KR100417969B1

KR100417969B1 - 기체의 음속 측정방법과 장치

Info

Publication number: KR100417969B1
Application number: KR10-2000-7014707A
Authority: KR
Inventors: 험프레이프랜시스알란; 번데이비드; 프라이스배리레오나드
Original assignee: 비지 트랜스코 퍼블릭리미티드캄퍼니
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2004-02-11
Also published as: MXPA00012619A; AU746704B2; JP3494992B2; DE69912285D1; GB2338784A; ES2212565T3; KR20010090704A; US6481288B1; CA2334974A1; AU4381899A; GB2338784B; DE69912285T2; GB9914031D0; EP1099112A1; CA2334974C; AR018918A1; BR9911462A; JP2002519634A; EP1099112B1; WO1999067629A1

Abstract

본 발명은 기체의 음속 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 음향전송기는 공진기 내부에 음향신호를 인가하도록 배치되고, 음향수신기는 공진기 내부에서 음향신호의 진폭을 검출하도록 배치되며, 제어수단은 검출된 비-반경방향 공진모드의 주파수로부터 공진기내 기체의 음속을 판정하는 것을 특징으로 한다.

Description

기체의 음속 측정방법과 장치{MEASURING THE SPEED OF SOUND OF A GAS}

본 발명은 기체의 음속 측정방법 및 장치에 관한 것이다. 기체의 음속은 특히 다른 기체 특성을 판정하는데 유용하다.

정확한 기체의 음속 측정은 American Journal of Physics지 제 57 권에 있는 M.Bretz, M.L Shapiro, 및 M.R. Moldover의 논문(제목:Spherical Acoustic Resonators)에 개시된 바와 같은 공진기를 이용하여 이루어질 수 있다. 검사 기체의 샘플을 포함하는 공진기는 그 벽에 장착된 음향전송기 및 음향수신기를 구비한다. 음향전송기는 한 주파수 범위상에서 구동되고, 음향수신기에 의해 제공되는 신호의 진폭은 음향전송기가 구동되는 각각의 주파수에 대해 검출된다. 음향수신기가 가장 강하고 급준한 신호를 가려내는 주파수, 즉 제 1 공진반경방향모드(the first resonant radial mode)가 검출된다. 공진주파수는 공진기내 검사 기체 음속의 선형 함수가 되기 때문에, 검사 기체의 음속이 판정될 수 있다.

소정의 반지름을 갖는 구형 공진기( a spherical resonator)에서, 밀폐된 기체는 일련의 음향 공진을 나타낼 것이다. 3차원 정재파(three dimensional standing waves)의 결과로 공진이 일어난다. 완벽한 시스템에서, 공진주파수(f)는 다음과 같은 구면 베셀함수(z), 음속(c), 및 구형의 반경(r)의 함수가 된다:

f = cz/(2πr)

반경방향모드에서는 소리가 구형의 벽에 직각으로 부딪혀서 점성항력으로 인한 에너지 손실이 없고 정확한 검출이 어렵지 않은 급준한 공진 피크를 생성하기 때문에 반경방향모드가 사용된다.

기본적인 수학적 모형의 구형 음향 공진기를 이용한 종래의 연구에서는 음속 측정에 있어서 0.02%의 정확성이 보고되었다.

그러나, 구형 공진기의 공진주파수가 구형의 반경에 반비례하기 때문에, 공진기는 대개 음향변환기의 주파수 범위내에서 제 1 공진반경방향모드를 생성하기 위해 적어도 12㎝의 직경을 갖는다. 그러나, 이러한 크기의 공진기는 편리하고 소형인 하우징에서 사용하기에, 또는 가스관 등의 기체 소스로 손쉽게 삽입하기 위하여 프로브에 사용되기에는 너무 크다. 만일 공진기가 예를 들어 3㎝ 직경의 구형으로 축소되었다면, 제 1 공진반경방향모드가 약 18㎑에서 발생되고, 이는 음향변환기의 범위(20㎐-13㎑)를 초과하는 것이다.

본 발명의 제 1 측면에 따르면, 기체의 음속 판정장치는 검사될 기체를 포함하는 거의 구형인 공진기;

상기 공진기 내부에 음향신호를 인가하는 음향전송기;

상기 공진기의 내부에서 음향신호의 진폭을 검출하는 음향수신기; 및

검출된 공진모드의 주파수로부터 검사 기체의 음속을 판정하는 제어수단을 포함하며,

상기 검출된 공진모드는 비-반경방향 공진모드(non-radial resonant mode)이고, 공진기의 내부 반경은 거의 5㎝ 이하가 된다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 기체의 음속 판정방법은 음속이 판정될 기체를 포함하는 거의 구형인 공진기의 내부에 음향신호를 인가하는 단계;

상기 공진기의 내부에서 음향신호의 진폭을 검출하는 단계; 및

검출된 공진모드의 주파수로부터 공진기내 기체의 음속을 판정하는 단계를 포함하며,

상기 검출된 공진모드는 비-반경방향 공진모드이고, 공진기의 내부 반경은 거의 5㎝ 이하가 된다.

본 발명자는 종래에 사용된 제 1 공진반경방향모드보다 낮은 주파수에서 발생되는 제 1 비-반경방향 공진을 이용한다. 상기 제 1 비-반경방향모드는 상기 변환기 범위내 공진주파수를 계속 유지하면서도 종전보다 더 작은 크기의 공진기를 이용하여 음속을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 정확한 결과를 생성하면서도 더 소형인 공진기가 예를 들어 프로브로서 사용될 수 있고, 더 편리하도록 좀더 소형인 하우징내에 설치되거나 또는 현존하는 가스관내로 삽입될 수 있다.

공진기는 편리하게 소형이 되도록 대략 4㎝ 이하, 3㎝ 이하, 2㎝ 이하, 또는 바람직하게는 1.5㎝ 이하의 내부 반경을 가질 수 있다.

1.5㎝의 반경을 갖는 거의 구형인 공진기에서, 제 1 비-반경방향모드는 음향변환기의 주파수 범위(20㎐-13㎑)에 있는 약 9㎑로 기체내에서 발생된다.

구형 공진기를 사용하면 가장 정확한 음속 측정을 제공할 수 있다. 상기 구형이 그 중심을 통과하는 모든 평면에 대해 대칭이기 때문에, 열팽창 등으로 인한 보정이 비교적 용이하게 적용될 수 있다.

또한, 음향전송기 및 수신기는 공진기 공동(cavity) 외부에 위치할 수 있고, 따라서 공진시스템을 그다지 교란시키지 않는다. 반면, 실린더를 이용하면, 음향전송기 및 수신기가 경로 길이에 영향을 받고, 실린더의 팽창뿐만 아니라 상기 전송기 및 수신기내의 어떠한 팽창도 고려되어야 한다.

정확한 공진주파수 및 그에 따른 음속의 측정을 위해서 제 1 비-반경방향 공진모드에 대해 급준한 공진곡선을 얻는데 있어서 음향전송기 및 수신기의 상대적인 선형 위치가 중요하다는 점이 발견되었다. 구조적 변경으로 인해 각각의 공진기에서 이러한 상대적 위치가 약간 다를 수도 있다는 점이 발견되었다. 이러한 점을 고려하기 위해서, 음향전송기 및 수신기는 대개 그 상대적 간격이 가변적이 되도록 공진기내에 장착될 수 있다. 그 후, 최적의 피크 급준성(sharpness)을 이루기 위해 교정하는 동안 그 상대적 위치가 변경될 수 있다.

제 1 비-반경방향모드에서, 공진기가 거의 구형 형상인 경우, 음향전송기 및 수신기는 되도록이면 서로 거의 대향되어, 즉 최대 진폭 검출 피크에서 거의 180°떨어져 있게 배치된다.

종래의 음향전송기는 고전압, 예를 들어 상기한 M.Bretz 등의 논문의 전송기에서는 150V에서 동작했다. 그러나, 만일 공진기가 예를 들어 메탄 또는 천연가스와 같은 고가연성 기체를 이용하여 동작한다면 이것은 잠재적으로 위험하다. 본 발명의 소형 공전기는 안전을 위해 보청기에 사용되는 것과 같은 저전압, 예를 들어 5볼트의 초소형 전송기와 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 첨부한 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명한다.

도 1은 공진기를 사용하여 기체 음속을 측정하는 시스템의 전체 동작을 나타내는 블럭도,

도 2는 상기 시스템에서 사용될 수 있는 거의 구형인 공진기를 나타내는 도면,

도 3은 음향수신기가 공진기에 장착되는 방법을 나타내는 도면,

도 4는 음향전송기가 공진기에 장착되는 방법을 나타내는 도면,

도 5는 한 주파수 범위에서 음향수신기에 의해 검출된 신호의 진폭을 나타내는 도면,

도 6은 사인파에 대한 근사값을 생성하기 위해 결합되는 펄스폭 변조신호를 생성하기 위해 클럭신호가 사용되는 방법을 설명하는 도면,

도 7은 도 6에 도시된 동작을 수행하는 전자시스템을 나타내는 도면,

도 8은 도 6에 도시된 시스템으로 클럭신호를 공급하는 전압제어발진기를 나타내는 도면,

도 9는 공진주파수를 판정하는 동작 순서를 나타내는 도면,도 10은 공진주파수를 판정하기 위해 처리수단에 연결되는 것을 나타내는 도면 및,

도 11은 유한의 하드웨어 응답시간을 고려하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서를 포함하거나 마이크로프로세서의 형태일 수 있는 구동전자회로(1)는 확성기(2)를 구동하기 위해 적당한 주파수 범위에서 사인파 신호를 생성하도록 배치된다. 확성기는 공진기(3)의 내부에 음향신호를 인가하도록 배치된다. 마이크로폰(4)은 공진기내에서 음향신호의 크기를 탐지하도록 배치된다. 마이크로폰으로부터의 신호는 적절한 전자회로(5)에 의해 여과되고 증폭되며, 처리수단(6)은 기체의 음속을 판정하기 위해 공진기내 기체와 관련된 공진주파수를 판정한다.

도 2에 도시된 실시예에서 공진기(3)는 정확한 구형이 된다. 도시된 공진기는 1.5㎝의 내부 반경과 3㎜의 벽 두께를 갖는 2개의 CNC(컴퓨터 수치제어; computer numerically controlled) 기계가공된 금속(본 실시예에서는 구리로 이루어진) 반구체(31,32)가 구형을 형성하기 위해 함께 용접되므로써 형성된다.

반구체(31,32)의 정점은 상기 반구체들이 도 2에 도시된 바와 같이 결합될 때 가장 큰 진폭의 마이크로폰 신호를 제공하기 위해 거의 180°떨어져 있는 확성기(2)와 마이크로폰(4)을 각각 지지한다.

공진기는 공진기(3)의 내부 및 외부로 기체가 확산될 수 있도록 하기 위해 다수의 기체 확산 통로(33)(도 2에는 단 하나만 도시됨)를 구비한다. 각각의 반구체(31,32)에는 바람직하게는 90°떨어져 위치한 4개 기체 확상 통로(33)가 제공된다. 기체 확산 통로(33)는 바람직하게는 공진기 하우징을 통해 구멍이 뚫어지며, 스워프(swarf)는 공진기 내부가 규칙적으로 반복가능한 표면이 되도록을 표시하기 위해 제거된다.

대안적으로, 공진구형체는 소결물 등의 다공성 물질로 이루어질 수 있다. 그렇게 되면, 도 2의 구리 공진구형체내에 도시된 기체 확산 구멍(33)은 필요하지 않게 되어서 상기 구멍(33)으로 인한 공진주파수의 불안정을 감소시킬 수 있다. 사용된 다공성 물질은 바람직하게 구리보다 낮은 열팽창을 가져서, 대기 온도 변화에 따른 공진기의 크기 변화를 위해 필요한 보정량을 감소시킨다.

이러한 경우 확성기(2)는 5V의 공급전압 및 약 33㎽의 전력 레벨을 갖는 보청기에서 사용될 수 있는 소형 확성기이고, 마이크로폰(4)은 초소형 마이크로폰이다.

도 3은 마이크로폰(4)이 공진기(3)에 장착되는 방법을 나타낸다. 공진기에는 바람직하게 구멍이 뚫리고 스워프가 제거된 약 1.5㎜ 직경을 갖는 통로(41)가 제공된다. 원통형 스핀들(spindle, 42)은 공진기 외부에 장착되거나 그 일부로서 형성되고, 통로(41)와 중심을 같이 하여 배치된다. 스핀들(42)은 바람직하게 약 10㎜의 길이를 갖고, 마이크로폰(4)을 수납하기에 충분한 내부 직경, 본 실시예의 경우 5㎜의 내부 직경을 갖는다. 스핀들내 마이크로폰(4)의 위치는 그 길이에 따라 가변적이어서, 확성기가 공진기에 공진주파수를 인가할 때 가장 급준한 출력신호 피크가 생성되는 최적의 지점에 위치되도록 한다. 마이크로폰(4)은 접착제(43)를 이용하여 스핀들(42)내 최적의 위치에 고정된다. 상기 접착제는 공진주파수를 불안정하게 할 수 있는 불규칙한 형태로 건조될 수 있기 때문에 공진기 공동안으로 들어가지 못하게 한다. 마이크로폰(4)은 바람직하게는 림(rim, 45)을 구비하고, 이는 접착제가 공진기로 들어가는 것을 방지하기 위해 스핀들(42)의 내부 직경과 거의 동일한 외부 직경을 갖는다. 대안적으로, 마이크로폰(4)은 스핀들(42)내에 확고하게 설치될 수 있다. 마이크로폰(4)은 전기적 연결부(46)에 의해 구동전자회로(1)와 접속된다.

확성기(2)는 도 3에 도시된 마이크로폰(4)과 동일한 방법으로 장착될 수 있지만, 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 공진기의 내부로부터 특정 거리에 고정된다.

도 4에서, 약 2㎜ 길이의 스핀들(21)은 스핀들(21)과 공진기를 통해 구멍이 뚫리고 스워프가 제거된 1.5㎜ 통로(22)와 공진기(3)의 외벽에 장착되거나 그 일부로서 형성된다. 확성기(2)는 통로(22)를 덮는 스핀들(21)의 외부에 장착된다. 확성기는 접착제를 이용하여 스핀들(21)에 고정되고 접착제가 전혀 통로(22)로 들어가지 않게 하며, 전기적 연결부(23)에 의해 여과 및 증폭전자회로(5)와 전기적으로 접속된다.

마이크로폰 및 확성기 모두의 위치는 가장 급준한 출력피크를 얻기 위해 가변적일 수 있고, 또는 대안적으로 마이크로폰 또는 확성기 어느 한 쪽이 가변적이고 다른 한 쪽의 위치가 고정될 수도 있다.

예를 들어 서로 다른 유효 반경을 생성하는 기계가공의 공차로 인한 각각의 공진구형체의 약간의 변화때문에, 각각의 공진기는 다음의 수학식을 이용하여 각각 교정된다:

c = f×K.

각각의 공진기는 GASVLE 등의 기체 특성 예측을 위한 컴퓨터 모델을 이용하거나 또는 적당한 방법을 사용하여 측정함으로써 알게된 공지된 음속(c)의 기체를 이용하여 교정된다. 그 후, 공진주파수(f)는 교정되는 공진기내의 공지된 음속의 기체에 대해 측정되고, 상수(K)가 얻어진다. 관련된 상수(K)와 함께 측정된 공진기를 이용하면 측정된 공진주파수로부터 임의의 기체에 대해 음속을 판정할 수 있다. 이것은 약 0.1%의 정확성을 제공한다. 공진기의 부피에 영향을 미치는 대기온도의 변화를 보상함으로써, 기체의 음속은 약 0.05%의 더 우수한 정확성으로 판정될 수 있다.

확성기는 공진기(3)의 제 1 비-반경방향 공진 피크의 주파수를 포함하기에 적당한 주파수 범위에서 사인파 신호를 제공하기 위해 도 1에 도식적으로 도시된 전자회로(1)에 의해 구동된다. 확성기는 주파수 범위내에서 구동된다. 마이크로폰은 전자회로로 인해 약간의 지연을 갖으면서, 도 5에 그래프로 도시된 바와 같이 확성기가 구동되는 주파수에 대응하는, 여과되고 증폭된 출력전압을 제공한다. 마이크로폰이 가장 큰 출력전압을 생성하는 주파수는 비-반경방향 공진주파수가 되도록 판정되고, 도 5에서는 20℃에서 8860㎐가 된다.

연속적인 주파수 범위에서의 사인파에 대한 근사값의 생성이 후술되어 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 클럭신호(101)는 전압제어 발진기로부터 회선(111)상으로 마이크로프로세서(110)엔 인가된다. 히타치사의 HD6473048F16 등의 임의의 적당한 마이크로프로세서가 사용될 수 있다. 마이크로프로세서(110)는 각각이 회선(112,113,114)상에서 동일한 주파수를 갖는, 도 6에 도시된 펄스폭 변조(PWM) 신호(102,103,104)를 생성하기 위해 회선(111)으로부터의 입력 클럭신호(101)를 처리한다. PWM신호(102,103,104)는 회선(118)상의 사인파에 대한 근사값을 생성하기 위해 본 실시예의 경우 저항기(115,116,117)로 구성된 가중치 합산장치를 이용하여 함께 결합된다. 도 6에 도시된 사인파에 대한 근사값(105)은 각각이 고정된 듀티사이클(신호의 오프시간에 대한 온시간의 비율)을 갖는 PWM신호(102,103,104)와 동일한 주파수를 갖는다.

본 실기예에서, 합성된 사인파에 대한 근사값(105)의 각각의 사이클은 클럭신호(101)의 16 사이클에 해당하지만, 8 또는 32나 임의의 다른 적당한 값이 될 수 있다. PWM신호(102)의 상승에지(121) 및 하강에지(122)는 클럭신호(101)의 제 6 및 제 10 사이클의 완료시에 각각 발생한다. PWM신호(103)의 상승에지(131) 및 하강에지(132)는 클럭신호(101)의 제 4 및 제 12 사이클의 완료시에 각각 발생한다. PWM신호(104)의 상승에지(141) 및 하강에지(142)는 클럭신호(101)의 제 2 및 제 14 사이클의 완료시에 각각 발생한다.

그 후, PWM신호(102,103,104) 각각은 가중치 저항기(115,116,117)를 각각 통과한다. 저항기(115,116,117) 값의 비율은 가장 우수한 전체 사인파 근사값을 제공하도록 선택되고, 본 실시예의 경우 저항기(115)는 51㏀, 저항기(116)는 36㏀, 저항기(117)는 51㏀가 된다.

PWM 구형파로부터 사인파에 대한 근사값을 생성하기 위해서, 제 3, 제 5, 제 7 고조파 등은 억제하면서 제 1 고조파를 유지하는 것이 바람직하다. 도 6에 도시된 바와 같은 상기 방법을 이용하면, 제 3 및 제 5 고조파는 저항기의 공차로 인한 일부 잔류효과로부터 떨어져 제거된다. 본 실시예에서, 사인파 생성장치는 확성기(2) 및 마이크로폰(4)에 의해 검출되는 확성기로부터 전송된 신호를 구동하도록 7.5㎑-11.8㎑ 범위의 사인파를 생성하기 위해 사용될 수 있는 것이 도시되어 있다. 이러한 방법으로 사용될 때, 제 7 고조파 및 그 이후의 고조파는 이들 고조파로 인해 전송된 신호가 마이크로폰의 대역 통과 한계밖에 있어야 하기 때문에 이들 고조파의 효과를 제거하기 위해 어떠한 추가적인 여과 또는 조절도 필요하지 않도록 하는 레벨까지 감소된다. 상기 장치가 더 낮은 주파수의 사인파를 생성하기 위해 사용되는 경우, 제 7 고조파 및 그 이후의 고조파의 효과는 사인파에 대한 더 우수한 근사값을 생성하기 위해 저역 여과 또는 더 많은 펄스폭 변조신호를 이용함으로써 제거 또는 감소될 수 있다.

각각의 저항기(115,116,117)로부터의 출력은 도 6에 도시된 사인파에 대한 근사값(105)을 생성하기 위해 공통회선(118)에서 결합된다. 신호(105)는 공통회선(118)과 접지 사이에 접속된 커패시터(119)에 의해 저역 여과되고 접속지점(120)에서 검출된다.

도 8은 "161"에서 발진 출력을 생성하는 전압제어 발진기(160)를 나타내고, 그 주파수는 입력(162)에서 인가되는 구동신호의 전압에 종속된다. 그러나, 그 출력주파수가 입력의 아날로그값에 종속되는 장치라면 어느 것이라도 적당하다.

본 발명의 본 실시예에서는 아날로그 디바이스(Analog Device) AD654 전압-주파수 변환기를 이용한다. 도 8에 AD654의 블럭도가 도시되어 있다. 다용도의 연산증폭기(163)는 입력 스테이지에 사용되고; 그 목적은 입력전압 신호(162)를 구동전류로 변환하고 조정(scale)하는 것이다. 구동전류는 전류-주파수 변환기(165)(비안정 다조파 발진기)로 전달된다. 변환기(165)의 출력은 트랜지스터(164)를 제어한다.

도 8의 접속 구조에서, 입력 증폭기(163)는 "162"에서 입력전압에 대한 매우 높은(250㏁) 임피던스를 제공하며, 상기 입력전압은 핀(3)에서 스케일링 저항기(167)에 의해 적절한 구동전류로 변환된다. 본 실시예에서, 저항기(167, 168)는 1.2㏀이다.

도 7에 도시된 출력 접속지점(120)에서 생성된 사인파에 대한 근사값의 주파수는 예를 들어 전기부품의 온도 및 성능에서의 변화로 인해 도 8에 도시된 입력(162)에서 인가된 구동신호의 전압으로부터 항상 정확하게 나타날 수는 없다. 따라서, 마이크로프로세서(110)는 또한 후술한 바와 같이 사인파에 대한 출력 근사값과 동일한 주파수를 갖는 PWM신호(102,103,104)를 각각 전달하는 회선(112,113,114)중의 어느 하나와도 접속될 수 있다. 마이크로프로세서는 1초와 같은 소정 기간에 대해 선택된 PWM신호의 사이클의 수를 카운트한다. 그 후, 사인파의 실제 출력 주파수가 정확하게 판정될 수 있다. 마이크로프로세서(110)는 PWM신호가 카운트가 용이한 좀더 정밀하게 정의된 명확한 온/오프 상태를 가져서 더 나은 결과를 제공하기 때문에 소정 기간동안 사인파에 대한 근사값(105)의 사이클보다 PWM신호(102,103,104)의 사이클의 수를 카운트한다.

대안적으로, 마이크로프로세서(110)는 소정 기간동안 클럭신호(101)의 사이클의 수를 카운트할 수 있고, 이로부터 각각의 PWM신호 사이클을 생성하기 위해 필요한 클럭신호 사이클의 수에 의해 분할함으로써 사인파 주파수를 판정한다.

대안적으로 또는 추가적으로, 마이크로프로세서는 소정 수의 클럭사이클 또는 PWM 사이클을 생성하기 위해 걸린 시간을 측정할 수 있고, 이로부터 사인파에 대한 근사값의 주파수를 계산한다.

발진기(160)가 연속되는 주파수 범위의 발진신호를 생성하기 때문에, 연속되는 주파수 범위의 사인파가 생성될 수 있다.

사인파에 대한 근사값을 생성하기 위해 마이크로프로세서와 함께 용이하게 유용하고, 작으며(AD 654용 9.91㎜ x 7.87㎜ x 4.57㎜의 8-핀 플라스틱 DIP형태 또는 4.90㎜ x 3.91㎜ x 2.39㎜의 8-핀 SOIC형태), 저렴한 장치인 가변주파수 사각파(square wave) 생성 발진기를 사용하면 연속적인 주파수 범위에서 사인파에 대한 근사값을 생성할 수 있고, 소형이어서 예를 들어 소형 프로브상, 또는 소형 하우징내에 장착될 수 있는 장치를 제작할 수 있다. 마이크로프로세서는 일반적으로 다른 목적을 위해 많은 프로브 또는 전자시스템에서 사용되기 때문에, 연속적인 주파수 범위에서 사인파에 대한 근사값을 생성하기 위해 필요한 추가적인 공간만이 소형의 가변주파수 구형파생성 발진기에 필요하다.

상기 발진기는 전압 제어 발진기일 필요는 없고, 연속적인 주파수 범위를 갖는 신호를 공급하도록 배치된 임의의 장치일 수 있다.

사인파에 대한 근사값은 3개의 PWM신호로부터 생성될 필요는 없고, 사인파에 대한 근사값의 요구 레벨에 종속되는 임의의 적당한 수로부터 생성될 수 있다. 또한, 사인파의 각각의 사이클은 16 클럭사이클에 대응할 필요는 없고, 8, 32 또는 임의의 적당한 수가 될 수 있다.

공진주파수(마이크로폰에 의해 생성된 신호의 진폭이 최대값이 되는 주파수)를 신속하고 정확하게 판정하기 위해서, 도 9에서 S1에 의해 도시된 바와 같이 공진이 발생할 수 있는 주파수 범위에서 초기의 고속의 성긴 주파수 소인(coarse frequency sweep)이 이루어진다(본 실시예의 경우 10-15㎐ 스텝). 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 최대값이 발생하는 초기의 거친 주파수 소인에서 더 좁은 주파수 범위를 식별한다. 추가적인 주파수 소인(S2)은 최대값이 발생되는 주파수를 정확하게 판정하기 위한 상기의 식별된 더 좁은 주파수 범위내에서 공진주파수를 식별하는 더 적은 주파수 스텝(본 실시예의 경우 1㎐)으로 이루어진다.

성기고 이후 더 좁은 주파수 범위상에서의 미세한 주파수 소인의 상기 결합을 이용하면, 공진주파수의 정확한 값은 예를 들어 1초의 몇 분의 1동안 신속하게 판정될 수 있다. 마이크로프로세서와 같은 제어수단은 노이즈에 기인한 에러를 감소시키기 위해 후속하여 검출된 주파수값(S3)을 평균화할 수 있다. 그 후, PWM 신호의 주파수는 공진에서 확성기(2)를 구동하는 생성된 사인파의 주파수를 표시하기 위해 판정될 수 있다(S4).

지금부터 공진주파수의 판정을 상세하게 설명할 것이다.

PWM신호를 발생하는 마이크로프로세서, 본 실시예의 경우 상기한 마이크로프로세서(110)는 공진기내 기체의 공진주파수를 판정하기 위한 알고리즘을 수행하기 위해 이용된다. 마이크로프로세서(110) 대신 적절한 플러그인 데이터 획득카드와 함께 PC가 사용될 수 있다.

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

아날로그 출력(201)은 도 8에 도시된 전압-주파수 변환기(160)의 입력(162)과 접속되어, 확성기(2)에 인가되는 주파수를 제어한다. 이러한 경우, 아날로그 출력(201)은 모두 전압-주파수 변환기(160)의 입력(162)과 접속되는 2개의 출력(도시되지 않음)으로 구성된다. 하나의 출력은 성긴 주파수 소인을 제어하고 다른 출력은 미세한 주파수 소인을 제어한다. 2개 출력 각각은 요구되는 레벨의 분해능을 제공하기 위해, 본 실시예의 경우 마이크로프로세서(110) 자체에 제공되는 디지털-아날로그 변환기 및 적절한 저항기를 통과한다. 이러한 경우, 성긴 주파수 제어를 위한 저항기는 36㏀이고, 미세한 주파수 제어를 위한 저항기는 2.2㏁이다.

상기한 바와 같이, 확성기를 구동하는 사인파 신호에 대한 근사값의 주파수는 예를 들어 전기부품의 성능 및 온도 변화로 인해 아날로그 출력(201)으로부터의 구동신호의 전압으로부터 항상 정확하게 나타날 수는 없다. 따라서, 각각이 확성기(2)를 구동하는 사인파에 대한 근사값과 동일한 주파수인 PWM신호(102,103,104)중의 하나 또는 클럭신호(101)가 상기한 바와 같이 사인파에 대한 근사값(105)의 주파수를 계산하기 위해 마이크로프로세서(110)에 대한 디지털 입력(202)에서 인가된다.

아날로그 입력(203)은 마이크로폰에 의해 수신되는 신호의 진폭을 나타내며, 외부의 아날로그-디지털 변환기에 의해 마이크로프로세서(110)와 접속된다. 공진주파수의 위치결정 처리는 아날로그 입력(203)이 최대값을 갖는 주파수를 식별하는 단계중의 하나이다.

공진주파수의 위치결정 처리는 4개 스테이지로 나눠질 수 있다. 처음 3개 스테이지(S1,S2,S3)는 각각 공진을 찾기 위해 확성기 주파수를 변경하는 단계와 관련된다. 공진의 위치가 결정되었을 경우, 최종 스테이지(S4)에서 공진주파수를 측정한다.

제 1 스테이지(S1)는 아날로그 출력전압(201)의 각각의 단계에 대하여 아날로그 입력(203)의 한 판독단계에 대해 취하는 허용가능한 주파수 범위를 통한 고속 스캔 단계이다. 허용가능한 주파수 범위는 비-반경방향 공진이 기체 성분, 온도, 및 압력의 원하는 결합에 대해 발생되어야 하는 주파수로 스캔을 제한하도록 선택된다. 허용가능한 범위의 한계는 공진주파수의 위치를 결정하기 위해 소요되는 시간을 감소시키고 또한 원치않는 공진 피크의 위치를 결정할 위험을 감소시키기 위해 부과된다. 마이크로폰 주파수와 아날로그 출력(201)으로부터의 제어전압 사이의 정확한 관계가 알려져 있지 않지만, 그 안에서 공진을 찾기 위해 허용가능한 범위의 주파수 한계를 설정하기 위해 사용되도록 충분히 잘 접근될 수 있다. 본 실시예에서, 주파수 범위는 86㎑/초의 주파수 스캔속도 및 각각의 방향에서 전체 5100 마이크로폰 샘플을 생성하는 100,000 샘플/초의 마이크로폰 샘플링속도에서 7.5㎑~11.8㎑(4.3㎑)가 된다.

공진주파수의 위치를 결정하기 위해서, 상기 프로세서는 입력(203)에서 마이크로폰으로부터의 신호의 진폭에서의 피크를 찾은 후 그 때 사용되는 주파수 제어전압을 확정하도록 배치된다.

출력(201)에서 주파수 제어전압의 변경 결과로서 입력(203)에서 마이크로폰으로부터의 신호의 진폭의 변경을 생성하기 위해 하드웨어가 취하는 한정된 시간을 고려하기 위해서, 제 1 스테이지(S1)의 고속 스캔은 아날로그 출력전압(201)의 범위를 통한 제 1 스캔 업(scan up) 및 아날로그 출력전압의 동일 범위를 통한 제 2 스캔 다운(scan down)과 관련된다. 명확하게, 대안적으로 상기 제 1 스캔은 아날로그 출력전압의 범위를 통해 다운될 수 있고, 제 2 스캔은 상기 범위를 통해 업될 수 있다. 스캔 업하는 경우, 피크가 검출될 때 인가되는 주파수 제어전압(201)은 응답시간으로 인해 피크가 발생되도록 한 전압보다 약간 더 높게 된다. 스캔 다운하는 경우, 주파수 제어전압(201)은 피크 전압보다 약간 낮을 것이다. 응답시간이 양쪽 스캔 방향에 대해 동일하다고 가정하면, 2개 전압의 평균은 공진에서의 정확한 전압을 제공할 것이다.

하드웨어의 한정된 응답시간을 고려한 제 2 방법이 도 11에 대향하는 방향에서 제 1 및 제 2 스캔하는 상기 방법과 함께 도시되어 있다. 제 2 방법은 시간에 따른 주파수 제어전압 특성(302) 및 추정 응답시간(T)에 따라서 도 11의 점선(303)에 의해 도시된 바와 같은 마이크로폰 데이터값을 생성한 주파수 제어전압(V)과 수신된 마이크로폰 데이터값(M)의 피크(301)를 정합하기 위해 응답시간(T)에 대한 추정값을 이용한다. 따라서, 마이크로폰은 주파수 제어전압(V)이 시간(t₁)에 스캐닝을 종료한 후에도 당분간 데이터를 계속 수집한다. 이 제 2 방법은 도 11의 주파수 제어전압(302)의 윗방향 스캔에서 피크(301)와 같은 스캔 한계의 종단 부근에 있는 피크가 마이크로폰 데이터(M)의 수집이 주파수 제어전압(302)의 스캐닝과 동기화되었더라면 놓쳤을 것을 발견될 수 있도록 한다. 만일 추정된 응답시간이 정확했다면, 업 스캔 및 다운 스캔 각각에서 공진 피크를 생성하는 전압에 대해 발견된 값(X,Y)은 정확하게 동일해진다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 주파수 제어전압의 업 및 다운값이 약간 다르고 이후에 평균화될 경우에서는 추정값이 약간 부정확할 수도 있다.

제 2 스테이지(S2)는 공진 피크를 포함하는 것으로 제 1 스테이지에서 식별된, 더 작은 주파수 범위에서라는 점을 제외하고는 제 1 스테이지의 주사방법을 이용한다. 제 2 스테이지는 그 더 작은 주파수 스캔 범위에 대한 그 중심점으로서 제 1 스테이지에 의해 획득된 공진에서 주파수 제어전압에 대한 값을 이용한다. 본 실시예에서, 제 2 스테이지의 주파수 스캔 범위는 150.5㎐이다.

그러나, 제 1 스캔 결과는 중심점으로서 그것을 이용할 수 있도록 제 2 스테이지에 대한 주파수 제어전압 범위의 종단 한계중의 하나와 매우 근접하게 될 수 있다. 이러한 경우, 제 2 스테이지의 스캔은 주파수 제어전압 범위의 적절한 종단 한계에 고착될 것이다.

주파수 제어전압 스텝 크기 또한 제 2 스테이지에서는 다르다. 속도에 있어서, 제 1 스테이지는 전체 주파수 제어전압 분해능을 이용하지 않는 반면, 제 2 스테이지는 좀더 정밀한 공진주파수값을 생성하기 위해 상기 분해능을 이용한다.

제 2 스테이지는 또한 시간에 대해 확성기 주파수의 더 느린 속도의 변화율을 이용한다. 본 실시예의 경우에는, 제 1 스테이지에서 사용된 86.0㎑/초가 아닌 2.15㎑/초가 사용되었다. 본 실시예에서, 제 2 스테이지의 마이크로폰 샘플링속도는 또한 전체 1800 마이크로폰 샘플을 생성하는 25,000 샘플/초로 더 낮다.

마이크로폰 데이터를 평균화하여 신뢰할 수 있는 결과를 생성하는 추가 스캔을 이용하는 제 3 스테이지(S3)를 이용하여 최종값이 얻어진다. 제 2 스테이지와 유사하게, 이 스테이지는 그 중심점으로서 이전 스캔에 의해 얻어진 결과를 이용한다. 제 2 스캔 결과가 중심점으로서 그것을 이용할 수 있도록 제 3 스테이지(S3)에 대한 주파수 제어전압 범위의 종단 한계에 매우 근접한 경우, 제 3 스캔은 그 주파수 제어전압 범위의 적절한 종단 한계에 고착될 수 있다. 그러나, 이러한 제 3 스테이지의 스캔은 이전 스테이지의 스캔보다 더 느리고 좀더 규칙적이다. 따라서, 대개 24 이하이고 본 실시예의 경우 21이 되는 더 작은 주파수 제어전압값의 범위를 포함한다. 각각의 값에서, 아날로그 출력(201)이 설정된 후, 상기 회로는 몇 ㎳, 본 실시예의 경우 5㎳동안 설정되도록 방치된다. 설정시간이 경과되면, 마이크로폰 전압의 일정한 수의 샘플, 본 실시예의 경우 20개의 샘플이 취해지고 합산된다. 이 처리는 주파수 제어전압값 각각에 대해 반복되고 피크값이 확정된다. 이것이 공진주파수 제어전압값이다.

최종 제 4 스테이지(S4)는 공진값에서 주파수를 유지하는 단계, 및 디지털 입력(202)에 제공된 클럭신호(101) 또는 PWM신호(102,103,104)를 이용하여 확성기(2)를 구동하는 신호의 주파수를 측정하는 단계를 포함한다.

Claims

검사될 기체를 포함하는 구형인 공진기;

상기 공진기 내부에 음향신호를 인가하는 음향전송기;

상기 공진기의 내부에서 음향신호의 진폭을 검출하는 음향수신기; 및

검출된 공진모드의 주파수로부터 공진기내 기체의 음속을 판정하는 제어수단을 포함하는 기체의 음속 판정장치에 있어서,

상기 검출된 공진모드는 비-반경방향 공진모드이고, 공진기의 내부 반경은 5㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진기는 4㎝ 이하의 내부 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 2 항에 있어서,

상기 공진기는 3㎝ 이하의 내부 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 3 항에 있어서,

상기 공진기는 2㎝ 이하의 내부 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 4 항에 있어서,

상기 공진기는 1.5㎝ 이하의 내부 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 음향전송기 및 음향수신기는 상기 공진기의 공동 외부에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기의 상대적인 간격은 가변적인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 7 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기중의 하나는 공진기 중심으로부터 고정된 거리에 장착되도록 배치되고, 다른 하나는 공진기 중심으로부터 가변적인 거리에 장착되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 음향전송기는 5볼트 이하의 공급전압으로 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기는 180°떨어져 공진기에 장착되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진기는 사용하는 동안 기체가 확산되어 출입할 수 있도록 그 벽을 통과하는 2개 이상의 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진기의 적어도 일부는 다공성 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어수단은

c = f×K

(여기서 c는 기체의 음속;

f는 측정된 공진주파수; 및

K는 교정에 의해 결정된 공진기에 대한 상수)

라는 관계식을 이용하여 검출된 비-반경방향 공진모드의 주파수로부터 공진기 내부의 기체 음속을 판정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정장치.
삭제
음속이 판정될 기체를 포함하는 구형인 공진기의 내부에 음향신호를 인가하는 단계;

상기 공진기의 내부에서 음향신호의 진폭을 검출하는 단계; 및

검출된 공진모드의 주파수로부터 공진기내 기체의 음속을 판정하는 단계를 포함하며,

상기 검출된 공진모드는 비-반경방향 공진모드이고, 상기 공진기의 내부 반경은 5㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 공진기의 내부 반경은 4㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 16 항에 있어서,

상기 공진기의 내부 반경은 3㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 공진기의 내부 반경은 2㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 18 항에 있어서,

상기 공진기의 내부 반경은 1.5㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 음향전송기 및 음향수신기는 상기 공진기의 공동 외부에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기의 상대적 간격은 가변적인 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 21 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기중의 하나는 공진기 중심으로부터 고정된 거리에 장착되도록 배치되고, 다른 하나는 공진기 중심으로부터 가변적인 거리에 장착되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 음향전송기는 5볼트 이하의 공급전압으로 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 음향전송기와 음향수신기는 180°떨어져 공진기에 장착되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 공진기는 사용하는 동안 기체가 확산되어 출입할 수 있도록 그 벽을 통과하는 2개 이상의 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

상기 공진기는 다공성 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
제 15 항에 있어서,

공진기내 기체의 음속은

c = f×K

(여기서 c는 기체의 음속;

f는 측정된 공진주파수; 및

K는 교정에 의해 결정된 공진기에 대한 상수)

라는 관계식을 이용하여 검출된 비-반경방향 공진모드의 주파수로부터 판정되는 것을 특징으로 하는 기체의 음속 판정방법.
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