KR101544291B1 - 압력 상태의 가스의 실린더의 정확한 컨텐츠를 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

압전 발진기를 이용하여 압력 하에 가스의 질량을 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 가스는 고정된 내부 체적(V)을 갖는 압력 용기(100) 내에 수용되고 압전 발진기(202)는 압력 용기(100) 내의 가스에 침지된다. 방법은, a)높은 압력 용기(100) 내에 가스의 밀도를 측정하도록 상기 압전 발진기(202)를 이용하는 단계; b)밀도 측정값으로부터 그리고 상기 압력 용기의 내부 체적(V)으로부터, 압력 용기(100) 내에 가스의 질량을 결정하는 단계를 포함한다. 그러한 방법을 제공함으로써, 실린더 등의 압력 용기 내에 유체의 정확한 콘텐츠(즉, 질량)가 온도 또는 압축성 등의 인자를 보정할 필요없이 직접적으로 측정될 수 있다. 이는 실린더 내의 가스의 밀도로부터 직접 유도를 통해 질량의 결정을 허용하여, 수행될 복잡한 계산 또는 추가 센서에 대한 필요성을 감소시킨다.

Description

압력 상태의 가스의 실린더의 정확한 컨텐츠를 측정하는 방법 및 장치{METHOD OF, AND APPARATUS FOR, MEASURING THE TRUE CONTENTS OF A CYLINDER OF GAS UNDER PRESSURE}
본 발명은 압력 상태의 가스의 실린더의 정확한 컨텐츠를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압전 발진기를 이용하여 실린더의 정확한 컨텐츠를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 명세서에 설명되는 방법 및 장치는, 예컨대 고압 실린더 내에 가스의 공급 또는 고압 가스를 이용한 제조 설비와 같이 비교적 높은 압력(예컨대, 약 10 bar 이상)의 가스가 존재하는 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은 특히 가스들, 즉 수증기나 먼지와 같은 불순물이나 오염물이 없거나 거의 없는 가스들을 "세정"하는 것에 관한 것이다.
압축 가스 실린더는 고압, 즉 대기압보다 상당히 큰 압력의 가스를 수용하도록 설계된 압력 용기이다. 압축 가스 실린더는 저비용의 일반적인 산업 시장으로부터 의료 시장을 통해 고순도의 부식성, 독성 또는 자연 발화성 특수 가스를 이용한 전자 기기 제조와 같은 고비용 용례까지 광범위한 시장에서 사용된다. 일반적으로, 압축 가스 컨테이너는 강, 알루미늄 또는 복합재를 포함하고, 대부분의 가스에 대해 최대 450 bar g(여기서, bar g는 대기압보다 높은 압력(bar 단위)의 측정값이다), 그리고 수소와 헬륨 등의 가스에 대해 최대 900 bar g의 최대 충전 압력으로 압축, 액화 또는 용존 가스를 저장할 수 있다.
본 발명은 특히 영구적인 가스에 적용될 수 있다. 영구적인 가스는 압력으로만 액화될 수 없는 가스로서, 예컨대 최대 450 bar g의 압력으로 실린더 내에 공급될 수 있다. 그 예로는 아르곤 및 질소가 있다. 그러나, 이것으로 제한되지 않고 가스라는 용어는 더 넓은 범위의 가스, 예컨대 영구적인 가스와 액화 가스의 증기를 모두 포괄하도록 고려될 수 있다. 액화 가스의 증기는 압축 가스 실린더 내에서 액체 위에 존재한다. 실린더 내를 충전하도록 압축될 때에 압력 하에 액화된 가스는 영구적인 가스가 아니고 압력 하에 액화된 가스로서 또는 액화 가스의 증기로서 보다 정확하게 설명된다. 일례로서, 아산화질소(nitrous oxide)는 평형 증기 압력이 15℃에서 44.4 bar g인 상태에서 실린더 내에 액체 형태로 공급된다. 그러한 증기는 대략 대기 상태의 압력 또는 온도에 의해 액화되기 때문에 영구적인 가스 또는 진정한 가스가 아니다.
많은 경우에, 남아 있는 가스의 양을 결정하기 위하여 소정의 실린더 또는 압력 용기의 컨텐츠를 모니터하는 것이 필요하다. 이는 헬스 캐어 용례 등의 상황에서 특히 중요하다.
가스 법칙에 따라 실린더 내에 가스 압력의 인지로부터 실린더의 정확한 컨텐츠를 계산하는 것이 공지되어 있다. 압력 측정은 널리 알려진 기술이고 압력을 측정하는 기능을 하는 다양한 디바이스가 존재한다. 대부분의 종래 타입은 스트레인 게이지 요소가 설치된 탄성 다이어프램을 이용한다. 그러나, 가장 저렴한 압력 센서들 중 하나가 현재 제조되었지만, 이들 센서는 크기가 비교적 큰 경향이 있고, 질량 생성 포토리소그래피 방법에 의해 생성될 수 있지만 제조가 여전히 비교적 복잡하고 비싼 기계적 구조를 갖는다. 센서들은 또한 특정한 취약도를 갖고 사용될 수 있기 전에 교정 및 온도 보정을 필요로 한다.
다른 일반적으로 사용되는 압력 게이지는 부르돈관 게이지이다. 그러한 게이지는 부서지기 쉽고 평탄한 박벽의 단부 폐쇄형 튜브를 포함하는데, 튜브는 측정될 유체 압력을 수용하는 고정된 파이프에 대해 중공 단부가 연결된다. 압력의 증가는 파이프의 폐쇄된 단부가 아치를 형성하게 한다. 그러한 게이지는 예컨대 고압에 대한 노출로부터의 손상을 받기 쉬운 정교한 구성요소를 포함한다.
가스 용기 내에 가스의 양을 정확하게 측정하기 어렵게 하는 한가지 문제는 실린더 내에 수용된 가스들의 온도-압력 관계이다. 가스 법칙에 따르면, 일정한 체적에서 소정량의 가스에 의해 가해지는 압력은 그 온도에 정비례한다. 따라서, 가스의 온도가 증가함에 따라, 가스의 압력이 증가하게 된다.
이에 따라, 부르돈관 게이지 등의 압력 게이지를 이용한 압력의 측정은 예컨대 20℃의 초기 온도로부터 예컨대 햇빛을 받는 환경에서 50℃까지의 절대 온도에 비례하여 올라가고 내려가서, 부르돈관 게이지에서 지시된 압력은 10%만큼 증가하게 된다.
추가 문제는 압력 측정을 이용한 실린더의 컨텐츠를 결정하기 위하여, 압력 게이지가 가스의 압축성에 대해 교정될 필요가 있다는 점이다. 이는 이상적인 가스의 거동에 합치하지 않는 고압에서의 가스의 거동에 의해 복잡해진다.
가스들의 물리적 특성을 측정하도록 사용되는 대안적인 타입의 디바이스는 석영 수정 등의 압전 디바이스이다. 석영 수정은 압전 거동을 증명하는데, 즉 석영 수정에 대한 전압의 인가는 고체의 약간의 압착 또는 신장을 초래하고, 그 반대도 마찬가지이다.
"A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF6)-Gas Density Control"(Zeisel 등, Sensors and Acuators 80(2000) 233-236)은 낮은 가스 압력의 높고 중간인 전압 전기 설비에서 SF6 가스의 밀도를 측정하도록 석영 수정 센서가 사용되는 장치를 기술하고 있다. SF6 가스의 밀도 측정은 장치의 안전에 중요하다. 이 문헌은 최대 8 bar g의 압력이 사용되는 석영 센서 기술을 위한 저압 용례를 설명하고 있다.
미국 특허 제4,644,796호는 벨로우즈 구조를 포함하는 가변 체적 하우징 내에 수용되는 석영 수정 발진기를 이용하여 유체의 압력을 측정하는 방법 및 장치를 기술하고 있다. 하우징의 내부 체적은 외부 유체 압력에 의한 벨로우즈의 압축/팽창으로 인해 변동한다. 따라서, 하우징 내의 유체의 밀도는 하우징의 내부 체적이 변동함에 따라 변동한다. 하우징 내의 밀도는 석영 수정 발진기를 이용하여 측정될 수 있다.
상기 장치는 석영 수정 발진기 등의 고체 상태 센서의 사용을 설명하고 있다. 그러나, 상기 장치 및 방법 중 어떤 것도 가스 실린더 등의 압력 용기 내에 가스의 질량을 정확하게 측정하는 데에는 적합하지 않다. 따라서, 공지된 측정 장치는 고압에 조우하는 가스 실린더 등의 폐쇄구에서 가스 질량의 정확한 측정을 제공할 수 없다는 기술적 문제를 경험한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 압전 발진기를 이용하여 압력 하에 가스의 질량을 측정하는 방법이 제공되는데, 상기 가스는 고정된 내부 체적을 갖는 압력 용기 내에 수용되고 압전 발진기는 압력 용기 내의 가스에 침지되며, 상기 방법은, a)높은 압력 용기 내에 가스의 밀도를 측정하도록 상기 압전 발진기를 이용하는 단계; b)밀도 측정값으로부터 그리고 상기 압력 용기의 내부 체적으로부터, 압력 용기 내에 가스의 질량을 결정하는 단계를 포함한다.
그러한 방법을 제공함으로써, 실린더 등의 압력 용기 내에 가스(영구적인 가스)의 정확한 콘텐츠(즉, 질량)가 온도 또는 압축성 등의 인자를 보정할 필요없이 직접적으로 측정될 수 있다. 이는 실린더 내의 가스의 밀도로부터 직접 유도를 통해 질량의 결정을 허용하여, 추가 센서 또는 수행될 복잡한 보정 및 근사치에 대한 필요성을 감소시킨다. 또한, 압전 발진기는 고압, 압력의 급격한 변화 또는 다른 환경 인자에 내성이 있는 고체 상태 디바이스이다. 압전 발진기는 기능하기 위해 압력차를 필요로 하는 종래의 게이지(부르돈관 게이지 등)와 달리 가스 내에 전체적으로 침지되도록 작동될 수 있다.
일 실시예에서, 단계 a)는, 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 구동 회로에 의해 압전 발진기를 구동하는 단계와, 높은 압력 용기 내에 가스의 밀도를 결정하도록 예정된 시간에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 단계 a) 및 b)는 소정 시간에 걸쳐 압력 용기 내에 가스의 밀도의 일련의 측정값이 얻어지도록 1회 이상 반복되고, 상기 일련의 측정값은 상기 시간 동안 압력 용기 내에 가스의 밀도 변화를 결정하도록 이용된다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 석영 수정 발진기를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 적어도 하나의 분기부를 포함한다. 변경예에서, 석영 수정은 한쌍의 면형 분기부를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 AT 컷 또는 SC 컷이다.
변경예에서, 석영 수정의 표면은 가스에 대해 직접 노출된다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 변경예에서, 센서 조립체는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 형태로 배치된 달링턴 페어를 구비하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 한가지 장치에서, 전력은 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
일 실시예에서, 압력 용기는 고압 용기를 포함한다. 고압 용기는 대체로 10 bar보다 큰 내부 압력을 견디도록 배치된 용기이다.
변경예에서, 압력 용기는 가스 실린더를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 고정된 내부 체적을 갖는 압력 용기 내에서 압력 하의 가스의 질량을 측정하는 센서 조립체가 제공되는데, 상기 센서 조립체는 압력 용기 내의 가스에 침지하는 압전 발진기를 포함하고, 상기 센서 조립체는 침지될 때에 압력 용기 내에 가스의 밀도를 측정하도록 배치되고, 밀도 측정값으로부터 그리고 상기 압력 용기의 내부 체적으로부터 압력 용기 내에 가스의 질량을 결정하도록 구성된다.
그러한 장치를 제공함으로써, 실린더 등의 압력 용기 내에 유체의 정확한 콘텐츠(즉, 질량)가 온도 또는 압축성 등의 인자를 보정할 필요없이 직접적으로 측정될 수 있다. 이는 실린더 내의 가스의 밀도로부터 직접 유도를 통해 질량의 결정을 허용하여, 수행될 복잡한 계산 또는 추가 센서에 대한 필요성을 감소시킨다. 또한, 압전 발진기는 고압 또는 급격한 압력 변화에 내성이 있는 고체 상태 디바이스이고, 이에 따라 압력 "크리프" 또는 다른 환경 인자에 의해 덜 손상될 것으로 보인다. 압전 발진기의 구조는 기능하기 위해 압력차를 필요로 하는 종래의 게이지(부르돈관 게이지 등)와 달리 압전 발진기가 가스 내에 전체적으로 침지되도록 할 수 있다.
변경예에서, 상기 압전 발진기는 석영 수정 발진기를 포함한다.
변경예에서, 가스는 영구적인 가스이다.
한가지 장치에서, 고압 용기는 가스 실린더이다.
실시예에서, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 실시예에서, 센서 조립체는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 형태로 배치된 달링턴 페어를 구비하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 한가지 장치에서, 전원은 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 압전 발진기를 구동하도록 또한 배치되어 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하고, 상기 공진 주파수를 예정된 시간에 걸쳐 측정하여 상기 압력 용기 내에 가스의 밀도를 결정한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 압력 용기 내에 가스의 질량의 반복 측정을 개별 시간 간격으로 수행하도록 또한 배치되어 복수 개의 측정값을 얻고, 상기 복수 개의 측정값으로부터 소정 시간에 걸쳐 압력 용기 내에 가스 밀도의 일련의 측정값이 얻어지도록 개별 시간 간격 이상의 시간 동안 압력 용기 내외로의 가스의 질량 유량을 결정하며, 상기 일련의 측정값은 상기 시간 동안에 압력 용기 내에 가스 질량의 변화를 결정하도록 이용된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 제2 양태의 센서 조립체를 포함하는 밸브 장치가 제공되고, 상기 밸브 장치는 고정된 내부 체적을 갖는 압력 용기를 형성하도록 압력 용기 본체에 연결하기 위한 것이고, 밸브 장치는 압력 용기에 대한 가스의 선택적 충전 또는 압력 용기로부터의 가스의 분배를 가능하게 하도록 배치된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 압력 상태의 가스를 수용하기 위한 압력 용기가 제공되고, 압력 용기는 고정된 내부 체적을 갖고, 고정된 내부 체적을 형성하는 압력 용기 본체; 압력 용기 본체에 연결되고 압력 용기에 대한 가스의 선택적 충전 또는 압력 용기로부터의 가스의 분배를 가능하게 하도록 배치되는 밸브 장치; 및 제2 양태의 센서 조립체를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 변경예에서, 전원은 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 압력 용기의 고정된 내부 체적 내에 전체적으로 배치된다.
한 장치에서, 압력 용기 본체는 가스 실린더를 포함한다.
본 발명의 제5 실시예에 따르면, 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 제1 양태의 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 제6 실시예에 따르면, 제4 양태에 따른 컴퓨터 프로그램 제품을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 가스 실린더의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 실린더 조립체의 상부를 도시하는 개략도이며,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 실린더 조립체의 상부를 도시하는 개략도이고,
도 4는 제1 또는 제2 실시예에 사용하기 위한 구동 회로의 개략도이며,
도 5는 제1 또는 제2 실시예에 사용하기 위한 구동 회로의 변경예를 도시하는 개략도이고,
도 6은 다수의 상이한 가스에 대한 밀도(kg/m3)의 함수로서 Y축 상의 석영 수정 주파수(kHz0의 그래프를 도시하고;
도 7은 아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소 혼합물에 대해 X축 상의 압력(bar g)의 함수로서 Y축 상의 가스 질량(kg 단위)의 그래프를 도시하며,
도 8은 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 3개의 가스(아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소 혼합물)에 대해 X축 상의 밀도(kg/m3 단위)의 함수로서 Y축 상의 가스 질량(kg 단위)의 그래프를 도시하고,
도 9는 100 bar g의 압력으로 50 리터 가스 실린더로부터 12 ℓ/min의 유량에 대해 X축 상의 시간(분 단위)의 함수로서 Y축 상의 주파수(kHz 단위)의 그래프를 도시하며,
도 10은 100 bar g의 압력으로 50 리터 실린더에 대해 X축 상의 시간(분 단위)의 함수로서 Y축 상의 계산된 유량(ℓ/min 단위)의 그래프를 도시하고,
도 11은 통상적인 가스 실린더에 대해 X축 상의 가스 실린더 질량(kg 단위)의 함수로서 Y축 상의 주파수(kHz 단위)의 그래프를 도시하며,
도 12는 설명된 실시예에 따른 방법을 예시하는 플로우 차트이고,
도 13은 상이한 결정 타입의 주파수 거동의 그래프를 도시하며,
도 14는 2개의 석영 수정을 포함하는 대안적인 센서 조립체를 도시하는 개략도이고,
도 15는 원격 전자 데이터 유닛을 이용하는 대안적인 장치를 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 실린더 조립체(10)의 개략도를 도시한다.
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(100)를 평탄한 표면 상에 지지되지 않은 상태로 서 있게 할 수 있도록 배치된 평 베이스(102a)를 갖는 대체로 원통형 컨테이너를 포함한다.
가스 실린더 본체(102)는 강, 알루미늄 및/또는 복합재로부터 형성되고 최대 대략 900 bar g의 내부 압력을 견디도록 되어 있고 배치된다. 베이스(102a)에 대향하여 가스 실린더 본체(102)의 기단부에 구멍(106)이 배치되고 밸브(104)를 수용하도록 된 나사산(도시 생략)을 포함한다.
가스 실린더 본체(102)와 밸브(104)는 내부 체적(V)을 갖는 압력 용기[본 실시예에서, 가스 실린더(100)의 형태]를 형성한다. 내부 체적(V)은 고정된다. 이로 인해, 가스 실린더(100)의 구조는 그 내부 체적(V)(및 부수적으로 내부에 수용된 가스의 체적)이 사용 또는 보관 중에 또는 온도, 압력 또는 습도 등의 환경 조건에 따라 상당한 정도 만큼 변동되지 않는 것으로 추정될 수 있도록 되어 있다. 가스 실린더(100)의 내부 체적(V)은 가스 실린더 본체(102)와 밸브(104) 내에 전체 체적을 포함하도록 의도된다. 바꿔 말해서, 내부 체적(V)은 가스가 압력 하에 유지되는 가스 실린더 조립체(10) 내의 총 내부 체적이다.
임의의 적절한 유체가 가스 실린더 조립체(100) 내에 수용될 수 있다. 그러나, 본 실시예는 독점적으로 제한되지 않지만 먼지 및/또는 습기 등의 불순물이 없는 정제된 영구적인 가스에 관한 것이다. 그러한 가스의 예시적인 예로는 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 삼불화질소, 일산화탄소, 크립톤 또는 네온이 있을 수 있다.
밸브(104)는 하우징(108), 출구(110), 밸브 본체(112) 및 밸브 시트(114)를 포함한다. 하우징(108)은 가스 실린더 본체(102)의 구멍(106)과 맞물리기 위한 상보적인 나사산을 포함한다. 출구(110)는 가스 실린더(100)가 가스 조립체의 다른 구성요소, 예컨대 호스, 파이프, 또는 다른 압력 밸브나 레귤레이터에 결합되게 할 수 있도록 되어 있고 배치된다. 밸브(104)는 선택적으로 VIPR(통합형 압력 레귤레이터를 갖는 밸브; Valve with Integrated Pressure Regulator)을 포함할 수 있다.
밸브 본체(112)는 출구(110)를 선택적으로 개방 또는 폐쇄하도록 파지 가능한 핸들(116)의 회전에 의해 밸브 시트(114)를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀어지게 축방향으로 조정될 수 있다. 바꿔 말하면, 밸브 시트(112)를 향한 또는 밸브 시트로부터 멀어지는 밸브 본체(112)의 이동은 가스 실린더 본체(102)의 내부와 출구(110) 사이의 전달 통로의 영역을 선택적으로 제어한다. 따라서, 다시 가스 실린더 조립체(100)의 내부로부터 외부 환경에 대한 가스의 유동을 제어한다.
출구(110)의 하류측의 하우징(108)에 관통홀(118)이 형성된다. 관통홀(118)은 구성요소(배선 등)가 가스 실린더(100)의 외부로부터 가스 실린더(100)의 내부로 공급되게 할 수 있는 피드 스루(120)에 의해 폐쇄된다. 피드 스루(120)는 가스 실린더(100)의 무결성을 유지하는 고압 시일로서 기능한다.
가스 실린더 조립체(10)에는 센서 조립체(200)가 마련된다. 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 가스의 밀도를 측정하도록 배치된다. 센서 조립체(200)는 도 2 및 도 3에 보다 상세하게 도시되고, 적절한 배선(208)에 의해 구동 회로(204)와 배터리(206)에 연결되는 석영 수정 발진기(202)를 포함한다. 프로세서(220; 도 2 및 도 3에 도시되지 않음)는 또한 별개로 또는 구동 회로(204)의 일부로서 제공될 수 있다. 이는 나중에 설명된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 석영 수정 발진기(202)는 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 배치되고 구동 회로(204)는 가스 실린더(100) 외측에 배치된다. 따라서, 센서 조립체(200)의 적어도 일부는 관통홀(118) 내에 배치된다. 석영 수정 발진기(202)와 구동 회로(204)는 고압 피드 스루(120)를 통과하는 배선(208)에 의해 연결된다.
이 구조에서, 석영 수정 발진기(202)는 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에서 일정하게 등압 하에 있고, 이에 따라 압력 구배를 경험하지 않는다. 바꿔 말해서, 가스 실린더(100)의 내부 체적(V)과 외부 환경 간에 압력차로부터 생기는 임의의 기계적 응력이 피드 스루를 가로지른다.
변형예가 도 3에 도시되어 있다. 도 2의 실시예와 공통적인 도 3에 도시된 실시예의 특징부들은 동일한 참조 번호가 할당되고 여기서 다시 설명하지 않는다.
도 3의 실시예에서, 센서 조립체(200)의 전체가 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 배치된다. 따라서, 석영 수정 발진기(202), 구동 회로(204)[제공된다면, 그리고 프로세서(220)] 및 배터리(206)가 모두 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 배치된다. 센서 조립체(200)의 구성요소는 가스 내에 완벽하게 침지되고 가스 실린더(100) 내에서 등압 하에 있다. 따라서, 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100) 내에서 가스의 최대 가스 압력을 경험한다.
본 실시예에서, 피드 스루(120)는 선택적으로 제거될 수 있다. 대안적으로, 센서 조립체(200)는 예컨대 기지국과 원격 통신하도록 안테나(250)에 연결될 수 있다. 이는 나중에 논의된다. 이 경우에, 안테나(250)는 가스 실린더(100) 외측에 배치되고 배선 또는 등가의 커넥터에 의해 센서 조립체에 연결될 수 있다. 배선은 안테나(250)와 센서 조립체(200) 간의 연결을 실시하도록 피드 스루(120)를 통과할 수 있다.
안테나 자체는 어떤 적합한 통신 프로토콜이든 이용하도록 되어 있고 배치될 수 있으며, 예컨대, 예시적인 목록은 RFID, 블루투스, 적외선(IR), 802.11 무선, 주파수 변조(FM) 송신 또는 이동 통신망일 수 있다.
대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 실시될 수 있다. 단선 통신은 통신하기 위해 단일의 금속 도체만을 요구하며, 회로의 '복귀' 경로는 통신 장치들 사이의 공중을 통한 용량 결합(capacitive coupling)에 의해 제공된다. 당업자라면 여기에서 논의되는 실시예들과 함께 이용될 수 있는 안테나(250)(및 관련 송신 하드웨어)의 대안을 쉽게 알 것이다.
본 발명자는 센서 조립체(200)의 몇 개의 구성요소만이 고압에 민감하다는 것을 알았다. 특히, 배터리 등의 더 큰 구성요소가 고압에 영향을 받기 쉬울 수 있다. 그러나, 리튬 이온 배터리가 가스 실린더(100) 내에서 조우하는 고압 하에 특히 양호하게 수행한다는 것을 알았다. 따라서, 배터리(206)는 리튬 이온 전지를 포함한다. 그러나, 대안적인 적절한 전원이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.
가스 실린더(100) 내에 완전한 센서 조립체(200)를 전체적으로 배치하면 가스 실린더(100)를 구성할 때에 추가 융통성이 제공된다. 특히, 비교적 부서지기 쉬운 전자 구성요소를 가스 실린더(100)의 강한 금속 또는 복합 벽 내에 배치하면 환경 또는 우발적인 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이는 예컨대 가스 실린더(100)가 다른 가스 실린더(100), 중장비 또는 거친 표면 근처에 배치되는 보관 영역 또는 창고에서 특히 중요하다.
또한, 센서 조립체의 전자 구성요소를 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 전체적으로 배치하면 달리 실린더(100)의 외표면 상에 사용하기에 적절하지 않을 수 있는 보다 큰 구서요소가 제공되게 할 수 있다. 예컨대, 보다 큰 배터리가 센서 조립체(200)의 작동 수명을 증가시키도록 제공될 수 있다.
또한, 센서 조립체(200)의 내부 위치는 염분, 물 및 기타 오염 물질 등의 환경 조건으로부터 전자 구성요소를 보호한다. 이는 예컨대 센서 조립체(200)의 일부로서 사용되도록 염분 및 물 손상에 매우 민감한 고 임피던스 회로를 허용한다.
그러나, 상기 실시예의 변경예에서, 센서 조립체의 일부는 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 배치될 수 있고 일부는 그 외부에 배치될 수 있다. 예컨대, 구동 회로(212)와 프로세서(220)는 가스 실린더(100) 내에 배치될 수 있고 배터리(206)는 가스 실린더(100) 외측에 배치될 수 있다. 이 구조는 센서 조립체의 보다 부서지기 쉬운 구성요소가 손상 및 오염 물질로부터 보호되게 할 수 있고, 배터리(206)는 유지 보수 및 교체를 위해 쉽게 엑세스될 수 있다.
외부 통신을 위해, 한가지 구성에서, 외부 공중선 또는 안테나[예컨대, 안테나(250)]가 명백하게 요구되지 않는다. 예컨대, 실린더(100) 내로부터 음향 송신에 의해 통신이 실시될 수 있다. 음향 송신은 가스 실린더(100) 내에 배치된 송신기에 의해 실시될 수 있다. 송신기는 예컨대 간단한 고정 주파수 압전 공진기를 포함할 수 있다.
상보적 수신기도 요구되며, 이 구성요소는 실린더(100)로부터 멀리 떨어져서 배치될 수 있고, 예컨대, 마이크와 통합된 위상 동기 루프 톤 검파기(phase-locked loop tone detector)와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다. 그러한 음향 장치는 [안테나(250)의 경우와 같이] 피드 스루가 요구되지 않고 모든 전자 구성요소가 실린더(100) 내에 전체적으로 배치될 수 있다는 이점을 제공한다.
센서 조립체(200)의 내부 배치의 이점은 석영 수정 발전기(202) 등의 고체 상태 센서 디바이스에 특유하다. 예컨대, 부르돈관 게이지와 같은 종래의 압력 센서는 이 방식으로 배치될 수 없다. 수정 기반 센서는 일정한 압력의 가스 내에 전체적으로 침지될 수 있지만, 종래의 압력 센서는 등압을 측정할 수 없어 기능하기 위해 압력 구배를 필요로 한다. 따라서, 종래의 압력 게이지는 측정될 고압과 대기 사이에 배치되어야 한다. 이는 종래의 압력 게이지를 가스 실린더(100) 내에 전체적으로 배치하는 것을 불가능하게 한다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참고하여 센서 조립체(200)를 상세히 설명한다. 석영 수정 발진기(202)는 컷 석영(cut quartz)의 작고 얇은 섹션을 포함한다. 석영은 압전 거동을 나타내고, 즉 수정을 가로지르는 전압의 인가가 수정이 형상을 변화하게 하고, 기계적 힘을 발생시킨다. 역으로, 수정에 가해진 기계적 힘은 전하(electrical charge)를 생성한다.
석영 수정 발진기(202)의 2개의 평행한 표면은 벌크 수정(bulk crystal)을 가로지르는 전기적 연결을 제공하도록 금속화된다. 금속 접점에 의해 수정을 가로질러 전압이 인가되면, 수정은 형상을 변화시킨다. 수정에 교류 전압을 인가함으로써, 수정이 발진하게 될 수 있다.
석영 수정의 물리적 크기 및 두께는 석영 수정의 특성 또는 공진 주파수를 결정한다. 실제로, 수정(202)의 특성 또는 공진 주파수는 2개의 금속화 표면 사이의 물리적 두께에 반비례한다. 석영 수정 발진기는 당 분야에서 잘 알려져 있으므로, 석영 수정 발진기(202)에 대해서는 여기서 더 이상 설명하지 않는다.
석영 수정의 공진 진동 주파수는 수정이 배치된 환경에 따라 변할 것이다. 진공에서, 수정은 특정한 주파수를 갖게 된다. 그러나, 이 주파수는 상이한 환경에서 변하게 된다. 예컨대, 유체 속에서는, 수정의 진동이 유체의 주변 분자들에 의해 감쇠되게 되고, 이는 공진 주파수 및 주어진 진폭에서 수정을 발진시키기 위해 요구되는 에너지에 영향을 주게 된다.
또한, 가스의 흡착 또는 수정 상에 주변 재료의 퇴적은 진동하는 수정의 질량에 영향을 주게 되고, 공진 주파수를 번갈아 한다. 이는 보편적으로 이용되는 선택적 분석기에 대한 기초를 이루며, 흡수층은 수정 상에 형성되고, 가스가 흡수층 상에 흡수됨에 따라 질량이 증가한다. 그러나, 이 경우에, 석영 수정 발진기(202)에 대해 아무런 코팅도 부착되지 않는다. 실제로, 석영 수정 발진기(202) 상에의 재료의 흡착 또는 퇴적은, 측정의 정확도가 영향을 받을 수 있기 때문에 이 경우에 바람직스럽지 못하다.
본 실시예의 석영 수정 발진기(202)는 소리굽쇠형(tuning fork-shaped)이고, 32.768 kHz의 공진 주파수에서 발진하도록 배치된 대략 5㎜ 길이의 한 쌍의 분기부(212a; 도 4)를 포함한다. 굽쇠의 분기부(220a)들은 자신들의 기본 모드에서 정상적으로 발진하며, 분기부들은 공진 주파수에서 서로를 향해 동시에 가까워지고 멀어진다.
또한, AT 컷 또는 SC 컷인 석영을 이용하는 것이 바람직하다. 바꿔 말해서, 석영의 면형 섹션은 특정한 선택된 각도로 절단되어, 진동 주파수의 온도 계수가 상온 근처에서 넓은 피크를 갖는 포물선이 되도록 배치될 수 있다. 그러므로, 수정 발진기는 피크의 상부에서의 경사가 정확하게 제로(zero)가 되도록 배치될 수 있다.
그러한 수정은 일반적으로 비교적 낮은 비용으로 입수할 수 있다. 진공 속에서 이용되는 대부분의 석영 수정 발진기와 달리, 본 실시예에서는, 석영 수정 발진기(202)가 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내의 압력 하의 가스에 노출된다.
도 4에는 석영 수정 발진기(202)를 구동하기 위한 구동 회로(204)가 도시되어 있다. 구동 회로(212)는 다수의 특정한 기준을 충족해야 한다. 첫째, 본 발명의 석영 수정 발진기(202)는 다양한 가스 압력에 노출될 수 있고, 가능하게는, 가스 실린더가 수소와 같은 압축 가스를 담고 있으면, 압력은 대기 압력(가스 실린더(100)가 비어 있을 때)으로부터 약 900 bar g까지 변할 수 있다. 그래서, 석영 수정 발진기(202)는 광범위한 압력 하에서 작동하는 것(그리고, 비사용 기간 후에 재시작하는 것)이 요구된다.
그 결과로, 석영 수정 발진기(202)의 품질(Q) 인자는 사용 중에 현저하게 변할 것이다. Q 인자는 발진기 또는 공진기의 감쇠율에 관한 무차원 파라미터이다. 마찬가지로, Q 인자는 중앙 주파수에 대한 공진기의 대역폭을 특징으로 한다.
일반적으로, 발진기의 Q 인자가 더 높을수록, 발진기의 저장 에너지에 대한 에너지 손실률이 더 낮아진다. 바꿔 말해서, 높은 Q 인자 발진기의 진동은 외력이 없을 때 진폭이 더 서서히 감소한다. 더 높은 Q 인자를 갖고 사인 곡선적으로 구동되는 공진기는 공진 주파수에서 더 큰 진폭으로 공진하지만, 공진기가 공진하는 주파수 근처에서 더 작은 대역폭의 주파수를 갖는다.
구동 회로(204)는, 변하는 Q 인자에도 불구하고, 석영 수정 발진기(202)를 구동할 수 있어야 한다. 가스 실린더(100)에서의 압력이 증가함에 따라, 석영 수정 발진기(202)의 진동은 점진적으로 감쇠되게 되고, Q 인자가 떨어지게 된다. 떨어지는 Q 인자는 구동 회로(204)에서 증폭기에 의해 더 높은 이득(gain)이 제공될 것을 필요로 한다. 그러나, 너무 큰 증폭이 제공되면, 구동 회로(212), 석영 수정 발진기(202)로부터의 응답은 구별하기 어려워질 수 있다. 이 경우에, 구동 회로(204)는 무관한 주파수, 또는 석영 수정 발진기(202)의 기본 모드가 아닌 주파수에서 간단히 진동할 수 있다.
다른 제한으로서, 작은 저전력 배터리 상에서 광전지(photovoltaic cells)와 같은 보완적 전력이 있거나 없거나 장시간 동안 실행하기 위해서는, 구동 회로(204)가 저전력이어야 한다.
이하, 도 4를 참조하여 구동 회로(204)에 대해 설명한다. 석영 수정 발진기(202)를 구동하기 위해서는, 구동 회로(204)가 본질적으로 석영 수정 발진기(202)로부터 전압 신호를 얻고, 그 신호를 증폭시켜, 석영 수정 발진기(202)로 되돌려 보낸다. 석영 수정 발진기(202)의 기본 공진 주파수는, 본질적으로, 석영의 팽창과 수축의 속도의 함수이다. 이는 일반적으로 수정의 컷 및 크기에 의해 결정된다.
그러나, 외부 인자들이 또한 공진 주파수에 영향을 준다. 발생된 출력 주파수의 에너지가 회로에서의 손실에 필적할 때, 진동이 지속될 수 있다. 구동 회로(204)는 이 진동 주파수를 검출하고 유지하도록 배치된다. 그 후, 주파수가 프로세서(220)에 의해 측정되고, 유저에 의해 요구되는 가스의 적절한 특성을 계산하기 위해 이용되며, 필요하다면, 적합한 디스플레이 수단으로 출력될 수 있다(아래에서 설명됨).
구동 회로(204)는 6V 전원(206)에 의해 전력이 공급된다. 전원(206)은, 이 실시예에서는, 리튬 이온 배터리를 포함한다. 그러나, 예컨대, 재충전 가능하고 재충전 불가한 다른 배터리 유형들과 태양 전지 장치인, 대안적 전원이 이 기술분야에서 숙련된 자에게 자명할 것이다.
구동 회로(204)는 달링턴 페어 공통 이미터 증폭기(210)를 더 포함한다. 달링턴 페어는, 트랜지스터 중 제1 트랜지스터에 의해 증폭된 전류가 제2 트랜지스터에 의해 더 증폭되도록 구성된, 2개의 양극성 NPN 트랜지스터로 이루어지는 복합 구조를 포함한다. 이 구조는 각각의 트랜지스터가 별개로 취해지는 것에 비해 더 높은 전류 이득이 얻어질 수 있게 한다. 대안적인 PNP 양극성 트랜지스터가 이용될 수 있다.
달링턴 페어(218)는 단일의 트랜지스터(T1) 공통 이미터 증폭기(212)로부터의 피드백 구조로 배치된다. 도 4에는 NPN 양극성 접합 트랜지스터가 도시되어 있다. 그러나, 숙련자는 사용될 수 있는 대안적 트랜지스터 구조, 예컨대, 양극성 접합 PNP 트랜지스터 또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 알 것이다.
구동 회로(210)는 버퍼 증폭기(214)로서 작용하는 다른 NPN 이미터 폴로워(emitter follower) 트랜지스터(T2)를 포함한다. 버퍼 증폭기(214)는 회로와 외부 환경 사이의 버퍼로서 기능하도록 배치된다.
커패시터(216)가 석영 수정 발진기(202)와 직렬로 배치된다. 커패시터(216)는, 이 예에서는, 수정이 예컨대 염분 또는 다른 부착물들에 의해 오염된 상황에서, 100 pF의 값을 갖고, 구동 회로(204)가 석영 수정 발진기(202)를 구동할 수 있게 한다.
이제, 도 5를 참조하여, 대안적인 구동 회로(260)에 대해 설명한다. 도 5에 도시된 구동 회로는 피어스 발진기(Pierce oscillator)와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기는 디지털 IC 시계 발진기로부터 알려져 있다. 본질적으로, 구동 회로(260)는 단일의 디지털 인버터(트랜지스터의 형태)(T), 3개의 레지스터(R1, R2 및 R3), 2개의 커패시터(C1, C2), 및 석영 수정 발진기(202)를 포함한다.
이 구조에서, 석영 수정 발진기(202)는 고도로 선택적인 필터 요소로서 기능한다. 레지스터(R1)는 트랜지스터(T)를 위한 부하 레지스터(load resistor)로서 작용한다. 레지스터(R2)는 피드백 레지스터로서 작용하고, 인버터(T)를 그 선형 작동 구역에서 편향시킨다. 이는 인버터(T)가 고 이득 인버팅 증폭기(high gain inverting amplifier)로서 효율적으로 작동하게 할 수 있다. 다른 레지스터(RS)가 인버터(T)의 출력과 석영 수정 발진기(210) 사이에서 이득을 제한하고 회로에서의 원하지 않는 진동을 감쇠하도록 사용된다.
석영 수정 발진기(210)는, C1 및 C2와의 조합으로, Pi 통신망 대역 통과 필터를 형성한다. 이 필터는 출력으로부터의 180도 위상 변위 및 전압 이득이 석영 수정 발진기의 대략적인 공진 주파수에서 입력되게 할 수 있다. 위에서 기술된 구동 회로(260)는 상대적으로 소수의 구성요소들을 포함하므로 신뢰할 만하고 제조 비용이 저렴하다.
전술한 바와 같이, 센서 조립체(200)는 석영 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)로부터의 입력값을 수신하는 프로세서(220)를 포함할 수 있다. 프로세서(220)는 용례 특정 집적 회로(ASIC; Application Specific Integrated Circuit) 또는 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA; Filed Programmable Gate Array)와 같은 적절한 구조를 포함할 수 있다. 프로세서(220)는 실린더(100)의 유저에게 유용한 파라미터를 계산, 디스플레이 및 통신하도록 프로그램된다.
석영 수정 발진기(202)와 함께 이용되면, 프로세서(220)는 구동 회로(204)로부터의 신호의 주파수(f) 또는 주기를 측정하도록 구성될 수 있다. 이는, 예컨대, 일정한 시간에 걸쳐 진동을 계수함으로써 달성될 수 있으며, 알고리즘 또는 순람표(look-up table)를 이용하여 그 주파수를 밀도 값으로 변환할 수 있다. 이 값은 프로세서(240)로 전달되는데, 프로세서는 공급된 입력값을 기초로 하여 가스 실린더(100)에서 가스의 질량을 결정하는 계산을 수행하도록 구성된다.
프로세서(220)는 선택적으로 모든 실린더에서 동일하도록 대량 생산을 위해 설계될 수 있는데, 소프트웨어 및 하드웨어에서의 상이한 특징부가 상이한 가스에 대해 인에이블된다.
또한, 프로세서(220)는, 프로세서(220)와, 구동 회로(204) 및 석영 수정 발진기(202)와 같은 추가적 구성요소를 망라할 수 있는, 대기 또는 "슬립" 모드의 구현을 통해, 전력 소비를 최소화하도록 구성될 수 있다.
다양한 방식이 구현될 수 있는데, 예컨대, 프로세서(220)는 매 11초 중 10초 동안 대기 상태에 있을 수 있다. 또한, 프로세서(220)는 석영 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)를 제어하여, 이러한 구성요소들이 대부분의 시간 동안 대기 상태에 있고, 매 30초마다 ½초 동안 더 많은 전력을 갈구하는 구성요소들만 스위치를 켜도록 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 안테나(250) 등의 통신 구성요소가 센서 조립체(200)를 활성화시키도록 요구 또는 사용될 때에 스위치 오프될 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 센서 조립체(200)의 이론 및 작동에 대해 설명한다.
석영 수정 발진기(202)는 이 발진기가 배치되는 유체의 밀도에 종속하는 공진 주파수를 갖는다. 진동하는 소리굽쇠형 평면 수정 발진기를 가스에 대해 노출하는 것은 수정의 공진 주파수의 변위 및 감쇠를 야기한다(진공 속에서의 수정의 공진 주파수에 비교했을 때). 그 이유는 많다. 수정의 진동에 대한 가스의 감쇠 효과가 있지만, 가스는 발진기의 질량을 증가시키는 소리굽쇠 수정 발진기(202)의 진동하는 분기부(210a)에 부착된다. 이는 단면 고정 탄성 빔(one-sided, fixed elastic beam)의 동작에 따른 석영 수정 발진기의 공진 주파수의 저감을 야기한다:
Figure 112013058812619-pct00001
여기에서,
Figure 112013058812619-pct00002
는 공진 각진동수의 상대적 변화이고, ρ는 가스 밀도이며, t는 석영 발진기의 두께이고, ρq는 석영 발진기의 밀도이고, w는 굽쇠의 폭이며, c1 및 c2는 기하학적 종속 상수이고,
Figure 112013058812619-pct00003
는 아래와 같이 정해지는 가스의 표면 층의 두께이다:
Figure 112013058812619-pct00004
여기에서, η는 가스의 온도 종속 점도이다.
수학식 1의 두 부분은, a) 석영 수정 발진기(202)의 분기부 상의 가스의 첨가물 질량 및 b) 진동 중에 분기부들의 최외측 표면 층 상에서 일어나는 전단력에 관한 것이다.
그래서, 수학식은 주파수 항을 다시 써서 아래와 같이 단순화될 수 있다:
Figure 112013058812619-pct00005
여기에서,
Figure 112013058812619-pct00006
,
Figure 112013058812619-pct00007
및 C는 옵셋 상수(offset constant)이고, f0는 진공에서 수정의 고유 공진 주파수(natural resonant frequency)이다.
발명자들은 아래와 같이 근사치를 계산함으로써 적절하게 양호한 근사치가 얻어질 수 있음을 알아냈다:
Figure 112013058812619-pct00008
그 결과로, 양호한 근사치까지, 주파수의 변화가 석영 수정 발진기가 노출되어 있는 가스의 밀도의 변화에 비례한다. 도 6은, 석영 수정 발진기(202)의 공진 주파수가 밀도의 함수로서 선형적으로 변하는, 다수의 상이한 가스들/가스 혼합물을 도시한다.
일반적으로, 석영 수정 발진기(202)의 감도는 주파수의 5% 변화가, 예컨대, 대기 압력과 비교했을 때 250 bar에서의 산소 가스(32의 원자 질량수를 가짐)로 보여진다. 보통 대부분의 가스의 경우에 137 내지 450 bar g이고, 헬륨 및 수소에 대해서는 700 또는 900 bar g까지인, 그러한 압력 및 가스 밀도는 영구적 가스를 위해 이용되는 저장 실린더의 전형적인 것이다.
석영 수정 발진기(202)는 상업적으로 공급되는 가스를 위한 밀도 센서로서 이용하기에 특히 적합하다. 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해서는, 가스에 먼지 및 액적이 없을 필요가 있는데, 이는 상업적으로 공급되는 가스에서는 보장되지만, 공기에서는 또는 대부분의 압력 감시 상황에서는 보장되지 않는다.
둘째로, 실린더 내의 가스 압력은 정상 이용[즉, 가스가 출구(110)를 통해 배출될 때에] 중에만 서서히 변화할 수 있기 때문에, 석영 수정 발진기(202)가 판독하는 데에 소량의 시간(대략 1 초)이 걸린다는 점은 측정의 정밀도에 영향을 미치지 않는다. 대략 1 초의 시간은 진동을 계수하는 필요성 및 석영 수정 발진기(202)가 새로운 가스 압력에서 평형에 도달해야 할 필요성 때문에 요구된다.
이 방법은 가스 실린더(100) 내의 가스가 균일하지 않으면, 예컨대 가스가 부분적으로 액체 충전된 실린더 내에서 발생할 수 있는 것과 같이 불균일한 혼합물이면 또는 최근에 준비되어 불충분하게 혼합된 가벼운 가스 및 무거운 가스인 경우에 덜 정확할 수 있다. 그러나, 이는 대부분의 패키징된 가스 용례에서 발생하는 것으로 보인다.
전술한 바와 같이, 가스 실린더(100) 내에 가스의 내부 체적(V)은 일정하다. 따라서, 가스 실린더(100)의 내부 체적(V) 내에 가스의 밀도(ρ)가 센서 조립체(200)에 의한 측정값으로부터 얻어지면, 실린더 내에 가스의 질량(M)은 이하의 식으로부터 얻어질 수 있다.
Figure 112013058812619-pct00009
따라서, 가스 밀도(ρ)의 직접적인 측정은 가스 실린더(100)에 남아 있는 가스의 질량의 계산을 가능하게 한다.
이 방식에서 가스 질량의 측정은 공지된 장치에 비해 다수의 이점을 갖는다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따라 측정된 질량은 온도에 대해 본질적으로 교정된다. 이와 달리, 예컨대 부르돈관 게이지를 이용하는 압력의 측정은 절대 온도에 비례하여 변동된다. 따라서, 본 장치는 공지된 장치에 의한 경우와 같이 온도 측정 및/또는 교정을 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 측정된 가스의 질량은 본질적으로 압축성(Z)에 대해 교정된다. 예컨대 압력으로부터 가스 컨텐츠를 얻기 위하여 부르돈관 게이지를 이용하는 종래의 장치에서는, 가스의 압축성이 교정되어야 한다. 이는 압축성(Z)이 이상적인 가스에서 예상되는 방식으로 가스 압력에 비례하지 않는 고압에서 특히 중요하다.
압축성에 대한 자동 보상이 도 7 및 도 8을 참조하여 예시되어 있다. 도 7은 아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소 혼합물에 대한 압력(bar g)의 함수로서 Y축 상의 가스 질량(kg 단위)의 그래프를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상이한 가스들의 질량은 압력 증가에 따라 변동한다. 또한, 250 bar g를 초과하는 고압에서는, 질량과 압력 간에 더 이상 선형 관계가 존재하지 않는다.
도 8은 도 7과 동일한 3개의 가스(아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소 혼합물)에 대한 밀도(kg/m3 단위)의 함수로서 Y축 상의 가스 질량(kg 단위)의 그래프를 도시한다. 도 7과 달리, 밀도의 함수로서 가스의 질량은 각 가스/가스 혼합물에 대해 동일하다는 것을 알 수 있다. 또한, 관계는 여전히 고압에서 선형이다. 따라서, 석영 수정 발진기(202)는 높은 해상도를 갖는 동시에 밀도와 고도로 선형일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 구조는 ppm(parts per million)의 해상도로 매우 높은 정밀도까지 질량 측정이 가능하게 한다. (도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이) 높은 밀도와 압력에서 석영 밀도 센서(202)의 선형 응답과 결합되면, 높은 정밀도는 H2 및 He 등의 매우 가벼운 가스가 정밀하게 측정되게 할 수 있다.
가스 실린더(100) 내에서 정압의 측정 외에, 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100) 내외로 질량 유동을 측정할 수 있다. 이는 가스 실린더(100)로부터의 가스의 사용률이 요구되고, 아마도 실린더가 비워지기 전에 남아 있는 시간을 계산하는 상황에 유용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 가스의 정확한 양을 관리하도록 질량 유량이 모니터될 수 있다.
대기압의 가스 밀도는 단지 1 g/리터 정도이고, 보통의 가스 이용률은 흔히 분당 수 리터 정도이다. 발명자들은 석영 수정 발진기(202)가 가스 실린더(100)에서 배출되는 가스의 질량 유량을 표시된 밀도 변화에 의해 측정되게 할 수 있도록 충분히 안정적이고 정밀하다는 것을 알았다. 질량 유량(
Figure 112013058812619-pct00010
)은 수학식 6으로부터 계산된다.
Figure 112013058812619-pct00011
여기서, V는 체적이고, △ρ는 시간 간격(△t)에 걸쳐서 지시된 밀도의 변화이다. 이 경우에, 센서 조립체(200)의 작동은 석영 수정 발진기(202)의 다수의 진동 사이클을 적분하도록 구동 회로(204)를 필요로 한다. 따라서, 시간에 따른 순간적인 밀도의 변화율(
Figure 112013058812619-pct00012
)을 얻는 것이 불가능하다. 그러므로, 센서 조립체(200)를 이용하여 얻은 측정값은 보통의 이용시에 충분히 정확하다.
도 9 및 도 10은 질량 유량 검출의 경험 데이터를 예시한다. 도 9는 표시된 ~100 bar 압력에서 50 리터 실린더로부터 분당 12 리터의 유량 동안에 X축 상의 시간(분 단위)의 함수로서 Y축 상의 주파수(kHz)의 그래프를 도시한다. 도 10은 ~100 bar 압력에서 50 리터 실린더에 대해 X축 상의 시간(분 단위)의 함수로서 Y축 상의 계산된 유량(분당 리터)의 그래프를 도시한다.
이들 도면은 대부분의 정상 이용 동안에, 가스 실린더(100)로부터 가스의 질량 유량이 시간에 따른 밀도의 변화의 측정값으로부터 결정될 수 있다는 것을 예시한다. 따라서, 질량 유량은 석영 수정 발진기(202)와 구동 회로(204)를 이용하여 충분한 정확도와 시간 해상도로 계산될 수 있다.
도 11은 본 발명의 작동을 도시하는 다른 경험 데이터를 예시한다. 도 11은 X축 상의 총 실린더 질량(kg 단위)의 함수로서 Y축 상의 주파수(kHz 단위)의 그래프를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 그래프는 고도의 정밀도로 대략 선형이다. 그러므로, 도 11은 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량이 석영 수정 발진기(202)에 의해 정확하게 측정될 수 있다는 것을 보여준다.
이하, 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 방법에 대해 설명한다. 아래에 기술된 방법은 도 2와 도 3을 참조하여 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예 모두에 적용될 수 있다.
단계 300: 측정의 초기화
단계 300에서, 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량의 측정이 초기화된다. 이는, 예컨대, 유저가 가스 실린더(100)의 외측에 있는 버튼을 누름으로써 작동될 수 있다. 대안적으로, 측정은 원격 연결, 예컨대, 무선 통신망을 통해 전송되고 안테나(250; 도 3 참조)를 통해 센서 조립체(200)에 의해 수신되는 신호에 의해 개시될 수 있다.
다른 변경예 또는 추가예로서, 센서 조립체(200)는 원격으로 또는 타이머에 의해 초기화하도록 구성될 수 있다. 방법은 단계 302로 진행한다.
단계 302: 석영 수정 발진기를 구동
초기화되면, 구동 회로(204)는 석영 수정 발진기(202)를 구동하도록 이용된다. 초기화 동안, 구동 회로(204)는 수정 발진기(202)를 가로질러 무작위 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그 무작위 전압의 적어도 일부는 수정 발진기(202)가 진동하게 하기에 적합한 주파수에 있다. 그 후, 수정 발진기(202)은 그 신호와 동기하여 진동하기 시작한다.
압전 효과에 의해, 석영 수정 발진기(202)의 동작이 석영 수정 발진기(202)의 공진 주파수 대역에서 전압을 발생시킨다. 그 후, 구동 회로(204)는, 석영 수정 공진기(202)의 주파수 대역에서 발생된 신호가 구동 회로(204)의 출력을 지배하도록, 석영 수정 발진기(202)에 의해 발생된 신호를 증폭시킨다. 석영 수정 필터의 좁은 공진 대역은 모든 원하지 않는 주파수를 필터링하고, 그 후, 구동 회로(204)는 기준 공진 주파수(f)에서 석영 수정 발진기(202)를 구동한다. 석영 수정 발진기(202)가 특정한 공진 주파수에서 안정화되면, 방법은 단계 304로 진행한다.
단계 304: 석영 수정 발진기의 공진 주파수 측정
공진 주파수(f)는 가스 실린더의 내부 체적(V) 내에 조건에 따라 좌우된다. 본 실시예에서, 공진 주파수의 변화(Δf)는, 가스 실린더(100) 내에 가스 밀도의 변화에 대해 크기가 비례하고 밀도가 증가하면 감소할 것이다.
측정을 하기 위해서는, 석영 수정 발진기(202)의 주파수가 대략적으로 1초의 기간 동안 측정된다. 이는 판독이 안정화될 수 있게 하고, 정확한 측정을 결정하도록 충분한 진동이 계수되게 한다. 주파수의 측정은 프로세서(220)에서 수행된다. 프로세서(220)는 또한 측정이 시작될 때에 시간(T1)을 기록(log)할 수 있다.
주파수가 측정되었으면, 방법은 단계 306으로 진행한다.
단계 306: 가스 실린더 내에 가스의 질량 결정
석영 수정 발진기(202)의 주파수가 단계 303에서 만족스럽게 측정되었다면, 프로세서(220)는 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량을 계산한다.
이는 가스의 질량이 단계 304에서 결정된 밀도와 가스 실린더(100)의 공지된 내부 체적(V)으로서 직접 계산될 수 있는 상기 수학식 5를 이용하여 행해진다. 이어서, 방법은 단계 308로 진행한다.
단계 308: 측정 결과의 저장
가스의 질량이 계산되었다면, 질량은 나중의 검색을 위해 센서 조립체(200)의 프로세서(220)와 관련된 내부 메모리에 간단하게 기록될 수 있다. 또 다른 변경예로서, 시간(T1)에서의 가스의 질량은 상기 프로세서(220)에 대한 로컬 메모리에 저장될 수 있다.
이어서, 방법은 단계 310으로 진행한다.
단계 310: 결과 전달
선택적인 단계로서, 가스의 질량은 다수의 방식으로 디스플레이될 수 있다. 예컨대, 가스 실린더(100) 또는 밸브(104)에 대해 부착된 스크린이 가스 실린더(100) 내에 수용된 가스의 질량을 디스플레이할 수 있다. 변경예에서, 가스 질량 측정값은 기지국에 대해 또는 인접한 피팅 상에 배치된 계기에 전달될 수 있다.
이어서, 방법은 단계 312로 진행한다.
단계 312: 센서 조립체의 파워 다운
센서 조립체(200)를 항상 작동 상태로 유지할 필요는 없다. 이와 달리, 사용하지 않을 때에 센서 조립체(200)를 스위치 오프함으로써 전력 소비를 절감하는 것이 유리하다. 이는 배터리(206)의 수명을 연장시킨다.
구동 회로(204)의 구성은 석영 수정 발진기(202)가 가스 실린더(100) 내의 가스 압력에 상관없이 재시작되게 할 수 있다. 따라서, 센서 조립체(200)는 배터리 전력을 절약하기 위해 필요할 때에 정지될 수 있다.
본 발명의 실시예의 작동 방법은 상기 단계 300 내지 310을 참조하여 설명되었다. 그러나, 이하의 추가 단계가 또한 선택적으로 이루어질 수 있다.
단계 314-318: 질량의 추가 결정
가스 실린더(100) 내외로 가스의 질량 유량을 계산하는 것이 요망될 수 있다. T1보다 나중인 시간(T2)에서, 단계 314, 316 및 318이 수행된다. 단계 314, 316 및 318은 시간(T2)에서 각각 수행된 단계 304, 306 및 308에 대응한다. 단계 314, 316 및 318로부터의 결과적인 값이 시간(T2)에서의 가스의 질량으로서 프로세서(220)의 내부 메모리에 저장된다.
T1과 T2 간의 시간 간격은 도 9에 의해 예시된 바와 같이 수 초 정도로 매우 짧을 수 있다. 대안적으로, 유량이 느리면, 또는 예컨대 누출로 인한 가스 실린더(100) 내의 손실을 측정하는 것이 요망되면, T1과 T2 간의 시간 간격은 예컨대 수 분, 수 시간 또는 수 일 정도로 상당히 커질 수 있다.
이어서, 방법은 단계 320로 진행한다.
단계 320: 질량 유량의 계산
시간(T1과 T2) 간의 시간차와, 이들 시간에 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량을 알면, 프로세서(220)는 수학식 6으로부터 T1과 T2 간의 시간 간격에 질량 유량을 계산할 수 있다.
이어서, 방법은 필요하다면 추가의 질량 유량을 계산하도록 단계 314 내지 320을 반복 수행할 수 있다. 대안적으로, 방법은 단계 312로 이동할 수 있고 센서 조립체(200)는 파워 다운될 수 있다.
상기 실시예들의 변경예가 당업자에게 명백할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소들의 정확한 구성은 상이할 수 있으나 여전히 본 발명의 범위 내에 속한다. 당업자라면 이용될 수 있는 대안적 구성들을 쉽게 알아낼 것이다.
예컨대, 전술한 실시예들은 기본 주파수가 32.768 kHz인 석영 수정 발진기를 활용한다. 그러나, 대안적인 주파수에서 작동하는 수정이 이용될 수 있다. 예컨대, 60 kHz 및 100 kHz에서 작동하는 석영 수정 발진기들이 전술한 실시예들에 사용될 수 있다. 도 13에는 여러 수정들을 위한 밀도에 따른 주파수 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 다른 예로서, 1.8 MHz의 주파수에서 작동하는 수정 발진기가 이용될 수 있다.
더 높은 주파수 작동은 주어진 횟수의 사이클을 샘플링하는 데에 더 짧은 시간이 요구되기 때문에, 압력이 더 빈번하게 모니터링되게 할 수 있다. 또한, 더 높은 주파수의 수정은 수정의 "슬립(sleep)" 모드에서 더 작은 듀티 사이클(duty cycle)이 이용되게 할 수 있다. 설명으로서, 대부분의 경우에, 수정 및 구동 회로는 스위치 오프된 상태로 대부분의 시간을 소비하고, 단지 잠시 동안만 또는 측정이 요구될 때에만 스위치 온된다. 이것은, 예컨대, 분 당 한번 일어날 수 있다. 더 높은 주파수의 수정이 이용되면, 압력이 더 빨리 측정될 수 있다. 그러므로, 수정이 작동 상태에 있는 시간이 감소될 수 있다. 이것은 전력 소비를 절감하고 부수적으로 배터리 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예들은 석영 수정 발진기의 절대 주파수를 측정하는 것에 의해 설명되었다. 그러나, 가스 실린더 관련 레귤레이터에 통합된 자족적 전자 기기(self-contained electronics)에서는, 그 주파수를 진공 또는 압력 패키지 속에 들어 있지만 동일한 유형의 기준 수정과 비교함으로써 센서의 주파수의 변위를 측정하는 것이 유리할 수 있다. 압력 패키지는 선택된 밀도의 가스, 대기 조건 하에 있는 가스를 포함할 수 있거나 또는 가스 실린더(100) 외부의 대기로 개방될 수 있다.
적합한 센서 조립체(400)가 도 14에 도시되어 있다. 센서 조립체(400)는 제1 석영 수정 발진기(402) 및 제2 석영 수정 발진기(404)를 포함한다. 제1 석영 수정 발진기(402)는 진공 하에 밀봉된 컨테이너(406) 내에 배치되는 기준 수정이다. 제1 석영 수정 발진기(402)는 구동 회로(408)에 의해 구동된다.
제2 석영 수정 발진기(404)는 이전의 실시예들에서 설명된 수정(202)과 유사한 수정이다. 제2 석영 수정 발진기(404)는 가스 실린더(100)의 내부 체적 내에 가스 환경에 노출된다. 제2 석영 수정 발진기(404)는 구동 회로(410)에 의해 구동된다.
이 비교는 2개의 주파수 신호를 조합하고 2개의 수정들 사이의 차이에 동등한 주파수에서 출력을 생성하는 전자 혼합기 회로(414)를 이용하여 수행될 수 있다. 이 구조는, 예컨대, 온도로 인한 작은 변화가 무효가 되게 할 수 있다.
또한, 주파수 차이만 측정될 것이 요구되기 때문에, 가스 실린더(100)에서 이용되는 회로가 단순화될 수 있다. 또한, 이 접근 방안은, 수정 주파수를 직접적으로 측정하는 것이 곤란할 수 있는 곳에서, 고 주파수(MHz) 수정 발진기에 사용하는 데에 특히 적합하다.
또한, 밀도, 질량 또는 질량 유량을 측정하고 표시하기 위해 요구되는 모든 전자 기기는 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 일시적으로 장착되는 유닛 간에, 전자 기능들이 분할될 수 있다.
도 15를 참조하면, 이 장치의 한 예가 도시되어 있다. 장치는, 가스 실린더(500)와 센서 조립체(502)를 포함하는 가스 실린더 조립체(50)를 포함한다. 가스 실린더 조립체(50), 가스 실린더(500) 및 센서 조립체(502)는, 이전 실시예들을 참조하여 이미 설명된 가스 실린더 조립체(10), 가스 실린더(100) 및 센서 조립체(200)와 실질적으로 유사하다.
본 실시예에서, 센서 조립체(502)는 이전 실시예들의 석영 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)와 유사한 석영 수정 발진기 및 구동 회로(도시 생략)를 포함한다. 임의의 적절한 원격 통신 프로토콜, 예컨대 블루투스, 적외선(IR) 또는 RFID를 통한 통신을 위해 안테나(504)가 제공된다. 대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 활용될 수 있다.
다른 대안으로서, 음향 통신 방법이 이용될 수 있다. 그러한 방법의 이점은 외부 안테나(250)에 대한 요구 없이 원격 통신이 실시될 수 있다는 것이다.
연결 파이프(506)가 가스 실린더(500)의 출구에 연결된다. 연결 파이프는 신속 접속 연결부(quick connect connection)(508)에 의해 종결된다. 신속 접속 연결부(508)는 접속용 배관 또는 구성요소들이 가스 실린더(500)와 용이하고 신속하게 접속 및 접속 해제될 수 있게 한다.
가스 실린더(500)에 대한 연결을 위해 신속 접속 유닛(550)이 제공된다. 커넥터(508)에 대한 연결을 위해, 상보적인 신속 접속 커넥터(510)가 제공된다. 또한, 신속 접속 유닛(550)에는 데이터 유닛(552)이 제공된다. 데이터 유닛(552)은 가스 실린더 조립체(50)의 안테나(504)와 통신하기 위한 안테나(556) 및 디스플레이(554)를 포함한다. 디스플레이(554)는, 전력 소비를 최소화하고 디스플레이의 가시도를 최대화하기 위해, 예컨대, E-잉크 디스플레이를 포함할 수 있다.
데이터 유닛(552)은 가스 실린더 조립체(50)의 센서 조립체(502)에 의해 측정된 바와 같은 다양한 파라미터들을 기록할 수 있다. 예컨대, 데이터 유닛(552)은 유량 대 시간을 기록할 수 있다. 그러한 기록은, 예컨대, 중요한 구성요소들에 대한 장기간의 가스 용접 절차 동안 가스 유동이 있었고 올바른 것이었는지를 점검하기를 원하거나, 또는 데이터를 특정한 고객의 이용에 공급하기를 원하는 용접 계약자들에게 유용할 수 있다.
또한, 가스 실린더(500)로부터 얻어진 데이터는 런아웃 시간, 즉 실린더(500) 내의 가스가 다 사용되기 전의 시간에 관한 데이터를 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 병원들 간에 환자 운반에 사용되는 병원 산소 실린더 등의 용례에서 특히 중요하다. 그러한 시간(Tro)은 이하의 수학식을 통해 유량(전술함), 실린더(500)의 질량 컨텐츠 및 현재의 시간(Tc)의 인지로부터 계산될 수 있다.
Figure 112013058812619-pct00013
대안적으로, 데이터 유닛(550)으로부터의 데이터는 경고 메시지와 함께 유도된 파라미터의 계산을 허용하도록 (용접 용례를 위한) 컴퓨터 인에이블드 용접 장치 또는 다른 가스 이용 장비로 출력될 수 있다. 그 예시적인 예로는, 단위 아크 시간 당 사용된 가스, 용접 와이어(예컨대, 용접의 기공률에 관한 경고를 갖는)의 kg 당 사용된 가스, 남아 있는 용접 시간, (공지된 가스 데이터를 이용하여 측정된 밀도값을 압력으로 전환시키는 것에 의한) 압력의 디스플레이일 수 있다.
또한, 데이터 유닛(550)은 다음의 기능들, 즉, 가스 레벨이 특정한 레벨 또는 유량 아래에 있다면 청각 또는 시각 경보를 제공하고; (예컨대, 서서히 변화하는 혼합물을 위해) 실린더 수명 또는 실린더 만기날을 출력하며; 가스를 수용하고 가스 사용에 관한 데이터, 즉 어떤 유형의 용접인지, 어떤 유형의 금속이 용접되었는지를 디스플레이하거나, 모바일 폰 또는 컴퓨터가 상세한 데이터를 픽업할 수 있도록 링크를 제공하고; 다중 모드 작동, 예컨대 공급자/충전자 모드 및 고객 모드를 제공하고; 실린더를 재충전하는 가스 회사에 의해 디스플레이되는 고객에게 상이한 양을 디스플레이하며; 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 있다.
대안적으로, 위의 모든 예는, 선택적으로 센서 조립체(200, 502)의 관점에서 논의된 바와 같이, 가스 실린더(500) 상에(또는 내에) 전체적으로 배치된 시스템으로부터, 처리, 저장 또는 얻어질 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 실시예는 누출 검출을 수행하도록 또한 사용될 수 있다. 석영 수정 발진기는 그러한 센서의 큰 감도로 인해 이 작업에 특히 적합하다. 또한, 석영 수정 발진기는 압력 게이지를 이용하여 누출을 감지할 때와 같이 실린더의 온도 변화로 인한 압력 변화를 부정확하게 판독하지 않게 된다. 또한, 본 발명의 실시예는 예컨대 (예를 들어, 3 bar g 미만의 압력으로 사용된 실린더에서) 잔류 압력 밸브 고장의 검출 시에 고장을 검출하도록 사용될 수 있다.
상기 실시예들이 석영 수정 발진기의 이용을 참조하여 기술되었지만, 당업자는 또한 이용될 수 있는 대안적인 압전 재료들을 쉽게 인식할 것이다. 예컨대, 예시적인 목록은: 리튬 탄탈레이트, 리튬 니오베이트, 리튬 보레이트, 베를리나이트, 갈륨 비화물, 리튬 테트라보레이트, 인산 알루미늄, 비스무스 게르마늄 산화물, 다결정 지르코늄 티타네이트 세라믹스, 고 알루미나 세라믹스(high-alumina ceramics), 실리콘-아연 산화물 합성물, 또는 디포타슘 타르타르산염을 포함하는 수정 발진기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 실시예들을 가스 실린더를 참조하여 예시하였지만, 본 발명의 다른 용례가 사용될 수 있다. 예컨대, 석영 수정 발진기는 자동차, 모터바이크 또는 트럭 등의 차량의 타이어 내에 배치될 수 있다. 차량의 타이어의 형태가 부하 하에 또는 속도에서 변할 수 있지만, 본 출원의 발명자들은 타이어의 내부 체적이 사용시에 크게 변하지 않는다는 것을 알았다. 예컨대, 이 상황에서 내부 체적의 변화가 총 내부 체적의 2-3%보다 작다고 가정하면, 본 발명은 차량의 타이어 내에 가스의 질량을 계산하도록 신뢰성 있게 작동될 수 있다.
또한, 많은 용례가 차량 타이어 내의 가스로서 공기를 사용하지만, 질소 등의 가스가 점차 사용된다. 본 발명의 장치는 특히 그러한 용례에 적합하다. 질량의 측정이 본질적으로 온도에 종속하기 때문에, 본 발명의 장치는 환경 조건이 측정에 영향을 미칠 수 있는 상황에 특히 유용하다.
다른 예로서, 본 발명은 또한 차량용 공기 서스펜션 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 예시된 예에 대한 특정한 참조로 기술되었다. 특정한 예가 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었지만, 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 기술된 특정한 형태로 한정하려는 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명의 범위 내에서 설명된 예에 대해 변화 및 수정이 이루어질 수 있을 것임을 알 것이다.

Claims (15)

  1. 압전 발진기(202)를 이용하여 압력 하의 가스의 질량을 측정하는 방법으로서, 상기 가스는 영구 가스(permanent gas) 또는 영구 가스의 혼합물을 포함하고 고정된 내부 체적(V)을 갖는 가스 실린더(100) 내에 수용되고, 상기 가스 실린더(100)는 가스 실린더 본체(102)와, 상기 가스 실린더 본체(102)에 연결되고 가스 실린더에 대한 가스의 선택적 충전 또는 가스 실린더(100)로부터의 가스의 분배가 가능하도록 배열된 밸브 장치(104), 및 상기 가스 실린더 본체(102)의 내부에 위치하도록 상기 밸브 장치(104)에 배열되고 가스 실린더(100) 내의 가스에 침지되는 압전 발진기(202)를 포함하며, 상기 방법은,
    a)가스 실린더(100) 내에 가스의 밀도를 측정하도록 상기 압전 발진기(202)를 이용하는 단계;
    b)밀도 측정값으로부터 그리고 상기 가스 실린더의 내부 체적(V)으로부터, 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량을 결정하는 단계를 포함하는 것인 가스 질량 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 a)는,
    상기 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 구동 회로에 의해 압전 발진기를 구동하는 단계와,
    상기 가스 실린더 내에 가스의 밀도를 결정하도록 예정된 시간에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하는 단계를 포함하는 것인 가스 질량 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 a) 및 b)는 소정 시간에 걸쳐 가스 실린더 내에 가스 밀도의 일련의 측정값이 얻어지도록 1회 이상 반복되고, 상기 일련의 측정값은 상기 시간 동안 가스 실린더 내에 가스의 밀도 변화를 결정하도록 이용되는 것인 가스 질량 측정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 발진기는 석영 수정 발진기를 포함하는 것인 가스 질량 측정 방법.
  5. 고정된 내부 체적(V)을 갖고 압력 하의 영구 가스(permanent gas) 또는 영구 가스의 혼합물을 함유하는 가스 실린더(100)로서, 상기 가스 실린더(100)는 가스 실린더 본체(102)와, 상기 가스 실린더 본체(102)에 연결되는 밸브 장치(104)를 포함하고, 상기 밸브 장치(104)는 가스 실린더(100)에 대한 가스의 선택적 충전 또는 가스 실린더(100)로부터의 가스의 분배가 가능하도록 배열되고, 상기 가스 실린더(100) 내에서 압력 하의 가스의 질량을 측정하는 센서 조립체(200)를 포함하고, 상기 센서 조립체(200)는 상기 가스 실린더 본체(102)의 내부에 위치하도록 상기 밸브 장치(104)에 배열되고 가스 실린더(100) 내의 가스에 침지하는 압전 발진기(202)를 포함하고, 상기 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100) 내에 가스의 밀도를 측정하도록 배치되고, 밀도 측정값으로부터 그리고 상기 가스 실린더(100)의 내부 체적(V)으로부터 가스 실린더(100) 내에 가스의 질량을 결정하도록 구성되는 것인, 가스 실린더.
  6. 제5항에 있어서, 상기 센서 조립체는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 형태로 배치된 달링턴 페어를 구비하는 구동 회로를 더 포함하는 것인 가스 실린더.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 센서 조립체는 상기 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 압전 발진기를 구동하고 상기 공진 주파수를 예정된 시간에 걸쳐 측정하여 상기 가스 실린더 내에 가스의 밀도를 결정하도록 또한 배치되는 것인, 가스 실린더.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 센서 조립체는 가스 실린더 내에 가스의 질량의 반복 측정을 개별 시간 간격으로 수행하여 복수 개의 측정값을 얻고, 상기 복수 개의 측정값으로부터 개별 시간 간격 동안 가스 실린더 내외로의 가스의 질량 유량을 결정하도록 또한 배치되는 것인, 가스 실린더.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 센서 조립체는 가스 실린더의 고정된 내부 체적 내에 전체적으로 배치되는 것인 가스 실린더.
  12. 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 제1항 또는 제2항의 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 것인 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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