KR101390260B1 - 기체 확산속도 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체 확산속도 측정장치에 관한 것으로, 내부에 히터와 온도센서가 구비되고, 측면에는 홀이 형성되어 기체 흡배기구가 부착되고, 상부에는 내부의 압력을 측정하는 압력계가 구비된 제1 및 제2 압력밀폐용기; 온도센서에 연결되고, 온도센서가 측정한 온도를 표시하는 온도표시장치; 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력차를 측정하는 차압계; 차압계에 연결되고, 전원이 공급된 후 동작을 시작하여 차압계의 측정값이 0이 될 때 동작을 정지하는 타이머; 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 개방정도가 조절되어 제1 및 제2 압력밀폐용기 내의 기체를 확산시키는 확산밸브; 및 차압계, 타이머, 및 확산밸브의 동작을 제어하고, 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 온도표시장치에 설정된 온도에 도달할 때까지 히터를 동작시키고, 설정된 온도를 초과하는 경우 히터의 동작을 정지시켜, 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 제어장치;를 포함한다.

Description

기체 확산속도 측정장치 및 그 측정방법{Device for measuring diffusion velocity of gas and method thereof}
본 발명은 기체 확산속도 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기체 확산속도 측정기는 중, 고등학교 학생이 특정 시료(예컨대 암모니아수와 염산)를 사용하여 기체가 확산하는 속도를 측정하는 기기이다.
즉, 임의의 직경(약 24mm), 임의의 길이(약 600mm)를 갖는 유리관과, 그 양쪽을 막을 수 있는 고무마개와, 시료를 적실 수 있는 약간의 솜과, 실험에 적절한 시료가 준비된다.
그리고, 이때의 유리관에는 측정에 도움이 되도록 하기 위해 약 500mm 구간에 걸쳐 눈금이 마련되어 있다.
이를 사용하여 기체의 확산속도를 측정하고자 할 때는 유리관이 받침대 상에 올려진 상태에서 양쪽 끝단부에서 밀어 넣을 각각의 솜에 암모니아수 및 염산을 묻히고, 이들을 상기 유리관의 양쪽에서 각각 밀어 넣은 후, 고무마개를 막는다.
그리고, 유리관 속에서 시료가 반응하여 기체가 확산되는 것을 관찰할 수 있으며, 관찰하는 동안 유리관의 표면에 표시된 눈금을 토대로 파악할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 기체 확산속도 측정기는 기체의 종류를 어느 하나를 변화시켜 기체의 확산속도를 측정할 수 있는 방안을 제시하지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 등록실용신안공보 제279391호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 기체의 종류, 두 압력밀폐용기의 온도 및 압력차 중 어느 하나를 변화시켜 기체의 확산속도를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 기체 확산속도 측정장치는, 내부에 히터와 온도센서가 구비되고, 측면에는 홀이 형성되어 기체 흡배기구가 부착되고, 상부에는 내부의 압력을 측정하는 압력계가 구비된 제1 및 제2 압력밀폐용기; 상기 온도센서에 연결되고, 상기 온도센서가 측정한 온도를 표시하는 온도표시장치; 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력차를 측정하는 차압계; 상기 차압계에 연결되고, 전원이 공급된 후 동작을 시작하여 상기 차압계의 측정값이 0이 될 때 동작을 정지하는 타이머; 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 개방정도가 조절되어 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기 내의 기체를 확산시키는 확산밸브; 및 상기 차압계, 타이머, 및 확산밸브의 동작을 제어하고, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 상기 온도표시장치에 설정된 온도에 도달할 때까지 상기 히터를 동작시키고, 상기 설정된 온도를 초과하는 경우 상기 히터의 동작을 정지시켜, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 제어장치;를 포함한다.
여기서, 상기 온도표시장치, 상기 차압계, 상기 타이머, 상기 확산밸브 및 상기 제어장치는 일체화된다.
또한, 상기 기체 흡배기구는 실리콘 및 고무패킹으로 이루어진다.
또한, 상기 확산밸브는 솔레노이드 밸브이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 기체 확산속도 측정방법은, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력차를 측정하는 차압계가 특정 압력값을 갖도록, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 기체를 공급하고 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도를 측정하는 제1 단계; 타이머를 동작시킨 후, 상기 차압계의 특정 압력값이 0일 때 상기 타이머의 동작을 정지시키는 제2 단계; 상기 타이머의 동작시간을 측정한 후, 동작시간의 역수를 연산하는 제3 단계; 상기 타이머의 동작시간의 역수에 설정된 비례상수값을 곱하여 기체의 확산속도를 구하는 제4 단계; 및 상기 기체의 종류, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도, 상기 차압계의 특정 압력값 중 어느 하나를 변경시켜 상기 제1 내지 제4 단계를 반복하는 제5 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 타이머의 동작시간은 적어도 2회 이상 측정된 값의 평균값이다.
또한, 상기 제1 단계는, 상기 제1 압력밀폐용기가 특정 압력값을 갖도록 한 상태에서 상기 제2 압력밀폐용기의 압력값을 증가시켜 상기 차압계가 특정 압력값을 갖도록 한다.
여기서, 상기 제1 단계는, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력값을 조절하여 상기 차압계가 특정 압력값을 갖도록 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 기체의 종류, 두 압력밀폐용기의 온도 및 압력차 중 어느 하나를 변화시켜 기체의 확산속도를 측정할 수 있게 됨으로써, 확산속도 측정시간이 단축될 수 있을 뿐만 아니라 다양한 조건에서 많은 양의 확산속도를 측정할 수 있기 때문에 상대적인 확산속도를 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정장치의 개략도이다.
도 2는 분자량의 변화에 따른 확산속도의 관계 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자량의 역수의 변화에 따른 확산속도의 제곱의 관계 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정방법의 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정장치는, 제1 압력밀폐용기(100a) 및 제2 압력밀폐용기(100b), 온도표시장치(200), 차압계(300), 타이머(400), 확산밸브(500) 및 제어장치(600)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)는 내부에 히터와 온도센서가 구비되고, 측면에는 홀이 형성되어 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162)와 히터연결부(141, 142)가 부착되고, 상부에는 내부의 압력을 측정하는 압력계(110a, 110b)가 구비된다. 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)는 3kgf/cm2의 압력을 견딜 수 있도록 폐 압력밥솥을 사용하는데, 이와 같은 압력을 견딜 수 있는 장치라면 어떠한 장치라도 사용될 수 있음은 물론이다. 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162)는 4개로 형성될 수 있고, 이와 같은 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162)는 실리콘 및 고무패킹으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 4개의 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162)는 각각 공기펌프(10), 차압계(300), 확산밸브(500)에 연결되는데(공기펌프(10)에는 2개 연결), 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 홀과 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162) 사이에서 공기가 누설되는 것을 방지하기 위해 실리콘 및 고무패킹이 사용될 수 있다. 그리고, 기체 흡배기구(121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162)에 연결된 관에는 밸브(31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44)가 구비된다.
온도표시장치(200)는 온도센서에 연결되고, 온도센서가 측정한 온도를 표시한다. 온도표시장치(200)는 디지털 방식으로 온도를 표시할 수 있는데, 디지털 방식으로 표시함으로써 실험자가 정확한 온도값을 확인할 수 있다.
차압계(300)는 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)에 연결되고, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력차를 측정한다.
타이머(400)는 차압계(300)에 연결되고, 전원장치(20)로부터 전원이 공급된 후 동작을 시작하여 차압계(300)의 측정값이 0이 될 때 동작을 정지한다. 즉, 타이머(400)는 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력이 같아질 때까지 동작한다. 그리고, 타이머(400)는 일반 스톱워치로 사용되는 표시장치가 사용된다.
확산밸브(500)는 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)에 연결되고, 개방정도가 조절되어 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b) 내의 기체를 확산시킨다. 확산밸브(500)는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
제어장치(600)는 차압계(300), 타이머(400), 및 확산밸브(500)의 동작을 제어하고, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 온도가 온도표시장치(200)에 설정된 온도에 도달할 때까지 히터를 동작시키고, 설정된 온도를 초과하는 경우 히터의 동작을 정지시켜, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 온도가 일정하게 유지되도록 한다. 제어장치(600)는 마이크로프로세서, AD 컨버터, 반도체 스위치 등으로 구성될 수 있다.
전술한 기체의 확산속도 측정장치를 구현함에 있어서 온도표시장치(200), 차압계(300), 타이머(400), 확산밸브(500) 및 제어장치(600)는 일체화시켜 간편하게 사용될 수 있다.
기체의 종류를 단원자분자, 이원자분자, 다원자분자를 대표하는 기체로 순서대로 헬륨, 공기, 산소, 이산화탄소를 대상으로 후술하는 바와 같이 실험을 실시하였다.
먼저, 제1, 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력을 각각 1kgf/cm2, 1.3kgf/cm2로 하고, 차압계(300)가 0.3bar가 유지되도록 펌프를 이용하여 공기를 공급하고, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b) 내의 온도를 측정하여 기록한다.
그 다음, 전원을 공급하여 타이머(400)가 동작한 후 차압계(300)의 압력값이 0일 때 타이머(400)의 동작이 정지하는데, 이대 타이머(400)에 나타난 시간 t를 3회 측정하여 평균값을 구한 후 그 역수(
Figure 112012105294840-pat00001
)를 구한다.
그 다음, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b) 내의 기체의 종류를 헬륨, 산소, 이산화탄소 등으로 변경하면서 전술한 과정을 반복한다. 차압계(300)의 압력값을 0.3bar으로 하고, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b) 내의 온도를 20℃로 할 때, 그 실험결과는 표 1과 같다.
Figure 112012105294840-pat00002
한편, 도 2를 참조하면, 분자량(M)이 큰 기체일수록 무거워서 분자운동이 활발하지 않으므로 확산속도(v)가 작다는 것을 알 수 있는데, 확산속도(v)를 구하는 관계식은 수학식 1과 같다. 표 2에서 살펴볼 수 있듯이, 확산속도(v)는 전술한 실시예에서 구한
Figure 112012105294840-pat00003
에 비례상수값을 곱한 결과값에 거의 비례하게 계산됨을 알 수 있다. 그리고, v는
Figure 112012105294840-pat00004
에 비례하므로, 도 3에서와 같이
Figure 112012105294840-pat00005
은
Figure 112012105294840-pat00006
에 비례하게 된다.
이와 같은 실시예를 통해 기체의 확산속도 측정장치의 측정방법의 타당성을 입증할 수 있다.
Figure 112012105294840-pat00007
Figure 112012105294840-pat00008
이때, R : 기체상수, T : 절대온도, M : 분자량이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정방법의 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 확산속도 측정방법은 S100 내지 S600 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력차를 측정하는 차압계(300)가 특정 압력값을 갖도록, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)에 기체를 공급하고 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 온도를 측정한다(S100). 예를 들면, 제1, 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력을 각각 1kgf/cm2, 1.3kgf/cm2로 하고 차압계(300)가 0.3bar를 갖도록, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)에 기체를 공급하고 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 온도를 측정한다. 구체적으로는, 제1 압력밀폐용기(100a)가 1kgf/cm2를 갖도록 한 상태에서 제2 압력밀폐용기(100b)의 압력값을 증가시켜 차압계(300)가 특정 압력값을 갖도록 할 수 있다. 다른 예를 들면, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력값을 조절하여 차압계(300)가 0.3bar를 갖도록 할 수 있다.
S100 단계 이후, 타이머(400)를 동작시킨 후, 차압계(300)의 특정 압력값이 0일 때 타이머(400)의 동작을 정지시킨다(S200). 즉, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 압력이 같아질 때까지 타이머(400)를 동작시킨다.
S200 단계 이후, 타이머(400)의 동작시간을 측정한 후, 동작시간의 역수를 연산한다(S400). 타이머(400)의 동작시간은 적어도 2회 이상 측정된 값의 평균값일 수 있는데, 측정된 값이 많으면 많을수록 정확한 값을 얻을 확률이 크다.
S400 단계 이후, 타이머(400)의 동작시간의 역수에 설정된 비례상수값을 곱하여 기체의 확산속도를 구한다(S500).
S500 단계 이후, 기체의 종류, 제1 및 제2 압력밀폐용기(100a, 100b)의 온도, 차압계(300)의 특정 압력값 중 어느 하나를 변경시켜 S100 내지 S500 단계를 반복한다(S600).
본 발명의 실시예에 따른 기체 확산속도 측정장치 및 그 측정방법과 관련하여, 종래에는 기체의 종류, 두 압력밀폐용기의 온도 및 압력차 중 어느 하나를 변화시켜 기체의 확산속도를 측정할 수 없었으나, 본 발명의 일 실시예를 통하여 기체의 종류, 두 압력밀폐용기의 온도 및 압력차 중 어느 하나를 변화시켜 기체의 확산속도를 측정할 수 있게 됨으로써, 확산속도 측정시간이 단축될 수 있을 뿐만 아니라 다양한 조건에서 많은 양의 확산속도를 측정할 수 있기 때문에 상대적인 확산속도를 알 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사항 내에서 당 분야의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 공기펌프
20 : 전원장치
31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44 : 밸브
100a : 제1 압력밀폐용기
100b : 제2 압력밀폐용기
110a, 110b : 압력계
121, 122, 131, 132, 151, 152, 161, 162 : 기체 흡배기구
141, 142 : 히터연결부
200 : 온도표시장치
300 : 차압계
400 : 타이머
500 : 확산밸브
600 : 제어장치

Claims (8)

  1. 내부에 히터와 온도센서가 구비되고, 측면에는 홀이 형성되어 기체 흡배기구가 부착되고, 상부에는 내부의 압력을 측정하는 압력계가 구비된 제1 및 제2 압력밀폐용기;
    상기 온도센서에 연결되고, 상기 온도센서가 측정한 온도를 표시하는 온도표시장치;
    상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력차를 측정하는 차압계;
    상기 차압계에 연결되고, 전원이 공급된 후 동작을 시작하여 상기 차압계의 측정값이 0이 될 때 동작을 정지하는 타이머;
    상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 연결되고, 개방정도가 조절되어 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기 내의 기체를 확산시키는 확산밸브; 및
    상기 차압계, 타이머, 및 확산밸브의 동작을 제어하고, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 상기 온도표시장치에 설정된 온도에 도달할 때까지 상기 히터를 동작시키고, 상기 설정된 온도를 초과하는 경우 상기 히터의 동작을 정지시켜, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도가 일정하게 유지되도록 하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도표시장치, 상기 차압계, 상기 타이머, 상기 확산밸브 및 상기 제어장치는 일체화된 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기체 흡배기구는 실리콘 및 고무패킹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 확산밸브는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정장치.
  5. 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력차를 측정하는 차압계가 특정 압력값을 갖도록, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기에 기체를 공급하고 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도를 측정하는 제1 단계;
    타이머를 동작시킨 후, 상기 차압계의 특정 압력값이 0일 때 상기 타이머의 동작을 정지시키는 제2 단계;
    상기 타이머의 동작시간을 측정한 후, 동작시간의 역수를 연산하는 제3 단계;
    상기 타이머의 동작시간의 역수에 설정된 비례상수값을 곱하여 기체의 확산속도를 구하는 제4 단계; 및
    상기 기체의 종류, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 온도, 상기 차압계의 특정 압력값 중 어느 하나를 변경시켜 상기 제1 내지 제4 단계를 반복하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 타이머의 동작시간은 적어도 2회 이상 측정된 값의 평균값인 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 단계는, 상기 제1 압력밀폐용기가 특정 압력값을 갖도록 한 상태에서 상기 제2 압력밀폐용기의 압력값을 증가시켜 상기 차압계가 특정 압력값을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 단계는, 상기 제1 및 제2 압력밀폐용기의 압력값을 조절하여 상기 차압계가 특정 압력값을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 확산속도 측정방법.
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