KR101480370B1

KR101480370B1 - 가스의 질량 유량 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101480370B1
Application number: KR1020137017166A
Authority: KR
Inventors: 닐 알렉산더 다우니
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2015-01-09
Also published as: BR112013013329A2; KR20130103583A; MX2013005949A; PL2458348T3; WO2012072597A1; CN103328937A; CA2817813C; EP2458348B1; CL2013001504A1; ES2434260T3; TWI448667B; CN103328937B; US20130340859A1; CA2817813A1; TW201226859A; EP2458348A1; US9448094B2; BR112013013329B1

Abstract

가스의 질량 유량을 측정하기 위한 계기(200; 350)가 제공된다. 계기는 사용 중에 흐르는 가스가 통과하는 도관(206)을 포함한다. 도관은 사용 중에 조여진 유동이 일어나게 하는 유동 제한 오리피스(212)를 갖는다. 유동 제한 오리피스는 도관을 상기 오리피스의 상류에서의 상류 부분(214)과 상기 오리피스의 하류에서의 하류 부분(216)으로 나눈다. 계기는 센서 조립체(204)를 더 포함하고, 센서 조립체는 상기 상류 부분에서의 압전 결정체 발진기(218)를 포함하여 계기가 사용 중일 때 상기 압전 발진기가 상기 가스와 접촉하게 한다. 센서 조립체는: 압전 결정체 발진기가 공진 주파수에서 공진하도록 압전 결정체 발진기를 구동하고; 상기 압전 결정체 발진기의 상기 공진 주파수를 측정하며; 공진 주파수로부터 오리피스를 통한 질량 유량을 판단하도록 배치된다.

Description

가스의 질량 유량 측정 방법 및 장치 {METHOD OF, AND APPARATUS FOR, MEASURING THE MASS FLOW RATE OF A GAS}

본 발명은 가스의 질량 유량 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 압전 발진기를 이용하여 유동 제한 오리피스를 통한 가스의 질량 유동을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

여기에 기술된 방법 및 장치는, 예를 들어, 고압 실린더 또는 고압 유체를 활용하는 제조 공장에서의 유체의 공급장치와 같은, 상대적으로 고압(예를 들어 약 10bar 이상)의 유체가 존재하는, 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은 특히 "청정(clean)" 가스, 즉 수증기 또는 먼지와 같은 불순물 또는 오염물이 거의 또는 전혀 없는 가스에 관한 것이다.

본 발명은 특히 영구 가스(permanent gases)에 적용 가능하다. 영구 가스는 압력만으로는 액화될 수 없고, 예를 들어 450bar g(여기에서, bar g는 대기 압력을 초과하는 압력의 단위이다)까지의 압력에서 실린더에 공급될 수 있는 가스이다. 예는 아르곤 및 질소이다. 그러나, 이는 한정으로서 취급될 것이 아니며, 용어 '가스'는 더 광범위한 가스, 예를 들어, 영구 가스 및 액화된 가스의 증기 둘 다를 망라하는 것으로 간주될 수 있을 것이다.

액화된 가스의 증기는 압축된 가스 실린더 속에서 액체 위에 존재한다. 실린더 속에 충전하기 위해 가스들이 압축되는 압력 하에서 액화 하는 가스들은 영구 가스가 아니며, 더 정확하게는, 압력 하에서 액화된 가스 또는 액화된 가스의 증기라고 기술된다. 예로서, 아산화질소는 15°C에서 44.4bar g의 평형 증기 압력으로 액체 형태로 실린더 속에 공급된다. 그러한 증기는, 그들이 주변 상황 근처의 압력 또는 온도에 의해 액화 가능함에 따라, 영구 가스 또는 트루 가스(true gases)가 아니다.

압축 가스 실린더는 고압, 즉 대기 압력보다 현저하게 높은 압력에서 가스를 담고 있도록 설계된 압력 용기이다. 압축된 가스 실린더는, 저가의 일반적인 산업용품 시장으로부터, 약학용품 시장을 거쳐, 고순도 부식성, 독성 또는 인화성 특수 가스들을 활용하는 전자장치 제조와 같은 고가의 응용분야에 이르기까지, 광범위한 시장에서 사용된다. 보편적으로, 가압된 가스 컨테이너는 스틸, 알루미늄 또는 복합재를 포함하며, 대부분의 가스에 대해 450bar g까지, 그리고, 수소 및 헬륨과 같은 가스에 대해 900bar g까지의 최대 충전 압력으로 압축, 액화 또는 용해된 가스를 저장할 능력이 있다.

가스 실린더 또는 다른 압력 용기로부터 가스를 효율적으로 및 제어 가능하게 분배하기 위해서는, 밸브 또는 조절기가 요구된다. 흔히 그 두 가지는 통합된 압력 조절기를 갖는 밸브(VIPR)(Valve with Integrated Pressure Regulator)의 형태로 조합된다. 조절기는, 가스가 일정한, 또는 사용자 가변적, 압력으로 분배되도록, 가스의 유동을 조절할 수 있다.

많은 응용에 대해, 가스 실린더로부터의 가스의 유량을 아는 것이 바람직하다. 이는 많은 응용, 예를 들어, 약학적 응용에 대해 중요할 수 있을 것이다. 다수의 상이한 질량 유량계 구성들이 알려져 있다.

많은 산업적 응용에서 공통적으로 이용되는 부류의 질량 유량계는 기계적 질량 유량계이다. 그러한 계기는 질량 유동을 측정하기 위해 이동하거나 또는 회전하는 기계적 구성요소들을 포함한다. 하나의 그러한 유형은 형상화 된 튜브 상에서의 유체의 작용을 통해 유체 유동을 측정하는 관성 유동 계기(또는 코리올리 유동 계기)이다. 코리올리 계기(Coriolis meters)는 높은 정확도를 갖는 광범위한 유량을 취급할 수 있다. 그러나, 유량을 검출하기 위해서는, 작동, 감지, 전자적 및 컴퓨터의 특징요소들과 같은 복합 시스템이 요구된다.

대안적 기계식 질량 유량계는 다이어프램 계기, 회전식 계기 및 터빈 계기이다. 그러나, 이러한 유형의 계기들은 일반적으로 덜 정확하고, 마모될 수 있는 이동 부분들을 포함한다. 또한, 회전식 계기와 같은 계기는 상대적으로 낮은 유량에 대한 측정을 위해서만 유용하다.

대안적 부류의 질량 유량계는 전자적 유동 계기이다. 두개의 주요 유형들은 열 계기 및 초음파 계기이다. 열 유동 계기는 유량을 측정하기 위해 가열된 튜브를 통한 열 전달을 측정한다. 초음파 유동 계기는 기상 매체에서의 음속을 측정하며, 때로는 파이프 내의 다중 경로들에 걸친 음속의 평균을 구한다. 그러나, 전자적 유동 계기의 두 가지 유형 모두 일반적으로 중요한 신호 처리 하드웨어를 요구하고 일반적으로 고가의 아이템이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 조여진 유동(choked flow)이 일어나게 하는 오리피스(orifice)를 통해 가스의 질량 유량(mass flow rate)을 측정하는 방법이 제공되며, 방법은 오리피스의 상류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기(piezoelectric oscillator)를 이용하고, a) 압전 결정체 발진기(piezoelectric crystal oscillator)가 공진 주파수(resonant frequency)에서 공진하도록 압전 결정체 발진기를 구동하는 단계; b) 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계; 및 c) 공진 주파수로부터 상기 오리피스를 통한 가스의 질량 유량을 판단하는 단계를 포함한다.

그러한 방법을 제공함으로써, 제한적 오리피스(restrictive orifice)를 통한 가스의 질량 유량이, 예를 들어, 수정 발진기인, 견고하고 상대적으로 저렴한 압전 결정체 발진기를 이용하여 쉽게 판단될 수 있다. 압전 결정체 발진기는 발진기가 잠겨 있는 가스의 밀도에 의존하는 공진 주파수에서 진동할 것이다. 조여진 유동 상황 하에서, 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도는 오리피스를 통한 질량 유량에 비례하므로, 질량 유량을 측정하기 위해 결정체 발진기(crystal oscillator)가 활용될 수 있다.

그러한 발진기는 여기 소스(excitation source)(구동 회로에 의해 구동되는 것에 응답하여 진동함으로써) 및 검출기(발진기가 배치되는 환경에 의존하는 단일의 공진 주파수를 가짐으로써) 둘 다로서 기능한다. 또한, 결정체 발진기는 견고하고, 결과적으로, 환경적 외란에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 또한, 그러한 발진기를 작동시키기 위해 요구되는 구성요소들은 간소하고 저가이다.

한 실시예에서는, 상기 오리피스의 상류에서의 압력이 상기 오리피스의 하류에서의 압력보다 적어도 0.5bar 더 높다.

한 실시예에서는, 방법이 오리피스의 상류에서의 가스의 온도를 판단하는 단계를 더 포함한다.

한 구성에서는, 가스가 압전 결정체 발진기의 상류에 배치된 압력 조절기 또는 밸브로부터 분배된다.

한 구성에서는, 압력 조절기는 상기 오리피스를 통한 가스의 측정된 질량 유량에 응답하여 전자적으로 제어된다.

한 실시예에서는, 상기 압전 발진기(piezoelectric oscillator)는 수정 발진기(quartz crystal oscillator)를 포함한다.

실시예에서, 수정(quartz crystal)이 적어도 하나의 분기부를 포함한다. 한 변화예에서는, 수정이 한 쌍의 평면 분기부(planar tines)를 포함한다.

실시예에서, 수정은 AT 컷(cut) 또는 SC 컷이다.

한 변화예에서는, 수정의 표면은 가스에 대해 직접적으로 노출된다.

한 실시예에서는, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 한 변화예에서는, 센서 조립체는 공통의 이미터 증폭기(common emitter amplifier)로부터의 피드백 구성으로 배치된 달링턴 트랜지스터(Darlington pair)를 포함하는 구동 회로를 포함한다.

한 실시예에서는, 센서 조립체는 전원(power source)을 포함한다. 한 구성에서는, 전원은 리튬 이온 건전지(lithium-ion battery)를 포함한다.

한 실시예에서는, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.

한 구성에서는, 상기 압전 결정체 발진기는 적어도 두개의 평면 분기부를 포함한다.

한 실시예에서는, 상기 압전 결정체 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 가스의 질량 유량(mass flow rate)을 측정하는 계기가 제공되며, 계기는 사용 중에 흐르는 가스가 통과하는 도관(conduit)을 포함하고, 도관은 사용 중에 조여진 유동이 일어나게 하는 유동 제한 오리피스를 가지며, 유동 제한 오리피스는 도관을 상기 오리피스의 상류에서의 상류 부분(upstream portion)과 상기 오리피스의 하류에서의 하류 부분(downstream portion)으로 나누고, 계기는 센서 조립체(sensor assembly)를 더 포함하며, 센서 조립체는 상기 상류 부분에서의 압전 결정체 발진기(piezoelectric crystal oscillator)를 포함하여 계기가 사용 중일 때 상기 압전 발진기가 상기 가스와 접촉하게 하고, 상기 센서 조립체는: 압전 결정체 발진기가 공진 주파수(resonant frequency)에서 공진하도록 압전 결정체 발진기를 구동하고; 상기 압전 결정체 발진기의 상기 공진 주파수를 측정하며; 공진 주파수로부터 오리피스를 통한 질량 유량을 판단하도록, 배열되어 있다.

그러한 구성을 제공함으로써, 제한적 오리피스(restrictive orifice)를 통한 가스의 질량 유량이, 예를 들어, 수정 발진기인, 견고하고 상대적으로 저렴한 압전 결정체 발진기를 이용하여 쉽게 판단될 수 있다. 압전 결정체 발진기는 발진기가 잠겨 있는 가스의 밀도에 의존하는 공진 주파수에서 진동할 것이다. 조여진 유동 상황 하에서, 유동 제한 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도는 오리피스를 통한 질량 유량에 비례하므로, 질량 유량을 측정하기 위해 결정체 발진기(crystal oscillator)가 활용될 수 있다.

한 구성에서는, 계기가 구동 회로, 프로세서 및 전원 중 하나 이상을 더 포함한다.

실시예에서, 수정은 AT 컷(cut) 또는 SC 컷이다.

한 실시예에서는, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.

한 구성에서는, 구동 회로는 공통의 이미터 증폭기로부터의 피드백 구성으로 배치된 달링턴 트랜지스터를 포함하는 구동 회로를 포함한다.

한 구성에서는, 계기는 상기 압전 발진기에 인접한 가스의 온도를 판단하도록 배치된 온도 센서를 더 포함한다.

한 구성에서는, 계기는 압력 조절기 또는 밸브의 하류에 배치된다.

또다른 구성에 있어서, 계기는 유동 제한 오리피스를 통한 측정된 질량 유량에 응답하여 압력 조절기 또는 밸브를 전자적으로 제어하도록 배치된다.

한 구성에서는, 상기 압전 결정체 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 프로그래밍 가능한 처리 장치에 의해 실행 가능하고, 제1 양태의 단계들을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.

본 발명의 제4 실시예에 따르면, 제4 양태에 따른 컴퓨터 프로그램 제품이 저장된 컴퓨터 이용 가능한 저장 매체가 제공된다.

이제, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이며, 도면에서:
도 1은 가스 실린더 및 조절기 조립체의 개략적 다이어그램이며;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조절기 조립체 및 계기 조립체를 도시하는 개략적 다이어그램이고;
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조절기 조립체 및 계기 조립체를 도시하는 개략적 다이어그램이며;
도 4는 제1 실시예 또는 제2 실시예 중 어느 것과 함께든 이용하기 위한 구동 회로의 개략적 다이어그램이고;
도 5는 제1 실시예 또는 제2 실시예 중 어느 것과 함께든 이용하기 위한 구동 회로의 대안을 도시하는 개략적 다이어그램이며;
도 6은 다수의 상이한 가스에 대한 밀도(kg/m3)의 함수로서의 Y축 상의 수정 주파수(kHz)의 그래프를 도시하고;
도 7은 오리피스를 통한 질량 유량(리터/분으로)의 함수로서의 Y축 상의 수정 주파수(kHz)의 그래프를 도시하며;
도 8은 기술된 실시예에 따른 방법을 예시하는 플로우 차트이고;
도 9는 상이한 결정체 유형의 주파수 거동의 그래프를 도시하며;
도 10은 두개의 수정을 포함하는 대안적 센서 조립체를 도시하는 개략적 다이어그램이고;
도 11은 원격 전자적 데이터 유니트를 이용하는 대안적 구성을 도시한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가스 실린더 조립체(10)의 개요도를 도시한다. 도 1은 본 발명이 이용될 수 있을 것인 상황의 개요도를 도시한다. 가스 실린더(100), 조절기(150) 및 계기 조립체(200)가 제공된다.

가스 실린더(100)는 가스 실린더 바디(102) 및 밸브(104)를 갖는다. 가스 실린더 바디(102)는 일반적으로, 가스 실린더 조립체(10)가 평편한 표면 상에 지지되지 않고 설 수 있게 하도록 배치된 평편한 베이스(102a)를 갖는 원통형 압력 용기를 포함한다.

가스 실린더 바디(102)는 스틸, 알루미늄 및/또는 복합 재료로 형성되고, 대략 900 bar g까지의 내압을 견디기에 적합하게 배치된다. 구멍(106)이 베이스(102a)의 반대쪽인 가스 실린더 바디(102)의 기단부에 배치되며, 밸브(104)를 받아들이기에 적합한 스크류 나사(도시 안 됨)를 포함한다.

가스 실린더(100)는 내부 체적(V)을 갖는 압력 용기를 형성한다. 어떤 적합한 유체든 가스 실린더(100) 내에 담길 수 있을 것이다. 그러나, 이 실시예는 먼지 및/또는 습기와 같은 불순물이 없는 정제된 영구 가스에 관한 것이지만, 배타적으로 한정되는 것은 아니다. 그러한 가스의 대략적인 예는, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 3불화 질소, 일산화탄소, 크립톤 또는 네온일 수 있을 것이다.

밸브(104)는 하우징(108), 출구(110), 밸브 바디(112) 및 밸브 시트(114)를 포함한다. 하우징(108)은 가스 실린더 바디(102)의 구멍(106)과의 맞물림을 위한 보완적 스크류 나사를 포함한다. 출구(110)는, 가스 실린더(100)가 가스 조립체의 다른 구성요소들, 예를 들어, 호스, 파이프, 또는 또다른 압력 밸브 또는 조절기에 접속되게 할 수 있기에 적합하게 배치된다. 밸브(104)는 VIPR(Valve with Integrated Pressure Reduction)을 선택적으로, 포함할 수 있을 것이다. 이 상황에서, 조절기(150)는 생략될 수 있을 것이다.

밸브 바디(112)는, 출구(110)를 선택적으로 개방하거나 또는 폐쇄하기 위해 잡을 수 있는 핸들(116)의 회전에 의해 밸브 시트(114)를 향하거나 또는 멀어지도록 축방향으로 조절될 수 있다. 다시 말해서, 밸브 시트(112)를 향하거나 또는 멀어지는 밸브 바디(112)의 이동은 가스 실린더 바디(102)의 내부와 출구(110) 사이의 소통 통로의 영역을 선택적으로 제어한다. 이 것은, 결국, 가스 실린더 조립체(100)의 내부로부터 외부 환경으로의 가스의 유동을 제어한다.

조절기(150)는 출구(110)의 하류에 배치된다. 조절기(150)는 입구(152) 및 출구(154)를 갖는다. 조절기(150)의 입구(152)는, 가스 실린더(100)의 출구(110)와 조절기(150) 사이에 소통로를 제공하는, 입구 파이프(156)에 접속된다. 조절기(150)의 입구(152)는 가스 실린더(100)의 출구(110)로부터 고압의 가스를 받아들이도록 배치된다. 이것은 어떤 적합한 압력에든 있을 수 있을 것이지만, 일반적으로, 출구(110)를 빠져나가는 가스의 압력은 20bar를 초과할 것이며, 더 가능하게는 100bar 내지 900bar의 구간에 있을 것이다.

출구(154)는 출구 파이프(158)에 접속된다. 커플링(160)은 출구 파이프(158)의 말단부에 배치되고, 가스가 요구되는 또다른 파이프 또는 장치(도시 안 됨)에 연결하기에 적합하다.

계기 조립체(200)는 출구(154)와 커플링(160) 사이에서 출구 파이프(158)와 소통하도록 배치된다. 계기 조립체(200)는 조절기(150)의 바로 하류에 배치되고, 출구(160)로 안내되는 가스의 질량 유량을 판단하도록 배치된다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 조절기(150) 및 계기 조립체(200)는 도 2에 더 상세하게 도시되어 있다.

이 실시예에서, 조절기(150)는 단일의 다이어프램 조절기를 포함한다. 그러나, 숙련된 자는 본 발명에 의해 이용될 수 있는 변화예, 예를 들어, 두개의 다이어프램 조절기 또는 다른 구성을 쉽게 인식할 것이다.

조절기(150)는 입구(152) 및 출구(154)와 소통하는 밸브 구역(162)을 포함한다. 밸브 구역(162)은 밸브 시트(166)에 인접하게 배치된 포핏 밸브(164)를 포함한다. 포핏 밸브(164)는 다이어프램(168)에 접속되며, 다이어프램은 포핏 밸브(164)를 밸브 시트(166)를 향하거나 멀어져서 그 사이에 구멍(170)을 폐쇄하거나 개방하도록 구성된다. 다이어프램(168)은 축(174)의 둘레에 배치된 스프링(172)에 의해 탄성적으로 편향된다.

조절기(150)는 실린더 충만 압력(예를 들어 100bar)에서 출구(110)로부터 가스를 받아들이게 작동할 수 있지만, 사실상 일정한 저압(예를 들어 5 bar)에서 출구(154)로 가스를 안내하기도 한다. 이 것은, 구멍(170)의 하류에서의 가스의 압력이 스프링(172)의 편향력에 저항하여 다이어프램(168) 상에 작용하도록 작동 가능한, 피드백 메커니즘에 의해 달성된다.

다이어프램(168)에 인접한 구역에서의 가스의 압력이 정해진 수준을 초과하면, 다이어프램(168)은 상향으로(도 2에 대해) 이동하도록 작동할 수 있다. 결과적으로, 포핏 밸브(164)는 밸브 시트(166)에 더 가까워지게 이동되고, 구멍(170)의 크기를 줄이며, 그 결과로, 입구(152)로부터 출구(154)로의 가스의 유동을 제한한다. 일반적으로, 스프링(172)의 저항과 가스 압력의 맞서는 힘들은 다이어프램의 평형 위치를 초래하고, 그 결과, 출구(154)에서 가스의 일정한 압력의 운반을 초래한다.

잡을 수 있는 핸들(176)은, 사용자가 스프링(172)의 편향력을 조절하고, 그럼으로써 다이어프램(168)의 위치를 이동시키며, 결과적으로, 포핏 밸브(164)와 밸브 시트(166) 사이의 평형 간격을 조절할 수 있게 하기 위해 제공된다. 이 것은 출구(110)로부터의 고압 가스 유동이 통과할 수 있는 구멍(170)의 치수의 조절이 가능하게 한다.

계기 조립체(200)는 바디(202) 및 센서 조립체(204)를 포함한다. 바디(202)는 어떤 적합한 재료든, 예를 들어, 스틸, 알루미늄 또는 복합 재료를 포함할 수 있다. 바디(202)는 도관(206) 및 하우징(208)을 포함한다. 도관(206)은 출구 파이프(158)의 내부와 소통하고 거기에 접속하도록 배치된다. 도관(206)은 출구(154)와 커플링(160)(그리고, 부수적으로, 커플링(160)에 접속된 사용자 장치 또는 응용 장치) 사이에 소통 통로를 제공한다.

오리피스 플레이트(210)는 도관(206)의 내부에 배치된다. 오리피스 플레이트(210)는 제한된 오리피스(212)의 한계를 정하는 벽을 포함한다. 오리피스 플레이트(210)는 도관(206) 내에 유동 제한을 형성한다. 오리피스(212)를 통한 유동 속도가 아래에서 기술되듯이 조여진 조건(choked condition)에 있도록, 오리피스(212)는 도관(406)의 횡단면 면적에 비해 상대적으로 작은 횡단면 면적(A)을 갖는다.

도 2에서 오리피스 플레이트(210)가 얇은 벽을 가진 플레이트로서 도시되어 있지만, 이 것은 꼭 그럴 필요는 없다. 오리피스 플레이트(210)는 어떤 적합한 벽의 형태든 가질 수 있을 것이며 테이퍼 된 측면을 가질 수 있거나, 또는 도시된 것보다 더 큰 두께를 가질 수 있을 것이다. 대안적으로, 오리피스 플레이트(210)의 대신에 어떤 적합한 유동 제한이든 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유동 제한은 그 잔부보다 더 좁은 직경의 튜브 부분을 포함할 수 있을 것이다. 숙련된 자는 사용 중에 조여진 유동이 일어나게 하는 유동 제한 오리피스(212)를 제공하기 위해 이용될 수 있는 대안적 유동 제한을 쉽게 알아낼 것이다.

이 실시예에서, 도관(206)은 대략 수 센티미터의 길이를 갖는다. 오리피스 플레이트(210)는 0.1㎜ 내지 4㎜의 범위의 직경을 갖는 오리피스(212)의 한계를 정한다. 이 것은, 질소 또는 아르곤과 같은 가스를 위해 11리터/분 내지 40리터/분 사이의 오리피스(212)를 통한 조여진 유동 조건을 제공하고 가스의 유량을 공급하기에 충분하다. 더 낮은 분자량을 갖는 가스의 경우에는, 유사한 유량을 달성하기 위해 오리피스(212)의 직경이 축소될 수 있다. 대안적으로, 더 큰 유량을 위해서는, 상류 압력이 하류 압력보다 오리피스(212)를 통한 조여진 유동 조건을 생성하기에 충분히 더 높다면, 오리피스(212)가 그에 따라 확대될 수 있다.

오리피스 플레이트(210)는, 도관(206)의 내부를 오리피스 플레이트(210)의 상류에서의 상류 부분(214)과 오리피스 플레이트(210)의 하류에서의 하류 부분(216)으로 나눈다. 사용 중에, 가스가 조절기(150)의 출구(154)로부터 도관(206)의 상류 부분(214)으로 흐르고 있으면, 오리피스 플레이트(210)는 유동 제한으로서 작용할 것이고, 도관(206)의 상류 부분(214)과 하류 부분(216) 사이의 압력 차이로 귀결된다. 그 결과로, 도관(206)의 상류 부분(214)은 제1 압력(P1)에 있고, 도관의 하류 부분(216)은 제2(그리고, 사용 중에, 더 낮은) 압력(P2)에 있다. 이 것은 아래에서 상세하게 기술될 것이다.

하우징(208)은 도관(206)의 상류 부분(214)에 인접하여 배치되고, 센서 조립체(204)의 적어도 일부를 포함하도록 배치된다. 하우징(208)의 내부는 대기 압력에 있거나 또는 도관(206)의 내부와 소통하고, 그 결과로, 출구 파이프(158)의 내부와 동일한 압력에 있을 수 있다. 이 것은 하우징(208)과 도관(206)의 내부 사이에서의 통과 압력에 대한 요구를 제거한다.

대안적으로, 하우징(208)은 도관(206)의 일부로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 도관(206)의 일부는 센서 조립체(204)를 수용하도록 넓어질 수 있다.

이러한 구성들은, 발명자들이 센서 조립체(204)의 단지 소수의 구성요소들만 고압에 민감하다는 것을 알아냈기 때문에, 실행 가능하다. 특히, 건전지와 같은 더 큰 구성요소들이 고압에 민감할 수 있다. 그러나, 도관(206)의 상류 부분(214) 내에서 접하게 되는 고압 하에서 리튬 이온 건전지가 특히 잘 수행한다는 것이 밝혀졌다. 그 결과로, 건전지(224)는 리튬 이온 셀(lithium ion cells)을 포함한다. 그러나, 대안적 적합한 전원은 숙련된 자가 쉽게 생각해낼 것이다.

센서 조립체(204)를 도관(206) 내에 완전히 잠재적으로 배치하는 것은 계기 조립체(200)를 구성할 때 추가적 유연성을 제공한다. 특히, 하우징(208)과 같은 돌출을 요구하지 않는 바디(202)의 금속 또는 복합재 벽 내에 상대적으로 취약한 전자적 구성요소를 완전히 배치하는 것은 환경적 또는 우연한 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이 것은, 예를 들어, 가스 실린더가 다른 가스 실린더, 무거운 기계 또는 거친 표면에 인접하여 배치될 수 있는 저장 영역 또는 장소에서 특히 중요하다.

또한, 센서 조립체(204)의 내부 배치는 이러한 구성요소들을 염분, 물 및 다른 오염물과 같은 환경적 상황으로부터 보호한다. 이 것은, 예를 들어, 염분 및 물 손상에 대해 고도로 민감한 고 임피던스 회로가 센서 조립체(204)의 부분으로서 이용되게 할 것이다.

계기 조립체(200)는 오리피스(212)를 통과하는 가스의 질량 유량 측정하도록 배치된다. 이 가스는 센서 조립체(204)에 의해 측정된다. 센서 조립체(204)는 구동 회로(220), 온도 센서(222) 및 건전지(224)에 접속된 수정 발진기(218)를 포함한다.

이 실시예에서, 수정 발진기(218) 및 온도 센서(222)는 도관(206)의 상류 부분(214)의 내부와 소통하게 배치되고, 센서 조립체(204)의 잔여 구성요소들은 하우징(208) 내에 배치된다. 다시 말해서, 수정 발진기(218)는 오리피스 플레이트(210)의 가스 상류 속에 잠겨 있다. 마이크로프로세서(240)는 별도로든 또는 구동 회로(220)의 일부로서든 제공될 수도 있다.

구동 회로(220) 및 수정 발진기(218)는 도 4 및 도 5를 참고하여 아래에서 상세하게 기술될 것이다. 온도 센서(222)는 서미스터(thermistor)를 포함한다. 어떤 적합한 서미스터든 이용될 수 있을 것이다. 서미스터로부터 고도의 정확성이 요구되지는 않는다. 예를 들어, 0.5°C의 정확성이면 이 실시예를 위해 적합하다. 그 결과로, 저렴한 소형 구성요소들이 이용될 수 있다.

이 구성에서, 수정 발진기(218)는 항상 도관(206) 내에서 등압 하에 있고, 그 결과로, 압력 구배를 겪지 않는다. 다시 말해서, 외부 대기와 계기 조립체(200)의 바디(202) 내부 사이의 압력 차이로부터 유래되는 어떤 기계적 응력이든 바디(202) 전체에 걸쳐 나타난다.

도 3에는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 2의 제1 실시예와 공통인 도 3에 도시된 제2 실시예의 요소들은 동일한 인용 숫자들이 할당되고 여기에서 다시 기술되지 않을 것이다.

도 3의 실시예에서는, 조절기(300)가 솔레노이드 밸브(302)에 의한 출구(154)로부터의 가스의 자동 제어를 제공하도록 배치된다는 점에서, 조절기(300)가 도 2의 실시예의 조절기(150)와 다르다. 솔레노이드 밸브(302)는 솔레노이드 밸브(302)의 코일(도시 안 됨)을 통한 전류에 대한 응답으로 이동 가능한 전기자(304)를 포함한다. 전기자(304)는 포핏 밸브(164) 및, 그 결과로, 구멍(170)을 직접적으로 개방하거나 또는 폐쇄하도록 이동할 수 있다.

도 3에 도시된 솔레노이드 밸브(302)는 보통은 개방 조건에 있다. 다시 말해서, 솔레노이드 밸브(302)를 통과하는 전류가 없으면, 전기자(304)는 포핏 밸브(164)가 개방되는, 즉 구멍(170)이 개방되는 연장된 위치에 있다. 전류가 솔레노이드 밸브(302)에 인가되면, 전기자(304)는 후퇴하고 포핏 밸브(164)는 폐쇄할 것이다.

숙련된 자는 본 발명과 함께 이용될 수 있는 솔레노이드 밸브의 대안적 변화예를 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 전기자(304)는, 다이어프램(168)의 이동을 조절하기 위해, 다이어프램에 직접적으로 작용할 수 있거나, 또는 출구(154)와 소통하는 좁은 도관을 통한 유동을 제어할 수 있을 것이다. 대안적으로, 포핏 밸브는 제거될 수 있고, 다이어프램(168) 자체는 입구(152)로부터 출구(154)로의 가스의 유동을 직접적으로 제어하는 밸브 부재일 수 있다.

제2 실시예는 계기 조립체(350)를 포함한다. 계기 조립체(200)와 공통인 계기 조립체(350)의 구성요소들은 명확함을 위해 동일한 인용 숫자들이 할당된다.

계기 조립체(350)는 제1 실시예의 계기 조립체(200)와 사실상 유사하다. 그러나, 계기 조립체(350)는 솔레노이드 밸브(302)에 대해서 및 센서 조립체(204)에 대해서 접속된 전자적 솔레노이드 구동부(352)를 더 포함한다. 솔레노이드 구동부(352)는 센서 조립체(204)로부터 신호를 수신하고 그 신호에 대한 응답으로 솔레노이드 밸브(302)를 제어하며, 그 결과로, 조절기(300)를 통한 유동을 제어하도록 배치된다.

솔레노이드 구동부(352)는 솔레노이드 밸브(302)를 제어하기 위해 어떤 적합한 구동 회로든 포함할 수 있을 것이다. 하나의 적합한 회로는 센서 조립체(204)로부터 작동적 증폭기의 음극 단자로의 입력을 갖는 작동적 증폭기 배열일 수 있다. 그 결과로, 양극 단자에 일정한 기준 레벨을 제공하고 비교기로서 작용하도록 설계된 가변 저항이 부착될 수 있다.

센서 조립체(204)로부터 솔레노이드 구동부(352)로의 입력은 솔레노이드 밸브(302)의 작동을 유발할 것이다. 예를 들어, 센서 조립체(204)(또는, 대안적으로, 프로세서(240))로부터의 입력 신호가 특정한 한계 레벨을 초과하면, 솔레노이드 구동부(352)는 솔레노이드 밸브(302)에 전류를 공급할 수 있다. 솔레노이드 밸브(302)는 DC 전압이 최대값과 최소값 사이에서 변화되는 디지털(즉 온 또는 오프) 방식으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 솔레노이드 구동부(352)로부터의 DC 전압은 아날로그 방식으로 정확하게 포핏 밸브(164)의 위치를 조절하도록 연속적으로 변화할 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 솔레노이드 구동부(352)는 AC 성분을 포함하는 DC 출력에 의해 솔레노이드 밸브(302)를 제어할 수 있다. 솔레노이드 밸브(302)로부터의 전기자(304)의 연장이 인가되는 전류에 대략 비례하므로, 이 것은 솔레노이드 밸브(302)의 전기자(304)가 진동하게 한다. 그러한 진동은 전기자(304)의 "정지 마찰(stiction)"을 완화하고, 즉 전기자(304)가 고착(stuck or jammed)되는 것을 방지하는 것을 돕는다.

대안적으로, FET, 마이크로프로세서 또는 ASIC과 같은 다른 제어 배열이, 적당하다면, 솔레노이드 밸브(302)의 작동을 제어하기 위해 이용될 수 있을 것이다. 또한, 설명한 바와 같이, 솔레노이드 밸브(302)는 포핏 밸브(164) 또는 유사한 것의 정확한 이동을 가능하게 하도록 디지털 모드(즉, 온/오프)로든 또는 아날로그 모드(즉, 연속적 가변)로든 작동할 수 있을 것이다.

제1 실시예 또는 제2 실시예는 사용자에게 검출된 가스 상에서 이루어지는 측정의 결과를 보여주기 위한 디스플레이(도시 안 됨)를 추가적으로 포함할 수 있을 것이다. 대안적으로, 디스플레이는 계기 조립체(200, 350)로부터 떨어져서 배치될 수 있을 것이며, 관련 데이터는 원격으로 통신될 수 있을 것이다.

수정 발진기(218)가 정확한 측정을 제공하기 위해서는, 수정 발진기(218)가 먼지, 습기 및 다른 오염이 없이 유지되어야 한다. 이 것이 상업적으로 공급되는 패키지된 가스(지극히 청정한)에 관한 문제는 아니지만, 계기 조립체(350)는 환경 오염이 심각한 문제일 수 있는 상황에서 이용될 수 있다.

그 결과로, 계기 조립체(200, 350)에는 수정 발진기(218)와 메인 가스 유동 사이에 배치되는 필터(354)가 제공된다. 필터(354)는 어떤 적합한 구멍 크기로든 될 수 있을 것이다. 이 응용을 위해 특히 적합한 구멍 크기는 5㎛ 내지 10㎛의 범위 내이다. 필터(354)(또는 유사 필터)는 앞서 기술된 제1 실시예에 적용될 수 있을 것이다.

대안적으로, 먼지 또는 다른 오염물의 진입을 방지하기에 충분히 작은 구멍 뒤에 수정 발진기(218)가 배치되면, 필터(354)는 생략될 수 있을 것이다. 가스의 전체 상류 압력이 이 방식으로 측정될 수 있다면, 예를 들어, 0.25㎜의 구멍 크기는 필터 없이 이용하기에 적합할 것이다.

예를 들어, 제1 실시예 또는 제2 실시예의 어느 것이든, 예를 들어, 기지국과 원격 통신하는 안테나(도시 안 됨)를 더 포함할 수 있다. 이 것은 아래에서 설명하겠다. 이 경우에, 안테나는 바디(202)의 외측에 배치되고 배선 또는 동등한 접속기에 의해 센서 조립체(204)에 접속될 수 있을 것이다.

안테나 자체는 어떤 적합한 통신 프로토콜이든 이용하기에 적합하게 배열될 수 있을 것이며, 예를 들어, 대략적인 목록은 RFID, 블루투스, 적외선(IR), 802.11 무선, 주파수 변조(FM) 전송 또는 이동 통신망일 수 있을 것이다.

대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 구현될 수 있을 것이다. 단선 통신은 통신하기 위해 단일의 금속 도체만을 요구하며, 회로의 복귀 경로는 통신 장치들 사이의 공중을 통한 용량 결합(capacitive coupling)에 의해 제공된다. 숙련된 자는 여기에서 설명하는 실시예들과 함께 이용될 수 있는 안테나(및 관련 전송 하드웨어)의 대안을 쉽게 알아낼 것이다.

예를 들어, 통신은 하우징(208) 내로부터의 음향 전송(acoustic transmission)에 의해 이루어질 수 있을 것이다. 하우징(208) 내에 배치된 송신기는 음향 전송을 이룰 수 있을 것이다. 송신기는, 예를 들어, 단순한 고정 주파수 압전 공진기(fixed-frequency piezoelectric resonator)를 포함할 수 있다.

보완적 수신기도 요구되며, 이 구성요소는 계기 조립체(200, 350)로부터 멀리 떨어져서 배치될 수 있을 것이고, 예를 들어, 마이크와 통합된 위상 동기 루프 톤 검파기(phase-locked loop tone detector)와 같은 하드웨어를 수 있을 것이다.

이제, 도 4 및 도 5를 참고하여 센서 조립체(204)를 상세히 기술하겠다. 수정 발진기(218)는 컷 석영(cut quartz)의 평면 구역(planar section)을 포함한다. 석영은 압전 거동을 나타내는, 즉 결정체를 가로지르는 전압의 인가가 결정체가 형상을 변화시키고, 기계적 힘을 발생시키게 하는 것이다. 역으로, 결정체에 가해진 기계적 힘은 전하(electrical charge)를 생성한다.

수정 발진기(218)의 두개의 평행한 표면은 벌크 결정체(bulk crystal)를 가로지르는 전기적 연결을 제공하기 위해 표면에 금속이 입혀진다. 금속 접점에 의해 결정체를 가로질러 전압이 인가되면, 결정체는 형상을 변화시킨다. 결정체에 교류 전압을 인가함으로써, 결정체에는 진동이 유발될 수 있다.

수정의 물리적 크기 및 두께는 수정의 특성 또는 공진 주파수를 결정한다. 실제로, 결정체(218)의 특성 또는 공진 주파수는 두개의 금속이 입혀진 표면 사이의 물리적 두께에 반비례한다. 수정 발진기는 이 기술 분야에서 잘 알려져 있고, 그래서 수정 발진기(218)의 여기에서 더 기술하지 않겠다.

또한, 수정의 공진 진동 주파수는 결정체가 배치된 환경에 따라 변할 것이다. 진공에서, 결정체는 특정한 주파수를 가질 것이다. 그러나, 이 주파수는 상이한 환경에서는 변할 것이다. 예를 들어, 유체 속에서는, 결정체의 진동이 주변 분자들에 의해 감쇠될 것이고, 이는 공진 주파수 및 주어진 진폭에서 결정체를 진동시키기 위해 요구되는 에너지에 영향을 줄 것이다.

또한, 결정체 상에 가스의 흡착 또는 주변 재료의 부착은 진동하는 결정체의 질량에 영향을 줄 것이고, 공진 주파수를 변경한다. 재료의 그러한 흡착 또는 부착은 보편적으로 이용되는 선택적 분석기에 대한 기초를 이루며, 흡수 층은 결정체 상에 형성되고, 가스가 흡수됨에 따라 질량이 증가한다.

그러나, 이 경우에서는, 수정 발진기(218)에 대해 아무런 코팅도 가해지지 않는다. 실제로, 수정 발진기(218) 상에의 재료의 부착은, 측정의 정확성이 영향을 받을 수 있을 것이므로, 이 경우에서 바람직스럽지 못하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 수정 발진기(218)는 소리굽쇠형(tuning fork-shaped)이고, 32.768 kHz의 공진 주파수에서 진동하도록 배치된 대략 5㎜ 길이의 한 쌍의 분기부(218a)를 포함한다. 분기부(218a)는 석영의 평면 구역으로 형성된다. 굽쇠의 분기부(218a)들은 자신들의 기본 모드에서 정상적으로 진동하며, 그 것들은 공진 주파수에서 서로에 대해 동시에 가까워지고 멀어진다.

용융된(또는 비결정체) 석영은 매우 낮은 온도 의존적 팽창 계수 및 낮은 탄성 계수를 갖는다. 이 것은 온도에 대한 기본 주파수의 의존성을 저감하고, 도시되듯이, 온도 효과가 극히 적다.

또한, AT 컷 또는 SC 컷인 석영을 이용하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 석영의 평면 구역은 특정한 각을 이루어, 진동 주파수의 온도 계수가 상온 근처에서 넓은 피크를 갖는 포물선으로 배열될 수 있다. 그러므로, 수정 발진기는 피크의 상부에서의 경사가 정확하게 제로(zero)가 되도록 배열될 수 있다.

그러한 수정은 상대적으로 저가로 보편적으로 입수할 수 있다. 진공 속에서 이용되는 대부분의 수정 발진기와 대조적으로, 이 실시예에서는, 수정 발진기(218)가 도관(206) 속의 압력 하의 가스에 노출된다.

도 4에는 수정 발진기(218)를 구동하기 위한 구동 회로(220)가 도시되어 있다. 구동 회로(220)는 다수의 상세한 기준을 충족해야 한다. 첫째, 본 발명의 수정 발진기(218)는 다양한 가스 압력에 노출될 수 있을 것이고, 가능하게는, 가스 실린더가 수소와 같은 가압된 가스를 담고 있으면, 압력은 대기 압력(가스 실린더(100)가 비어 있을 때)으로부터 약 900bar g까지 변할 수 있을 것이다. 그래서, 수정 발진기(218)는 광범위한 압력 하에서 작동할(그리고, 한 동안의 비사용 후 재시동할) 것이 요구된다.

그 결과로, 수정 발진기(218)의 품질(Q) 인자는 사용 중에 현저하게 변할 것이다. Q 인자는 발진기 또는 공진기의 감쇠율에 관한 무차원 파라미터이다. 마찬가지로, 그 것은 공진기의 대역폭이 그 중심 주파수에 결부되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 발진기의 Q 인자가 더 높을수록, 발진기의 저장 에너지에 대한 에너지 손실률이 더 낮다. 다시 말해서, 높은 Q 인자 발진기의 진동은 외력이 없을 때 진폭이 더 서서히 저감한다. 더 높은 Q 인자를 갖고 사인 곡선적으로 구동되는 공진기는 공진 주파수에서 더 큰 진폭으로 공진하지만, 그 것들이 공진하는 주파수 근처에서 더 작은 대역폭의 주파수를 갖는다.

구동 회로(220)는, 변하는 Q 인자에도 불구하고, 수정 발진기(218)를 구동할 수 있어야 한다. 가스 실린더(100)에서의 압력이 증가함에 따라, 수정 발진기(218)의 진동은 점진적으로 감쇠될 것이고, Q 인자는 떨어질 것이다. 떨어지는 Q 인자는 구동 회로(220)에서의 증폭기에 의해 더 높은 이득(gain)이 제공될 것을 요구한다. 그러나, 너무 큰 증폭이 제공되면, 구동 회로(220), 수정 발진기(218)로부터의 응답은 구별하기 어려워질 수 있을 것이다. 이 경우에, 구동 회로(220)는 무관한 주파수, 또는 수정 발진기(218)의 기본 모드가 아닌 주파수에서 단순 진동할 수 있을 것이다.

또다른 제한으로서, 저전력 건전지 상에서 광전지(photovoltaic cells)와 같은 보완적 전력이 있거나 없거나 장시간 동안 실행하기 위해서는, 구동 회로(220)가 저전력이어야 한다.

이제 도 4를 참고하여 구동 회로(220)에 대해 기술하겠다. 수정 발진기(218)를 구동하기 위해서는, 구동 회로(220)가 본질적으로 수정 발진기(218)로부터 전압 신호를 얻고, 그 것을 증폭시키며, 그 신호를 수정 발진기(218)에 되돌려 보낸다. 수정 발진기(218)의 기준 공진 주파수는, 본질적으로, 석영의 팽창과 수축의 속도의 함수이다. 이 것은 일반적으로 결정체의 컷 및 크기에 의해 결정된다.

그러나, 외부 인자들로 공진 주파수에 영향을 준다. 발생된 출력 주파수의 에너지가 회로에서의 손실에 필적할 때, 진동이 지속될 수 있다. 구동 회로(220)는 이 진동 주파수를 검출하고 유지하도록 배열된다. 그 후, 주파수가 마이크로프로세서(240)에 의해 측정되고, 사용자에 의해 요구되는 가스의 적절한 특성을 계산하기 위해 이용되며, 필요하다면, 적합한 디스플레이 수단으로 출력될 수 있다(아래에 기술되듯이).

구동 회로(220)는 6V 건전지(224)에 의해 전력이 공급된다. 건전지(224)는, 이 실시예에서는, 리튬 이온 건전지를 포함한다. 그러나, 예를 들어, 재충전 가능하고 재충전 불가한 다른 건전지 유형들과 태양 전지 구성인, 대안적 전원이 이 기술분야에서 숙련된 자에게 자명할 것이다.

구동 회로(220)는 달링턴 트랜지스터 공통 이미터 증폭기(226)를 더 포함한다. 달링턴 트랜지스터는, 트랜지스터 중 제1의 트랜지스터에 의해 증폭된 전류가 제2 트랜지스터에 의해 더 증폭되도록 구성된, 두개의 양극성 NPN 트랜지스터로 이루어지는 합성 구조를 포함한다. 이 구조는 각각의 트랜지스터가 따로따로 취해지는 것에 비교해서 더 높은 전류 이득이 얻어질 수 있게 한다. 대안적, PNP 양극성 트랜지스터가 이용될 수 있을 것이다.

달링턴 트랜지스터(226)는 단일의 트랜지스터(T₁) 공통 이미터 증폭기(228)로부터의 피드백 구성으로 배열된다. 도 4에는 NPN 양극성 접합 트랜지스터가 도시되어 있다. 그러나, 숙련된 자는 이용될 수 있을 것인 대안적 트랜지스터 구성을 알 것이며, 예를 들어, 양극성 접합 PNP 트랜지스터 또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)이다.

구동 회로(220)는 버퍼 증폭기(230)로서 작용하는 또다른 NPN 이미터 폴로어(emitter follower) 트랜지스터(T₂)를 포함한다. 버퍼 증폭기(230)는 회로와 외부 환경 사이의 버퍼로서 기능하도록 배치된다. 그러나, 이 요소는 선택적이고, 필요하지 않을 수 있을 것이며, 예를 들어, 회로(220)를 구동하기 위해 FET가 직접적으로 접속될 수 있다.

커패시터(232)가 수정 발진기(218)와 직렬로 배치된다. 커패시터(232)는, 이 예에서는, 결정체가, 예를 들어 염분 또는 다른 부착물들에 의해 오염되지 않은 상황에서, 100pF의 값을 갖고, 구동 회로(220)가 수정 발진기(218)를 구동할 수 있게 한다.

또한, 구동 회로(220)는 수정 발진기(218)의 신속한 시동을 위해 최적화 될 수 있다. 이를 달성하기 위해서는, 또다른 저항 및 또다른 커패시터가 트랜지스터(D₁)의 베이스와 접지 사이에 접속될 수 있다. 이러한 구성요소는, 예를 들어, 10ΜΩ 저항 및 10nF 커패시터를 포함할 수 있을 것이다.

이제, 도 5를 참조하여, 대안적 구동 회로(260)에 대해 기술하겠다. 도 5에 도시된 구동 회로는 피어스 발진기(Pierce oscillator)와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기는 디지털 IC 시계 발진기에[ 의해 알려져 있다. 본질적으로, 구동 회로(260)는 단일의 디지털 인버터(트랜지스터의 형태로)(T), 세개의 저항(R₁, R₂ 및 R₃), 두개의 커패시터(C₁, C₂), 및 수정 발진기(218)를 포함한다.

이 구성에서, 수정 발진기(218)는 고도로 선택적인 필터 요소로서 기능한다. 저항 R₁은 트랜지스터(T)를 위한 부하 저항(load resistor)으로서 작용한다. 저항 R₂는 피드백 저항으로서 작용하고, 인버터(T)를 그것의 선형 작동 구역에서 편향시킨다. 이 것은 인버터(T)가 고 이득 인버팅 증폭기(high gain inverting amplifier)로서 효율적으로 작동하게 할 수 있다. 다른 한 저항(R_S)이 인버터(T)의 출력과 수정 발진기(218) 사이에서 이득을 제한하고 회로에서의 원하지 않는 진동을 약화시키기 위해 이용된다.

수정 발진기(218)는, C₁ 및 C₂와의 조합으로, Pi 통신망 대역 통과 필터를 형성한다. 이 것은 수정 발진기(218)의 대략적인 공진 주파수에서 입력하기 위한 출력으로부터의 180도 위상 변위 및 전압 이득이 가능하게 한다. 위에서 기술된 구동 회로(260)는 그 것이 상대적으로 소수의 구성요소들을 포함하므로 신뢰할 만하고 제조가 저렴하다. 이 회로는 저압 응용에 특히 적용 가능하기도 하다.

위에서 설명했듯이, 센서 조립체(204)는 수정 발진기(218) 및 구동 회로(220)로부터의 입력을 받는 마이크로프로세서(240)를 포함할 수 있을 것이다. 마이크로프로세서(240)는 ASIC 또는 FPGA와 같은 적합한 구성을 포함할 수 있을 것이다. 마이크로프로세서(240)는 오리피스(212)를 통한 가스의 질량 유량의 판단을 계산하고, 필요하면, 표시 및 통신하도록 프로그램된다.

수정 발진기(218)와 함께 이용되면, 마이크로프로세서(240)는 구동 회로(220)로부터의 신호의 주파수(f) 또는 주기를 측정하도록 구성될 수 있을 것이다. 이 것은, 예를 들어, 일정한 시간에 걸쳐 진동을 계수함으로써 달성될 수 있을 것이며, 알고리즘 또는 순람표(look-up table)를 이용하여 그 주파수를 밀도 값으로 변환한다. 이 값은 마이크로프로세서(240)로 전달된다.

마이크로프로세서(240)는 온도 센서(222)로부터 측정된 온도(T)를 수신하기도 한다. 마이크로프로세서(240)는, 공급된 입력에 기반하여, 오리피스(212)를 통한 가스의 질량 유량을 판단하기 위한 계산을 수행하도록 배치된다.

질량 유량이 판단되었으면, 이 데이터는 로컬 메모리에 저장될 수 있거나, 디스플레이 스크린 상에 표시될 수 있거나, 또는 원격 스테이션으로 전송될 수 있을 것이다.

마이크로프로세서(240)는, 선택적으로, 대량 생산을 위해, 상이한 가스들에 대해 인에이블(enabled) 되는 소프트웨어 및 하드웨어에서의 상이한 요소들과 함께, 모든 계기 조립체(200)에서 동일하도록 설계될 수 있을 것이다.

또한, 마이크로프로세서(240)는, 마이크로프로세서(240) 및, 구동 회로(220) 및 수정 발진기(218)와 같은 추가적 구성요소를 망라할 수 있을 것인, 대기 또는 "슬립" 모드의 구현을 통해, 전력 소비를 최소화 하도록 구성될 수 있을 것이다.

다양한 방식이 구현될 수 있을 것이며, 예를 들어, 마이크로프로세서(240)는 매 11초 중 10초 동안 대기 상태에 있을 수 있을 것이다. 또한, 마이크로프로세서(240)는 수정 발진기(218) 및 구동 회로(220)를, 이러한 구성요소들이 대부분의 시간 동안 대기 상태에 두어지고, 매 30초마다 ½초 동안 더 많이 전력을 갈구하는 구성요소들만 스위치를 켜도록, 제어할 수 있을 것이다.

이제, 도 6 및 도 7을 참조하여,센서 조립체(204)의 이론 및 작동에 대해 기술하겠다.

수정 발진기(218)는 그 것이 잠겨 있는 유체의 밀도에 종속하는 공진 주파수를 갖는다. 진동하는 소리굽쇠형 평면 결정체 발진기를 가스에 대해 노출하는 것은 결정체의 공진 주파수의 변위 및 감쇠를 야기한다(진공 속에서의 결정체의 공진 주파수에 비교했을 때). 이러한 이유는 다수이다. 결정체의 진동에 대한 가스의 감쇠 효과가 있음과 동시에, 소리굽쇠 결정체 발진기(218)의 진동하는 분기부(218a)에 인접한 가스는 발진기의 유효 질량을 증가시킨다. 이 것은 단면 고정 탄성 빔(one-sided, fixed elastic beam)의 동작에 따른 수정 발진기의 공진 주파수의 저감을 야기한다:

여기에서,

는 공진 각진동수의 상대적 변화이고, ρ는 가스 밀도이며, t는 석영 발진기의 두께이고, ρ_q는 석영 발진기의 밀도이고, w는 굽쇠의 폭이며, c₁ 및 c₂는 기하학적 종속 상수이고,

는 아래와 같이 정해지는 가스의 표면 층의 두께이다:

여기에서, η는 가스의 온도 종속 점도이다.

수학식 1의 두 부분은, a) 수정 발진기(218)의 분기부 상의 가스의 첨가물 질량 및 b) 진동 중 분기부들의 최외부 표면 층 상에서 일어나는 전단력에 관한 것이다.

그래서 수학식은 주파수 항을 다시 써서 아래와 같이 단순화 될 수 있다:

여기에서,

,

및 C는 옵셋 상수(offset constant)이고, f₀는 진공에서의 결정체의 고유 공진 주파수(natural resonant frequency)이다.

발명자들은 아래와 같이 근사치를 계산함으로써 적절하게 양호한 근사치가 얻어질 수 있음을 알아냈다:

그 결과로, 양호한 근사치까지, 주파수의 변화가 수정 발진기가 노출되어 있는 가스의 밀도의 변화에 비례한다. 도 6은, 수정 발진기(218)의 공진 주파수가 밀도의 함수로서 선형적으로 변하는, 다수의 상이한 가스들/가스 혼합물을 도시한다.

일반적으로, 수정 발진기(218)의 감도는 주파수의 5% 변화가, 예를 들어, 대기 압력에 비교했을 때 250bar에서의 산소 가스(32의 원자 질량수를 가짐)로 보여진다. 보통 대부분의 가스의 경우에 137bar g와 450 bar g의 사이에 있고, 헬륨 및 수소에 대해서는 700bar g 또는 900bar g까지인, 그러한 압력 및 가스 밀도는 영구 가스를 위해 이용되는 저장 실린더의 전형적인 것이다.

수정 발진기(218)는 상업적으로 공급되는 가스를 위한 질량 유량계의 밀도 센서 형성 부분으로서 이용하기에 특히 적합하다. 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해서는, 가스가 먼지 및 액적이 없을 필요가 있으며, 상업적으로 공급되는 가스에서는 그 것이 보장되지만, 공기에서는 또는 대부분의 압력 감시 상황에서는 아니다.

수정 발진기(218)로부터 밀도 값이 얻어지면, 오리피스(212)를 통한 가스의 질량 유량이 판단될 수 있다. 오리피스를 통한 질량 유량(Q)은 아래와 같이 정의된다:

여기에서, k는 상수이고, v는 가스의 속도이며, ρ는 가스의 상류 밀도이고, A는 오리피스(A)의 횡단면 면적이다. 그러나, 베르누이 방정식으로부터 아래의 수학식 6이 얻어진다:

오리피스의 횡단면 면적이 감소함에 따라, 가스의 속도는 증가할 것이고, 가스의 압력은 저감될 것이다.

오리피스(212)를 통한 질량 유량의 판단은 "조여진" 또는 "임계(critical)" 유동에서 알려진 조건에 의존한다. 그러한 상황은, 가스 속도가 음속 조건에 도달할 때, 즉 오리피스 플레이트(210)에 의해 유발된 유동 제한이 오리피스(212)를 통해 흐르는 가스의 속도가 음속에 도달하게 할 때, 일어난다. 이 것은 상류 압력(P₁)이 하류 압력(P₂)보다 적어도 0.5bar 더 높을 때 일어난다.

이 조건이 충족되면, 오리피스(212)를 통한 공기의 속도가 아주 약간 더 증가한다. 그러므로, v=c(해당 가스 속에서의 음속)인 조여진 유동 조건에서, 수학식 5는 아래와 같이 된다:

그 결과로, 일정한 횡단면 면적(A)을 갖는 오리피스의 경우에, 오리피스(212)를 통한 질량 유동이 단지 상류 밀도에만 종속한다. 이 것은 배열된 수정 발진기(218)가 측정하려는 파라미터이다.

부가적으로, 음속(c)은 절대 온도의 제곱근(√T)에 비례한다. 그러나, 앞서 기술된 바와 같이, 온도 센서(222)는 특별하게 정확할 것을 요구하지 않는다. 예를 들어, 온도의 오류가 300K에서 0.5K이면, 이 것은 계산된 음속에서 단지 1: 1200으로 바뀐다. 그러므로, 많은 응용에서, 온도 센서(222)는 필수적이지 않으며, 제거될 수 있다.

도 7은 질량 유량 측정의 실험적 데이터를 예시한다. 도 7은 질소 가스를 위한 X축에 대한 가스 유량(리터/분)의 함수로서의 Y축 상의 공진 주파수(kHz)의 그래프이다. 도시된 바와 같이, 그래프는 고도로 선형이고, 수정 발진기(218)를 이용하여 질량 유량이 정확하게 측정될 수 있음을 보인다.

또한, 수정 발진기(218)의 고도의 정확성은 ppm(parts per million)인 매우 높은 정확도로 측정할 수 있게 한다. 높은 밀도 및 압력에서의 석영 밀도 센서(218)의 선형 응답과 결합된, 고도의 정확성은 H₂ 및 He와 같은 매우 가벼운 가스의 질량 유량이 정확하게 측정되게 할 수 있다.

이제, 도 8을 참조하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 방법에 대해 기술하겠다. 아래에 기술된 방법은 위에 기술된 제1 실시예 및 제2 실시예의 각각에 적용할 수 있다.

단계 400: 측정을 초기화

단계 400에서, 오리피스(212)를 통한 가스의 질량 유량의 측정이 초기화 된다. 이 것은, 예를 들어, 사용자가 하우징(208)의 외측에 있는 버튼을 누름으로써 작동될 수 있을 것이다. 대안적으로, 측정은 원격 연결, 예를 들어, 무선 통신망을 통해 전송되고 안테나를 통해 계기 조립체(200, 350)가 수신하는 신호에 의해 개시될 수 있을 것이다.

또다른 대안적 또는 부가적으로, 계기 조립체(200, 350)는 원격으로 또는 타이머에 의해 초기화 하도록 구성될 수 있을 것이다. 방법은 단계 402로 진행한다.

단계 402: 수정 발진기 구동

초기화 되면, 구동 회로(220)는 수정 발진기(218)를 구동하기 위해 이용된다. 초기화 하는 동안, 구동 회로(220)는 결정체(210)를 가로질러 무작위 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그 무작위 전압의 적어도 일부는 결정체(210)가 진동하기에 적합한 주파수에 있을 것이다. 그 후, 결정체(210)는 그 신호와 동기하여 진동하기 시작할 것이다.

알 수 있듯이, 수정 발진기(218)는, 결정체 자체의 공진 주파수가 측정되고 있으므로, 본질적으로, 자족적(self-contained) 검출기 및 구동기이다.

압전 효과에 의해, 수정 발진기(218)의 동작이 수정 발진기(218)의 공진 주파수 대역에서 전압을 발생시킨다. 그 후, 구동 회로(220)는, 수정 공진기(202)의 주파수 대역에서 발생된 신호가 구동 회로(220)의 출력을 지배하도록, 수정 발진기(218)에 의해 발생된 신호를 증폭시킨다. 수정 필터의 좁은 공진 대역은 모든 원하지 않는 주파수를 필터링하고, 그 후, 구동 회로(220)는 기준 공진 주파수(f)에서 수정 발진기(218)를 구동한다. 수정 발진기(218)가 특정한 공진 주파수에서 안정화되면, 방법은 단계 404로 진행한다.

단계 404: 수정 발진기의 공진 주파수 측정

공진 주파수(f)는 도관(206)의 상류 부분(214) 내의 환경적 상황에 종속적이다. 이 실시예에서, 공진 주파수의 변화(Δf)는, 양호한 근사치까지, 도관(206)의 상류 부분(214)에서의 가스의 밀도의 변화에 대한 규모에 비례하고 밀도가 증가하면 감소할 것이다.

측정을 하기 위해서는, 수정 발진기(218)의 주파수가 대략적으로 1초의 기간 동안 측정된다. 이 것은 판독이 안정화 될 수 있게 하고, 정확한 측정을 판단하기 위해 충분한 진동이 계수되게 한다. 주파수의 측정은 마이크로프로세서(240)에서 수행된다. 마이크로프로세서(240)는 측정이 시작되었던 시간(T₁)을 기록(log)할 수도 있을 것이다.

주파수가 측정되었으면, 방법은 단계 406으로 진행한다.

단계 406: 가스의 온도 측정

단계 406에서, 온도 센서(222)는 도관(206)의 상류 부분(214) 내의 가스의 온도를 측정한다. 이 측정은 가스 유동 속에서의 음속을 정확하게 판단하기 위해 요구된다.

앞서 기술된 바와 같이, 온도 측정은 특별하게 정확할 것을 요구하지 않는다. 예를 들어, 온도 센서(222)가 0.5℃까지 정확하면, 이 것은 음속의 계산을 위해 요구되는 절대 온도 값에 대해 대략 1,200분의 1의 오류에 대응한다.

대안으로서, 이 단계는 단지 마이크로프로세서(240)에 대해 입력되는 일정한 온도 값을 포함할 수 있을 것이다. 이 것은, 예를 들어, 알려진 온도 환경이 이용되거나, 또는 고도의 정확성이 요구되지 않는 상황에서 일어날 수 있을 것이다. 이 경우에, 온도 센서(222)는 요구되지 않는다.

단계 408: 가스의 질량 유동 판단

이 것은, 오리피스(212)의 상류에서의 가스의 밀도(ρ), 및 선택적으로, 가스의 온도(T)가 알려진 경우에, 위의 수학식 7을 이용하여 행해진다. 그러므로, 단계 404에서 측정된 바와 같은 공진 주파수, 단계 406에서 측정된 가스의 (선택적) 알려진 온도(T)를 알면, 오리피스(212)를 통한 질량 유량의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 그 후, 방법은 단계 410으로 진행한다.

단계 410: 결과를 통신하고 저장

가스의 질량 유량은 다수의 방식으로 디스플레이 될 수 있다. 예를 들어, 하우징(208), 바디(202) 또는 조절기(150, 300)에 부착된 스크린(도시 안 됨)은 오리피스를 통한 가스의 질량 유량(212)(그리고, 결과로서, 커플링(160)을 빠져나가는 가스의 질량 유량)을 표시할 수 있다. 대안에서는, 질량 유량 측정이 기지국으로, 또는 아래에서 설명하듯이, 인접한 피팅 상에 배치된 계기로 원격으로 통신될 수 있다.

또다른 대안으로서, 시간(T₁)에서의 가스의 질량 유량은 시간 기록을 발생시키기 위해 상기 마이크로프로세서(240)에 대해 로컬인 메모리에 저장될 수 있다.

그 후, 방법은 단계 412로 진행한다.

단계 412: 센서 조립체 파워 다운

계기 조립체(200, 350)를 모든 시간에 작동으로 유지할 필요는 없다. 역으로, 사용 중이 아닐 때에는, 계기 조립체(200, 350)를 오프 상태로 전환함으로써 전력 소비를 저감하기에 유리하다. 이 것은 건전지(224)의 수명을 연장한다.

구동 회로(220)의 구조는 수정 발진기(218)가 도관(206)의 상류 부분(214)에서의 압력에 무관하게 재시동될 수 있게 한다. 그러므로, 건전지 전력을 절감하기 위해 요구됨에 따라, 그리고 요구된 때에, 계기 조립체(200, 350)는 정지될 수 있다.

위 실시예들의 변화예들이 숙련된 자에게 자명할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소들의 정확한 구조는 달라질 수 있을 것이며, 여전히 본 발명의 범위 내에 든다. 숙련된 자는 이용될 수 있는 대안적 구조들을 쉽게 알아낼 것이다.

예를 들어, 위에서 기술된 실시예들은 기본 주파수 32.768kHz를 갖는 수정 발진기를 활용한다. 그러나, 대안적 주파수에서 작동하는 결정체들이 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 60kHz 및 100kHz에서 작동하는 수정 발진기들이 위에 기술된 실시예들과 함께 이용될 수 있을 것이다. 도 9에는 다양한 결정체를 위한 밀도에 의한 주파수 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 또다른 예로서, 1.8MHz의 주파수에서 작동하는 결정체 발진기가 이용될 수 있다.

더 높은 주파수 작동은, 주어진 수의 사이클을 시료로 채취하기에 더 짧은 시간이 요구되기 때문에, 압력이 더 빈번하게 감시되게 할 수 있다.

또한, 더 높은 주파수 결정체들은 결정체의 "슬립(sleep)" 모드에서 더 작은 듀티 사이클(duty cycle)이 이용되게 할 수 있다. 설명의 방식에 의해, 대부분의 경우에, 결정체 및 구동 회로는 스위치가 꺼진 채로 대부분의 시간을 보내고, 단지 측정이 요구되는 잠시만 스위치가 켜져 있다. 이 것은, 예를 들어, 분 당 한번 일어날 수 있을 것이다. 더 높은 주파수 결정체가 이용되면, 압력이 더 빨리 측정될 수 있다. 그러므로, 결정체가 작동 상태에 있는 시간이 저감될 수 있다. 이 것은 전력 소비를 저감하고 부수적으로 건전지 수명을 향상시킬 수 있을 것이다.

또한, 위 실시예들은 수정 발진기의 절대 주파수를 측정하는 것에 의해 기술되었다. 그러나, 가스 실린더 관련 조절기에 통합된 자족적 전자장치에서는, 그 주파수를 진공 또는 압력 패키지 속에 들어 있는 동일한 유형의 기준 결정체와 비교함으로써 센서의 주파수의 변위를 측정하는 것이 유리할 수 있을 것이다. 압력 패키지는 선택된 밀도의 가스, 대기 조건 하에 있는 가스를 포함할 수 있거나 또는 가스 실린더 외부의 가스에 개방될 수 있을 것이다.

적합한 센서 조립체(500)가 도 10에 도시되어 있다. 센서 조립체(500)는 제1 수정 발진기(502) 및 제2 수정 발진기(504)를 포함한다. 제1 수정 발진기(402)는 진공의 밀봉된 컨테이너(506) 내에 배치되는 기준 결정체이다. 제1 수정 발진기(502)는 구동 회로(508)에 의해 구동된다.

제2 수정 발진기(504)는 앞서의 실시예들에서 기술된 결정체(218)와 유사한 결정체이다. 제2 수정 발진기(504)는 하우징(208) 내의 가스 환경에 노출된다. 제2 수정 발진기(504)는 구동 회로(510)에 의해 구동된다.

이 비교는 두개의 주파수 신호를 조합하고 두개의 결정체 사이의 차이에 대등한 주파수에서의 출력을 생성하는 전자적 혼합 회로(512)를 이용하여 수행될 수 있을 것이다. 이 구성은, 예를 들어, 온도로 인한 작은 변화가 무효화될 수 있게 한다.

또한, 주파수 차이만 측정될 것이 요구되기 때문에, 센서 조립체(204)에서 이용되는 회로장치는 단순화 될 수 있다. 또한, 이 접근 방식은, 결정체 주파수를 직접적으로 측정하기가 곤란할 수 있는 곳에서, 고 주파수(MHz) 결정체 발진기에 이용하기에 특히 적합하다.

또한, 밀도, 질량 또는 질량 유동을 측정하고 표시하기 위해 요구되는 모든 전자 장치는 가스 실린더 상에 또는 내부에 장착될 필요가 없다. 예컨대, 실린더 상에 영구적으로 장착된 유닛과, 고객의 사용 위치에 따라 장착되거나 종래의 유량계에 대해 보통 이용되는 위치와 같은 실린더의 출구 상에 또는 일시적으로 장착되는 유닛 간에, 전자 기능들이 분할될 수 있다.

도 11을 보면, 본 장치의 한 예가 도시되어 있다. 장치는, 가스 실린더(600), 조절기(602) 및 질량 유량 계기(604)를 포함하는 가스 실린더 조립체(60)를 포함한다. 가스 실린더(600), 조절기(602) 및 질량 유량 계기(604)는, 사실상 이전 실시예에서 기술된 바와 같은, 가스 실린더(100), 조절기(150) 및 계기 조립체(200, 350)와 사실상 유사하다.

이 실시예에서는, 질량 유량 계기(604)가 앞서의 실시예들의 수정 발진기(218) 및 구동 회로(220)와 유사한 수정 발진기 및 구동 회로(도시 안 됨)를 포함한다. 예를 들어, 블루투스, 적외선(IR) 또는 RFID인 어떤 적합한 원격 통신프로토콜에 의해서든 통신하기 위해 안테나(606)가 제공된다. 대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 활용될 수 있을 것이다.

또다른 대안으로서, 음향 통신 방법이 이용될 수 있을 것이다. 그러한 방법의 이점은 외부 안테나에 대한 요구 없이 원격 통신이 이루어질 수 있다는 것이다.

연결 파이프(608)는 가스 실린더(600)의 출구에 접속된다. 연결 파이프는 신속 접속 연결부(quick connect connection)(610)까지 연장된다. 신속 접속 연결부(610)는 접속용 배관 또는 구성요소들이 가스 실린더(600)와 용이하고 신속하게 접속 및 접속 해제될 수 있게 한다.

가스 실린더(600)에 대한 연결을 위해 신속 접속 유니트(650)가 제공된다. 접속기(608)에 대한 연결을 위해, 보완적 신속 접속 접속기(612)가 제공된다. 또한, 신속 접속 유니트(650)에는 데이터 유니트(652)가 제공된다. 데이터 유니트(552)는 가스 실린더 조립체(60)의 안테나(604)와 통신하기 위한 안테나(556) 및 디스플레이(554)를 포함한다. 디스플레이(554)는, 전력 소비를 최소화 하고 디스플레이의 가시도를 최대화 하기 위해, 예를 들어, LCD, LED 또는 일광 판독 가능한 디스플레이를 포함할 수 있을 것이다.

데이터 유니트(652)는 가스 실린더 조립체(60)의 센서 조립체(602)에 의해 측정된 바와 같은 다양한 파라미터들을 기록할 수 있을 것이다. 예를 들어, 데이터 유니트(652)는 질량 유량 대 시간을 기록할 수 있다. 그러한 기록은, 예를 들어, 중요한 구성요소들에 대한 장기간의 가스 용접 절차 동안 가스 유동이 있었고 올바른 것이었는지를 점검하기를 원하거나, 또는 회사 데이터를 특정한 고객의 이용에 공급하기를 원하는 용접 계약자들에게 유용할 수 있다.

대안적으로, 파생된 파라미터들의 계산을 허용하기 위해, 데이터 유니트(650)로부터의 데이터가, 경고 메시지와 함께, 컴퓨터 인에블드 용접 기계(용접 응용을 위한) 또는 다른 가스 이용 장비에 출력될 수 있다.

또한, 데이터 유니트(650)는 다음의 기능들, 즉, 가스의 타입이 변하면 청각 또는 시각 경보(alarm)를 제공하고; 가스의 타입에 관한 데이터를 수용하고 디스플레이하며; 다중 모드 작동, 예컨대 공급자/충전자 모드 및 고객 모드를 제공하고; 데이터의 입력을 허용하며; 실린더 번호, 가스의 타입, 분석 증명서, 고객 이력(누가 어떤 날에 실린더를 가졌는지), 안전 데이터 및 실린더에서 요약된 형태로 수행될 수 있는 작동 팁을 제공하도록 배치될 수 있을 것이다.

대안적으로, 위의 모든 예는, 계기 조립체(200, 350)에 비추어 설명된 바와 같이, 가스 실린더(600) 또는 하우징(208) 상에(또는 내에) 전체적으로 배치된 시스템으로부터 선택적으로, 처리, 저장 또는 얻어질 수 있을 것이다.

위 실시예들이 수정 발진기의 이용을 참조하여 기술되었지만, 숙련된 자는 이용될 수 있는 대안적 압전 재료들을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 대략적인 목록은: 리튬 탄탈레이트, 리튬 니오베이트, 리튬 보레이트, 베를리나이트, 갈륨 비화물, 리튬 테트라보레이트, 인산 알루미늄, 비스무트 게르마늄 산화물, 다결정 지르코늄 티타네이트 세라믹스, 고 알루미나 세라믹스(high-alumina ceramics), 규소-아연 산화물 합성물, 또는 디포타슘 타르타르산염을 포함하는 결정체 발진기를 포함할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예들이 예시된 예에 대한 특별한 참조로 기술되었다. 특정한 예가 도면에 도시되고 여기에 상세히 기술되었지만, 도면 및 상세한 기술은 본 발명을 기술된 특정한 형태로 한정하려는 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명의 범위 내에서 기술된 예에 대해 변화 및 수정이 이루어질 수 있을 것임을 알 것이다.

Claims

조여진 유동이 일어나게 하는 오리피스를 포함하는 도관을 통한 가스의 질량 유량을 측정하는 방법으로서, 상기 오리피스는 도관을 상기 오리피스의 바로 상류에 있는 상류 부분과 상기 오리피스의 하류측에 있는 하류 부분으로 나누고, 상류 부분은 적어도 2개의 평면 분기부를 구비하고 오리피스의 상류에서의 가스와 접촉하는 압전 결정체 발진기를 포함하며, 상기 방법은:
a) 압전 결정체 발진기가 공진 주파수에서 공진하도록 압전 결정체 발진기를 구동하는 단계;
b) 압전 결정체 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계; 및
c) 압전 결정체 발진기의 측정된 공진 주파수와 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도 간의 관계로부터, 그리고 질량 유량, 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도, 오리피스의 단면적 및 가스에서의 음향 속도 간의 관계로부터 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 판단하는 단계를 포함하는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 오리피스의 상류에서의 압력이 상기 오리피스의 하류에서의 압력보다 적어도 0.5 bar 더 높은, 가스의 질량 유량 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 오리피스의 상류에서의 가스의 온도를 판단하는 단계를 더 포함하는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스는 압전 결정체 발진기의 상류에 배치된 압력 조절기 또는 밸브로부터 분배되는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 압력 조절기 또는 밸브는 상기 오리피스를 통과하는 가스의 측정된 질량 유량에 응답하여 전자적으로 제어되는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
가스의 질량 유량을 측정하는 계기로서, 계기는 사용 중에 흐르는 가스가 통과하는 도관을 포함하고, 도관은 조여진 유동이 일어나게 하는 유동 제한 오리피스를 가지며, 유동 제한 오리피스는 도관을 상기 오리피스의 바로 상류에서의 상류 부분과 상기 오리피스의 하류에서의 하류 부분으로 나누고, 계기는 센서 조립체를 더 포함하며, 센서 조립체는 계기가 사용 중일 때 압전 결정체 발진기가 상기 가스와 접촉하도록 상류 부분에 적어도 2개의 평면 분기부를 구비하는 압전 결정체 발진기를 포함하고, 상기 센서 조립체는:
압전 결정체 발진기가 공진 주파수에서 공진하도록 압전 결정체 발진기를 구동하고;
상기 압전 결정체 발진기의 상기 공진 주파수를 측정하며;
압전 결정체 발진기의 측정된 공진 주파수와 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도 간의 관계로부터, 그리고 질량 유량, 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도, 오리피스의 단면적 및 가스에서의 음향 속도 간의 관계로부터 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 판단하도록 배치되는, 계기.
제6항에 있어서, 공통의 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배치된 달링턴 트랜지스터를 구비하는 구동 회로를 더 포함하는, 계기.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 압전 발진기에 인접한 가스의 온도를 판단하도록 배치된 온도 센서를 더 포함하는, 계기.
제6항 또는 제7항에 있어서, 압력 조절기 또는 밸브의 하류에 배치되는, 계기.
제9항에 있어서, 계기는 유동 제한 오리피스를 통한 측정된 질량 유량에 응답하여 압력 조절기 또는 밸브를 전자적으로 제어하도록 배치되는, 계기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 결정체 발진기는 수정 발진기를 포함하는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 결정체 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는, 가스의 질량 유량 측정 방법.
프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 제1항 또는 제2항의 방법을 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 것인 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 압전 결정체 발진기는 수정 발진기를 포함하는, 계기.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 압전 결정체 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는, 계기.