유발할 수 있는 불규칙한 형상으로 마를 수 있기 때문에 공진기로 들어가지 못하도록 하는 것이 바람직하다. 마이크로폰(4)은 림(rim)(45)을 갖는 것이 바람직하며, 그의 외부 직경은 실질적으로 스핀들(42)의 내부 직경과 동일하여 접착제가 공진기로 들어가지 못하도록 한다. 대안적으로 마이크로폰(4)은 스핀들(42)에 기밀하게 맞춰질 수 있다. 마이크로폰(4)은 전기 접속(46)에 의해 필터링 및 증폭회로(5)에 접속된다.

스피커(2)는 도 3에 도시된 마이크로폰(4)과 동일한 방법으로 설치될 수 있지만, 이 예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 공진기의 내부로부터 소정 거리에 고정된다.

도 4에서 약 2㎜ 길이의 스핀들(21)이 공진기의 외벽에 설치되거나 그 외벽의 일부로서 형성되고, 1.5㎜ 출입구(22)가 스핀들(21)을 관통하여 구멍을 뚫어 형성되고, 공진기 벽에서는 부스러기가 제거된다. 스피커(2)는 출입구(22)를 덮는 스핀들(21)의 외부에 설치된다. 스피커는 접착제를 사용하여 접착제가 출입구(22)에 들어가지 못하도록 하면서 스핀들(21)에 고정되고, 전기 접속(23)에 의해 구동회로(1)에 전기적으로 접속된다.

공진기 벽에서 마이크로폰과 스피커의 상대적인 각도 분할은 가장 급격한 출력 피크를 달성하기 위해 변화할 수 있다. 이는 마이크론폰 또는 스피커 중 어느 하나의 위치를 고정하고 다른 하나의 위치는 변화시킴으로써 달성될 수 있다.

예를 들어 서로 다른 유효 반경을 발생하는 머시닝(machining) 허용오차에 기인하는 각각의 공진 구체에서의 약간의 변화 때문에 각각의 공진기는 다음 식을 사용하여 개별적으로 조정된다.

c = f × K

각각의 공진기는 몇가지 적당한 방법을 사용한 측정에 의하거나 또는 GASVLE과 같은 가스 특성을 예측하는 컴퓨터 모델을 사용하여 발견된 주지된 음속(c)을 갖는 가스를 사용하여 조정된다. 다음에 조정되는 공진기에서의 주지된 음속을 갖는 가스에 대하여 공진 주파수(f)가 측정되고, 상수 K가 발견된다. 연관된 상수 K와 함께 조정된 공진기를 사용하면 측정된 공진 주파수로부터 임의의 가스에 대한 음속이 결정된다. 이것은 약 +/-0.1%의 확률 오차를 제공한다. 공진기의 부피에 영향을 주는 주위 온도의 변화를 보상함으로써 가스의 음속은 보다 작은 약 +/-0.05%의 확률 오차로 결정될 수 있다.

스피커는 공진기의 제 1 비방사상 공진 피크의 주파수를 포함하기에 적합한 주파수 범위에 걸쳐 정현파 신호를 제공하기 위해 도 1에 도식적으로 도시된 전자회로(1)에 의해 구동된다. 스피커는 주파수 쓸기로 구동된다. 마이크로폰은 전자회로에 기인하는 작은 지연으로 도 5에 도식적으로 도시된 바와 같이 스피커가 현재 구동되고 있는 주파수에 대응하는 필터되고 증폭된 출력 전압을 제공한다. 마이크로폰이 가장 큰 출력 전압을 발생하는 주파수는 도 5에서 20℃에서 8860㎐인 비방사성 공진 주파수로 결정된다.

연속하는 주파수 범위에 걸쳐 정현파에 대한 근사의 발생은 아래에 기술된다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 클럭 신호(101)는 전압제어 발진기로부터 라인(111)상의 마이크로폰(110)에 적용된다. Hitachi HD6473048F16과 같은 적당한 마이크로프로세서가 사용될 수 있다. 마이크로프로세서(110)는 각각 라인(112, 113 및 114)상의 동일한 주파수를 갖는 도 6에 도시된 펄스폭 변조된(PWM) 신호(102, 103 및 104)를 발생하기 위해 라인(111)으로부터의 입력 클럭 신호(101)를 처리한다. PWM 신호(102, 103 및 104)는 라인(118)상의 정현파에 대한 근사를 발생하기 위해 이 경우에는 저항기(115, 116, 117)로 구성되는 가중 합산 구성을 사용하여 서로 결합된다. 도 6에 도시된 정현파(105)에 대한 근사는 각각이 고정된 듀티 사이클(온 시간 비율 대 오프 시간 비율)을 갖는 PWM 신호(102, 103, 104)와 동일한 주파수를 갖는다.

이 예에서 정현파(105)에 대한 합성된 근사는 클럭신호(101)의 16개 사이클에 대응하지만, 8개, 32개 또는 다른 적정한 양일 수도 있다. PWM 신호(102)의 상승 및 하강 에지(121, 122)는 각각 클럭신호(101)의 6번째 및 10번째 사이클이 완료하면 기동된다. PWM 신호(103)의 상승 및 하강 에지(131, 132)는 각각클럭신호(101)의 4번째 및 12번째 사이클이 완료하면 기동된다. PWM 신호(104)의 상승 및 하강 에지(141, 142)는 각각 클럭신호(101)의 2번째 및 14번째 사이클이 완료하면 기동된다.

다음에 각각의 PWM 신호(102, 103 및 104)는 가중 저항기(115, 116, 117)를 각각 통과한다. 저항기(115, 116, 117)의 값의 비율은 최적의 전체적인 정현파 근사를 제공하도록 선택되고, 이 경우에는 저항기(115)는 51㏀, 저항기(116)는 36㏀, 저항기(117)는 51㏀이다.

PWM 구형파로부터 정현파에 대한 근사를 발생하기 위해서는 제 3 , 제 5, 제 7 고조파 등을 억제하면서 제 1 고조파를 유지하는 것이 바람직하다. 도 6에 도시된 상기 방법을 사용하면, 제 3 및 제 5 고조파는 저항기 허용오차에 기인하는 약간의 잔류오차를 제외하고 필수적으로 제거된다. 이 예에서는 정현파 발생장치는 스피커(2)를 구동하기 위해 7.5㎑~11.8㎑의 범위로 정현파를 발생하기 위해 사용되고, 스피커로부터의 송신 신호는 마이크로폰(4)에 의해 검출된다. 이런 방식으로 사용될 때, 제 7 및 이후의 고조파는 이들 고조파에 기인하는 송신 신호가 마이크로폰의 대역통과 제한 범위 밖에 있어야 하기 때문에 이들 고조파의 영향을 제거하기 위해 추가적인 필터링 또는 컨디셔닝(conditioning)이 필요없는 정도로 감소된다. 보다 낮은 주파수에서 정현파를 발생하기 위해 장치가 사용되면, 제 7 및 이후의 고조파의 영향은 정현파에 대한 보다 양호한 근사를 발생하기 위해 저역통과 필터링 또는 추가적인 펄스폭 변조 신호를 사용함으로써 제거될 수 있다.

각각의 저항기(115, 116, 117)로부터의 출력은 도 6에 도시된 정현파(105)에대한 근사를 발생하기 위해 공통 라인(118)에서 결합된다. 신호(105)는 공통 라인(118)과 어스 사이에 접속된 커패시터(119)에 의해 저역통과 필터되고, 접속 포인트(120)에서 검출된다.

도 8은 161에서 발진 출력을 발생하는 전압제어 발진기(160)를 보여주고, 그 주파수는 입력(162)에서 적용된 구동신호의 전압에 의존한다. 그러나 입력의 아날로그 값에 의존하는 출력주파수를 갖는 장치가 적합하다.

본 발명의 상기 예는 아날로그 디바이스 AD654 전압-주파수 변환기를 사용한다. AD654의 블럭도는 도 8에 나타난다. 휘발성 연산 증폭기(163)는 입력단으로서 기능한다. 그의 목적은 입력전압 신호(162)를 구동 전류로 변환하고 기준화한다. 구동 전류는 전류-주파수 변환기(165)(단안정 멀티바이브레이터)에 전달된다. 변환기(165)의 출력은 트랜지스터(164)를 제어한다.

도 8의 접속 구성에서, 입력 증폭기(163)는 162에서 입력 전압에 대해 매우 높은(250mΩ) 임피던스를 나타내고, 이것은 핀(3)에서 기준화 저항기(167)에 의해 적당한 구동 전류로 변환된다. 이 예에서 저항기(167, 168)는 1.2㏀이다.

도 7에 도시된 출력 접속 포인트(120)에서 발생된 정현파에 대한 근사의 주파수는 예를 들어 온도 변화와 전기적 구성요소의 성능 때문에 도 8에 도시된 입력(162)에서 적용된 구동 신호의 전압으로부터 정확히 추정될 수 없다. 결과적으로, 마이크로프로세서(110)는 또한 아래에 기술되는 바와 같이 정현파에 대한 출력 근사와 동일한 주파수의 PWM 신호(102, 103 및 104)를 각각 전달하는 라인(112, 113 또는 114) 중 어느 하나에 접속될 수 있다. 마이크로프로세서는 예를 들어 1초의 정해진 시간에 걸쳐 선택된 PWM 신호의 사이클 수를 계수한다. 다음에 정현파의 실제 출력주파수가 정확히 결정될 수 있다. 마이크로프로세서(110)는 PWM 신호가 보다 양호한 결과를 제공하면서 계수하기에 보다 용이한 보다 정밀하게 한정되고 선명한 온/오프 상태를 갖기 때문에 정해진 시간에 걸쳐 정현파(105)에 대한 근사의 사이클 보다는 PWM 신호(102, 103, 104)의 사이클 수를 계수한다.

대안적으로 마이크로프로세서(110)는 정해진 시간에 걸쳐 클럭신호(101)의 사이클 수를 계수하고, 이로부터 각각의 PWM 신호 사이클을 발생하는데 필요한 클럭신호 사이클 수로 나눔으로써 정현파 주파수를 결정한다.

대안적으로 또는 부가적으로 마이크로프로세서는 지정된 클럭 사이클 또는 PWM 사이클 수를 발생하는데 걸리는 시간을 측정하고, 이로부터 정현파에 대한 근사의 주파수를 결정한다.

발진기(160)가 연속하는 주파수 범위를 갖는 발진 신호를 발생하기 때문에, 정현파는 연속하는 주파수 범위로 발생될 수 있다.

마이크로프로세서와 조합하여 정현파에 대한 근사를 발생하는 즉시 이용가능하고, 소형이며, (AD 654용 8핀 플라스틱 DIP 형태의 9.91㎜ x 7.87㎜ x 4.57㎜ 또는 8핀 SOIC 형태의 4.90㎜ x 3.91㎜ x 2.39㎜), 값이 싼 장치인 가변주파수 구형파 발생 발진기를 사용함으로써 연속하는 주파수 범위에 걸쳐 정현파에 대한 근사를 발생할 수 있고, 소형인 장치를 형성할 수 있어, 예를 들어 소형 프로브 또는 소형 하우징에 설치될 수 있다. 마이크로프로세서는 일반적으로 다른 목적을 위해 많은 프로브 또는 전자회로장치에 사용되기 때문에 연속하는 주파수 범위에 걸쳐정현파에 대한 근사를 발생하기 위해 요구되는 유일한 추가 공간은 소형의 가변주파수 구형파 발생 발진기에 대한 것이다.

발진기는 전압제어 발진기일 필요는 없지만, 연속하는 주파수 범위를 갖는 신호를 제공하도록 구성된 장치일 수 있다.

정현파에 대한 근사는 3개의 PWM 신호로부터 발생될 필요는 없지만, 정현파에 대한 근사의 요구 정도에 따라 적당한 수로부터 발생될 수 있다. 게다가 정현파의 각각의 사이클은 16개 클럭 사이클에 대응할 필요는 없지만, 8개, 32개 또는 적당한 수일 수 있다.

공진 주파수(마이크로폰에 의해 발생된 신호의 진폭이 최대가 되는 주파수)를 신속하고 정확하게 결정하기 위해서 도 9에서 S1에 의해 도시된 바와 같이 공진이 발생할 수 있는 주파수 범위에 걸쳐 초기의 신속하고 개략적인 주파수 쓸기가 이루어진다(이 경우에 10-15㎐ 스텝). 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 최대가 발생하는 초기의 개략적인 주파수 쓸기내에서 보다 좁은 주파수 범위를 식별한다. 공진 주파수를 나타내는 최대가 발생하는 주파수를 정확히 결정하기 위해서 상기 식별된 보다 좁은 주파수 범위내에서 보다 작은 주파수 스텝(이 경우에는 1㎐)으로 추가적인 주파수 쓸기(S2)가 이루어진다.

개략적인 주파수 쓸기와 세밀한 주파수 쓸기를 조합하여 사용함으로써 공진 주파수의 정확한 값이 예를 들어 1초도 안되어 신속하게 결정될 수 있다. 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 노이즈에 기인하는 오차를 줄이기 위해 후속하는 검출 주파수 값(S3)을 평균화한다. 다음에 공진시 스피커(2)를 구동하는 발생된 정현파의 주파수를 나타내기 위해 PWM 신호의 주파수가 결정될 수 있다(S4).

이제 공진 주파수의 결정에 대해 상세히 설명한다.

공진기내의 가스의 공진 주파수를 결정하기 위한 알고리즘을 실시하기 위해 마이크로프로세서, 이 경우에는 PWM 신호를 발생하는 초기에 기술된 마이크로프로세서(110)가 사용된다. 마이크로프로세서(110) 대신에 적절한 플러그인 데이터 습득 카드를 갖는 PC가 사용될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 공진 주파수를 결정하기 위해 마이크로프로세서(110)는 아날로그 출력(201), 디지털 입력(202) 및 아날로그 입력(203)을 갖는다.

아날로그 입력(201)은 스피커(2)에 적용된 주파수를 제어하기 위해 도 8에 도시된 전압-주파수 변환기(160)의 입력(162)에 접속된다. 이 경우에 아날로그 입력(201)은 2개의 출력(도시하지 않음)으로 구성되고, 이 2개의 출력은 전압-주파수 변환기(160)의 입력(162)에 접속된다. 출력 중 하나는 개략적인 주파수 쓸기를 제어하고, 다른 하나의 출력은 세밀한 주파수 쓸기를 제어한다. 각각의 출력은 필요한 정도의 결과를 제공하기 위해 이 경우에 마이크로프로세서(110) 자체에 제공되는 디지털-아날로그 변환기와 적절한 저항기를 통과한다. 이 경우에 개략적인 주파수 제어에 대한 저항기는 36㏀이고, 세밀한 주파수 제어에 대한 저항기는 2.2㏁이다.

앞에서 설명된 바와 같이, 스피커를 구동하는 정현파 신호에 대한 근사의 주파수는 예를 들어 온도 변화와 전기적 구성요소의 성능 때문에 아날로그 출력(201)으로부터의 구동신호의 전압에서 항상 정확히 추정될 수는 없다. 따라서, 앞에서 기술한 바와 같이 정현파(105)에 대한 근사의 주파수를 계산하기 위해 스피커(2)를 구동하는 정현파에 대한 근사와 동일한 주파수인 PWM 신호(102, 103, 104) 또는 클럭신호(101) 중 하나가 마이크로프로세서에 대한 디지털 입력(202)에 적용된다.

아날로그 입력(203)은 마이크로폰에 의해 수신되는 신호의 진폭을 나타내고, 외부의 아날로그-디지털 변환기를 통해 마이크로프로세서(110)에 접속된다. 공진 주파수를 위치결정하는 처리는 아날로그 입력(203)이 최대인 주파수를 식별하는 것이다.

공진 주파수를 위치결정하는 처리는 4단계로 분리될 수 있다. 처음 3개의 단계(S1, S2, S3)는 각각 공진을 찾기 위해 스피커 주파수를 변경하는 것을 포함한다. 공진이 위치결정되었을 때, 최종 단계(S4)는 공진 주파수를 측정한다.

제 1 단계(S1)는 아날로그 출력 전압(201)의 각각의 스텝에 대한 아날로그 입력(203)의 1회 판독에 대하여 취하는 허용가능한 주파수 범위에 걸친 고속 주사이다. 허용가능한 주파수 범위는 가스 조성, 온도 및 압력의 예측된 조합에 대하여 비방사성 공진이 발생해야 하는 그러한 주파수에 대한 주사를 제한하기 위해 선택된다. 허용가능한 범위의 제한은 공진 주파수를 위치결정하는데 걸리는 시간을 줄이고, 또한 바라지 않은 공진 피크에 위치결정하는 위험을 줄이기 위해 주어진다. 비록 아날로그 출력(201)으로부터의 제어 전압과 마이크로폰 주파수 사이의 정확한 관계가 알려지지 않지만, 공진을 찾기 위한 허용가능한 범위의 주파수 제한을 설정하는데 사용될 수 있도록 충분히 양호하게 근사될 수 있다. 이 예에서 주파수 범위는 주파수 주사 속도 86㎑/초 및 각각의 방향으로 전체 5100 마이크로폰 샘플을 발생하는 마이크로폰 샘플링 비율 100,000 샘플/초에서 7.5㎑ 내지 11.8㎑(4.3㎑)이다.

공진 주파수를 위치결정하기 위해 프로세서는 입력(203)에서 마이크로폰으로부터의 신호의 진폭에서 피크를 찾고, 그 때 사용되고 있었던 주파수 제어 전압을 확인하도록 구성된다.

하드웨어가 출력(201)에 있어서 주파수 제어 전압에서의 변화의 결과로서 입력(203)에 있어서 마이크로폰으로부터의 신호의 진폭에서의 변화를 발생하는데 걸리는 한정된 시간을 허용하기 위해서 제 1 단계(S1)의 고속 주사는 아날로그 출력 전압(201) 범위에 걸쳐 위쪽으로의 제 1 주사 및 동일한 아날로그 출력 전압 범위에 걸쳐 아래쪽으로의 제 2 주사를 포함한다. 대안적으로 제 1 주사는 아날로그 출력 전압 범위에 걸쳐 아래쪽일 수 있고, 제 2 주사는 그 범위에 걸쳐 위쪽일 수 있다는 것은 명백하다. 위쪽으로 주사할 때, 피크가 검출될 때 적용되는 주파수 제어 전압(201)은 응답 시간 때문에 피크를 발생하는 전압보다 약간 높을 것이다. 아래쪽으로 주사할 때, 주파수 제어 전압(201)은 피크 전압보다 약간 낮을 것이다. 양쪽 방향에 대한 응답 시간이 동일하다고 가정하면, 2 전압의 평균은 바로 공진시의 전압을 제공할 것이다.

하드웨어의 한정된 응답 시간을 허용하는 제 2 방법은 반대방향으로의 제 1 및 제 2 주사의 상기 방법과 조합하여 도 11에 도시되어 있다. 제 2 방법은 응답 시간(T)에 대한 추정값을 사용하여 추정된 응답 시간(T)와 시간(302)에 대한 주파수 제어 전압의 특성에 따라 도 11에서 파선(303)으로 도시된 마이크로폰 데이터 값을 발생한 주파수 제어 전압(V)과 수신된 마이크로폰 데이터 값(M)의 피크(301)를 일치시킨다. 결과적으로, 마이크로폰은 주파수 제어 전압(V)가 시간 t₁에서 주사를 완료한 후 소정 시간 동안 데이터를 계속 수집한다. 이 제 2 방법은 도 11에서 주파수 제어 전압(302)의 상향 주사에서 피크(301)과 같은 주사 제한의 종단에 가깝게 위치하는 피크들이 마이크로폰 데이터(M)의 수집이 주파수 제어 전압(302)의 주사에 동기되었더라면 놓칠수도 있었던 것을 찾을 수 있도록 한다. 추정된 응답 시간이 정확하였다면, 상향 및 하향 주사의 각각에서 공진 피크를 발생하는 전압에 대해 찾아진 값 X, Y는 정확히 일치한다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 주파수 제어 전압의 상향 및 하향 값이 약간 다르고, 평균화되는 경우에 추정된 값은 약간 부정확할 수 있다.

제 2 단계(S2)는 공진 피크를 포함하는 것으로 제 1 단계에서 나타낸 보다 작은 주파수 범위에 걸치는 것을 제외하고 제 1 단계의 주사 방법을 사용한다. 제 2 단계는 보다 작은 주파수 주사 영역에 대한 중심점으로서 제 1 단계에 의해 얻어진 공진시의 주파수 제어 전압에 대한 값을 사용한다. 이 예에서 제 2 단계의 주파수 주사 범위는 150.5㎐이다.

그러나, 제 1 주사의 결과는 제 2 단계에 대한 주파수 제어 전압의 종단 제한의 하나에 너무 가깝기 때문에 그것을 중심점으로 사용할 수는 없다. 이 경우에 제 2 단계의 주사는 주파수 제어 전압 범위의 적당한 종단 제한에서 고정될 것이다.

또한 제 2 단계에 대한 주파수 제어 전압 스텝 크기도 다르다. 속도에 있어서, 제 1 단계는 완전한 주파수 제어 전압 결과를 사용하지 않는 반면에, 제 2 단계는 보다 정밀한 공진 주파수 값을 발생하기 위해 사용한다.

제 2 단계는 또한 시간에 따른 스피커 주파수의 보다 느린 변화율을 사용한다. 이 경우에 제 1 단계에서 사용된 86.0㎑/초 보다는 2.15㎑/초를 사용한다. 이 예에서 제 2 단계의 마이크로폰 샘플링율은 또한 전체 1800 마이크로폰 샘플을 발생하는 25,000샘플/초로 보다 느리다.

마이크로폰 데이터를 평균화하고, 신뢰할 만한 결과를 발생하는 추가적인 주사를 사용하는 제 3 단계(S3)를 사용하여 최종적인 결과가 얻어진다. 제 2 단계와 마찬가지로, 이 단계는 앞서의 주사에 의해 얻어진 결과를 그의 중심점으로서 사용한다. 제 2 주사의 결과가 제 3 단계(S3)에 대한 주파수 제어 전압 범위의 종단 제한에 너무 가깝기 때문에 중심점으로서 사용할 수 없으면, 제 3 스캔은 주파수 제어 전압 범위의 적당한 종단 제한에서 고정될 수 있다. 그러나, 이 제 3 단계의 주사는 이전 단계의 주사보다 느리고, 보다 조직적이다. 따라서 제 3 단계의 주사는 일반적으로 24 미만, 이 경우에는 21의 소수의 주파수 제어 전압 값의 범위를 커버한다. 각각의 값에 대하여 아날로그 출력(201)이 설정되고, 회로는 수 ㎳, 이 경우에는 5㎳ 동안 정착하게 된다. 정착 시간이 경과한 후, 정해진 수의 마이크로폰 전압 샘플이 얻어지고, 합산되는데, 이 경우에는 20이다. 이 처리는 각각의 주파수 전압 값과 확인된 피크 값에 대하여 반복된다. 이것이 공진 주파수 제어 전압 값이다.

최종적인 제 4 단계(S4)는 공진기내에서 가스의 공진 주파수를 찾기 위해 공진 값에서 주파수를 유지하고, 디지털 입력(202)에 제공된 PWM 신호(102, 103, 104) 또는 클럭 신호(101)를 사용하여 스피커(2)를 구동하는 신호의 주파수를 측정하는 것을 포함한다. 가스의 음속(c)은 정해진 공진 주파수(f)로부터 식 c=fK를 사용하여 계산되고, 여기서 k는 앞에서 설명한 바와 같이 공진기에 대한 조정 상수이다. 가스내의 음속은 가스의 다른 많은 특성들을 결정할 수 있도록 하는 유용한 특성이다.

공진 주파수를 결정하는 방법은 CD-ROM 또는 플로피 디스크 형태의 ROM과 같은 기록매체상의 컴퓨터 프로그램으로서 제공될 수 있다.

Claims (25)

1. 실질적으로 등거리인 제 1 크기의 스텝으로 제 1 주파수 범위를 통해 주사함으로써 공진기의 내부에 음향 신호를 적용하는 음향 송신기를 구동하는 단계,

   상기 제 1 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 공진기내의 음향 신호의 진폭을 검출하도록 구성된 음향 수신기로부터의 신호를 검출하는 단계,

   상기 제 1 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 단계,

   상기 제 1 주파수 범위보다 작고 상기 제 1 주파수 범위로부터 결정된 주파수를 포함하는 제 2 주파수 범위를 통해 주사하고, 상기 제 1 크기의 스텝보다 작고 실질적으로 등거리인 제 2 크기의 스텝으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 음향 송신기를 구동하는 단계,

   상기 제 2 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 상기 음향 수신기로부터의 신호를 검출하는 단계 및

   상기 제 2 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 주파수 범위에서 최대가 발생하는 주파수의 결정을 위해, 상기 음향 송신기가 제 1 방향으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 구동되어, 최대가 발생하는 제 1 주파수가 결정되고, 이어서 상기 음향 송신기가 반대 방향으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 구동되어, 최대가 발생하는 제 2 주파수가 결정되며, 최대가 발생하는 평균 주파수를 발생하기 위해 최대가 발생한 상기 제 1 및 제 2 주파수를 평균화하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 주파수 범위에서 최대가 발생하는 주파수의 결정은 각각 제 1 방향으로 주파수 범위를 통해 주사함으로써 음향 송신기가 구동되어, 최대가 발생하는 제 1 주파수가 결정되고, 이어서 반대 방향으로 동일한 주파수 범위를 통해 주사함으로써 음향 송신기가 구동되어, 최대가 발생하는 제 2 주파수가 결정되며, 최대가 발생하는 평균 주파수를 발생하기 위해 최대가 발생한 상기 제 1 및 제 2 주파수를 평균화하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 음향 송신기가 주사를 완료한 후 소정 시간 동안 상기 음향 수신기로부터 신호가 계속 검출되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 음향 수신기로부터 검출된 신호는 미리 정해진 보정 오프셋에 의해 상기 음향 송신기를 구동하는 신호와 일치되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 주파수 범위는 제 1 주파수 범위에서 최대가 발생한 주파수로 결정된 주파수를 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 음향 송신기는 상기 제 1 주파수 범위를 통해 주사하는 것보다 느린 속도로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 음향 송신기가 구동되는 제 3 주파수 범위를 통해 추가로 주사를 실시하여 상기 음향 송신기가 구동되는 각각의 주파수에서 상기 음향 수신기로부터 검출된 신호에서 2개 이상의 샘플링이 이루어지고, 상기 각각의 주파수에서 미리 정해진 수의 샘플이 합산되며, 최대가 발생하는 주파수가 최대 합산을 갖는 주파수로 결정되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   샘플들은 상기 음향 송신기가 상기 제 3 주파수 범위를 통한 주사내의 새로운 주파수에서 구동된 후에 정착 시간이 경과할 때까지 상기 음향 수신기로부터 검출된 신호로부터는 얻어지지 않는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 3 주파수 범위는 상기 제 2 주파수 범위보다 작고, 상기 제 2 주파수 범위에서 최대가 발생하는 주파수로 결정된 주파수를 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    최대가 발생하는 주파수는 최대가 발생할 때 상기 음향 송신기를 구동하는 신호의 사이클을 계수함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
12. 삭제
13. 실질적으로 등거리인 제 1 크기의 스텝으로 제 1 주파수 범위를 통해 주사함으로써 공진기의 내부에 음향 신호를 적용하도록 구성된 음향 송신기를 구동하는 수단,

    상기 제 1 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 상기 공진기내의 음향 신호의 진폭을 검출하도록 구성된 음향 수신기로부터의 신호를 검출하는 수단,

    상기 제 1 주파수 범위로부터 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 수단,

    상기 제 1 주파수 범위보다 작고 상기 제 1 주파수 범위로부터 결정된 주파수를 포함하는 제 2 주파수 범위를 통해 주사하고, 상기 제 1 크기의 스텝보다 작고 실질적으로 등거리인 제 2 크기의 스텝으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 음향 송신기를 구동하는 수단,

    상기 제 2 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동함으로써 발생된 상기 음향 수신기로부터의 신호를 검출하는 수단 및

    상기 제 2 주파수 범위에 대하여 검출된 신호에서 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 구동 수단은 제 1 방향으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사하여 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되고, 상기 결정 수단은 최대가 발생하는 제 1 주파수를 결정하도록 구성되고, 이어서 상기 구동 수단은 반대 방향으로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되고, 상기 결정 수단은 최대가 발생하는 제 2 주파수를 결정하도록 구성되며, 상기 장치는 평균 주파수를 발생하기 위해 최대가 발생하는 제 1 및 제 2 주파수를 평균화하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 구동 수단은 제 1 방향으로 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 제 1 및 제 2 주파수 범위의 각각에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되고, 상기 결정 수단은 최대가 발생하는 제 1 주파수를 결정하도록 구성되고, 이어서 상기 구동 수단은 반대 방향으로 동일한 주파수 범위를 통해 주사함으로써 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되고, 상기 결정 수단은 최대가 발생하는 제 2 주파수를 결정하며, 상기 장치는 상기 제 1 및 제 2 주파수의 평균을 결정하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 검출 수단은 상기 구동 수단이 상기 음향 송신기의 구동을 완료한 후에 소정 시간 동안 상기 음향 수신기로부터의 신호를 계속 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    소정의 보정 오프셋에 의해 상기 음향 수신기로부터 검출된 신호와 상기 음향 송신기를 구동하는 신호를 일치시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
18. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,

    상기 구동 수단은 상기 제 1 주파수 범위에서 최대가 발생하는 주파수로 결정된 주파수를 상기 제 2 주파수 범위의 중심으로 함으로써 상기 제 2 주파수 범위에 걸쳐 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
19. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 구동 수단은 상기 제 1 주파수 범위를 통해 주사하는 것보다 느린 속도로 상기 제 2 주파수 범위를 통해 주사하여 상기 음향 송신기를 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
20. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 구동 수단은 상기 음향 송신기가 구동되는 제 3 주파수 범위를 통해 상기 음향 송신기가 구동되어 상기 음향 수신기로부터 검출된 신호에서 2개 이상의 미리 정해진 수의 샘플링이 상기 구동 수단이 구동되는 각각의 주파수에서 상기 검출 수단에 의해 이루어지도록 구성되고, 상기 장치는 각각의 주파수에서 미리 정해진 수의 샘플을 합산하는 수단을 포함하며, 상기 결정 수단은 최대 합산을 갖는 주파수를 최대가 발생하는 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 검출 수단은 상기 구동 수단이 상기 제 3 주파수 범위를 통한 주사내의 새로운 주파수에서 구동된 후에 정착 시간이 경과할 때까지 상기 음향 수신기로부터 샘플을 취하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
22. 제 20 항에 있어서,

    상기 제 3 주파수 범위는 상기 제 2 주파수 범위보다 작고, 상기 제 2 주파수 범위에서 최대가 발생하는 주파수로 결정된 주파수를 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
23. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,

    최대가 발생하는 주파수에서 상기 구동 수단의 사이클을 계수함으로써 최대가 발생하는 주파수를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기의 공진 주파수를 결정하는 장치.
24. 삭제
25. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 갖는 기록매체.