KR101486831B1 - 가스 압력 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
가스 압력 측정을 위한 압력 게이지가 제공되며, 해당 압력 게이지는, 가스원에 연결 가능하고, 사용시 상기 가스와 연통되는 내부를 갖는 하우징을 포함하고, 상기 압력 게이지는, 상기 하우징 내에 위치되고, 사용시 상기 가스와 접촉되게 위치되는 압전 발진기를 가지는 센서 어셈블리를 더 포함하고, 상기 센서 어셈블리는 상기 가스 내에서 상기 압전 발진기의 발진 주파수를 측정하도록 배열되고, 상기 측정 주파수와 상기 가스의 알려진 온도 및 알려진 분자량으로부터 상기 가스의 압력을 결정하도록 된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가스 압력 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압전 발진기를 사용하여 가스의 압력을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
여기 설명되는 방법 및 장치는 특히, 예컨대, 고압 실린더로부터의 가스 공급 또는 고압 가스를 사용하는 제조 공장과 같이 비교적 높은 압력(예, 약 10 bar 이상) 하의 유체가 존재하는 시스템에 적용 가능하다. 본 발명은 특히, "클린" 가스, 즉 수증기나 먼지 등의 불순물 또는 오염물이 적거나 없는 가스에 관한 것이다.
압축 가스 실린더는 고압, 즉 대기압보다 훨씬 큰 압력으로 가스를 보유하도록 설계된 압력 용기이다. 압축 가스 실린더는 저가의 일반 산업용 시장으로부터 의료 시장을 거쳐 고순도의 부식성, 독성 또는 발화성 가스를 사용하는 전자 제조업과 같은 고가의 적용까지 광범위한 시장에 사용된다. 통상, 압축 가스 용기는 강, 알루미늄, 또는 복합체로 이루어져서, 대부분의 가스의 경우 450 bar g까지, 그리고 수소와 헬륨의 경우 900 bar g까지 최대 충전 압력으로 압축, 액화 또는 용해 가스를 저장할 수 있다.
본 발명은 특히 영구 가스에 적용 가능하다. 영구 가스는 압력만으로는 액화될 수 없고, 예컨대 450 bar g까지의 압력으로 가스 실린더 내에 공급될 수 있는 가스이다. 예로는 아르곤과 질소가 있다. 그러나, 이것은 한정하는 것으로 간주되지 않으며, 가스란 용어는 예컨대, 영구 가스와 액화 가스의 기체 양자 모두인 광범위한 가스를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
액화 가스의 기체는 압축 가스 실린더 내에서 액체 위에 존재한다. 실린더 내로의 충전을 위해 압축되는 동안 압력하에서 액화되는 가스는 영구 가스가 아니며, 보다 정확하게는 압력하의 액화 가스 또는 액화 가스의 기체로서 설명된다. 예로서, 니트로 산화물은 15 ℃에서 44.4 bar g의 평형 증기압으로 액체 형태로 실린더 내에 공급된다. 이러한 기체는 대기 조건 주변의 압력 또는 온도에 의해 액화 가능하므로 영구 가스 또는 완전 기체 상태의 가스(true gas)가 아니다.
가스 실린더 또는 다른 압력 용기로부터 가수를 효과적으로 그리고 제어 가능하게 분배하기 위해 조절기가 필요하다. 조절기는 가스가 일정하거나 또는 사용자 조정 가능한 압력으로 분배되도록 가스의 흐름을 조절할 수 있다.
이러한 시스템에서 압력의 측정은 당업계에 잘 알려진 것이고, 압력 측정 기능을 갖는 다양한 기구가 존재한다. 가장 보편적인 종류는 변형률 측정 요소를 갖춘 탄성 다이어프램을 사용한다. 보편적으로 사용되는 다른 압력 게이지는 부르돈(Bourdon) 게이지이다. 이러한 게이지는 중공 단부에서 측정 대상의 유체를 담고 있는 고정 파이프에 연결되는, 평탄화된 얇은 벽의 폐쇄 단부 튜브를 포함한다. 압력 증가로 인해 파이프의 폐쇄 단부는 원호를 그린다.
이들 종류의 압력 게이지는 비교적 가격이 낮지만, 비교적 크기가 큰 경향이 있고 제조하기가 비교적 복잡하고 고가인 기계적 구조를 가진다. 추가로, 이러한 게이지는 고압에 노출되는 것과 같은 환경적인 요인으로부터의 손상에 취약하게 하는 취약한 성분을 포함한다.
예를 들면, 0-5 bar의 압력에서 신뢰성 있게 동작하도록 설계된 통상의 압력 게이지는 예컨대 200 bar 등의 매우 큰 압력에 노출시 수리 불가하게 손상될 것이다. 이러한 경우가 생기면, 게이지는 교체가 필요할 것이다. 또한, 게이지는 위험하게 고장나고 누출될 수 있다. 이것은 인화성 또는 가연성 가스가 존재하는 경우 특별한 이슈이다.
이러한 게이지가 부주의로 초고압에 노출될 수 있는 한 가지 상황이 "크립"으로 알려진다. 압력 게이지가 고압 가스 실린더의 고압 조절기의 출력 측에 제공되고 해당 출력은 차단된 구성을 고려한다. 이 경우, 가스 실린더는 예컨대 300 bar의 내부 압력에 있을 수 있다. 소정의 시간 동안 유지시, 조절기의 밸브 시트를 통해 조금이라도 가스가 누출되면, 조절기와 폐쇄 출력 사이에 가스 실린더의 내부 압력과 근접하거나 심지어 동일한 압력이 유도될 수 있다. 이러한 압력은 통상의 압력 게이지를 수리 불가하게 손상시킬 수 있다.
다른 예로서, 고압 격리 밸브를 통해 고압 가스 실린더에 연결된 유입구를 갖는 300 bar의 고정식 압력 조절기를 고려한다. 조절기의 출력은 저압 게이지에 연결된다. 이러한 고정식 압력 구성은 예컨대, 5 bar의 일정한 출력 압력을 제공하도록 구성된다. 그러나, 고압 격리 밸브가 먼저 개방시, 압력은 조절기의 다이어프램이 압력 조절을 위해 조정될 수 있기 전에 순간적으로 훨씬 높은 값으로 뛸 것이다. 이러한 고압 가스의 순간 펄스는 압력 게이지를 손상시킬 수 있다.
가스의 물리적 특성의 측정에 사용되는 다른 종류의 기구는 석영 결정과 같은 압전 기구이다. 석영 결정은 압전 거동을 보여주는데, 즉 석영 결정에 전압을 인가하면 고체가 다소 압착 또는 신장되거나 또는 그 반대의 경우가 얻어진다.
2000년도 Sensors and Actuators 80권 233-236면에 개재된 Zeisel 등에 의한 논문 "A Precise And Robust Quartz Aensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6)-Gas Density Control"은 고전압 및 중간 전압 전기 장치 내의 SF6 가스의 밀도 측정에 석영 결정 센서가 사용되는 구성을 개시한다. SF6 가스의 밀도 측정은 장치의 안전에 중요하다. 따라서, 해당 개시는 압력 측정과 관련되지 않는다.
미국 특허 제4,644,796호는 벨로우즈 구성을 포함하는 가변-용적 하우징 내에 내장된 석영 결정 발진기를 사용하여 유체의 압력을 측정하는 방법 및 장치를 개시한다. 하우징의 내부 용적은 외부 유체 압력에 의한 벨로우즈의 압축/팽창에 기인하여 변한다. 결국, 하우징 내의 유체의 밀도는 하우징의 내부 용적 변화에 따라 변한다. 하우징 내의 밀도는 석영 결정 발진기를 사용하여 측정될 수 있다. 그러나, 석영 결정 발진기는 측정 중 유체와 접촉하지 않고, 대신에, 하우징의 내부 용적의 변화에 의해 가스의 압력을 간접적으로 측정한다.
본 발명의 일 측면에 따라 가스 압력 측정 방법이 제공되며, 해당 방법은: a) 가스와 접촉되는 압전 발진기의 발진 주파수를 측정하는 단계와; b) 상기 압전 발진기의 발진 주파수, 상기 가스의 알려진 온도 및 상기 가스의 알려진 분자량으로부터 상기 가스의 압력을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 방법을 제공함으로써, 과압을 방지하면서도 정확한 압력 게이지가 얻어질 수 있다. 압전 발진기는 고압, 압력의 갑작스런 변화 또는 기타 환경적 인자에 저항하는 반도체 소자이다. 이것은 압전 발진기가 전체적으로 가스 내에 잠겨지고 "크립" 또는 다른 과압 상황에 안전하게 되도록 할 수 있다. 이것은 작동을 위해 압력차를 필요로 하고 과압 상황에 의해 영구 손상되는 종래의 게이지(예, 부르돈 게이지)와 대조된다.
일 실시예에서, b) 단계는: 구동 회로를 사용하여 상기 압전 발진기를 해당 압전 발진기가 공진 주파수에서 공진하도록 구동시키는 단계와; 상기 가스의 압력을 결정하도록 미리 정해진 시간 기간에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 온도 센서를 사용하여 상기 가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 두 개의 압전 발진기가 제공되며, 해당 압전 발진기 중 하나는 다른 하나의 압전 발진기보다 감도 계수가 높으며, 상기 방법은 상기 a) 단계 이전에, 상기 압전 발진기 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 감압 기구의 하류에 제공된다.
일 실시예에서, 상기 또는 각각의 압전 발진기는 석영 결정 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 석영 결정 발진기는 적어도 하나의 가지를 포함한다. 일 변형례에서, 상기 석영 결정은 한 쌍의 평면형 가지를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 석영 결정은 AT 컷 또는 SC 컷이다.
일 변형례에서, 상기 석영 결정의 표면은 가스에 직접 노출된다.
일 실시예에서, 구동 회로를 포함하는 센서 어셈블리가 제공된다. 일 변형례에서, 상기 센서 어셈블리는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배열된 달링턴 트랜지스터(Darlington pair)를 포함하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 전원을 포함한다. 하나의 구성예에서, 상기 전원은 리튬 전지를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따라 가스 압력 측정을 위한 압력 게이지가 제공되며, 해당 압력 게이지는, 가스원에 연결 가능하고, 사용시 상기 가스원과 연통되는 내부를 갖는 하우징을 포함하고, 상기 압력 게이지는, 상기 하우징 내에 위치되고, 사용시 상기 가스와 접촉되게 위치되는 압전 발진기를 가지는 센서 어셈블리를 더 포함하고, 상기 센서 어셈블리는 상기 가스 내에서 상기 압전 발진기의 발진 주파수를 측정하도록 배열되고, 상기 측정 주파수와 상기 가스의 알려진 온도 및 알려진 분자량으로부터 상기 가스의 압력을 결정하도록 된 것을 특징으로 한다.
이러한 압력 게이지를 제공함으로써, 과압을 방지하면서도 정확한 압력 게이지가 얻어질 수 있다. 압전 발진기는 고압, 압력의 갑작스런 변화 또는 기타 환경적 인자에 저항하는 고체 상태 소자이다. 이것은 압전 발진기가 전체적으로 가스 내에 담겨지고 "크립" 또는 다른 과압 상황에 안전하게 되도록 할 수 있다. 이것은 작동을 위해 압력차를 필요로 하고 과압 상황에 의해 영구 손상되는 종래의 게이지(예, 부르돈 게이지)와 대조된다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 상기 하우징 내의 가스의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 상기 공진 주파수에서 상기 압전 발진기를 구동시키는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 구동 회로; 프로세서; 및 전원 중 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 구동 회로는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배열된 달링턴 트랜지스터를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 석영 결정 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 석영 결정 발진기는 적어도 하나의 가지를 포함한다. 일 변형례에서, 상기 석영 결정은 한 쌍의 평면형 가지를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 석영 결정은 AT 컷 또는 SC 컷이다.
일 변형례에서, 상기 석영 결정의 표면은 가스에 직접 노출된다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 구동 회로를 포함한다. 일 변형례에서, 상기 센서 어셈블리는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배열된 달링턴 트랜지스터를 포함하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 전원을 포함한다. 하나의 구성예에서, 상기 전원은 리튬 전지를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 센서 어셈블리는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 제3 측면에 따라 상기 제2 측면의 압력 게이지를 포함하는 감압 기구가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 감압 기구는 압력 조절기 형태이다.
일 실시예에서, 상기 감압 기구는 밸브 또는 일체형 압력 조절기를 갖는 밸브의 형태이다.
일 실시예에서, 상기 압력 조절기는 0-5 bar의 범위의 압력을 갖는다.
일 실시예에서, 상기 압력 조절기는 전자식 압력 조절기이고, 상기 압력 게이지는 상기 전자식 압력 조절기를 제어하도록 작동 가능하다.
일 실시예에서, 상기 전자식 압력 조절기는 솔레노이드 밸브를 포함하고, 상기 센서 어셈블리는 사용시 상기 솔레노이드 밸브를 제어하도록 동작 가능하다.
일 실시예에서, 상기 압력 조절기는 0-5 bar의 범위의 압력을 가진다.
본 발명의 제4 측면에 따라, 상기 제1 측면의 단계를 수행하는 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하고, 프로그래밍 가능한 프로세싱 장치에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 제5 측면에 따라, 상기 제4 측면에 따른 컴퓨터 프로그램 제품을 저장 구비하는 컴퓨터 사용 가능한 저장 매체가 제공된다.
첨부 도면을 참조로 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
첨부 도면에서:
도 1은 가스 실린더-조절기 조립체의 개략도이고;
도 2는 가스 실린더의 상부, 조절기 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력 게이지 구성의 개략도이고;
도 3은 가스 실린더의 상부, 조절기 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력 게이지 구성의 개략도이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 구동 회로의 개략도이고;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 다른 구동 회로의 개략도이고;
도 6은 여러 종류의 다른 가스에 대한 밀도(kg/cm3)의 함수로서 Y-축상의 석영 결정 주파수(kHz)의 그래프이고;
도 7은 저압용의 페로맥스 15(Ferromax 15)(82.5% Ar, 15% CO2 및 2.5% O2의 조성) 내에 담겨진 석영 결정 발진기에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 주파수 변화(kHz)의 그래프이고;
도 8은 고압용의 페로맥스 15(Ferromax 15)(82.5% Ar, 15% CO2 및 2.5% O2의 조성) 내에 담겨진 석영 결정 발진기에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 주파수 변화(kHz)의 그래프이고;
도 9는 설명된 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이고;
도 10은 다른 결정 종류의 주파수 거동의 그래프이고;
도 11은 두 개의 석영 결정을 갖는 대안적인 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 12는 두 개의 석영 결정을 갖는 추가의 대안적인 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 13은 원격 전자 데이터 유닛을 사용한 대안적인 구성을 보여준다.
첨부 도면에서:
도 1은 가스 실린더-조절기 조립체의 개략도이고;
도 2는 가스 실린더의 상부, 조절기 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력 게이지 구성의 개략도이고;
도 3은 가스 실린더의 상부, 조절기 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력 게이지 구성의 개략도이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 구동 회로의 개략도이고;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 다른 구동 회로의 개략도이고;
도 6은 여러 종류의 다른 가스에 대한 밀도(kg/cm3)의 함수로서 Y-축상의 석영 결정 주파수(kHz)의 그래프이고;
도 7은 저압용의 페로맥스 15(Ferromax 15)(82.5% Ar, 15% CO2 및 2.5% O2의 조성) 내에 담겨진 석영 결정 발진기에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 주파수 변화(kHz)의 그래프이고;
도 8은 고압용의 페로맥스 15(Ferromax 15)(82.5% Ar, 15% CO2 및 2.5% O2의 조성) 내에 담겨진 석영 결정 발진기에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 주파수 변화(kHz)의 그래프이고;
도 9는 설명된 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이고;
도 10은 다른 결정 종류의 주파수 거동의 그래프이고;
도 11은 두 개의 석영 결정을 갖는 대안적인 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 12는 두 개의 석영 결정을 갖는 추가의 대안적인 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 13은 원격 전자 데이터 유닛을 사용한 대안적인 구성을 보여준다.
도 1은 가스 실린더 조립체(10), 조절기 및 압력 게이지의 개략도를 보여준다. 가스 실린더 조립체(10)는 가스 실린더 본체(102)와 밸브(104)를 갖는 가스 실린더(100)를 포함한다. 가스 실린더 본체(102)는 가스 실린더 조립체(100)가 평면상에 지지되지 않고 기립되게 할 수 있도록 배열된 편평한 베이스(102a)를 갖는 대략 원통형의 압력 용기를 포함한다.
가스 실린더 본체(102)는 강, 알루미늄 및/또는 복합 재료로 형성되며, 약 900 bar g까지의 내부 압력을 견디도록 적합화되고 배열된다. 가스 실린더 본체(102)의 근접단에 구멍(106)이 위치되고, 해당 구멍은 밸브(104)를 수용하도록 적합화된 나사산(도시 생략)을 포함한다.
가스 실린더(100)는 내부 용적(V)을 갖는 압력 용기를 형성한다. 가스 실린더(100) 내에는 임의의 적절한 유체가 담겨질 수 있다. 그러나, 본 실시예는 전적으로 한정되는 것은 아니지만, 먼지 및/또는 수분과 같은 불순물이 없는 정화된 영구 가스에 관한 것이다. 이러한 가스의 비한정적인 예로는 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 3불화 질소, 일산화 탄소, 크립톤 또는 네온이 있다.
밸브(104)는 하우징(108), 유출구(110), 밸브 본체(112) 및 밸브 시트(114)를 포함한다. 하우징(108)은 가스 실린더 본체(102)의 구멍(106)과의 결합을 위한 상보적 나사산을 포함한다. 유출구(110)는 가스 실린더(100)가 가스 조립체 내의 다른 성분, 예컨대, 호스, 파이프 또는 추가의 압력 밸브나 조절기에 연결될 수 있게 적합화되어 배열된다. 밸브(104)는 일체형 압력 조절기를 갖는 밸브(VIPR)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이 경우, 조절기(150)(후술됨)는 선택적으로 생략될 수 있다.
밸브 본체(112)는 선택적으로 유출구(110)를 개폐하기 위해 파지 가능한 핸들(116)의 회전을 통해 밸브 시트(114) 측으로 또는 밸브 시트로부터 멀어지게 축방향으로 조정될 수 있다. 다시 말해, 밸브 본체(112)가 밸브 시트(112)에 대해 멀어지고 가깝게 이동하는 것에 의해 가스 실린더 본체(102)의 내부와 유출구(110) 사이의 연결 통로의 영역이 선택적으로 제어된다. 이것은 다시 가스 실린더 조립체(100)의 내부로부터 외부 환경으로 유체가 흐르는 것을 제어한다.
조절기(150)는 유출구(110)의 하류에 위치된다. 조절기(150)는 유입부(152)와 유출부(154)를 가진다. 조절기(150)의 유입부(152)는 가스 실린더(100)의 유출구(110)와 조절기(150) 사이에 연결 통로를 제공하는 유입 파이프(156)에 연결된다. 조절기(150)의 유입부(152)는 가스 실린더(100)의 유출구(110)로부터 고압의 가스를 수용하도록 배열된다. 이것은 임의의 적절한 압력일 수 있지만, 대체로 유출구(110)를 빠져나가는 가스의 압력은 20 bar를 초과할 것이고, 보다 유력하게는 100-900 bar의 범위에 있을 것이다.
유출부(154)는 유출 파이프(158)에 연결된다. 유출 파이프(158)의 말단에는 커플링(160)이 위치되는데, 해당 커플링은 가스가 요구되는 추가의 파이프 또는 장치에 연결되도록 적합화된다.
압력 게이지 구성(200)은 유출부(154)와 커플링(160) 사이에서 유출 파이프(158)와 연통되게 위치된다. 압력 게이지 구성(200)은 조절기(150)의 바로 하류에 위치되고, 조절기(150)의 하류의 가스의 압력을 결정하도록 배열된다.
조절기(150)와 압력 게이지 구성(200)은 도 2에 보다 상세히 예시된다.
본 실시예에서, 조절기(150)는 단일 다이어프램 조절기를 포함한다. 그러나, 당업자는 예컨대, 2-다이어프램 조절기 또는 다른 구성과 같이, 본 발명에 사용될 수 있는 변형을 쉽게 알 수 있을 것이다.
조절기(150)는 유입부(152) 및 유출부(154)와 연통되는 밸브 영역(162)을 포함한다. 밸브 영역(162)은 밸브 시트(166)에 인접 배치된 포핏 밸브(164)를 포함한다. 포핏 밸브(164)는 다이어프램(168)에 연결되는데, 해당 다이어프램은 포핏 밸브(164)가 밸브 시트(166)에 대해 멀어지고 가깝게 병진 이동될 수 있게 하여 그 사이에서 구멍(170)을 각각 폐쇄 및 개방하도록 구성된다.
다이어프램(168)은 샤프트(174) 둘레에 위치된 스프링(172)에 의해 탄성적으로 힘을 받는다. 파지 가능한 핸들(176)의 제공으로, 사용자는 스프링(172)의 작용력을 조정할 수 있고, 그에 따라 다이어프램(168)의 위치를 이동시킴으로써, 결국 포핏 밸브(164)와 밸브 시트(166) 간의 평형 간격을 조정할 수 있다. 이것은 유출구(110)로부터의 고압 가스의 흐름이 통과될 수 있는 구멍(170)의 크기를 조절할 수 있게 한다.
조절기(150)는 유출구(110)로부터 최대 실린더 압력(예, 100 bar)의 가스를 수용하지만, 거의 일정한 고정된 저압(예, 5 bar)의 가스를 유출부(154)로 전달하도록 작동 가능하다. 이것은 구멍(170)의 하류의 가스 압력이 스프링(172)의 작용력에 대항하여 다이어프램(168)에 작용하도록 동작 가능한 피드백 메커니즘에 의해 달성된다.
그러므로, 다이어프램(168)의 근처 영역의 가스의 압력이 특정 레벨을 초과하면, 다이어프램(168)은 상향(도 2에 대해) 이동되도록 작동 가능하다. 결국, 포핏 밸브(164)는 밸브 시트(166)에 가깝게 이동됨으로써 구멍(170)의 크기를 줄이게 되고, 결국 유입부(152)로부터 유출부(154)까지의 가스의 흐름을 제한하게 된다.
압력 게이지 구성(200)은 하우징(202)과 센서 어셈블리(204)를 포함한다. 하우징(202)은 예컨대, 강, 알루미늄, 복합체 등 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다. 하우징(202)은 짧은 이송관(208)을 통해 유출 파이프(158)의 내부와 연통되는 내부(206)를 갖는다. 결국, 하우징(202)의 내부(206)는 유출 파이프(158)의 내부와 동일한 압력이다. 사용시, 하우징(202)은 통상 외부 대기로부터 밀봉 및 단절된다.
대안적으로, 하우징(202)은 유출 파이프(158)의 일부로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 유출 파이프(158)의 일부는 센서 어셈블리(204)의 수용을 위해 확관될 수 있다. 대안적으로, 센서 어셈블리(204)의 일부만 파이프(158) 내에 위치되고, 나머지는 파이프 외측이나 파이프와 이격되게 위치될 수 있다.
추가로, 하우징(202)은 조절기(150)의 일체형 부품을 형성할 수 있다. 예를 들면, 센서 어셈블리(204)는 조절기(150)의 유출부(154) 내에 전체가 위치될 수 있다. 당업자는 본 발명의 범위 내에 속하는 변경 및 대안을 쉽게 알 수 있을 것이다.
센서 어셈블리(204)는 구동 회로(212)에 연결된 석영 결정 발진기(210), 온도 센서(214) 및 전지(216)를 포함한다. 이들 성분은 하우징(202) 내에 위치된다.
구동 회로(212)와 석영 결정 발진기(210)는 도 4 및 도 5를 참조로 상세히 후술된다. 온도 센서(214)는 서미스터를 포함한다. 임의의 적절한 서비스터가 사용될 수 있다. 서비스터로부터는 높은 정확도가 필요치 않다. 예를 들면, 본 실시예의 경우 0.5℃의 정확도가 적절하다. 결국, 저가이면서 소형인 성분이 사용될 수 있다. 그러나, 소정의 경우 온도 센서(214)는 생략될 수 있다. 예컨대, 온도가 잘 알려진 것(예, 상온)일 수 있거나 온도 측정의 정확도가 적용예에 중요하지 않은 경우(예, 온도는 특정 범위 내에 있는 것으로 추정될 수 있다)이다.
본 실시예에서, 석영 결정 발진기(210)는 고압 가스원으로부터의 가스와 연통 상태로 위치된다. 다시 말하면, 석영 결정 발진기(210)는 가스원으로부터의 가스와 접촉되고 해당 가스에 노출된다. 프로세서(230)(도 3에 도시됨)도 별도로 또는 구동 회로(212)의 일부로 제공될 수 있다. 이것은 후술된다.
본 구성에서, 석영 결정 발진기(210)는 압력 게이지 구성(200)의 하우징(202) 내의 압력과 항상 등압 상태로 있어서, 압력 구배를 경험하지 않는다. 다시 말해, 외부 대기와 압력 게이지 구성(200)의 내부 성분 간의 압력차로부터 생기는 임의의 기계적 응력은 하우징(202)을 통해서 표현된다.
도 2의 실시예에서, 센서 어셈블리(204)는 전체가 하우징(202) 내에 위치된다. 그러므로, 석영 결정 발진기(210), 구동 회로(212)(만일 제공되었으면 프로세서(230)도 포함) 및 전지(216)는 모두 압력 게이지 구성(200)의 하우징(202)의 내부(210)에 위치된다. 다시 말해, 센서 어셈블리(204)의 성분 모두는 완전히 가스 내에 잠겨져서 하우징(202) 내의 동일한 가스 압력하에 있다.
그러나, 이것은 그럴 필요가 없다. 예를 들면, 석영 결정 발진기(210)와 온도 센서(214)만이 하우징(202) 내에 위치되고, 센서 어셈블리(204)의 나머지는 그 외부에 위치될 수 있다.
본 발명자들은 센서 어셈블리(204)의 소수의 성분만이 고압에 민감함을 발견하였다. 특히, 전지와 같은 큰 성분이 고압에 민감할 수 있다. 그러나, 리튬 이온 전지의 경우 가스 실린더(100) 내에서 맞닥뜨리게 된 고압하에서 특히 잘 동작하는 것을 알게 되었다. 결국, 전지(216)는 리튬 이온 전지 셀을 포함한다. 그러나, 당업자에 의해 대안적인 적절한 전원이 쉽게 고려될 수 있을 것이다.
전체가 하우징(202) 내에 있는 센서 어셈블리(204)의 위치는 조절기(150)의 구성시 추가적으로 융통성을 제공한다. 특히, 고강도 금속이나 복합체 벽의 하우징(202) 내에 전체가 제공된 비교적 깨지기 쉬운 전자 성분의 위치는 환경 또는 돌발적인 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이것은 예컨대, 조절기(150)를 포함하는 가스 실린더(100)가 다른 가스 실린더(100), 대형 기계 또는 거친 표면에 인접하게 위치되는 보관 영역 또는 창고에서 특히 중요하다.
추가로, 센서 어셈블리(204)의 내부 위치는 이들 성분을 예컨대, 염분, 수분 그리고 기타 오염물과 같은 환경적 상태로부터 보호한다. 이것은 예컨대, 염분과 수분의 손상에 크게 민감한 고 임피던스 회로를 센서 어셈블리(204)의 일부로 사용할 수 있도록 한다.
센서 어셈블리(204)의 내부 위치의 이점은 석영 결정 발진기(210)와 같은 반도체 센서 소자의 특징이다. 예를 들면, 부르돈(Broudon) 게이지와 같은 통상적인 압력 센서는 이 방식으로 위치될 수 없다. 결정계 센서는 일정 압력의 가스 내에 전체가 담겨져셔 동작할 수 있지만, 통상적인 압력 센서는 등압을 측정할 수 없어서 작동을 위해 압력 구배를 필요로 한다. 결국, 통상적인 압력 게이지는 측정 대상의 고압과 대기 사이에 위치되어야 한다. 이것은 압력 게이지의 외부 성분에 손상을 입힐 위험을 증가시킨다.
본 발명의 제2 실시예가 도 3에 예시된다. 도 2의 제1 실시예와 공통인 도 3에 예시된 제2 실시예의 특징부는 동일 참조 번호가 부여되며, 여기서는 다시 설명하지 않는다.
도 3의 실시예에서, 조절기(250)는 해당 조절기(250)가 솔레노이드 밸브(252)에 의해 유출부(154)로부터의 가스를 자동 제어하도록 배열된다는 점에서 도 2의 실시예의 조절기(150)와 다르다. 솔레노이드 밸브(252)는 해당 솔레노이드 밸브(252)의 코일(도시 생략)을 통한 전류에 응답하여 이동 가능한 아마츄어(254)를 포함한다. 아마츄어(254)는 포핏 밸브(164)와 그에 따라 구멍(170)을 개폐하도록 이동 가능하다.
도 3에 도시된 솔레노이드 밸브(252)는 정상적으로는 개방 상태에 있다. 다시 말해, 솔레노이드 밸브(252)를 통한 전류가 없으면, 아마츄어(254)는 포핏 밸브(164)가 개방되도록, 즉 구멍(170)이 개방되도록, 연장된 위치에 있다. 솔레노이드 밸브(252)에 전류가 인가되면, 아마츄어(254)는 후퇴되고 포핏 밸브(164)는 닫히게 된다.
당업자는 본 발명에 사용될 수 있는 솔레노이드 밸브의 대안적인 변형을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 포핏 밸브(164)에 직접 작용하는 대신에, 아마츄어(254)는 도 2에 도시된 다이어프램(168)과 같은 다이어프램에 직접 작용할 수 있다. 대안적으로, 아마츄어(254)는 다이어프램(168)의 동작을 조절하기 위해 유출부(154)와 연통하는 좁은 도관을 통해 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 구성은 다이어프램 파일럿 밸브로 알려져 있다. 대안적으로, 포핏 밸브는 제거될 수 있으며, 다이어프램은 유입부(152)로부터 유출부(154)까지의 가스의 흐름을 직접 제어하는 밸브일 수 있다.
제2 실시예는 압력 게이지 구성(260)을 포함한다. 압력 게이지 구성(200)과 공통인 압력 게이지 구성(260)의 성분은 명확성을 위해 동일한 참조 번호가 부여된다.
압력 게이지 구성(260)은 제1 실시예의 압력 게이지와 거의 유사하다. 그러나, 압력 게이지 구성(260)은 솔레노이드 밸브(252)와 센서 어셈블리(204)에 연결된 전자 솔레노이드 드라이브(262)를 더 포함한다. 솔레노이드 드라이브(262)는 센서 어셈블리(204)로부터 신호를 수신하고 해당 신호에 응답하여 솔리노이드 밸브(252)를 제어하도록 배열된다. 결국, 압력 게이지 구성(260)은 조절기(250)를 통해 가스의 흐름을 제어하도록 작동 가능하다. 다시 말해, 압력 게이지 구성(260)과 솔레노이드 밸브(252)는 유출부(154)의 하류에서 정확하고 원격으로 압력을 조절 가능하게 하는 피드백 루프를 형성한다. 이것은 압력 흐름의 원격 관리가 필요한 경우, 예컨대, 용접 머신과 같은 자동차 분야에 특히 적용 가능할 수 있다.
솔레노이드 드라이브(262)는 솔레노이드 밸브(252)를 제어하기 위한 임의의 적절한 구동 회로를 포함할 수 있다. 하나의 적절한 회로는 작동적 증폭기 구성일 수 있는데, 해당 구성은 센서 어셈블리(204)로부터 해당 작동적 증폭기의 음극 단자까지의 입력을 가진다. 결국, 양극 단자에는 가변 저항기가 부착될 수 있다. 가변 저항기는 일정한 기준 레벨을 제공하고 비교기로서 작동하도록 배열될 수 있다. 기준 레벨은 자동으로 또는 수동으로 변경될 수 있다.
센서 어셈블리(204)로부터 솔레노이드 드라이브(262)까지의 입력은 솔레노이드 밸브(252)의 작동을 유발할 것이다. 예를 들면, 센서 어셈블리(204)(또는 대안적으로 프로세서(230))로부터의 입력 신호가 특정 임계 레벨을 초과하면, 솔레노이드 드라이브(262)는 솔레노이드 밸브(252)를 에너지 활성화할 수 있다. 솔레노이드 밸브(252)는 DC 전압이 최대값과 최소값 사이에서 변하는 디지털(즉 온 또는 오프) 방식으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 솔레노이드 드라이브(262)로부터의 DC 전압은 포핏 밸브(164)의 위치를 정확하게 조정하기 위해 연속적으로 가변적일 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 솔레노이드 드라이브(262)는 AC 성분을 포함하는 DC 출력에 의해 솔리노이드 밸브(252)를 제어할 수 있다. 아마츄어(254)가 솔레노이드 밸브(252)로부터 신장되는 것은 인가된 전류에 비례하므로, 이것은 솔레노이드 밸브(252)의 아마츄어(254)가 발진되게 한다. 이러한 발진은 아마츄어(254)의 정지 마찰(stiction)을 완화시켜, 즉 아마츄어(254)가 움직이지 못하게 되거나 재밍되는 것을 방지하는 것을 돕는다.
대안적으로, 다른 제어 구성, 예컨대 FETs, 프로세서 또는 ASICs 등을 적절히 사용하여 솔레노이드 밸브(252)의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 솔레노이드 밸브(252)는 포핏 밸브(164) 또는 유사 요소의 정확한 동작을 가능케 하도록 디지털(즉 온/오프) 또는 아날로그(즉, 연속 가변적) 모드로 동작될 수 있다.
도 3에서, 압력 게이지 구성(260)의 주요 성분은 조절기(250)와 따로 예시된다. 이러한 경우, 조절기(250)는 센서 어셈블리(204)와 솔레노이드 드라이브(252) 간의 무선 통신에 의해 원격 제어될 수 있다. 그러나, 이것은 그럴 필요가 없다. 예를 들면, 압력 게이지 구성(260)은 전체가 조절기(250) 내에 통합될 수 있어서 조절기의 일체형 부분을 형성할 수 있다. 그러므로, 압력 게이지 구성(260)과 조절기(250)는 가스원으로의 유출부에 위치될 수 있고 통과 유동되는 가스의 압력을 원격 및 자동으로 제어할 수 있는 단일의 자체 조절형 성분을 형성할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조로 센서 어셈블리(204)를 보다 상세히 설명한다. 석영 결정 발진기(210)는 절단 석영의 작고 얇은 부분을 포함한다. 석영은 압전 거동을 나타내는데, 즉 결정에 대한 전압의 인가로 결정의 형태가 변하게 되어 기계적 힘이 발생된다. 역으로, 결정에 인가된 기계적 힘은 전하를 생성한다.
석영 결정 발진기(210)의 두 개의 평행한 표면은 벌크 결정을 통해 전기적 연결을 제공하기 위해 금속화된다. 금속 접촉부에 의해 결정에 전압이 인가되면, 결정은 형태가 변한다. 결정에 교류 전압을 인가하는 것에 의해 결정은 발진이 야기될 수 있다.
석영 결정의 물리적 크기 및 두께는 석영 결정의 특성 또는 공진 주파수를 결정한다. 실제, 결정(210)의 특성 또는 공진 주파수는 두 개의 금속화된 표면 간의 물리적 두께에 반비례한다. 석영 결정 발진기는 당업계에 널리 알려져 있으므로 석영 결정 발진기(210)의 구조는 여기서 추가로 설명하지 않는다.
추가로, 석영 결정의 공진 진동 주파수는 결정이 위치된 환경에 따라 변할 것이다. 진공에서], 결정은 특정 주파수를 가질 것이다. 그러나, 이 주파수는 다른 환경에서는 변할 것이다. 예를 들면, 유체 내에서, 결정의 진동은 주변 분자에 의해 완화될 것이고, 이는 공진 주파수와 결정을 주어진 진폭으로 발진시키는데 필요한 에너지에 영향을 미칠 것이다.
추가로, 결정에 주변 물질을 도포하는 것은 진동하는 결정의 질량에 영향을 미쳐 공진 주파수를 변경할 것이다. 이것은 결정상에 흡수층이 형성되고 가스가 흡수될 때 흡수층이 질량을 증가시키는 통상적으로 사용되는 선택적인 가스 분석기에 대한 기초를 형성한다.
그러나, 본 케이스의 경우, 석영 결정 발진기(210)에 코팅이 적용되지 않는다. 실제, 석영 결정 발진기(210)로의 물질의 흡착 또는 도포는 측정의 정확도에 영향을 미칠 수 있으므로 본 케이스의 경우 바람직하지 않다.
본 실시예의 석영 결정 발진기(210)는 포크 형태로 튜닝되며 32.768 kHz의 공진 주파수로 발진하도록 배열된 약 5 mm 길이의 한 쌍의 가지(tine)(210a)(도 4 참조)를 포함한다. 가지(210a)는 석영의 평면형 섹션에 형성된다. 포크의 가지(210a)는 기본 모드에서 정상적으로 발진되며, 해당 모드에서 가지는 서로에 대해 멀어지고 가깝게 공진 주파수로 동기 이동된다.
용융된(또는 비결정질) 석영은 매우 낮은 온도-의존적 열팽창계수와 낮은 탄성 계수를 갖는다. 이것은 온도에 대한 기본 주파수의 의존성을 감소시키고, 예시되는 바와 같이 온도 효과는 최소이다.
추가로, AT 컷(cut) 또는 SC 컷인 석영이 바람직하다. 다시 말해, 석영의 평면형 섹션은 특정 각도로 절단되므로, 발진 주파수의 온도 계수는 상온 주변에 와이드 피크를 갖는 포물선이 되도록 배열될 수 있다. 그러므로, 결정 발진기는 피크 상의 기울기가 정확히 제로가 되도록 배열될 수 있다.
이러한 결정은 통상 비교적 저가로 입수 가능하다. 본 실시예에서 진공에서 사용되는 대부분의 석영 결정 발진기에 비해, 석영 결정 발진기(210)는 하우징(202) 내의 압력하의 가스에 노출된다.
석영 결정 발진기(210)의 구동을 위한 구동 회로(212)가 도 4에 예시된다. 구동 회로(212)는 다수의 특정 기준을 만족하여야 한다. 우선, 본 발명의 석영 결정 발진기(210)는 소정 범위의 가스 압력에 노출될 수 있으며; 잠재적으로, 압력은 대기압(가스 실린더(100)가 비어 있을 때)으로부터 가스 실린더가 수소와 같은 압축 가스를 담고 있다면 약 900 bar g까지 변할 수 있다. 따라서, 석영 결정 발진기(210)는 광범위한 압력 하에서 동작(및 비사용 기간 후 재시작)되는 것이 요구된다.
결국, 석영 결정 발진기(210)의 성능(Q) 계수는 사용 중에 크게 변할 것이다. Q 계수는 발진기 또는 공진기의 댐핑율에 관한 무차원의 파라미터이다. 마찬가지로, 중심 주파수에 대해 공진기의 대역폭을 특성화할 수 있다.
일반적으로, 발진기의 Q 계수가 높을수록 발진기의 저장 에너지에 대한 에너지 손실률이 적다. 다시 말해, 높은 Q 계수의 발진기의 발진은 외력이 없는 경우 더 천천히 진폭이 감소된다. 높은 Q 계수를 갖는 사인파형으로 구동되는 공진기는 공진 주파수에서 높은 진폭으로 공진하지만, 공진하는 해당 주파수에 가까운 작은 주파수 대역폭을 가진다.
구동 회로(212)는 Q 계수의 변화에도 불구하고 석영 결정 발진기(210)를 구동시킬 수 있어야 한다. 가스 실린더(100)의 압력이 증가함에 따라, 석영 결정 발진기(210)의 발진은 점차적으로 완화될 것이므로 Q 계수는 떨어질 것이다. 떨어지는 Q 계수는 구동 회로(212) 내의 증폭기에 의해 제공되는 높은 이득을 필요로 한다. 그러나, 너무 높은 진폭이 제공되면, 구동 회로(212), 석영 결정 발진기(210)로부터의 반응은 구별이 어려워지게 될 수 있다. 이 경우, 구동 회로(212)는 단순히 무관한 주파수로 또는 석영 결정 발진기(210)의 비-기본적 모드의 주파수로 발진할 수 있다.
추가의 제한으로서, 구동 회로(212)는 광전지와 같은 보조 전력의 유무에 무관하게 작은 저전력 전지로 장시간 구동하기 위해 저전력이어야 한다.
도 4를 참조로 구동 회로(212)를 설명한다. 석영 결정 발진기(210)를 구동시키기 위해, 구동 회로(212)는 필수적으로 석영 결정 발진기(210)로부터 전압 신호를 취하여 증폭한 후 해당 신호를 다시 석영 결정 발진기(210)로 공급하여야 한다. 석영 결정 발진기(210)의 기존적인 공진 주파수는 기본적으로 석영의 팽창 및 수축 속도의 함수이다. 이것은 통상 결정의 절단 및 크기에 의해 결정된다.
그러나, 외부 인자도 공진 주파수에 영향을 미친다. 발생된 출력 주파수의 에너지가 회로의 손실에 매칭시, 발진은 지속될 수 있다. 구동 회로(212)는 이 발진 주파수를 감지하고 유지하도록 배열된다. 이후 주파수는 사용자에 의해 요구되는 가스의 적절한 특성을 계산하는데 사용되는 프로세서(230)에 의해 측정되고, 필요한 경우 적절한 디스플레이 수단(후술됨)으로 출력될 수 있다.
구동 회로(212)는 6V 전지(216)에 의해 전력 공급된다. 본 실시예에서 전지(216)는 리튬 이온 전지를 포함한다. 그러나, 당업자에게는 예컨대, 충전 가능하고 충전 불가한 다른 종류의 전지와 태양 전지 구성과 같은 대안적인 전원이 있음이 분명할 것이다.
구동 회로(212)는 달링턴(Darlington) 트랜지스터 공통 이미터 증폭기(218)를 더 포함한다. 달링턴 트랜지스터는 트랜지스터 중 제1 트랜지스터에 의해 증폭된 전류가 제2 트랜지스터에 의해 추가로 증폭되도록 구성된 두 개의 이극성 NPN 트랜지스터(D1, D2)로 이루어진 컴파운드 구조를 포함한다. 이 구성은 별도로 취해지는 각각의 트랜지스터와 비교시 높은 전류 이득이 얻어지도록 한다. 대안적으로, PNP 이극성 트랜지스터가 사용될 수 있다.
달링턴 트랜지스터(218)는 단일 트랜지스터(T1) 공통 이미터 증폭기(220)로부터 피드백 구성으로 배열된다. 도 5에는 NPN 이극성 접합 트랜지스터가 예시된다. 그러나, 당업자는 예컨대, 이극성 접합 PNP 트랜지스터 또는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)와 같은 대안적인 트랜지스터 구성을 사용할 수 있음을 알 것이다.
변형례로서, 달링턴 트랜지스터(218)와 공통 이미터 증폭기(220) 사이의 피드백 루프에 자동 이득 제어(도시 생략)가 구현될 수 있다. 이것은 예컨대, 도 4에 도시된 최우측 저항기(22k) 대신에 위치된 전위차계, 가변 저항기 또는 다른 적절한 성분의 형태를 취할 수 있다.
자동 이득 제어는 압력에 의한 Q 계수의 변화 및 공급 전압의 변화(예, 저전력 전지 상태 하의)를 보상할 수 있다. 자동 이득 제어는 저압의 용례에 특히 적용 가능할 수 있다.
구동 회로(212)는 버퍼 증폭기(222)로서 작동하는 추가의 NPN 이미터 팔로워 트랜지스터(T2)를 포함한다. 버퍼 증폭기(222)는 회로와 외부 환경 사이의 버퍼로서 기능하도록 배열된다. 그러나, 이 특징부는 선택적인 것으로 필요하지 않을 수 있는데, 예컨대, FET는 구동 회로(212)에 직접 연결될 수 있다.
캐패시터(224)는 석영 결정 발진기(210)에 직렬로 위치된다. 해당 예에서 캐패시터(224)는 100 pF의 값을 가지며, 결정이 예컨대 염분 또는 기타 증착 물질에 의해 오염된 경우 구동 회로(212)가 석영 결정 발진기(210)를 구동하도록 할 수 있다.
추가로, 구동 회로(212)는 석영 결정 발진기(210)의 빠른 시동을 위해 최적화될 수 있다. 이를 얻기 위해, 추가의 저항기와 추가의 캐패시터가 트랜지스터(D1)의 베이스와 그라운드 사이에 연결될 수 있다. 이들 성분은 예컨대, 10 MΩ 저항기 및 10 nF 캐패시터를 포함할 수 있다.
도 5를 참조로 대안적인 구동 회로(240)를 설명한다. 도 6에 도시된 구동 회로는 피어스(Pierce) 발진기와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기는 디지털 IC 클록 발진기로부터 알려진다. 기본적으로, 구동 회로(240)는 단일의 디지털 인버터(트랜지스터의 형태)(T), 3개의 저항기(R1, R2, Rs), 2개의 캐패시터(C1, C2) 및 석영 결정 발진기(210)를 포함한다.
이 구성에서, 석영 결정 발진기(210)는 높은 선택도의 필터 요소로서 기능한다. 저항기(R1)는 트랜지스터(T)를 위한 부하 저항기로서 동작한다. 저항기(R2)는 자체의 선형 동작 영역 내로 인버터(T)를 바이어싱하는 피드백 저항기로서 동작한다. 이것은 효과적으로 인버터(T)가 높은 이득 인버팅 증폭기로서 동작하도록 할 수 있다. 다른 저항기(Rs)는 인버터(T)의 출력과 석영 결정 발진기(210) 사이에 사용되어 이득을 제한하고 회로 내에서 바람직하지 않은 발진을 저감시킨다.
C1 및 C2와 함께 석영 결정 발진기(210)는 Pi 네트워크 대역-통과 필터를 형성한다. 이것은 180도 위상 시프트와 석영 결정 발진기의 대략적인 공진 주파수에서 출력으로부터 입력까지 전압 이득을 가능케 한다. 전술한 구동 회로(240)는 비교적 소수의 성분을 포함하므로 신뢰성 있고 저가로 제조가 이루어진다.
구동 회로(240)의 이득은 구동 회로(212)의 경우보다 대체로 작다. 작은 이득은 석영 결정 발진기(210)가 고압에 노출시 석영 결정 발진기(210)의 재시동을 더 어렵게 할 수 있다. 그러나, 본 적용례에서, 회로(240)는 압력 게이지 구성(200, 260)이 사용되기 쉬운 대체로 낮은 압력의 환경에 기인하여 특히 매력적이다.
전술한 바와 같이, 센서 어셈블리(204)는 석영 결정 발진기(210)와 구동 회로(212)로부터 입력을 수신하는 프로세서(230)를 포함할 수 있다. 프로세서(230)는 임의의 적절한 구성을 포함할 수 있다. 프로세서(230)는 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 유닛(CPU)을 포함하거나, 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 프로세서(230)는 단순히, 전술한 실시예에서 요구되는 필요 계산을 수행하도록 된 로직 게이트의 집합 또는 기타 단순한 프로세서일 수 있다.
석영 결정 발진기(210)에 사용시, 프로세서(230)는 구동 회로(212)로부터의 신호의 주파수(f) 또는 기간을 측정하도록 구성될 수 있다. 이것은 예컨대, 고정된 시간에 걸친 발진을 카운트하는 것에 의해 달성될 수 있고, 해당 주파수를 알고리즘 또는 룩-업 테이블을 사용하여 밀도값으로 변환할 수 있다. 이 값은 프로세서(230)로 패싱된다.
프로세서(230)는 선택적으로, 모든 압력 게이드 구성(200)이 동일하고 다른 가스에 대해 소프트웨어와 하드웨어의 특징부가 달리 가능하게 되도록 대량 생산을 위해 설계될 수 있다.
추가로, 프로세서(230)는 해당 프로세서(230)와 예컨대, 구동 회로(212)와 석영 결정 발진기(210)와 같은 추가의 성분을 커버할 수 있는 대기 또는 "슬립(sleep)" 모드의 구현을 통해 전력 소비를 최소화하도록 구성될 수도 있다.
다양한 구성이 구현될 수 있다: 예컨대, 프로세서(230)는 매 11초마다 10초간 대기 중일 수 있다. 추가로, 프로세서(230)는 대부분의 시간 동안 대기 중 상태로 놓여지고, 단지 매 30초마다 1/2초간 전력 부족 성분을 스위칭하도록 석영 결정 발진기(210)와 구동 회로(212)를 제어할 수 있다.
추가로, 압력 게이지 구성(200)은 예컨대, 기지국과의 원격 통신을 위해 안테나(도시 생략)에 연결될 수 있다. 이것은 후술된다. 이 경우, 안테나는 하우징(202) 내부 또는 외부에 위치될 수 있고, 유선 또는 등가의 커넥터에 의해 센서 어셈블리(204)에 연결될 수 있다. 안테나 자체는 임의의 적절한 통신 프로토콜을 사용하도록 적합화되고 배열될 수 있으며, 예컨대 통신 프로토콜의 비한정적인 리스트로는 RFID, 블루투스, 적외선(IR), 802.11 무선 주파수 변조(FM) 전송 또는 셀 네트워크가 있다.
대안적으로, 1-배선 통신이 구현될 수 있다. 1-배선 통신은 단일의 통신 금속 전도체만을 필요로 하며: 통신 장치 사이의 공기를 통한 용량 결합(capacitive coupling)에 의해 회로의 '리턴' 경로가 제공된다. 당업자는 여기 논의되는 실시예에 안테나(및 관련 전송 하드웨어)의 대안례가 사용될 수 있음을 잘 알 것이다.
그러나, 원격 통신은 분명히 요구되는 외부 안테나 또는 안테나 없이 가능하다. 예를 들면, 통신은 하우징(202) 내로부터의 음향 전송에 의해 실시될 수 있다. 음향 전송은 하우징(202) 내에 위치된 송신기에 의해 실시될 수 있다. 송신기는 예컨대 단순한 고정-주파수 압전 공진기를 포함할 수 있다.
상대 수신기도 필요하며, 이 성분은 압력 게이지 구성(200)으로부터 멀리 위치되며, 예컨대, 마이크로폰과 일체로 된 위상 동기 루프 톤(tone) 검출기와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다. 이러한 음향 구성은 (외부 안테나의 경우와 마찬가지로) 피드-스루(feed-through)가 필요치 않고 전자 성분 모드가 압력 게이지 구성(200)의 하우징(202) 내에 완전히 위치될 수 있다는 장점을 제공한다.
도 6-8을 참조로 압력 게이지 구성(200)의 이론 및 동작을 설명한다.
석영 결정 발진기(210)는 해당 발진기가 위치되는 유체의 밀도에 의존하는 공진 주파수를 가진다. 발진 동조하는 포크형 결정 발진기를 가스에 노출시키면, (진공 중의 결정의 공진 주파수에 비해) 결정의 공진 주파수가 이동되고 감쇠가 이루어진다. 이것의 이유는 여러 가지가 존재한다. 결정의 발진에 대한 가스의 감쇠 효과가 존재하지만, 가스는 동조 포크 결정 발진기(210)의 진동 가지(210a)에 부착되고 이는 발진기의 질량을 증가시킨다. 이것은 일면의 고정 탄성 빔의 동작에 따라 석영 결정 발진기의 공진 주파수의 감소를 가져온다:
여기서, 
는 공진 각 주파수의 상대적 변화이고, 
는 가스 밀도이고, t는 석영 발진기의 두께이고, 
는 석영 발진기의 밀도이고, w는 포크의 폭이다. C1, C2는 형상 의존 상수이고, 
는 다음과 같이 정의되는 가스의 표면층의 두께이다:
여기서, 
은 가스의 온도 의존 점도이다.
수학식 1의 두 부분은 a) 석영 결정 발진기(210)의 가지 상의 가스의 추가 질량과 b) 발진 중 가지의 최외부 표면층 상에 생기는 전단력에 관한 것이다.
따라서, 수학식은 주파수 항목으로 재기록될 수 있으며 다음과 같이 단순화된다:
여기서, 
이고, C는 오프셋 상수이다. fo는 진공에서 결정의 자연 공진 주파수이다.
본 발명의 발명자들은 다음과 같은 근사에 의해 적절하게 양호한 근사치가 얻어질 수 있음을 발견하였다:
결국, 상당히 근사하게, 주파수의 변화는 석영 결정 발진기가 노출되는 가스의 밀도의 변화에 비례한다. 도 6은 다수의 상이한 가스/가스 혼합물의 경우에 있어서 석영 결정 발진기(210)의 공진 주파수가 밀도의 함수로서 선형으로 변화됨을 보여준다.
전체적으로, 석영 결정 발진기(210)의 감도의 경우, 대기압에 비해 예컨대 250 bar의 산소 가스(원자 질량 수 32)에서 5%의 주파수 변화가 관찰된다. 이러한 압력 및 가스 밀도는 정상적으로는 대부분의 가스의 경우 137-450 bar g이고 헬륨과 수소의 경우 700-900 bar g까지인 영구 가스에 사용되는 저장 실린더의 경우이다.
추가로, 석영 결정 발진기(210)는 상업적으로 공급되는 가스용 센서로서 사용되기에 특히 적합하다. 우선, 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해, 가스는 공기가 해당되지 않지만 상업적으로 공급되는 가스에 또는 압력 모니터링 상황의 대부분에 보장되는 먼지와 액적이 없는 것이 필요하다.
이상의 언급은 석영 결정 발진기(210)의 주파수 응답이 아주 근사한 정도로 밀도에 비례함을 나타낸다. 그러나, 압력의 측정을 위해, 압력과 밀도 간의 관계를 도출할 필요가 있다. 이것은 다음으로부터 결정된다:
여기서 P는 가스의 압력, V는 가스의 부피, n은 가스의 몰수, R은 가스 상수, T는 온도이다. 다음을 따르면:
여기서, MW는 가스의 분자량, M은 가스의 질량이다. 그러므로, 수학식 5에서 V에 대해 치환하면 다음이 얻어진다:
결국, 가스의 알려진 분자량(또는 알려진 혼합물의 경우 가스의 평균 분자량)에 대해, 가스의 압력은 가스의 밀도와 가스의 온도로부터 정확하게 유도될 수 있다.
전술한 근사치 계산은 가스의 압축률(Z)이 1이라고 가정한다. 통상적인 구성에서, 이러한 근사치 계산은 압력을 직접 측정하는 경우 저압에 대해서만 유지된다. 고압에서는, 압축률(Z)이 이상 가스에서 예상되는 방식으로 가스 압력에 비례하지 않는다. 그러므로, 부르돈 게이지와 같은 통상적인 압력 게이지는 고압의 가스 실린더의 함량-가스 질량-을 정확히 판독하기 위해 압축률을 수정하여야 한다. 앞서 예시된 바로는, 석영 결정 발진기(210)는 밀도 측정시 압축률(Z)을 고유하게 수정한다. 그러나, 고압값의 압력 측정시, 석영 게이지는 Z에 대해 수정되어야 한다.
도 7 및 도 8은 압력의 함수로서 석영 결정 발진기의 주파수 응답을 예시한다. 도 7은 0-6 bar g 범위의 압력에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 석영 결정 발진기(210)에 대한 주파수 변화(kHz)의 그래프이다. 도 8은 0-300 bar g 범위의 압력에 대해 X-축상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축상의 석영 결정 발진기(210)에 대한 주파수 변화(kHz)의 그래프이다. 양자의 경우, 사용된 가스는 82.5% Ar, 15% CO2 및 2.5% O2를 포함하는 페로맥스 15(Ferromax 15)였다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 매우 근사한 정도로, 석영 결정 발진기(210)의 주파수 변화(Δf)는 압력 진폭의 100배 이상으로 압력에 비례한다. 그러므로, 가스의 온도와 분자량을 알면, 석영 결정 발진기(210)는 정확한 압력 게이지로서 기능하도록 작동 가능하다.
전술한 바와 같이, 온도는 서미스터와 같이 저가이면서 널리 활용 가능한 성분을 사용하여 용이하게 측정될 수 있다. 또한, 가스 실린더에 포장되어 소비자에게 공급되는 영구 가스의 경우, 통상 가스의 분자량(또는 가스의 균질 혼합물의 평균 분자량)이 매우 잘 알려져 있다.
그러므로, 전술한 접근은 예컨대, 가스가 부분적으로 액체 충전된 실린더와 같은 불균일 혼합물이거나 경량 가스와 중량 가스가 혼합된 혼합물로 최근 준비되어 불충분하게 혼합된 혼합물인 경우처럼 가스가 균일하지 않은 경우에는 부정확할 수 있지만, 이러한 경우는 대부분의 포장된 가스 적용례의 경우 일어날 가능성이 낮다.
추가로, 석영 결정 발진기(210)가 0-300 bar g의 범위에 걸쳐 작동 가능하면서도 해당 범위의 상한보다 100배 정도 낮은 압력 값을 신뢰성 있게 측정할 정도로 충분히 정확하다는 것은 놀랍다. 이 특성은 석영 결정 발진기(210)를 압력 게이지 구성(200)의 일부로서의 압력 게이지로 사용하는 것을 특히 적합하게 한다.
이것은 압력 게이지 구성(200)이 조절기(150)의 바로 하류에서와 같이 통상 저압 적용례(예, 0 내지 대략 5 bar g 사이)에서 측정될 수 있는 작은 압력 변동을 신뢰성 있고 정확하게 측정할 수 있기 때문이다.
전술한 구성은 사용 중 고압이 형성될 위험이 있는 저압의 측정에 특히 적합하다. 석영 결정 발진기(210)는 반도체 성분이고 900 bar까지의 압력으로 작동 가능하므로, 유출 파이프(158)에 초기 과압 상태가 생기더라도 센서 어셈블리(204)는 영향을 받지 않을 것이고 필요에 따라 계속 작동될 것이다. 다시 말해, 본 발명의 발명자들은 고압에 노출되는 것에 완전히 강한 정확한 저압 게이지를 개발한 것이다.
이에 비해, 부르돈 게이지와 같은 통상적인 압력 게이지는 영구 손상될 것이고, 만일, 예컨대, "크립" 상태 중에 또는 가스 실린더가 처음 개방될 때 일어날 수 있는 고압 가스의 순간 펄스에 노출된다면, 파손이 일어날 것이다.
추가로, 본 발명의 구성은 압력을 백만분의 일(ppm)의 분해능의 매우 높은 정확도로 측정할 수 있게 한다. 석영 결정 발진기(210)의 밀도 및/또는 압력에 대한 선형 반응과 결합하여 높은 정확도는 H2와 He 등의 초경량 가스조차도 정확히 측정할 수 있게 한다.
또한, 압축률을 고려하면, 동일 게이지는 임의의 변형 없이도 매우 높은 압력의 판독이 가능하다. 이에 비해, 통상적인 압력 게이지는 특정 압력 범위에만 적절할 수 있고, 다른 압력 범위의 판독을 위해서는 교체되어야 할 것이다.
도 9를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 설명한다. 하기 설명되는 방법은 전술한 제1 및 제2 실시예 모두에 적용 가능하다.
300 단계: 측정 초기화
300 단계에서, 유출부(158) 하류의 가스의 압력의 측정이 초기화된다. 이것은 예컨대, 사용자가 가스 실린더(100)의 외부의 버튼을 누르는 것에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 측정은 예컨대, 무선 네트워크를 통해 전송되고 안테나를 통해 압력 게이지 구성(200)에 의해 수신되는 신호와 같은 원격 접속에 의해 초기화될 수 있다.
추가의 대안례 또는 추가예로서, 압력 게이지 구성(200)은 원격으로 또는 타이머로 초기화하도록 구성될 수 있다. 방법은 302 단계로 진행된다.
302 단계: 석영 결정 발진기의 구동
초기화 후, 구동 회로(212)를 사용하여 석영 결정 발진기(210)를 구동시킨다. 초기화 중, 구동 회로(212)는 결정(210)을 통해 랜덤 노이즈 AC 전압을 인가한다. 해당 랜덤 전압의 적어도 일부는 결정(210)을 발진하도록 하기에 적절한 주파수일 것이다. 결정(210)은 이후 해당 신호와 동기로 발진하기 시작할 것이다.
압전 효과에 의해, 석영 결정 발진기(210)의 동작은 석영 결정 발진기(210)의 공진 주파수 대역의 전압을 생성할 것이다. 이후 구동 회로(212)는 석영 결정 발진기(210)의 주파수 대역에 생성된 신호가 구동 회로(212)의 출력에서 우세하도록 석영 결정 발진기(210)에 의해 생성된 신호를 증폭한다. 석영 결정의 좁은 공진 대역은 모든 원치 않는 주파수를 필터링 제거하며, 이후 구동 회로(212)는 석영 결정 발진기(210)를 기본 공진 주파수(f)로 구동시킨다. 일단 석영 결정 발진기(210)가 특정 공진 주파수로 안정화되면, 방법은 304 단계로 진행된다.
304 단계: 석영 결정 발진기의 공진 주파수 측정
공진 주파수(f)는 하우징(202) 내의 압력 상태에 의존한다. 다시 말해, 하우징(202) 내부의 압력 상태는 조절기(150)의 유출부(154)의 하류의 압력 상태를 대표한다.
본 실시예에서, 공진 주파수의 변화(Δf)는 상당히 근사한 정도로 하우징(202)의 내부(206)에 있는 가스의 압력 변화의 크기에 비례하며, 압력 증가에 따라 감소될 것이다.
측정을 행하기 위해, 석영 결정 발진기(210)의 주파수는 약 1초의 기간 동안 측정된다. 이것은 판독을 안정화시키고, 정확한 측정치를 결정하기 위해 충분한 발진이 카우팅되도록 할 수 있다. 주파수의 측정은 프로세서(230)에서 수행된다. 프로세서(230)는 측정이 개시되었을 때 시간(T)을 기록할 수도 있다.
일단 주파수가 측정되면, 방법은 306 단계로 진행된다.
306 단계: 가스 온도 측정
306 단계에서, 온도 센서(214)는 하우징(202) 내의 가스의 온도를 측정한다. 이 측정은 304 단계에서 측정된 주파수 변화로부터 압력을 계산하기 위해 수행된다.
온도 측정은 특별히 정확할 필요는 없다. 예를 들면, 온도 센서(214)가 0.5℃로 정확하다면, 이것은 308 단계에서 압력의 계산을 위해 필요한 절대 온도값에 대해 (상온을 가정했을 때) 약 1/600 정도만의 에러에 대응한다.
그러나, 소정의 상황에서, 온도 센서(214)는 생략될 수 있다. 예를 들면, 온도가 잘 알려질 수 있는 경우(예, 상온)이거나 온도 측정의 정확도가 적용례에 중요하지 않은 경우(예, 온도는 특정 범위 내에 있는 것으로 간주될 수 있음)이다 이 경우, 306 단계에서 온도의 결정은 프로세서(230)에 의해 저장되고 후속 단계에서 압력의 계산에 사용되는 특별한 온도값의 할당으로 간주될 수 있다.
308 단계: 가스의 유출 압력의 결정
일단 석영 결정 발진기(210)의 주파수가 304 단계에서 만족스럽게 측정되었고 306 단계에서 온도가 측정되었으면, 프로세서(230)는 하우징(202)의 내부(206)의 가스의 압력을 계산한다.
이것은 가스의 압력(P)이 관련 가스의 밀도, 온도 및 분자량으로부터 직접 계산될 수 있는 전술한 수학식 8을 사용하여 행해진다. 그러므로, 304 단계에서 측정된 공진 주파수, 306 단계에서 측정된 하우징(202) 내의 가스의 알려진 온도(T), 및 가스의 알려진 분자량(또는 가스의 혼합물의 평균 분자량)을 알면, 압력의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 이후 방법은 310 단계로 진행된다.
310 단계: 결과의 통신 및 저장
가스의 압력은 다양한 방법으로 표시된다. 예를 들면, 하우징(202) 또는 조절기(150)에 부착된 스크린(도시 생략)은 조절기(150)의 유출부(154)의 하류의 가스의 압력을 표시할 수 있다. 대안적으로, 압력 측정은 원격으로 기기국에 또는 후술되는 바와 같이 인접한 설비 상에 위치된 계량기로 전달될 수 있다.
일단 가스의 압력이 결정되면, 이것은 추후의 검색을 위해 압력 게이지 구성(200)의 프로세서(230)와 관련된 내부 메모리에 기록될 수 있다. 또 다른 추가의 대안례로서, 시간(T1)에서의 가스의 압력은 시간 기록을 생성하기 위해 상기 프로세서(230)의 일부인 메모리에 저장될 수 있다.
이후 방법은 312 단계로 진행된다.
312 단계: 센서 어셈블리 파워 다운
압력 게이지 구성(200)은 항상 작동 상태로 유지할 필요는 없다. 반대로, 사용되지 않을 때 압력 게이지 구성(200)을 오프 상태로 스위칭하는 것에 의해 전력 소비를 줄이는 것이 유리하다. 이것은 전지(216)의 수명을 연장시킨다.
구동 회로(212)의 구성은 석영 결정 발진기(210)가 하우징(202) 내의 가스 압력에 무관하게 재시작될 수 있게 한다. 그러므로, 압력 게이지 구성(200)은 전지 전력을 절감하기 위해 필요에 따라 그리고 필요시 작동 정지될 수 있다.
전술한 실시예들의 변형은 당업자들에게 분명할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어 성분의 정밀한 구성은 상이할 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내에 속할 수 있다. 당업자는 대안적인 구성이 사용될 수 있음을 잘 알 것이다.
예를 들면, 전술한 실시예는 32.768 kHz의 기존 주파수를 갖는 석영 결정 발진기를 사용하고 있다. 그러나, 다른 주파수로 동작하는 결정을 사용할 수 있다. 예를 들면, 60 kHz와 100 kHz로 동작하는 석영 결정 발진기를 전술한 실시예에 사용할 수 있다. 다른 결정에 대해 밀도에 따른 주파수 변화를 나타내는 그래프가 도 10에 예시된다. 추가의 예로서, 1.8 MHz의 주파수로 동작하는 결정 발진기를 사용할 수 있다.
높은 주파수 동작은 주어진 횟수의 사이클로 샘플링을 행하는데 보다 짧은 시간이 필요하므로 압력을 더 자주 모니터링할 수 있도록 한다.
추가로, 높은 주파수의 결정은 결정의 "슬립" 모드에서 보다 작은 사용률이 적용되도록 할 수 있다. 설명하자면, 대부분의 경우, 결정과 구동 회로는 대부분의 시간을 스위치 오프 상태로 들이고, 측정이 필요할 때 수 초간만 스위치 온 상태가 될 것이다. 이것은 예컨대 1분에 한 번 일어날 수 있다. 높은 주파수의 결정이 사용되는 경우, 압력은 더 빨리 측정될 수 있다. 그러므로, 결정이 가동되는 시간은 감소될 수 있다. 이것은 전력 소비를 줄이고 부수적으로 전지 수명을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조로 추가의 변형례를 설명한다. 도 11에 센서 어셈블리(400)가 예시된다. 센서 어셈블리(400)는 제1 석영 결정 발진기(402)와 제2 석영 결정 발진기(404)를 포함한다. 제1 석영 결정 발진기(402)는 구동 회로(408)에 의해 구동된다. 제2 석영 결정 발진기(404)는 구동 회로(410)에 의해 구동된다.
제1 석영 결정 발진기(402)와 제2 석영 결정 발진기(404)는 하기의 수학식으로 표현되는 감도 계수(σ)가 서로 다르다:
여기서, Δf는 석영 결정 발진기(402, 404)의 주파수 변화이고, ρ는 측정되는 가스의 압력이다. 제1 석영 결정 발진기(402)는 큰 감도 계수(σ1)를 가져서 압력에 따라 주파수 변화가 클 수 있다. 그러나, 이러한 결정은 과도한 감쇠(즉, Q 계수의 손실)가 이러한 결정의 성능을 감소시키는 고압 동작에는 적절하지 않을 수 있다. 그러므로, 고압을 신뢰성 있게 측정할 수 있게 하는 낮은 감도 계수(σ2)를 갖는 제2 석영 결정 발진기(404)가 제공된다.
두 개의 결정을 갖는 것이 유용할 수 있는 다른 경우는 일측 또는 양측 결정이 영구적으로 또는 일시적으로 오염될 위험이 있는 경우이다. 따라서, 두 개의 동일한 결정의 사용이 필요하다. 오염은 양측 결정에 영향을 미칠 것이지만, 가스 경로 중의 위치가 서로 상이하므로, 이것은 거의 언제나 약간 다르다.
정확한 동작시, 이들 결정은 모두 동일한 주파수를 낼 것이다. 그러나, 오염의 경우, 이들 결정은 모두 부정확한 주파수를 보일 것이지만, 그들의 오염 정도가 다르기 때문에, 서로 다른 부정확한 주파수를 보일 것이고; 이러한 불일치는 센서 어셈블리가 세정이 필요하고 영구적 오염의 경우라면 교체가 필요하고 또한 압력 표시가 어떤 경우에는 부정확할 수 있다는 경고로서 사용자에게 표현될 수 있다.
저압 또는 고압 측정이 행해질 것인지에 따라 석영 결정 발진기(452, 454) 중 하나를 선택하도록 하는 전자 스위치(412)가 제공될 수 있다. 이러한 적응성은 상이한 압력 범위를 측정하기 위해서는 다른 게이지로 교체되어야 하는 부르돈 게이지와 같은 통상적인 압력 게이지에서는 달성될 수 없다.
추가로, 상기 실시예들은 석영 결정 발진기의 절대 주파수를 측정하는 것으로 설명되었다. 그러나, 가스 실린더 연계된 조절기 내에 합체된 내장식 전자 요소의 경우, 해당 주파수를 동일한 종류이지만 진공이나 압력 용기 내에 담겨진 기준 결정과 비교하는 것에 의해 센서의 주파수 이동을 측정하는데 유리할 수 있다. 압력 용기는 선택된 밀도로 가스를 함유하거나 대기압 상태하에서 가스를 함유하거나 가스 실린더 외부의 대기로 개방될 수 있다.
적절한 센서 어셈블리(450)가 도 12에 예시된다. 센서 어셈블리(450)는 제1 석영 결정 발진기(452)와 제2 석영 결정 발진기(454)를 포함한다. 제1 석영 결정 발진기(452)는 진공하의 밀봉 용기(456) 내에 위치된 기준 결정이다. 제1 석영 결정 발진기(452)는 구동 회로(458)에 의해 구동된다.
제2 석영 결정 발진기(454)는 이전의 실시예에 설명된 결정(210)과 유사한 결정이다. 제2 석영 결정 발진기(454)는 하우징(202) 내의 가스 환경에 노출된다. 제2 석영 결정 발진기(454)는 구동 회로(460)에 의해 구동된다.
이러한 비교는 두 개의 주파수 신호를 결합하여 두 개의 결정 사이의 차이와 같은 주파수로 출력을 생성하는 전자 믹서 회로(464)를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 구성은 예컨대 온도에 기인한 작은 변화를 무효화할 수 있게 한다.
또한, 센서 어셈블리(204)에 사용되는 회로는 주파수 차이만을 측정하는 것이 필요하기 때문에 단순화될 수 있다. 또한, 이러한 접근은 결정 주파수를 직접 측정하기 어려울 수 있는 고 주파수(MHz) 결정 발진기에 적용하는 것이 특히 적합하다.
추가로, 밀도, 질량 또는 질량 흐름을 측정하고 디스플레이하는데 필요한 전자 요소 전부를 하우징(202) 내외에 설치할 필요는 없다. 예를 들면, 전자적 기능부는 실린더상에 영구적으로 설치된 유닛과 고객의 사용 스테이션상에 설치되거나 통상의 유량계에 정상적으로 사용되는 위치와 같이 실린더의 유출부상에 일시적으로 설치되는 유닛 사이에서 분할될 수 있다.
이러한 구성의 예가 도 13을 참조로 예시된다. 해당 구성은 가스 실린더(500), 조절기(502) 및 압력 게이지 구성(504)을 포함하는 가스 실린더 조립체(50)를 포함한다. 가스 실린더(500), 조절기(502) 및 압력 게이지 구성(504)은 이전의 실시예에서 이미 기술된 바와 같은 가스 실린더(100), 조절기(150) 및 압력 게이지 구성(200)과 실질적으로 유사하다.
본 실시예에서, 압력 게이지 구성(504)은 이전의 실시예의 석영 결정 발진기(210) 및 구동 회로(212)와 유사한 석영 결정 발진기 및 구동 회로(도시 생략)를 포함한다. 예컨대, 블루투스, 적외선(IR) 또는 RFID와 같은 임의의 적절한 원격 통신 프로토콜을 통한 통신을 위해 안테나(506)가 제공된다. 대안적으로, 1-배선 통신이 활용될 수 있다.
추가의 대안례로서, 음향 통신 방법이 사용될 수 있다. 이러한 방법의 장점은 원격 통신이 외부 안테나(506)에 대한 필요 조건의 만족 없이도 실시될 수 있다는 것이다.
가스 실린더(500)의 유출부에는 연결 파이프(508)가 연결된다. 연결 파이프는 순간 접속 연결부(510)에 의해 종료된다. 순간 접속 연결부(510)는 연결 배관 또는 성분들이 가스 실린더(500)에 대해 용이하고 신속하게 연결 및 분리될 수 있게 한다.
가스 실린더(500)로의 연결을 위해 순간 접속 유닛(550)이 제공된다. 연결부(510)로의 연결을 위해 대응하는 순간 접속 연결부(512)가 제공된다. 또한, 순간 접속 유닛(550)은 데이터 유닛(552)을 포함한다. 데이터 유닛(552)은 디스플레이(554)와, 압력 게이지 구성(504)의 안테나(506)와의 통신을 위한 안테나(556)를 포함한다. 디스플레이(554)는 전력 소비를 최소화하고 디스플레이의 선명도를 최대화하기 위해 예컨대, LCD, LED 또는 주간-판독 가능 디스플레이를 포함할 수 있다.
데이터 유닛(552)은 가스 실린더 조립체(50)의 센서 어셈블리(502)에 의해 측정된 다양한 파라미터들을 기록(log)할 수 있다. 예를 들면, 데이터 유닛(5520은 압력 대 시간을 기록할 수 있다. 이러한 기록은 예컨대, 중요한 요소에 대한 긴 가스 용접 공정 중에 충분한 압력이 존재했었는지를 확인을 원하거나 특정 고객의 사용에 관한 데이터를 회사에 제공하기를 원하는 용접 도급업자에 유용할 수 있다.
대안적으로, 데이터 유닛(550)으로부터의 데이터는 경고 메시지와 함께, 도출된 파라미터의 계산을 허용하도록 컴퓨터-사용 가능 용접 장치(용접 적용을 위해) 또는 기타 가스-사용 장비로 출력될 수 있다.
추가로, 데이터 유닛(550)은 다음의 기능을 제공하도록 배열될 수 있다: 가스의 압력에 대한 데이터의 보유 및 디스플레이, 즉 용접 종류, 피 용접 금속 종류, 또는 휴대 전화기 또는 컴퓨터가 상세한 데이터를 입수할 수 있도록 링크 제공; 예컨대, 공급자/필러(filler) 모드 및 고객 모드 등의 다중 모드 동작의 제공; 실린더를 재충전하는 가스 회사에 의해 디스플레이되는 것과는 다른 양을 고객에게 디스플레이; 데이터의 입력 허용; 실린더 번호, 가스 종류, 분석 증명, 고객 히스토리(소정 날짜 이후 실린더를 보유한 고객), 안전 데이터, 실린더상에 요약된 형태로 붙여질 수 있는 작동 팁 등의 데이터의 제공.
대안적인 예로서, 전술한 예들은 압력 게이지 구성(200, 502)에 관하여 논의된 바와 같이 가스 실린더(500) 상에(또는 내에) 전체가 위치된 시스템으로부터 선택적으로 처리, 저장 및 획득될 수 있다.
전술한 실시예들은 석영 결정 발진기의 사용을 참고로 설명되었지만, 당업자는 역시 사용 가능한 대안적인 압전 재료를 쉽게 알 것이다. 예를 들면, 비한정적인 리스트는 리튬 탄탈레이트, 리튬 니오베이트, 리튬 보레이트, 베를리나이트, 갈륨 비소, 리튬 테라보레이트, 알루미늄 포스페이트, 비스무스 게르마늄 산화물, 다결정 지르코늄 티타네이트 세라믹, 고-알루미나 세라믹, 실린콘-아연 산화물 복합체, 또는 타르타르산 이칼륨을 포함하는 결정 발진기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 특정 예시를 참조로 하여 설명되었다. 특정 예가 도면에 도시되고 여기에서 상세히 설명되고 있지만, 도면과 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태에 한정하려고 의도된 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명의 범위 내에서 변경 및 변형이 설명된 예에 대해 행해질 수 있음을 알 것이다.
Claims (16)
- 가스 압력 측정 방법으로서,
a) 가스와 접촉되는 압전 발진기(210)의 발진 주파수를 측정하는 단계와;
b) 상기 압전 발진기의 발진 주파수, 상기 가스의 알려진 온도 및 상기 가스의 알려진 분자량으로부터 상기 가스의 압력을 결정하는 단계를 포함하는 가스 압력 측정 방법. - 제1항에 있어서, a) 단계는:
구동 회로를 사용하여 상기 압전 발진기를 해당 압전 발진기가 공진 주파수에서 공진하도록 구동시키는 단계와;
상기 가스의 압력을 결정하도록 미리 정해진 시간 기간에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하는 단계를 포함하는 것인 가스 압력 측정 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 온도 센서를 사용하여 상기 가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 가스 압력 측정 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 두 개의 압전 발진기가 제공되며, 압전 발진기 중 하나는 다른 하나의 압전 발진기보다 감도 계수가 높으며, 상기 방법은 상기 a) 단계 이전에, 상기 압전 발진기 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 가스 압력 측정 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 발진기는 감압 기구의 하류에 제공되는 것인 가스 압력 측정 방법.
- 가스 압력 측정을 위한 압력 게이지(200; 260)로서, 압력 게이지는, 가스원에 연결 가능하고, 사용시 상기 가스와 연통되는 내부(206)를 갖는 하우징(202)을 포함하고, 상기 압력 게이지는, 상기 하우징 내에 위치되고 사용시 상기 가스와 접촉되게 위치되는 압전 발진기(210)와 프로세서(230)를 구비하는 센서 어셈블리(204)를 더 포함하고, 상기 센서 어셈블리는 상기 가스 내에서 상기 압전 발진기의 발진 주파수를 측정하도록 배치되고, 상기 측정 주파수와 상기 가스의 알려진 온도 및 가스의 알려진 분자량으로부터 상기 가스의 압력을 결정하도록 된 것인 압력 게이지.
- 제6항에 있어서, 상기 센서 어셈블리는 상기 하우징 내의 가스의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 압력 게이지.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 센서 어셈블리는 상기 압전 발진기를 공진 주파수로 구동시키는 구동 회로를 포함하는 것인 압력 게이지.
- 제8항에 있어서, 상기 구동 회로는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배치된 달링턴 트랜지스터를 포함하는 것인 압력 게이지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 발진기는 석영 결정 발진기를 포함하는 것인 가스 압력 측정 방법.
- 제6항 또는 제7항의 압력 게이지를 포함하는 감압 기구.
- 제11항에 있어서, 상기 감압 기구는 압력 조절기 형태인 감압 기구.
- 제12항에 있어서, 상기 압력 조절기는 전자식 압력 조절기이고, 상기 압력 게이지는 상기 전자식 압력 조절기를 제어하도록 작동 가능한 것인 감압 기구.
- 제13항에 있어서, 상기 전자식 압력 조절기는 솔레노이드 밸브를 포함하고, 상기 센서 어셈블리는 사용시 상기 솔레노이드 밸브를 제어하도록 작동 가능한 것인 감압 기구.
- 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 발진기는 석영 결정 발진기를 포함하는 것인 압력 게이지.
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|---|---|---|---|---|
| US9731593B2 (en) * | 2008-08-07 | 2017-08-15 | Ford Global Technologies, Llc | Fuel storage system |
| ITBS20130039A1 (it) * | 2013-03-27 | 2014-09-28 | Emer Spa | Dispositivo di sicurezza integrato per impianti a gas per auotrazione |
| EP2811269A1 (de) * | 2013-06-06 | 2014-12-10 | VEGA Grieshaber KG | Multigrenzstandmessgerät |
| CN104236786B (zh) * | 2013-06-09 | 2016-08-10 | 北京强度环境研究所 | 一种减压器放气试验超低温测量系统与方法 |
| US9915261B2 (en) | 2013-10-31 | 2018-03-13 | Semes Co., Ltd. | Substrate treating apparatus, drive assembly, and drive member controlling method |
| CA2851440A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-05 | Lacey Instrumentation Inc. | Pressure gauge testing device |
| WO2016108914A1 (en) | 2014-12-31 | 2016-07-07 | Halliburton Energy Services Inc. | Integrated multiple parameter sensing system and method for leak detection |
| CN104949791B (zh) * | 2015-06-23 | 2017-06-27 | 江苏大学 | 一种平衡式气体压力测压方法与装置 |
| CN106932137B (zh) * | 2017-03-08 | 2019-05-14 | 清华大学 | 一种液体压力远程实时测量系统 |
| TWI648528B (zh) | 2017-11-23 | 2019-01-21 | 財團法人工業技術研究院 | 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法 |
| US10928287B2 (en) | 2018-08-09 | 2021-02-23 | Air Products And Chemicals, Inc | Method and apparatus for using a gas density sensor to measure and control gas mixture composition |
| IT201800009688A1 (it) * | 2018-10-23 | 2020-04-23 | Special Springs Srl | Sensore di pressione per cilindro a gas |
| TWI754791B (zh) * | 2019-01-18 | 2022-02-11 | 國立臺灣師範大學 | 自行車錶裝置 |
| JP7344012B2 (ja) * | 2019-06-07 | 2023-09-13 | 株式会社堀場エステック | 流体制御バルブ、流量制御装置、及び、駆動回路 |
| CN112345405B (zh) * | 2020-09-25 | 2022-02-18 | 西安电子科技大学 | 一种六氟化硫气体密度监测装置及方法 |
| KR102526435B1 (ko) * | 2022-11-30 | 2023-04-27 | (주)쎄미콤 | 자동 압력 측정 모니터링 시스템 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4734609A (en) * | 1986-07-25 | 1988-03-29 | Calogic Corporation | Gas density transducer |
| EP0273649A2 (en) * | 1986-12-29 | 1988-07-06 | Halliburton Company | Temperature-compensated transducer |
| US5471882A (en) * | 1993-08-31 | 1995-12-05 | Quartzdyne, Inc. | Quartz thickness-shear mode resonator temperature-compensated pressure transducer with matching thermal time constants of pressure and temperature sensors |
Family Cites Families (48)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3612966A (en) * | 1969-11-03 | 1971-10-12 | Dybel Frank Richard | Piezoelectric transducer with improved sensing circuit |
| US3561832A (en) | 1969-12-05 | 1971-02-09 | Hewlett Packard Co | Quartz resonator pressure transducer |
| US3902355A (en) * | 1972-07-31 | 1975-09-02 | Gauting Gmbh Apparatebau | Apparatus for the electronic-digital measurement of gas pressure |
| US4126049A (en) * | 1977-02-14 | 1978-11-21 | Cotter Mitchell A | System and method of measuring fluid pressure force |
| GB2027886B (en) | 1978-08-14 | 1983-02-02 | Solartron Electronic Group | Transducer for sensing a parameter of a fluid |
| US4275393A (en) * | 1979-07-03 | 1981-06-23 | Polyvend Inc. | Method and apparatus for sensing pressure |
| FR2530338A1 (fr) * | 1982-07-13 | 1984-01-20 | Asulab Sa | Element sensible a la pression et capteur de pression en faisant application |
| FR2532047A1 (fr) | 1982-08-19 | 1984-02-24 | Asulab Sa | Capteur de mesure muni d'un resonateur piezo-electrique compense en temperature |
| US4644796A (en) | 1983-06-21 | 1987-02-24 | Quartztronics, Inc. | Pressure measurement apparatus and method |
| DE3345750A1 (de) | 1983-12-17 | 1985-06-27 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Druckaufnehmer mit sensorquarz |
| US4644804A (en) * | 1984-07-17 | 1987-02-24 | Franz Rittmeyer Ag | Quartz resonating force and pressure transducer |
| JPS6184535A (ja) * | 1984-10-03 | 1986-04-30 | Seiko Instr & Electronics Ltd | 水晶式気体圧力計 |
| DE3529948A1 (de) * | 1985-08-22 | 1987-03-05 | Nord Micro Elektronik Feinmech | Messanordnung zum messen des luftdrucks, insbesondere zur luftdatenerfassung im flugzeug |
| US4680970A (en) * | 1986-01-31 | 1987-07-21 | Yokogawa Hokushin Electric Corporation | Apparatus for measuring pressure |
| JPS62184325A (ja) * | 1986-02-07 | 1987-08-12 | Seiko Instr & Electronics Ltd | 水晶式気体圧力計 |
| JPS62218834A (ja) * | 1986-03-20 | 1987-09-26 | Seiko Instr & Electronics Ltd | 気体圧力計 |
| DE3641842A1 (de) | 1986-12-08 | 1988-06-16 | Paul Prof Dr Leiderer | Verfahren und vorrichtung zur druckmessung in einem gasfoermigen medium |
| US4938068A (en) * | 1988-09-28 | 1990-07-03 | The Slope Indicator Co. | Pressure transducer |
| CH687276A5 (de) * | 1989-01-23 | 1996-10-31 | Balzers Hochvakuum | Stimmgabelquarz-Manometer. |
| AT393416B (de) * | 1989-04-27 | 1991-10-25 | Avl Verbrennungskraft Messtech | Messverfahren zur bestimmung bzw. ueberwachung von mechanischen und/oder physikalischen groessen |
| JPH0368828A (ja) | 1989-08-07 | 1991-03-25 | Daishinku Co | 圧力測定装置 |
| EP0484569A1 (de) | 1990-11-06 | 1992-05-13 | Asea Brown Boveri Ag | Vorrichtung zur Messung von Schwefelhexafluorid-Zersetzungsprodukten |
| US5136885A (en) * | 1991-04-05 | 1992-08-11 | Tif Instruments, Inc. | Quartz crystal pressure sensor |
| US5235844A (en) * | 1991-10-23 | 1993-08-17 | Niagara Mohawk Power Corporation | Multiple gas property sensor |
| US5231880A (en) * | 1992-01-15 | 1993-08-03 | Quartzdyne, Inc. | Pressure transducer assembly |
| DE4218926A1 (de) | 1992-06-10 | 1993-12-16 | Asea Brown Boveri | Vorrichtung zur Messung einer Gasdichte |
| US5307683A (en) * | 1992-08-05 | 1994-05-03 | Marathon Oil Company | Transient temperature compensation for pressure gauges |
| US5275055A (en) * | 1992-08-31 | 1994-01-04 | Honeywell Inc. | Resonant gauge with microbeam driven in constant electric field |
| US5307668A (en) * | 1992-10-05 | 1994-05-03 | Badger Meter, Inc. | Gas density meter and method |
| GB9524241D0 (en) * | 1995-11-28 | 1996-01-31 | Smiths Industries Plc | Rate sensors |
| GB2316773B (en) * | 1996-06-12 | 1999-09-29 | Gas Technology Canada | Electronic gas regulator |
| DE19718520C1 (de) | 1997-05-02 | 1998-10-01 | Daimler Benz Ag | Jalousierahmenanordnung |
| US5954089A (en) * | 1998-04-17 | 1999-09-21 | Trw Inc. | Electromagnetic regulator utilizing alternate valve operating modes for gas pressure regulation |
| DE19901119B4 (de) | 1999-01-14 | 2006-02-23 | Abb Patent Gmbh | Überwachungssystem für eine gasisolierte Hochspannungsschaltanlage |
| US6532822B1 (en) * | 2000-09-26 | 2003-03-18 | Clark Davis Boyd | Resonant torsion pendulum pressure sensor |
| JP2002122498A (ja) * | 2000-10-12 | 2002-04-26 | Anelva Corp | 含有ガスの圧力測定方法及び測定装置 |
| GB2379983B (en) * | 2001-09-19 | 2004-11-17 | Eric Atherton | Transducer assembly |
| DE10232823B4 (de) * | 2002-04-29 | 2004-08-12 | Hydrotechnik Gmbh | Dichtewächter für SF6-isolierte Hoch- oder Mittelspannungsanlagen |
| JP4583801B2 (ja) * | 2004-04-23 | 2010-11-17 | 学校法人早稲田大学 | 圧力測定方法および圧力測定装置ならびに眼圧計 |
| FR2888930B1 (fr) * | 2004-12-27 | 2007-08-31 | Thales Sa | Dispositfi de mesure a resonateur et procede mettant en oeuvre le dispositif |
| GB0517340D0 (en) * | 2005-08-25 | 2005-10-05 | Avery Berkel Ltd | Improvements in or relating to vibrating beam sensors |
| US20100107735A1 (en) * | 2005-09-22 | 2010-05-06 | Igor Pavlovsky | Gas Sensor |
| JP3969442B2 (ja) | 2005-09-26 | 2007-09-05 | エプソントヨコム株式会社 | 圧力センサ |
| US20070186982A1 (en) * | 2006-02-10 | 2007-08-16 | Cohen Joseph P | Method for dispensing compressed gas |
| US7444878B1 (en) * | 2006-10-30 | 2008-11-04 | Northrop Grumman Systems Corporation | Resonant frequency pressure sensor |
| ITMO20070004A1 (it) * | 2007-01-11 | 2008-07-12 | Landi Renzo Spa | Regolatore di pressione |
| TWM334632U (en) * | 2007-11-02 | 2008-06-21 | su-hua Dai | Unitary gas pressure adjusting device |
| GB0917216D0 (en) | 2009-10-01 | 2009-11-18 | Johnson Matthey Plc | Method and apparatus for determining a fluid density |
-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4734609A (en) * | 1986-07-25 | 1988-03-29 | Calogic Corporation | Gas density transducer |
| EP0273649A2 (en) * | 1986-12-29 | 1988-07-06 | Halliburton Company | Temperature-compensated transducer |
| US5471882A (en) * | 1993-08-31 | 1995-12-05 | Quartzdyne, Inc. | Quartz thickness-shear mode resonator temperature-compensated pressure transducer with matching thermal time constants of pressure and temperature sensors |
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