KR101688296B1 - 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

가스의 질량 유량을 조정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배치되는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동으로 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기, 및 온도 센서를 사용한다. 상기 방법은, a) 상기 압전 수정 발진기를 공진 주파수로 구동시키는 단계; b) 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계; c) 상기 가스의 온도를 측정하는 단계; 그리고 d) 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기의 공진 주파수 및 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

가스의 질량 유량을 조정하기 위한 방법 및 장치{METHOD OF, AND APPARATUS FOR, REGULATING THE MASS FLOW RATE OF A GAS}
본 발명은 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 압전 발진기를 사용하여 유동 제한 오리피스를 통한 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 명세서에 설명된 방법 및 장치는, 예를 들어, 고압 유체를 사용하는 고압 실린더 또는 제조 플랜트에서의 유체 공급과 같은, 비교적 고압(예를 들어, 대략 10 bar 이상의 압력)의 유체가 존재하는 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은, 특히, "청정(clean)" 가스, 즉, 수증기나 먼지와 같은 불순물이나 오염물이 적은 또는 없는 가스에 관한 것이다.
본 발명은, 특히, 영구 가스(permanent gas)에 적용 가능하다. 영구 가스는 단지 압력만에 의해서 액화될 수 없는 가스이며, 예를 들어, 450 bar g(여기서, bar g는 대기압보다 높은 압력의 측정 단위이다)에 이르는 압력으로 실린더에 공급될 수 있다. 이러한 가스의 예에는, 아르곤과 질소가 있다. 그러나, 이러한 설명은 제한적인 의미로 취해지는 것은 아니며, 용어 "가스"는 더 넓은 범위의 가스들, 예를 들어, 영구 가스 및 액화된 가스의 증기 모두를 포괄하는 의미로 간주할 수 있을 것이다.
액화된 가스들의 증기들은 압축 가스 실린더 내에서 액체의 위에 존재한다. 실린더 내부로 충전하기 위해 압축됨에 따라 압력 하에서 액화하는 가스들은 영구 가스가 아니며, 더 정확하게는, 압력 하에서 액화된 가스들 또는 액화된 가스의 증기들로서 설명될 수 있다. 일 예로서, 질소 산화물의 경우, 15℃에서 44.4 bar g 의 평형 증기압을 갖는 액체 형태로 실린더에 공급된다. 이러한 증기들은 대략 대기 조건의 압력 또는 온도에 의해 액화 가능함에 따라 영구 가스 또는 참 가스(true gas)가 아니다.
압축 가스 실린더는 고압의, 즉, 대기압보다 상당히 높은 압력의 가스들을 수용하도록 설계되는 압력 용기이다. 압축 가스 실린더들은, 일반적인 저비용 산업 시장에서부터, 의료 시장뿐만 아니라, 고순도의 부식성, 유독성 또는 인화성 전문 가스들을 사용하는 전자 기기 제조와 같은 더 높은 비용의 적용들에 이르는, 폭 넓은 범위의 시장에서 사용된다. 보통, 가압된 가스 용기는, 스틸, 알루미늄 또는 복합재료들을 포함하며, 대부분의 가스들을 위해 450 bar g에 이르는, 그리고 수소 및 헬륨과 같은 가스들을 위해 900 bar g에 이르는 최대 충전 압력으로, 압축, 액화 또는 용해 가스를 저장할 수 있다.
가스 실린더 또는 다른 압력 용기로부터 효과적이고 제어가능하게 가스들을 분배하기 위해, 밸브 또는 조정기가 요구된다. 흔히, 이들 두 가지가, 일체화된 압력 조정기를 갖는 밸브(Valve with Integrated Pressure Regulator: VIPR)를 형성한다. 조정기는, 가스가 일정한 압력 또는 사용자 가변의 압력으로 분배되도록, 가스의 유동을 조정할 수 있다.
많은 적용들을 위해, 가스 실린더로부터 일정한 유량의 가스를 제공하는 것이 바람직하다. 이는, 많은 적용들을 위해; 예를 들어, 의학적 적용들을 위해 매우 중요할 수 있을 것이다. 정밀한 정도까지 일정한 유량을 제공하기 위해, 먼저 유량이 측정되어야 하고, 이어서 측정 결과에 따라 유량이 제어되어야 한다.
다수의 상이한 질량 유량 측정 장치가 공지된다. 많은 산업적 적용들에서 통상적으로 사용되는 질량 유량계의 종류는 기계적 질량 유량계이다. 그러한 유량계는, 질량 유량을 측정하기 위해 이동 또는 회전하는 기계적 구성요소를 포함한다. 하나의 그러한 유형은, 성형된 튜브들 상에서의 유체의 영향을 통해 유체 유동을 측정하는 관성 유량계(또는 코리올리(coriolis) 유량계)이다. 코리올리 유량계는 높은 정확도로 폭 넓은 범위의 유량을 취급할 수 있다. 그러나, 유량을 검출하기 위해, 작동, 감지, 전자 및 컴퓨터 특징부와 같은 복잡한 시스템들이 요구된다.
대안적인 기계적 유형의 질량 유량계들은, 다이어프램 유량계, 회전식 유량계 및 터빈 유량계이다. 그러나, 이러한 유형의 유량계들은 일반적으로 정확도가 낮고 마모에 종속될 수 있는 이동 부품을 수반한다. 나아가, 회전식 유량계와 같은 유량계들은 단지 비교적 적은 유량을 측정하기 위해서만 유용하다.
대안적인 종류의 질량 유량계는 전자식 유량계이다. 두 가지 주요 유형은, 열 유량계와 초음파 유량계이다. 열 유량계는 유량을 측정하기 위해, 가열된 튜브를 통한 열 전달을 측정한다. 초음파 유량계는, 때때로 파이프 내부의 복수 경로들에서의 음속 평균치를 구하도록, 기체상 매체에서의 음속을 측정한다. 그러나, 이들 두 유형의 전자식 유량계는 일반적으로, 상당한 신호 처리 하드웨어를 필요로 하며, 그리고 일반적으로 고비용의 아이템이다.
따라서, 공지되어 있는 장치들은, 질량 유량 제어는 고사하고, 단지 질량 유량을 측정하기 위해서도, 복잡하고 부피가 크며 값비싼 하드웨어가 요구된다는 기술적 문제점으로부터 고통받고 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동(choked flow)이 발생하도록 배치되는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동 제어하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기, 및 온도 센서를 사용하고, 상기 방법은, a) 상기 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키는 단계; b) 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계; c) 상기 가스의 온도를 측정하는 단계; 그리고 d) 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기의 공진 주파수 및 가스의 온도에 대응하여 피드백 루프(feedback loop)에 의해 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에 따르면, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배치되는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동 제어하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기, 및 온도 센서를 사용하고, 상기 방법은, a) 상기 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키는 단계; b) 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계; c) 상기 가스의 온도를 측정하는 단계; 그리고 d) 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기의 공진 주파수 및 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 d) 단계는 가스 온도의 제곱근으로 나눈 상기 압전 발진기의 공진 주파수에 비례하는 함수에 따라 상기 전자 밸브를 제어하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 d) 단계는, e) 전자 피드백 루프에 의해 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 e) 단계는, f) 상기 공진 주파수및 상기 온도로부터 유도되는 함수의 사전 결정된 목표 값을 저장하는 단계; 그리고 g) 측정된 온도 및 상기 압전 발진기의 측정된 공진 주파수의 함수와 상기 목표 값 사이의 차이를 최소화하도록 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은, 상기 오리피스의 하류에서 가스와 접촉하는 추가의 압전 발진기를 추가로 사용하며; 그리고 상기 a) 단계는 상기 추가의 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 b) 단계는 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 c) 단계는 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기 및 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수 그리고 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 c) 단계는, d) 상기 압전 발진기의 공진 주파수와 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수로부터 상기 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도와 상기 오리피스의 하류에서의 가스의 밀도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 c) 단계는, e) 상기 오리피스의 상류에서의 가스 밀도 대 오리피스의 하류에서의 가스 밀도의 비율을 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 제어기가 제공되며, 상기 제어기는, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배치되는, 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동 제어하도록 작동할 수 있고, 상기 제어기는 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기, 그리고 온도 센서를 포함하며, 상기 제어기는 상기 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키도록; 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하도록; 상기 가스의 온도를 측정하도록; 그리고 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기의 공진 주파수 및 가스의 온도에 대응하여 전자 피드백 루프에 의해 상기 전자 밸브를 제어하도록 작동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 제어기가 제공되며, 상기 제어기는, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배치되는, 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동 제어하도록 작동할 수 있고, 상기 제어기는 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기, 그리고 온도 센서를 포함하며, 상기 제어기는 상기 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키도록; 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하도록; 상기 가스의 온도를 측정하도록; 그리고 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기의 공진 주파수 및 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하도록 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는 추가로, 가스 온도의 제곱근으로 나눈 상기 압전 발진기의 공진 주파수에 비례하는 함수에 따라 상기 전자 밸브를 제어하도록 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는 추가로, 전자 피드백 루프에 의해 상기 전자 밸브를 제어하도록 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는 추가로, 상기 공진 주파수와 온도로부터 유도되는 함수의 사전 결정된 목표 값을 저장하도록, 측정된 온도 및 상기 압전 발진기의 측정된 공진 주파수의 함수와 상기 목표 값 사이의 차이를 최소화하도록 상기 전자 밸브를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 오리피스의 하류에서 가스와 접촉하는 추가의 압전 발진기를 더 포함하며, 상기 제어기는 추가로, 상기 추가의 압전 결정 발진기를 공진 주파수로 구동시키도록; 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하도록; 그리고 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기 및 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수 그리고 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하도록 배치된다.
일 실시예에서, 상기 제어기는 추가로, 상기 압전 발진기의 공진 주파수와 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수로부터 상기 오리피스의 상류에서의 가스의 밀도와 상기 오리피스의 하류에서의 가스의 밀도를 결정하도록 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 가스는, 상기 압전 결정 발진기의 상류에 위치하게 되는 압력 조정기 또는 밸브로부터 분배된다.
일 실시예에서, 센서 조립체가 구동 회로를 포함한다. 일 변형예에서, 상기 센서 조립체는, 공통 이미터 증폭기(common emitter amplifier)로부터의 피드백 형태로 배치되는 달링턴 쌍(Darlington pair)을 포함하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 하나의 장치에서, 전원은 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
하나의 장치에서, 상기 압전 결정 발진기는 적어도 두 개의 평면형 가지부(tine)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 압전 결정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.
하나의 장치에서, 유량계는, 구동 회로, 프로세서 및 전원 중 하나 이상을 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 수정(quartz crystal) 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수정 발진기는 적어도 하나의 가지부를 포함한다. 변형예에서, 상기 수정 발진기는 한 쌍의 평면형 가지부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수정 발진기는 AT 판(AT-cut) 또는 SC 판(SC-cut)이다.
일 변형예에서, 상기 수정 발진기의 표면은 가스에 직접 노출된다.
일 실시예에서, 상기 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 일 변형예에서, 센서 조립체는, 공통 이미터 증폭기로부터의 피드백 형태로 배치되는 달링턴 쌍을 포함하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 하나의 장치에서, 전원은 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
하나의 장치에서, 상기 구동 회로는 공통 이미터 증폭기로부터의 피드백 형태로 배치되는 달링턴 쌍을 포함한다.
하나의 장치에서, 상기 유량계는 압력 조정기 또는 밸브의 하류에 배치된다.
하나의 장치에서, 상기 압전 결정 발진기는 적어도 두 개의 평면형 가지부를 포함한다.
하나의 장치에서, 상기 압전 결정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 제1 양태의 단계들을 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는, 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 제4 양태에 따른 컴퓨터 프로그램 제품이 저장되는, 컴퓨터 사용가능 저장 매체가 제공된다.
지금부터 본 발명의 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 가스 실린더 및 조정기 조립체의 개략적인 도면;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조정기 조립체와 유량계 조립체를 도시한 개략적인 도면;
도 3은 다수의 상이한 가스들에 대한 밀도(kg/m3)의 함수로서 수정 발진기 주파수(kHz)를 Y-축 상에 나타낸 그래프;
도 4는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량(liter/min)의 함수로서 수정 발진기 주파수(kHz)를 Y-축 상에 나타낸 그래프;
도 5는 측정된 값들 및 두 개의 예측 모델에 대한 밀도/압력의 함수로서 유량을 나타낸 그래프;
도 6은 예측 모델과 두 가지의 작동 거동의 극한들에 대한 밀도/압력의 함수로서 유량을 나타낸 그래프;
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조정기 조립체와 제어기 조립체를 도시한 개략적인 도면;
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 조정기 조립체와 제어기 조립체를 도시한 개략적인 도면;
도 9는 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 함께 사용하기 위한 구동 회로의 개략적인 도면;
도 10은 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 함께 사용하기 위한 대안적인 구동 회로를 도시한 개략적인 도면;
도 11은 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 함께 사용하기 위한 다른 대안적인 구동 회로를 도시한 개략적인 도면;
도 12는 제2 실시예 또는 제3 실시예 중 어느 하나와 함께 사용하기 위한 조정기 구동 회로를 도시한 개략적인 도면;
도 13은 제1 실시예의 작동 방법을 예시한 흐름도;
도 14는 제2 실시예 또는 제3 실시예의 작동 방법을 예시한 흐름도;
도 15는 상이한 결정 유형들의 주파수 거동을 나타낸 그래프;
도 16은 두 개의 수정 발진기를 포함하는 대안적인 센서 조립체를 도시한 개략적인 도면; 그리고
도 17은 원격 전자 데이터 유닛을 사용한 대안적인 장치를 도시한 도면.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 실린더 조립체(10)를 도시한 개략적인 도면이다. 도 1은, 본 발명이 사용될 수 있는 상황을 도시한 개략적 도면이다. 가스 실린더(100), 조정기(150), 그리고 유량계 조립체(200)가 제공된다.
가스 실린더(100)는 가스 실린더 몸체(102)와 밸브(104)를 구비한다. 가스 실린더 몸체(102)는, 가스 실린더 조립체(10)가 평평한 표면 상에 별도의 지지 없이 직립할 수 있도록 배열되는, 평평한 기부(102a)를 구비한 대체로 원통형인 압력 용기를 포함한다.
가스 실린더 몸체(102)는, 스틸, 알루미늄 및/또는 복합 재료로 형성되며, 대략 900 bar g에 이르는 내압을 견디도록 구성되고 배열된다. 구멍(106)이 기부(102a)의 반대쪽의 가스 실린더 몸체(102)의 기단부에 위치하게 되며, 밸브(104)를 수용하도록 구성되는 나사산(도시하지 않음)을 포함한다.
가스 실린더(100)는 내부 용적(V)을 갖는 압력 용기를 한정한다. 임의의 적당한 유체가 가스 실린더(100)의 내부에 수용될 수 있다. 그러나, 본 발명은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 먼지 및/또는 수분과 같은 불순물이 없는 정화된 영구 가스에 관한 것이다. 그러한 가스들의 총망라한 것은 아닌 예들은, 영구 가스들의 방식으로 거동하는, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 삼불화질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 크립톤, 네온 또는 이들의 혼합물들일 수 있다.
밸브(104)는, 하우징(108), 유출구(110), 밸브 몸체(112), 그리고 밸브 시트(114)를 포함한다. 하우징(108)은 가스 실린더 몸체(102)의 구멍(106)과의 맞물림을 위한 위한 상보형 나사산을 포함한다. 유출구(110)는, 가스 실린더(100)가 가스 실린더의 다른 구성요소들, 예를 들어, 호스, 관 또는 추가의 압력 밸브 또는 조정기에 연결되는 것을 가능하게 하도록 배열된다. 밸브(104)는, 선택적으로, VIPR(일체화된 압력 조정기를 갖는 밸브)을 포함할 수 있다. 이 경우, 조정기(150)는 생략될 수 있다.
밸브 몸체(112)는 유출구(110)를 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위해 파지 가능한 손잡이(116)의 회전에 의해 밸브 시트(114)를 향해 또는 밸브 시트(114)로부터 멀어지게 축 방향으로 조절될 수 있다. 다시 말해, 밸브 시트(114)를 향한 또는 밸브 시트(114)로부터 멀어지는 밸브 몸체(112)의 이동은, 가스 실린더 몸체(102)의 내부와 유출구(110)의 사이의 연통 통로의 면적을 선택적으로 제어한다. 이는, 차례로, 가스 실린더 조립체(100)의 내부로부터 외부 환경으로의 가스의 유동을 제어한다.
조정기(150)가 유출구(110)의 하류에 위치하게 된다. 조정기(150)는 유입구(152)와 유출구(154)를 구비한다. 조정기(150)의 유입구(152)는 유입관(156)에 연결되며, 유입관은 가스 실린더(100)의 유출구(110)와 조정기(150) 사이에 연통 통로를 제공한다. 조정기(150)의 유입구(152)는 가스 실린더(100)의 유출구(110)로부터 고압의 가스를 받아들이도록 배열된다. 임의의 적당한 압력이 존잴하 수 있으나, 일반적으로, 유출구(110)에서 나오는 가스의 압력은 20 bar 를 초과하며, 100 bar 내지 900 bar 의 범위이기 더 쉽다.
유출구(154)는 유출관(158)에 연결된다. 커플링(160)이 유출관(158)의 말단부에 위치하게 되며, 가스를 위해 요구되는 추가의 관 또는 장치(도시하지 않음)들에 대한 연결을 위해 형성된다.
유량계 조립체(200)가 유출구(154)와 커플링(160)의 사이에서 유출관(158)과 연통 상태로 위치하게 된다. 유량계 조립체(200)는 조정기(150)의 바로 하류에 위치하게 되며되며, 유출구(160)로 운반되는 가스의 질량 유량을 결정하도록 배열된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 조정기(150) 및 유량계 조립체(200)가 도 2에 더욱 상세하게 도시된다.
본 실시예에서, 조정기(150)는 단일 다이어프램 조정기를 포함한다. 그러나, 숙련자는, 본 발명과 함께 사용될 수 있는 변형들, 예를 들어, 두 개의 다이어프램 조정기 또는 다른 장치를 쉽게 인식할 것이다.
조정기(150)는 유입구(152) 및 유출구(154)와 연통 상태에 있는 밸브 구역(162)을 포함한다. 밸브 구역(162)은 밸브 시트(166)에 인접하게 위치하게 되는 포펫 밸브(poppet valve)(164)를 포함한다. 포펫 밸브(164)는 다이어프램(168)에 연결되며, 다이어프램은 밸브 시트(166)를 향한 또는 밸브 시트(166)로부터 멀어지는 포펫 밸브(164)의 병진 운동을 가능하게 하여, 그들 사이의 구멍(170)을 개별적으로 개방 및 폐쇄하도록 구성된다. 다이어프램(168)은 샤프트(174) 둘레에 위치하게 되는 스프링(172)에 의해 탄성적으로 편향된다.
조정기(150)는 유출구(110)로부터의 총 실린더 압력(예를 들어, 100 bar)의 가스를 받아들이도록 작동할 수 있지만, 실질적으로 일정한 고정 저압(예를 들어, 5 bar)의 가스를 유출구(154)로 운반하도록 작동할 수 있다. 이는 피드백 메커니즘에 의해 달성되며, 그로 인해 구멍(170)의 하류에서의 가스의 압력이 스프링(172)의 편향력에 대항하여 다이어프램(168)에 작용할 수 있도록 한다.
다이어프램(168)에 인접한 구역의 가스 압력이 특정 레벨을 초과하면, 다이어프램(168)은 상향으로(도 2를 기준으로) 이동할 수 있다. 그 결과, 포펫 밸브(164)는 밸브 시트(166)에 가까워지도록 이동함으로써 구멍(170)의 크기를 감소시키며, 결과적으로, 유입구(152)로부터 유출구(154)로의 가스의 유동을 제한한다. 일반적으로, 스프링(172)의 저항 및 가스 압력의 대항하는 힘들은 다이어프램이 평형 위치에 도달하도록 야기하며, 결과적으로, 유출구(154)에서 일정한 압력의 가스의 운반을 야기한다.
파지 가능한 손잡이(176)가, 사용자가 스프링(172)의 편향력을 조절하는 것을 가능하도록 하기 위해 제공되며, 그로 이해 다이어프램(168)의 위치를 이동시킬 수 있고, 결과적으로, 포펫 밸브(164)와 밸브 시트(166)의 사이의 평형 간격을 조절할 수 있도록 한다. 이는, 유출구(110)로부터의 고압 가스 유동이 통과할 수 있는, 구멍(170)의 치수의 조절을 가능하게 한다.
유량계 조립체(200)는, 몸체(202), 제1 센서 조립체(204), 그리고 제2 센서 조립체(206)를 포함한다. 몸체(202)는, 예를 들어, 스틸, 알루미늄 또는 복합 재료와 같은 임의의 적당한 재료를 포함할 수 있다. 몸체(202)는, 도관(208), 제1 하우징(210), 그리고 제2 하우징(212)을 포함한다. 도관(208)은 유출관(158)의 내부와 연통 상태에 있으며, 유출관에 연결되도록 배열된다. 도관(208)은 유출구(154)와 커플링(160)(그리고, 이에 수반하여, 커플링(160)에 연결되는 사용자 장치들 또는 적용물들)의 사이의 연통 통로를 제공한다.
오리피스 플레이트(214)가 도관(208)의 내부에 위치하게 된다. 오리피스 플레이트(214)는, 제한 오리피스(216)의 경계를 한정하는, 벽을 포함한다. 오리피스 플레이트(214)는 도관(208)의 내부에서 유동 제한부(유동 제한부)를 형성한다. 오리피스(216)는 도관(406)의 단면적보다 작은 단면적(A)을 구비하여, 오리피스(216)를 통한 유속이 후술하는 바와 같은 초크(choked) 조건에 놓이도록 한다.
오리피스 플레이트(214)가 도 2에 얇은 벽의 플레이트로 도시되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 오리피스 플레이트(214)는 임의의 적당한 형태의 벽을 취할 수 있으며, 좁아지는 윤곽을 구비할 수도 있고, 또는 도시된 것보다 더 두꺼운 두께를 구비할 수도 있다. 대안적으로, 임의의 적당한 유동 제한부가 오리피스 플레이트(214) 대신에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 유동 제한부는, 일 부분의 직경이 나머지 부분의 직경보다 보다 좁은, 튜브를 포함할 수 있다. 숙련자는, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하는 유동 제한 오리피스(216)를 제공하기 위해 사용될 수 있는, 대안적인 유동 제한부들에 대해 쉽게 인식할 것이다.
본 실시예에에서, 도관(208)은 몇 센티미터 정도의 길이를 갖는다. 오리피스 플레이트(214)는 0.1mm 내지 4mm 의 범위의 직경을 갖는 오리피스(216)의 경계를 한정한다. 이는 초크 유동 조건를 제공하기에 충분하며, 질소 또는 아르곤과 같은 가스들에 대해, 1 liter/min 내지 40 liter/min 사이의 오리피스(216)를 통한 가스의 유량을 제공하기 충분하다. 낮은 분자량을 갖는 가스를 위해, 오리피스(216)의 직경은 유사한 유량을 달성하기 위해 축소될 수 있다. 대안적으로, 더 큰 유량을 위해, 오리피스(216)는, 상류에서의 압력이 오리피스(216)를 통한 초크유동 조건를 생성하기 위해 하류에서의 압력보다 충분히 높게 제공되면, 그에 따라 확대될 수 있다.
오리피스 플레이트(214)는 도관(208)의 내부 공간을 오리피스 플레이트(214) 상류의 상류부(218)와 오리피스 플레이트(214) 하류의 하류부(220)로 분할한다. 사용 시에, 가스가 조정기(150)의 유출구(154)로부터 도관(208)의 상류부(218)로 유동하고 있을 때, 오리피스 플레이트(214)는 유동 제한부로서 작용하며, 결과적으로 도관(208)의 상류부(218)와 하류부(220)의 사이에 압력차를 생성한다. 결과적으로, 도관(208)의 상류부(218)는 제1 압력(P1)과 제1 밀도(ρ1)에 놓이고, 도관의 하류부(220)는 제2(그리고, 사용 시에, 반드시 더 낮은) 압력(P2)과 제2 밀도(ρ2)에 놓인다. 이는 이후 상세히 설명될 것이다.
제1 하우징(210)은 도관(208)의 상류부(218)에 인접하게 위치하게 되며, 제1 센서 조립체(204)의 적어도 일부를 수용하도록 배열된다. 제1 하우징(210)의 내부는 대기압 상태일 수 있으며, 또는 도관(208)의 내부와 연통 상태에 놓여 결과적으로 유출관(158)의 내부와 동일한 압력에 놓일 수 있다. 이는, 하우징(210)과 도관(208) 내부 사이의 압력 관통(pressure feed-through)에 대한 요구를 제거할 것이다.
대안적으로, 제1 하우징(210)은 도관(208)의 일부로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 도관(208)의 일부가 센서 조립체(204)를 수용하도록 확장될 수 있다.
제2 하우징(212)은 도관(208)의 하류부(220)에 인접하게 위치하게 되며, 제2 센서 조립체(206)의 적어도 일부를 수용하도록 배열된다. 제2 하우징(212)의 내부는 대기압 상태일 수 있으며, 또는 도관(208)의 내부와 연통 상태에 놓여 결과적으로, 커플링(160)의 내부와 동일한 압력을 가질 수 있다. 이는, 제2 하우징(212)과 도관(208) 내부 사이의 압력 관통에 대한 요구를 제거할 것이다.
대안적으로, 제1 하우징(210)과 공통적으로, 제2 하우징(212)이 생략될 수 있고, 제2 센서 조립체(206)가 도관(208) 또는 커플링(160)의 일부분 내에 위치하게 될 수 있다. 예를 들어, 도관(208)의 하류부는 센서 조립체(206)를 수용하도록 확장될 수 있다.
이러한 장치들은, 본원 발명자들이 제1 및 제2 센서 조립체(204, 206)의 단지 몇몇 구성요소만이 높은 압력에 민감하다는 것을 확인하였기 때문에, 실시가능하다. 특히, 배터리와 같이 크기가 비교적 큰 구성요소들이 높은 압력에 민감할 수 있다. 그러나, 리튬 배터리들은 도관(208)의 상류부(218) 및 하류부(220) 내부에서 직면하게 되는 높은 압력 하에서도 특히 잘 수행한다는 것이 확인된 바 있다. 그러나, 대안적인 적당한 전원들이 숙련자에 의해 쉽게 예측될 수 있을 것이다.
제1 및/또는 제2 센서 조립체(204, 206)가 전체적으로 도관(208)의 내부에 의 위치하게 될 가능성은, 유량계 조립체(200)의 구성 시에, 부가적인 유연성을 제공한다. 특히, 비교적 손상되기 쉬운 전자 부품들이 전체적으로, 하우징(210)과 같은 돌출부에 대한 요구 없이, 몸체(202)의 금속 또는 복합 재료 벽들 내부에 위치하게 된다는 것은, 환경적인 또는 우발적인 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이는, 예를 들어, 가스 실린더들이 다른 가스 실린더들, 중장비류 또는 거친 표면들에 인접하게 위치하게 되는, 저장 영역들 또는 창고에서 특히 중요하다. 센서 조립체들(204, 206)의 비교적 작은 크기는 내부 배치를 쉽게 달성될 수 있도록 한다.
부가적으로, 제1 및/또는 제2 센서 조립체(204, 206)의 내부 배치는, 이러한 구성요소들을, 염분, 물 그리고 다른 오염물질과 같은 환경적 상태들로부터 보호한다. 이는, 예를 들어, 염분과 물에 의한 손상에 상당히 민감한 고 임피던스 회로가 제1 및/또는 제2 센서 조립체(204, 206)의 일부로서 사용되는 것을 허용한다.
유량계 조립체(200)는, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량을 측정하도록 배열된다. 이는, 후술하는 바와 같은 제1 및 제2 센서 조립체(204, 206)를 사용하여 측정된다.
오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량은, 특정 조건들 하에서, 제1 센서 조립체(204)만을 사용하여 정확하게 결정될 수 있다. 그러한 결정의 정확도는, 후술하는 바와 같은 오리피스(216)를 통과하는 가스의 초크 유동 조건의 존재에 의존한다. 많은 적용들을 위해, 전술한 바와 같은 오리피스(216)의 구조적 매개 변수를 사용하는 것은 아마도, 최상의 작동 조건 하의 경우일 것이다. 그러나, 더 낮은 유량에서, 이러한 조건은 충족되지 못할 수도 있으며, 제1 센서 조립체(204)에 의해 결정되는 바와 같은 질량 유량은 덜 정확할 수 있다.
질량 유량 결정의 정확도를 개선하거나 질량 유량 결정의 유효성을 표시하기 위해, 제2 센서 조립체(206)가 제공된다. 제2 센서 조립체(206)는 질량 유량 결정의 정확도를 개선하기 위해 하류의 밀도를 결정할 수 있으며, 부가적으로 또는 대안적으로, 초크 유동 조건이 충족되는지 여부를 결정할 수 있다. 따라서, 제2 센서 조립체(206)는, 제1 센서 조립체(204)와 함께, 유량계 조립체(200)에 의해 결정된 질량 유량이 정확한지에 대한 확인을 제공하도록 작동할 수 있다.
제1 센서 조립체(204)는, 구동 회로(224)에 연결되는 수정 발진기(222), 온도 센서(226), 그리고 배터리(228)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 수정 발진기(222)와 온도 센서(226)는 도관(208)의 상류부(218)의 내부와 연통 상태로 위치하게 되는 반면, 센서 조립체(204)의 나머지 구성요소는 하우징(210)의 내부에 위치하게 된다. 다시 말해, 수정 발진기(222)는 오리피스 플레이트(214)의 상류에서 가스 중에 잠겨 있게 된다. 마이크로프로세서(238)가 또한, 구동 회로(224)와 별개로 또는 구동 회로의 일부로서 제공될 수 있다.
비록, 이 경우에, 온도 센서가 요구되지는 않지만, 제2 센서 조립체(206)는 제1 센서 조립체(204)와 실질적으로 유사하다. 제2 센서 조립체(206)는 수정 발진기(230), 구동 회로(232), 그리고 배터리(234)를 포함한다. 제2 센서 조립체(206)는 마이크로프로세서(238)에 연결된다.
본 실시예에서, 수정 발진기(230)는 도관(208)의 하류부(220)의 내부와 연통 상태로 위치하게 되는 반면, 센서 조립체(206)의 나머지 구성요소는 하우징(212)의 내부에 위치하게 된다. 다시 말해, 수정 발진기(230)는 오리피스 플레이트(214)의 하류에서 가스 중에 잠겨 있게 된다.
숙련자는 전술한 장치의 대안에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제2 센서 조립체(206)는 단순히 제1 센서 조립체(204)의 구동 회로(224)에 연결되는 수정 발진기를 포함할 수 있다. 다시 말해, 제1 및 제2 센서 조립체(204, 206)는 공통의 구동 회로 및/또는 배터리 및/또는 마이크로프로세서를 공유할 수 있다.
구동 회로들(224, 232)와 수정 발진기들(222, 230)은 이후, 도 6 및 도 7을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 온도 센서(226)는 서미스터(thermistor)를 포함한다. 임의의 적당한 서미스터가 사용될 수 있다. 높은 정확도가 서미스터로부터 요구되지 않는다. 예를 들어, 0.5℃의 정확도가 본 실시예를 위해 적당하다. 결과적으로, 값싸고 작은 구성요소가 사용될 수 있다.
이러한 장치에서, 수정 발진기들(222, 230)는 도관(208)의 내부에서 일정한 평형 압력 하에 놓이며, 결과적으로, 압력 구배를 경험하지 않는다. 다시 말해, 유량계 조립체(200)의 몸체(202)의 내부와 외부 대기 사이의 압력차로부터 유래하는 임의의 기계적 응력이 몸체(202)를 가로질러 인가된다.
센서 조립체(204)의 이론 및 작동은 지금부터 도 3 및 도 4를 참조하여 설명될 것이다.
수정 발진기들(222, 230)은 각각, 발진기가 위치하게 되는 유체의 밀도에 의존하는, 공진 주파수를 갖는다. 진동 튜닝 포크(fork) 타입의 평면형 수정 발진기를 가스에 노출시키는 것은, (진공 하에서의 수정의 공진 주파수와 비교할 때) 수정의 공진 주파수의 이동(shift) 및 감쇠로 이어진다. 이에 대한 다수의 이유가 있다. 수정의 진동에 대한 가스의 감쇠 효과가 존재하지만, 개별적인 튜닝 포크 타입 수정 발진기(222, 230)의 진동 가지부들(222a, 230a)(도 9에 도시된 바와 같은)에 인접한 가스는 발진기의 유효 질량을 증가시킨다. 이는, 일측만 고정된 탄성 빔의 운동에 따라 수정 발진기의 공진 주파수의 감소로 이어진다.
Figure 112014118175316-pct00001
여기서, f는 진동수이며, f0는 진공 상태에서의 진동수이고, ρ는 가스 밀도이며, M0는 상수이다.
거의 모든 경우에, 밀도(ρ)는 M0 보다 작을 것이고, 따라서 수학식은 1차 방정식에 근접하게 될 수 있을 것이다.
Figure 112014118175316-pct00002
상기 수학식 2는, 아래의 수학식 3에 기재된 바와 같이, 진동수 f0 으로부터의 주파수 편차 Δf 에 관하여 표현될 수 있다.
Figure 112014118175316-pct00003
결론적으로, 양호한 근사치까지, 진동수의 변화는, 수정 발진기가 노출되는 가스의 밀도 변화에 비례한다. 도 10은, 다수의 상이한 가스들/가스 혼합물들에 대해, 수정 발진기(222, 230)의 공진 주파수가 밀도 함수로서 선형으로 변한다는 것을 보여준다.
일반적으로, 수정 발진기(222, 230)의 민감도는, 예를 들어, 대기압에서와 비교할 때, 250 bar 의 (32 AMU 분자량을 갖는) 산소 가스의 경우, 5%의 진동수 변화를 보이는 정도이다. 그러한 압력들 및 가스 밀도들은, 대부분의 가스들의 경우 보통 137 bar g 내지 450 bar g 사이이며, 헬륨과 수소의 경우 700 bar g 또는 900 bar g 에 이르고, 영구 가스들을 위해 사용되는 저장 실린더에 대해 전형적이다.
수정 발진기(222)는, 상용 가스를 위한 질량 유량계의 일부를 형성하는 밀도 센서로서의 사용에 특히 적당하다. 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해, 가스가 먼지와 액적으로부터 자유로울 필요가 있으며, 이는 상용 가스의 경우에는 보장되지만, 공기의 경우나 다른 일반적인 압력 모니터링 상황에서는 보장되지 않는다.
일단 밀도 값이 수정 발진기(222)로부터 획득되면, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량이 결정될 수 있다. 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량(Q)은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112014118175316-pct00004
여기서, k는 상수이며, v는 가스의 유속이고, ρ1은 가스의 상류 밀도이며, A는 오리피스(A)의 단면적이다. 그러나, 다음과 같은 베르누이 방정식으로부터,
Figure 112014118175316-pct00005
오리피스의 단면적이 감소함에 따라, 가스의 유속이 증가할 것이고 가스의 압력은 감소하게 될 것이다.
단지 하나의 상류의 수정 발진기(222)만을 사용하는 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량의 결정은, "초크" 또는 "임계" 유동으로 공지되는 바와 같은 조건에 의존한다. 그러한 상태는, 가스 유속이 음속 상태에 도달할 때, 즉 오리피스 플레이트(214)에 의해 야기되는 유동 제한이, 오리피스(216)를 통해 흐르는 가스의 유속이 음속에 도달하도록 할 때, 발생한다. 이는, 오리피스(216)를 가로지르는 압력비(즉, P1/P2)가 대략 2 이상일 때 발생한다. 대안적인 측정으로서, 이러한 조건은 일반적으로, 상류 절대 압력(P1)이 대기압에 해당하는 하류 절대 압력(P2)보다 적어도 1 bar g 높을 때, 적용 가능하다.
일단 이러한 조건이 충족되면, 오리피스(216)를 통과하는 공기의 유속에 매우 작은 추가적 증가가 존재한다. 따라서, v = c(문제의 가스에서의 음속) 인 초크 유동 조건에서, 상기 수학식 4는 다음과 같이 나타난다.
Figure 112014118175316-pct00006
결과적으로, 고정 단면적(A)을 갖는 오리피스에 대해, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량은 상류 밀도에만 의존한다. 이는, 수정 발진기(222)에 의해 측정되는 매개 변수이다.
부가적으로, 음속(c)은 절대 온도의 제곱근(√T)에 비례한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본 실시예에서, 온도 센서(226)가 특별히 정확할 필요는 없다. 예를 들어, 300K의 온도에서 온도 오차가 0.5K라면, 이는 단지 계산된 음속에서 단지 1:1200 의 오차로 환산된다. 따라서, 많은 적용들에서, 온도 센서(226)는 반드시 필요한 것은 아니다.
도 4는 질량 유량 측정의 실험적 데이터를 도시한다. 도 4는, 질소 가스에 대한 X-축 상의 가스 유량(l/min)의 함수로서의 Y-축 상의 공진 주파수(kHz)에 대한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 그래프는 상당히 선형이며, 질량 유량이 수정 발진기(222)를 사용하여 정확하게 측정될 수 있다는 것을 보여준다.
나아가, 수정 발진기(222)의 높은 정확도는, 백만 분의 일의 해상도를 갖는 매우 높은 정확도까지의 측정을 가능하게 한다. 높은 정확도는, 고밀도 및 고압에서의 수정 발진기 밀도 센서(222)의 선형 응답성과 결합되어, H2 및 He와 같은 매우 가벼운 가스의 질량 유량이 정확하게 측정될 수 있도록 한다.
그러나, 전술한 바와 같이, 수정 발진기(222)를 사용하는 질량 유량의 측정은, 단지 초크 유동 조건 하에서만, 즉, 오리피스(216)를 통과하는 유속이 가스에서의 음속에 가깝거나 이와 동일할 때만, 정확할 것이다. 이는, 실제로, 정확한 측정을 제공하기 위해 유량계(200) 내로의 특정 최소 가스 유량을 사용자가 유지할 것을 요구한다.
결론적으로, 단독으로 작동하는 상류의 단일 수정 발진기(222)가, 초크 유동 조건이 오리피스(216)의 내부에 존재하는지에 대한 지시를 제공하는 것은 불가능하다. 따라서, (제2 센서 조립체(206)의 적어도 일부를 형성하는) 제2 수정 발진기(230)가 제공된다. 오리피스(216)의 상류 및 하류 모두에 압전 센서를 사용하는 것은 정확한 유량 측정이 달성될 수 있도록 한다.
아래의 수학식 7과 관련하여, 전술한 바와 같이, 오리피스(216)를 통과하는 유체의 유속이 음속이거나 음속에 가까우면, 질량 유량(Q)은 상류 밀도(ρ1)에 비례한다. 전술한 바와 같이, 이러한 조건은 일반적으로, 상류 압력 대 하류 압력의 비율(즉, P1/P2)이 대략 2 이상인 경우, 충족된다.
그러나, 실제로는, 압력 비율이 불충분할 수 있다. 베르누이 방정식 및 초크 유동 및 음속에 관한 정립된 이론의 적용은 아래의 수학식 7로 이어진다.
Figure 112014118175316-pct00007
여기서, k' 은 무차원 상수이며, A 는 오리피스의 면적이고, ρ1 은 상류 밀도이며, ρ2 은 하류 밀도이다.
명확하게, ρ1/ρ2 ≥ 2인 경우, 초크 유동 조건이 오리피스(216)를 가로질러 존재하게 되는 것으로 간주될 수 있기 때문에, 이때 수학식 7은 상기 수학식 6에 근접하게 될 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는, 단지 제1 센서 조립체(204)로부터의 측정이, ρ1/ρ2 ≥ 2 인 상태에서의 질량 유량에 대한 정확한 표시를 제공하기 위해 활용될 수 있다.
그러나, 상기 비율이 그 보다 낮으면, 이때 수학식 7이, 상류 밀도(ρ1)와 하류 밀도(ρ2)를 개별적으로 측정하기 위한 그리고 초크 유동 조건 이하의 오리피스(216)를 통한 유량 상태에서 질량 유량을 결정하기 위한, 제1 및 제2 센서 조립체(204, 206) 모두를 사용하여 질량 유량을 계산하기 위해 활용될 수 있다.
대안적으로, 유량계(200)는 단지 제1 센서 조립체(204)로부터의 판독값(즉, 단지 상류 밀도 측정에 기초하는 질량 유량)를 제공할 수 있으며, (수정 발진기(230)를 포함하는) 제2 센서 조립체(206)는, 질량 유량 측정이 정확한 작동 상황 밖에서 이루어지고 있다는 지시를 제공하기 위해 작동할 수 있다.
도 5는 0.5mm 직경의 오리피스를 통과하는 l/min 단위의 헬륨 가스의 유량을 포함하는 실험적 데이터(다이아몬드)를 보여준다. 직선은, 2:1을 훨씬 초과하는 상류 밀도 대 하류 밀도 비율에 대한, 상류 밀도(ρ1)와 유량 사이의 선형 관계가 데이터(수학식 6)와 일치한다는 것을 보여준다. 또한, 곡선은, 더 낮은 밀도 비율에서의 유동이 어떻게, 하류 밀도(ρ2)를 고려하는 수학식 7을 사용하여 양호한 정확도로 예측될 수 있는지를 보여준다. 이러한 곡선은, 유량이 상승함에 따라 2:1의 임계 밀도 비율 주변에서 1 bar g 의 범위에 걸쳐, 수학식 7로부터 수학식 6으로 점진적으로 전환함에 의해, 획득된다.
따라서, 제2 센서 조립체의 제공은, 유량계의 유출구가 거의 또는 완전히 차단될 때 이점을, 갖는다. 이 경우, 제2 센서 조립체는, 유량계로 하여금 수학식 7(낮은 비율)을 채용하도록 하며, 낮은 또는 제로 값의 유량을 정확하게 지시할 수 있다. 제2 센서가 없다면, 유량계는, 차단이 발생하지 않았던 것과 같이, 유량을 잘못 지시할 수 있다.
도 6은 하류 밀도를 고려하는 것이 제공하는 정확도 장점을 도시한다. 도 6은 도 5로부터의 상응하는 선들을 도시한다. 부가적으로, 위쪽 곡선(짧은 파선으로 도시됨)은 단지 하류 밀도가 대기 조건인 경우에, 상류 센서에 의해 예측되는 관계를 보여준다. 정확한 값에 대한 편차는 매우 작아서, 높은 유량에서는 무시될 수 있지만, 낮은 유량에서는 상당하다. 하부 곡선(긴 파선)은, 대기압에 대비한 하류 압력이 실험적 측정에서의 압력의 두 배인 경우에 예측될 수 있는 곡선을 보여준다. 마찬가지로, 낮은 유량에서의 경우를 제외하고, 편차는 작다.
본 발명의 제2 실시예가 도 7에 도시된다. 도 7에 도시된 제2 실시예에서의, 도 2의 제1 실시예와 공통적인 특징부들은, 동일한 도면 부호가 할당되며, 여기서 반복하여 설명되지 않을 것이다.
도 7의 실시예에서, 조정기(300)는, 조정기(300)가 솔레노이드 밸브(302)에 의해 유출구(154)로부터의 가스의 자동 제어를 제공하도록 배열된다는 점에서, 도 2의 실시예의 조정기(150)와 상이하다. 또한, 제1 실시예와 달리, 단지 단일 센서 조립체(204)가 제공된다. 다시 말해, 제2 센서 조립체는 본 실시예에서 생략된다. 솔레노이드 밸브(302)는, 솔레노이드 밸브(302)의 코일들(도시하지 않음)을 통과하는 전류에 대응하여 이동가능한, 전기자(304: armature)를 포함한다. 전기자(304)는 포펫 밸브(164) 및 결과적으로 구멍(170)을 직접적으로 개방하거나 폐쇄하기 위해 이동할 수 있다. 본 실시예에서, 솔레노이드 밸브(302)는, 조정기(300)를 통과하는 가스 유동을 조정하기 위해 연속적으로 변화("근사적으로 비례하는" 것으로 공지됨)할 수 있다.
도 7에 도시된 솔레노이드 밸브(302)는 정상 개방 상태에 있다. 다시 말해, 솔레노이드 밸브(302)를 통한 전류의 부재시, 전기자(304)는, 포펫 밸브(164)가 개방되도록, 즉, 구멍(170)이 개방되도록, 신장된 위치에 놓인다. 전류가 솔레노이드 밸브(302)에 인가되면, 전기자(304)는 수축될 것이고 포펫 밸브(164)는 폐쇄될 것이다.
숙련자는, 본 발명과 더불어 사용될 수 있는 솔레노이드 밸브의 대안적인 변형예들에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 솔레노이드 밸브는 디지털 응답식(즉, 온/오프 또는 개/폐)일 수 있다. 대안적인 구조물들이 또한 실시될 수 있으며, 예를 들어, 전기자(304)가, 다이어프램(168)의 움직임을 조정하기 위해, 다이어프램에 직접 작용할 수 있고, 또는 유출구(154)와 연통 상태에 있는 좁은 도관을 통해 유동을 제어할 수 있다. 대안적으로, 포펫 밸브는 제거될 수 있으며, 다이어프램(168) 자체는 유입구(152)로부터 유출구(154)로의 가스 유동을 직접적으로 제어하는 밸브 부재일 수 있다.
제2 실시예는 제어기(350)를 포함한다. 유량계 조립체(200)와 공통적인 제어기(350)의 구성요소들은, 명료함을 위해, 동일한 참조 부호로 할당된다.
제어기(350)는, 도 7의 실시예에서, 오리피스(216)의 상류에 위치하게 되는 단일 센서 조립체(204)만을 포함하며, 제1 실시예의 제2 센서 조립체는 생략된다.
제어기(350)는 솔레노이드 밸브(302)에 그리고 센서 조립체(204)에 연결되는 전자 솔레노이드 구동부(352)를 더 포함한다. 솔레노이드 구동부(352)는 센서 조립체(204)로부터 신호를 수신하고 그러한 신호에 대응하여 솔레노이드 밸브(302)를 제어하기 위해, 그리고 결과적으로, 조정기(300)를 통한 유동을 제어하기 위해 배열된다.
솔레노이드 구동부(352)는 솔레노이드 밸브(302)를 제어하기 위한 임의의 적당한 구동 회로를 포함할 수 있다. 하나의 적당한 회로는, 센서 조립체(204)로부터 작동 증폭기의 음의 단자로의 입력을 구비하는, 작동 증폭기 장치일 수 있다. 결론적으로, 일정한 기준 레벨을 제공하도록 그리고 비교기로서 작용하도록 설계되는 가변 저항기가 양의 단자에 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 특정 임계 레벨을 초과하면, 솔레노이드 구동부(352)는 솔레노이드 밸브(302)를 활성화시킬 것이다. 이는, 아래에 상세히 설명된다. 솔레노이드 밸브(302)는, DC 전압이 최대값과 최소값 사이에서 변하는 디지털 방식(즉, 온 또는 오프)으로 제어될 수 있다. 이는, 펄스 폭 변조(PWM)로 공지된다. 대안적으로, 솔레노이드 구동부(352)로부터의 DC 전압은, 포펫 밸브(164)의 위치를 아날로그 방식으로 정확하게 조절하기 위해, 연속적으로 변화(예를 들어, 비례 관계)할 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 솔레노이드 구동부(352)는 AC 구성요소를 포함하는 DC 출력부에 의해 솔레노이드 밸브(302)를 제어할 수 있다. 솔레노이드 밸브(302)로부터의 전기자(304)의 신장은 대략 인가되는 전류에 비례하기 때문에, 이는 솔레노이드 밸브(302)의 전기자(304)를 진동하도록 야기할 수 있다. 그러한 진동은 전기자(304)의 "정지 마찰(stiction)"을 경감시키며, 즉, 전기자(304)가 점착되거나 끼이게 되는 것을 방지하도록 돕는다.
대안적으로, FET들, 마이크로프로세서들 또는 ASIC들과 같은 다른 제어 장치들이, 솔레노이드 밸브(302)의 작동을 제어하기 위해 적절함에 따라, 사용될 수 있다. 또한, 논의한 바와 같이, 솔레노이드 밸브(302)는 포펫 밸브(164) 또는 이와 유사한 것의 정확한 이동을 가능하게 하기 위해 디지털 모드(즉, 온/오프) 또는 아날로그 모드(즉, 연속적으로 가변적인)에서 작동할 수 있다.
지금부터 제어기(350)의 작동이 설명될 것이다. 전술한 바와 같이, 센서 조립체(204)(수정 발진기(222)를 포함)는, 압력을 전자적으로 제어하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다.
센서 조립체(204)로부터의 출력부는 피드백 루프 내에서 솔레노이드 밸브(302)에 연결된다. 위에서 증명된 바와 같이, 수정 발진기(222)의 공진 주파수는 오리피스(216) 상류의 가스 밀도에 비례하며, 그리고 초크 유동 조건 하에서, 오리피스(216) 상류의 가스 밀도는 오리피스를 통과하는 질량 유량(Q)에 비례한다.
따라서, 수정 발진기(222)의 특정 공진 주파수는 오리피스 상류의 특정 가스 밀도에 그리고, 초크 유동 조건 하에서, 오리피스(216)를 통과하는 특정 질량 유량에 상응한다. 결과적으로, 피드백 루프가, 수정 발진기(222)의 공진 주파수를 특정의 설정 주파수로 유지하도록 그리고 이에 수반하여 오리피스(216)를 통과하는 가스 유동을 일정 질량 유량으로 유지하도록 작동할 수 있는, 제어기(350)에서 실시될 수 있다.
일반적인 작동 원리는 다음과 같다. 수정 발진기(222)는 특정 주파수로 설정된다. 상류 밀도가 떨어지면, 이때 수정 발진기(222)의 공진 주파수는 증가할 것이다. 이후 제어기(350)는 레노이드 밸브(302) 하류의 가스 압력을 증가시키기 위해 솔레노이드 밸브(302)를 개방할 것이다. 이는 압력을 그리고 이에 수반하여 오리피스(216) 상류의 가스 밀도를 증가시킬 것이다. 이는, 이어서, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 요구되는 질량 유량에 상응하는 설정 값 주파수가 재설정될 때까지, 수정 발진기(222)의 공진 주파수를 감소시킬 것이다. 다시 말해, 제어기(350)는 설정 값의 질량 유량과 실제 질량 유량 사이의 차이를 최소화하도록 피드백 루프를 실시한다.
제어기(350)는 또한, 온도에 의존하여 솔레노이드 밸브(302)를 제어한다. 피드백 루프는, 압력을, 상수와 동일하지 않게 유지하도록, 그러나 켈빈 단위로 측정되는 절대 온도의 제곱근으로 나눈 상수(1/√T)와 동일하게 유지하도록 배열된다.
이러한 방식으로 이루어지는 전자 가스 압력 제어기는 오리피스 하류에 연결될 수 있고, 일정한 가스 유량을 제공할 것이다. 오리피스를 가로지르는 압력 비율(상류/하류)은, 가장 좁은 지점에서의 가스 유속이 대략 음속이라는 것이 그에 의해 충족되는, 임계 유동 상태로 오리피스를 유지하기에 충분해야 만, 대략 2 이상이어야만 한다. 이는 수학식 7로부터 확인될 수 있다.
수학식 6에서, 가스에서의 음속(c)은 아래의 수학식 8에 기재된 바와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014118175316-pct00008
ｒ은 비열들의 비율(Cp/Cv)이며, R은 가스 상수이고, T는 온도이며, M은 분자량이다. 따라서, 음속(c)에 대한 상기 수학식을 수학식 6 내에 대입하면 다음과 같은 수학식이 주어진다.
Figure 112014118175316-pct00009
여기서, ρ1은 수정 발진기(222)에 의해 측정되는 바와 같은 상류 밀도이다.
일반적으로, 단지 밀도와 온도만이 본 발명에 관한 적용들에서 변수이다. 따라서, 값(ρ')이 수학식 10에 기재된 바와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014118175316-pct00010
이 수학식 10을 수학식 9에 대입하면 다음과 같다.
Figure 112014118175316-pct00011
따라서,
Figure 112014118175316-pct00012
은 패키징된 가스에 대한 상수이며, k 는 임의의 특정 가스에 대한 상수이고, 오리피스의 면적(A)이 상수이기 때문에, 질량 유량은 ρ'로부터 결정될 수 있다. 결과적으로, 질량 유량은, 온도의 제곱근으로 나눈 밀도에 기초하여, 또는 실제로 온도 센서(226)에 의해 측정되는 바와 같은 온도의 제곱근으로 나눈 수정 발진기(222)의 공진 주파수에 기초하여 제어될 수 있다.
따라서, 센서 조립체(204)가 ρ'를 실질적으로 일정하게 유지하도록 솔레노이드 밸브(302)를 제어할 수 있다면, 오리피스(216)를 통과하는 질량 유량이 일정하게 유지될 것이다. 다시 말해, 솔레노이드 밸브(302)는 측정된 온도와 수정 발진기(222)의 측정된 공진 주파수 모두에 기초하여 제어될 수 있다.
제1 또는 제2 실시예는 부가적으로 검출된 가스에 관해 이루어진 측정 결과를 사용자에게 보여주기 위한 디스플레이부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 디스플레이부는 유량계 조립체(200, 350)로부터 원거리에 위치하게 될 수 있으며, 관련 데이터는 원격으로 통신될 수 있다.
수정 발진기(222)가 정확한 측정을 제공하도록 하기 위해, 수정 발진기(222)는 먼지, 수분 및 다른 오염물질이 없는 상태로 유지되어야 한다. 이는 (극도로 청정한) 상용의 패키징된 가스의 경우에는 문제가 되지 않지만, 제어기(350)는, 환경 오염이 큰 문제일 수도 있는 상황에서 사용될 수 있다.
결과적으로, 유량계 조립체(200, 350)는 수정 발진기(222)와 가스의 메인 유동 사이에 위치하게 되는 필터(354)를 구비하게 된다. 필터(354)는 임의의 적당한 기공 크기일 수 있다. 5 내지 10㎛의 범위 이내의 기공 크기가 본 적용에 특히 적당하다. 필터(354)(또는 유사한 필터)는 전술한 제1 실시예에 적용될 수 있다.
대안적으로, 필터(354)는, 수정 발진기(222)가 먼지나 다른 오염물질의 침입을 방지하기 위해 충분히 작은, 구멍의 후방에 위치하게 되는 경우에는 생략될 수 있다. 예를 들어, 0.25mm의 구멍 크기는, 가스의 총 상류 압력이 이러한 방식으로 측정될 수 있다면, 필터 없는 사용을 위해 적당할 것이다.
본 발명의 제3 실시예가 도 8에 도시된다. 제3 실시예는 제어기(450)를 포함한다. 유량계 조립체(200) 및 제어기(350)와 공통적인 제어기(450)의 구성요소들은, 명료함을 위해, 동일한 참조 부호가 할당된다.
도 8의 실시예에서, 제어기(450)는 단지 제1 실시예에서와 마찬가지로 오리피스(216)의 상류에 위치하게 되는 제1 센서 조립체(204)와 제2 센서 조립체(206)를 모두 포함한다. 따라서, 제3 실시예는 제1 및 제2 실시예의 특징부들의 조합이다.
제어기(450)는 솔레노이드 밸브(302)에 그리고 센서 조립체들(204, 206)에 연결되는 전자 솔레노이드 구동부(452)를 더 포함한다. 솔레노이드 구동부(452)는 센서 조립체들(204, 206)로부터 신호를 수신하도록 그리고 상기 신호에 응답하여 솔레노이드 밸브(302)를 제어하여 결과적으로 결과적으로 조정기(300)를 통과하는 유동을 제어하도록 배열된다.
솔레노이드 구동부(452)는 솔레노이드 구동부(352) 및 그의 임의의 다른 변형예들의 형태를 취할 수 있으며, 이에 대해 여기서 추가로 설명하지 않을 것이다. 센서 조립체들(204, 206)로부터 솔레노이드 구동부(452)로의 입력은, 솔레노이드 밸브(302)의 작동을 야기할 것이다. 예를 들어, 센서 조립체(204)(또는 대안적으로, 프로세서(240))로부터의 입력 신호가 특정 임계 레벨을 초과하면, 솔레노이드 구동부(352)가 솔레노이드 밸브(302)를 활성화시킬 것이다. 이는 아래에서 상세히 설명될 것이다. 솔레노이드 밸브(302)는, DC 전압이 최대값과 최소값 사이에서 변하는 디지털 방식(즉, 온 또는 오프)으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 솔레노이드 구동부(352)로부터의 DC 전압은, 포펫 밸브(164)의 위치를 아날로그 방식으로 정확하게 조절하기 위해, 연속적으로 변화(예를 들어, 비례 관계)할 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 솔레노이드 구동부(452)는 AC 구성요소를 포함하는 DC 출력부에 의해 솔레노이드 밸브(302)를 제어할 수 있다. 솔레노이드 밸브(302)로부터의 전자기(304)의 신장이 대략 인가되는 전류에 비례하기 때문에, 이는 솔레노이드 밸브(302)의 전자기(304)가 진동하도록 야기한다. 그러한 진동은 전기자(304)의 "정지 마찰(stiction)"을 경감시키며, 즉 전기자(304)가 점착되거나 끼이는 것을 방지하도록 돕는다.
대안적으로, FET들, 마이크로프로세서들 또는 ASIC들과 같은 다른 제어 장치가, 솔레노이드 밸브(302)의 작동을 제어하기 위해 적당한 것으로서 사용될 수 있다. 또한, 논의한 바와 같이, 솔레노이드 밸브(302)는 포펫 밸브(164) 또는 유사한 것의 정확한 움직임을 가능하게 하도록 디지털 모드(즉, 온/오프) 또는 아날로그 모드(즉, 연속적으로 가변적인)에서 작동할 수 있다.
지금부터, 제어기(450)의 작동이 설명될 것이다. 전술한 바와 같이, 센서 조립체(204)(수정 발진기(222)를 포함)와 센서 조립체(206)(수정 발진기(230)를 포함)는 압력을 전자적으로 제어하기 위한 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다.
제1 센서 조립체(204)와 제2 센서 조립체(206)로부터의 출력부가 피드백 루프 내에서 솔레노이드 밸브(302)에 연결된다. 위에서 증명된 바와 같이, 수정 발진기(222)의 공진 주파수는 오리피스(216) 상류에서의 가스 밀도에 비례하며, 초크 유동 조건 하에서 오리피스(216) 상류에서의 가스 밀도는 오리피스를 통과하는 질량 유량(Q)에 비례한다.
따라서, 수정 발진기(222)의 특정 공진 주파수가 오리피스 상류에서의 특정 가스 밀도에 그리고, 초크 유동 조건 하에서, 오리피스(216)를 통과하는 특정 질량 유량에 상응한다. 결과적으로, 피드백 루프가, 수정 발진기(222)의 공진 주파수를 특정 설정 주파수로 유지하도록 그리고, 이에 수반하여, 오리피스(216)를 통과하는 가스 유동을 일정 질량 유량으로 에 유지하도록 작동 가능한, 제어기(450)에서 실시될 수 있다.
제어기(350)는 또한, 온도에 의존하여 솔레노이드 밸브(302)를 제어한다. 피드백 루프는, 압력을, 상수와 동일하지 않게 유지하도록, 그러나 절대 온도의 제곱근으로 나눈 상수(1/√T)와 동일하게 유지하도록 배열된다.
이러한 방식으로 이루어지는 전자 가스 압력 제어기는 오리피스 하류에 연결될 수 있고, 일정한 가스 유량을 제공할 것이다. 오리피스를 가로지르는 압력 비율(상류/하류)은, 가장 좁은 지점에서의 가스 유속이 대략 음속이라는 것이 그에 의해 충족되는, 임계 유동 상태로 오리피스를 유지하기에 충분해야 만, 대략 2 이상이어야만 한다. 이는 수학식 7로부터 확인될 수 있다.
이상의 수학식 8에, 가스에서의 음속(c)이 표현된다. 따라서, 음속(c)에 대한 수학식 8을 수학식 7에 대입함으로써 아래의 수학식이 주어진다.
Figure 112014118175316-pct00013
여기서, ρ1은 수정 발진기(222)에 의해 측정되는 바와 같은 상류 밀도이며, ρ2는 수정 발진기(230)에 의해 측정되는 바와 같은 하류 밀도이다.
일반적으로, 전술한 바와 같이, 상류 밀도 및 하류 밀도 그리고 온도만이 본 발명에 관한 적용들에서 변수이다. 따라서, 제2 실시예에서와 같이, 값(ρ")이 아래의 수학식 13에 기재된 바와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014118175316-pct00014
이 수학식을 수학식 12에 대입하면, 아래의 수학식이 주어진다.
Figure 112014118175316-pct00015
따라서,
Figure 112014118175316-pct00016
은 패키징된 가스에 대한 상수이며, k는 상수이고, 오리피스의 면적(A)이 상수이므로, 질량 유량은 단지 ρ" 로부터 결정될 수 있다. 따라서, 센서 조립체들(204, 206)은 ρ" 를 실질적으로 일정하게 유지하도록 솔레노이드 밸브(302)를 제어하도록 작동할 수 있다. 다시 말해, 솔레노이드 밸브(302)는, 제1 수정 발진기(222)의 공진 주파수, 제2 수정 발진기(230)의 공진 주파수, 및 온도 센서(226)에 의해 측정되는 바와 같은 온도의 제곱근에 기초하여 제어될 수 있다.
제1, 제2 또는 제3 실시예는 부가적으로 검출된 가스에 관해 이루어진 측정 결과를 사용자에게 보여주기 위한 디스플레이부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 디스플레이부는 유량계 조립체(200) 및 제어기들(350, 450)로부터 원거리에 배치될 수도 있으며, 관련 데이터는 원격으로 통신될 수 있다.
예를 들어, 제1, 제2 또는 제3 실시예는, 예를 들어, 베이스 스테이션과의 원격 통신을 위한 안테나(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이는 아래에서 논의될 것이다. 이 경우, 안테나는 몸체(202)의 외부에 위치하게 될 수 있으며, 와이어 또는 등가의 커넥터 의해 센서 조립체(204)에 연결될 수 있다.
안테나 자체는 임의의 적당한 통신 프로토콜을 사용하도록 구성되고 배열될 수도 있으며, 예를 들어, 총망라한 것은 아닌 목록은, RFID, 블루투스, 적외선(IR), 802.11 무선, 주파수 변조(FM) 전송 또는 셀 네트워크일 수 있다.
대안적으로, 단일 와이어 통신이 실시될 수 있다. 단일 와이어 통신은 통신하기 위해 단일 금속 도전체만을 필요로 하며, 회로의 "복귀(return)" 경로는 통신 장치들 사이의 공기를 통한, 정전 결합(capacitive coupling)에 의해 제공된다. 숙련자는, 본 명세서에 논의된 실시예와 함께 사용될 수 있는, 안테나의 변형예들(및 연관된 전송 하드웨어)에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
예를 들어, 통신은 하우징(210) 내부로부터의 음향 송신에 의해 영향을 받을 수 있다. 하우징(210) 내부에 위치하게 되는 송신기가 이러한 음향 송신을 유효하게 할 수 있다. 송신기는, 예를 들어, 간단한 고정 주파수 압전 공진기를 포함할 수 있다.
상보성 수신기가 또한 요구되고, 이러한 구성요소는 유량계 조립체(200) 또는 제어기(350, 450)로부터 원거리에 위치하게 될 수도 있으며 그리고, 예를 들어, 마이크로폰과 통합된 위상 고정 루프 톤 검출기(phase-locked loop tone detector)와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다.
지금부터, 센서 조립체(204)가 도 9, 도 10 및 도 11을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 후술하는 설명은 센서 조립체(204)에 관한 것이지만, 이러한 설명이 또한 구성의 측면에서 구조적으로 및 전자적으로 유사할 수 있는 센서 조립체(206)에 적용된다는 것을 이해해야 한다.
수정 발진기(222)는 절단된 석영의 평면형 섹션을 포함한다. 수정은 압전 거동을 보이며, 즉 수정을 가로지르는 전압의 인가는, 기계적 힘을 발생시키도록, 수정의 형상적 변화를 야기한다. 반대로, 수정에 작용하게 되는 기계적 힘이 전하를 생성한다.
수정 발진기(222)의 두 개의 평행한 표면은 대부분의 수정을 가로지르는 전기적 연결들을 제공하기 위해 금속으로 피복된다. 전압이 금속 접촉들에 의해 수정을 가로질러 인가될 때, 수정은 형상을 변화시킨다. 수정에 교류 전압을 인가함에 의해, 수정은 진동하도록 야기될 수 있다.
수정의 물리적 크기 및 두께는 수정의 특성 또는 공진 주파수를 결정한다. 사실, 수정 발진기(222)의 특성 또는 공진 주파수는 두 개의 금속 피복된 표면 사이의 물리적 두께에 반비례한다. 수정 발진기들은 당 업계에 잘 알려져 있으며, 따라서 여기서 수정 발진기(222)의 구조가 추가로 설명되지 않을 것이다.
부가적으로, 수정의 공진 진동 주파수는, 수정이 위치하게 되는 환경에 의존하여 변할 것이다. 진공 상태에서, 수정은 특정 주파수를 가질 것이다. 그러나, 이러한 주파수는 상이한 환경들에서 변경될 것이다. 예를 들어, 유체 내에서의 수정의 진동은 둘러싸는 분자들에 의해 감쇠될 것이며 그리고 이는 공진 주파수 및 수정 발진기를 주어진 진폭으로 진동시키기 위해 요구되는 에너지에 영향을 미칠 것이다.
부가적으로, 가스의 흡착 또는 수정 상으로의 주변 물질들의 침착은 진동하는 수정의 질량에 영향을 미쳐, 공진 주파수를 변경할 것이다. 그러한 흡수 또는 물질의 침착은, 가스가 흡수됨에 따라 흡수 층이 수정 상에 형성되고 질량이 증가하는, 통상적으로 사용되는 선택적인 가스 분석기에 대한 기초를 형성한다.
그러나, 본 실시예의 경우에는, 코팅이 수정 발진기(222)에 도포되어 있지 않다. 실제로, 수정 발진기(222) 상으로의 물질의 침착은, 측정의 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 본 실시예의 경우에는 바람직하지 않다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수정 발진기(222)는 튜닝 포크 형상이며, 32.768 kHz의 공진 주파수로 진동하도록 배열되는 대략 5mm 길이의 한 쌍의 가지부(222a)를 포함한다. 가지부들(222a)은 석영의 평면형 섹션으로 형성된다. 포크의 가지부들(222a)은 일반적으로, 공진 주파수에서 서로를 향해 또는 서로로부터 멀어지게 동기식으로 이동하는, 기본 모드에서 진동한다.
용융(또는 비결정질) 석영은 상당히 낮은 온도 의존 팽창 계수 및 낮은 탄성 계수를 갖는다. 이는 온도에 관한 기본 주파수의 의존성을 감소시키며, 도시될 것으로서, 온도의 영향이 최소화된다.
부가적으로, AT 판 또는 SC 판인 석영을 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 석영의 평면형 섹션은 특정 각도로 절단되며, 따라서 진동 주파수에 대한 온도 계수가 실온 부근에서 넓은 피크를 갖는 포물선형이 되도록 배열될 수 있다. 따라서, 수정 발진기는, 피크의 정점에서의 기울기가 정확하게 제로(0)가 되도록 배열될 수 있다.
그러한 수정은 통상적으로 비교적 낮은 비용으로 입수할 수 있다. 진공 하에서 사용되는 대부분의 수정 발진기와는 대조적으로, 본 실시예에서, 수정 발진기(222)는 도관(208) 내에서 압력 하의 가스에 노출된다.
수정 발진기(222)를 구동하기 위한 구동 회로(224)가 도 9에 도시된다. 구동 회로(224)는 다수의 특별한 기준을 충족시켜야 한다. 첫째, 본 발명의 수정 발진기(222)는 임의의 가스 압력들의 범위에 노출될 수 있다. 잠재적으로, 압력은, 가스 실린더가 수소와 같은 가압된 가스를 수용한다면, 대기 압력(가스 실린더(100)가 비어 있을 때)으로부터 대략 900 bar g 까지 변할 수 있다. 따라서, 수정 발진기(222)는 넓은 범위의 압력 하에서 작동(그리고 비사용 기간 후에 재시동)하도록 요구된다.
결과적으로, 수정 발진기(222)의 품질(Q) 인자는 사용 도중에 상당히 변할 것이다. Q 인자는 발진기 또는 공진기의 감쇠율에 관련되는 무차원 매개변수이다. 균등하게, 이는 공진기의 그의 중심 주파수에 대한 대역폭을 특징지을 수 있을 것이다.
일반적으로, 발진기의 Q 인자가 높아질수록, 발진기의 저장 에너지에 대한 에너지 손실율이 낮아진다. 다시 말해, Q 인자가 높은 발진기의 진동은 외력의 부재 시에 더욱 느리게 진폭을 감소시킨다. 더 높은 Q 인자를 갖는 사인 곡선 구동 방식의 공진기들은 공진 주파수에서 더 큰 진폭으로 공진하지만, 그들이 공진하는 그러한 주파수 부근에서 더 작은 대역폭을 갖는다.
구동 회로(224)는 Q 인자의 변화에도 불구하고 수정 발진기(222)를 구동시킬 수 있어야 한다. 가스 실린더(100) 내의 압력이 증가함에 따라, 수정 발진기(222)의 진동은 점진적으로 감쇠될 것이고, Q 인자는 떨어지게 된다. 하락하는 Q 인자는, 구동 회로(224)의 증폭기에 의해 제공될 더 높은 게인(gain)을 요구한다. 그러나, 너무 높은 증폭이 제공되면, 구동 회로(224)가 수정 발진기(222)로부터의 응답을 구별하기 어려워질 수 있다. 이 경우, 구동 회로(224)는 단순히 연관성이 없는 주파수에서 진동하거나, 수정 발진기(222)의 비-기본 모드의 주파수에서 진동할 수 있을 것이다.
추가적인 제한으로서, 구동 회로(224)는 광전지와 같은 보충 전력과 더불어 또는 보충 전력 없이 장시간 소형의 저전력 배터리로 구동할 수 있도록 전력 소비가 적어야 한다.
지금부터, 구동 회로(224)가 도 9를 참조하여 설명될 것이다. 수정 발진기(222)를 구동하기 위해, 구동 회로(224)는 본질적으로 수정 발진기(222)로부터 전압 신호를 수신하여, 이를 증폭시키고, 다시 그 신호를 수정 발진기(222)로 공급한다. 수정 발진기(222)의 기본 공진 주파수는, 본질적으로, 석영의 팽창률 및 수축률의 함수이다. 이는 일반적으로 수정의 판 및 크기에 의해 결정된다.
그러나, 외부 인자들이 또한 공진 주파수에 영향을 미친다. 생성된 출력 주파수의 에너지가 회로에서의 손실과 일치하면, 진동은 지속될 수 있다. 구동 회로(224)는 이러한 진동수를 검출 및 유지하도록 배열된다. 주파수는 이후, 사용자에 의해 요구되는 가스의 적절한 특성을 산출하도록 그리고, 필요하다면, (이하에 설명될) 적당한 디스플레이 수단으로 출력하기 위해 사용되는, 마이크로프로세서(238)에 의해 측정될 수 있다.
구동 회로(224)는 6V 배터리(228)로부터 전원을 공급받는다. 본 실시예에서, 배터리(228)는 리튬 배터리를 포함한다. 그러나, 예를 들어, 재충전 가능한 그리고 재충전 불가능한 모든 배터리 유형들 및 태양 전지 장치와 같은, 대안적인 전원들이 당업자에게 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
구동 회로(224)는 달링턴 쌍 공통 이미터 증폭기(250)를 더 포함한다. 달링턴 쌍은 제1 트랜지스터에 의해 증폭된 전류가 추가로 제2 트랜지스터에 의해 증폭되도록 구성되는 2개의 이극 NPN 트랜지스터로 구성되는 복합 구조물을 포함한다. 이러한 구성은, 각각의 트랜지스터가 개별적으로 취해지는 것과 비교했을 때, 더 높은 전류 이득이 획득될 수 있도록 한다. 대안적으로, PNP 이극 트랜지스터들이 사용될 수 있다.
달링턴 쌍(250)은 단일 트랜지스터(T1) 공통 이미터 증폭기(252)로부터의 피드백 구성으로 배치된다. NPN 이극 접합 트랜지스터가 도 9에 도시된다. 그러나, 숙련자는 사용 가능한 대안적인 트랜지스터 장치들, 예를 들어, 이극 접합 PNP 트랜지스터 또는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 인식할 것이다.
구동 회로(224)는 버퍼 증폭기(254)로서 작용하는 추가의 NPN 이미터 팔로워 트랜지스터(T2)를 포함한다. 버퍼 증폭기(254)는 회로와 외부 환경 사이에서 버퍼로서 기능하도록 배열된다. 그러나, 이러한 특징은 임의적이며 요구되지 않을 수도 있으며, 예를 들어, FET가 회로(224)를 구동하기 위해 직접 연결될 수 있다.
커패시터(256)가 수정 발진기(222)와 직렬로 위치하게 된다. 본 예에서, 커패시터(256)는 100 pF의 값을 가지며, 수정이, 예를 들어, 염분이나 다른 침착 물질들에 의해 오염된 상황에서, 구동 회로(224)가 수정 발진기(222)를 구동하는 것을 가능하게 한다.
부가적으로, 구동 회로(224)는 수정 발진기(222)의 신속한 시동을 위해 최적화될 수 있다. 이를 위해, 추가의 저항기와 추가의 커패시터가 트랜지스터(D1)의 베이스와 접지 사이에 연결될 수 있다. 이들 구성요소는, 예를 들어, 10 MΩ 저항기 및 10 nF 커패시터를 포함할 수 있다.
이하, 대안적인 구동 회로(240)가 도 10을 참조하여 설명될 것이다. 구동 회로(240)는 전술한 구동 회로(224) 대신 사용될 수 있다. 전술한 구동 회로(224)와 대조적으로, 구동 회로(240)는 도 9의 회로의 달링턴 쌍 대신에 공통 드레인 금속 산화물 반도체 전계 효과 트렌지스터 (MOSFET) 증폭기(242)를 포함한다. MOSFET(242)은, 증폭기 스테이지의 입력 임피던스가 수정 발진기(222)의 고임피던스에 맞춰질 수 있도록 하는, 고임피던스 입력부로서 기능한다. 다시 말해, MOSFET(242)은 수정 발진기(222)에 가해지는 전기적 부하를 감소시키기 위한 높은 입력 임피던스를 갖는 단위 이득을 제공한다.
공통 드레인 MOSFET 증폭기(242)의 출력은 두 개의 연속적인 단일 트랜지스터(Q2, Q3) 공통 이미터 증폭기(244)로 공급된다. 저항기들(R6, R8)이 트랜지스터들을 위한 음의 피드백 및 바이어싱 전류 모두를 제공한다. 공통 이미터 증폭기들(244)은 수정 발진기(222)의 진동을 증폭시키기 위한 높은 이득을 제공하며, 본 실시예에서, NPN 이극 접합 트랜지스터를 포함한다. 그러나, 숙련자는, 예를 들어, 이극 접합 PNP 트랜지스터 또는 MOSFET과 같은, 사용될 수 있는 대안적인 트랜지스터 장치들을 인식할 것이다.
커패시터(246)가 수정 발진기(222)와 접지의 사이에 연결된다. 본 실시예에서, 커패시터(246)는 수정 발진기(222)에 대한 구동력을 증가시키도록 작동할 수 있다.
저항기(248)가 수정 발진기(222)와 직렬로 연결된다. 본 실시예에서, 저항기(248)는 56 kΩ의 값을 가지며, 회로가 단지 점진적인 파형의 변화를 동반하는 넓은 범위의 압력들에 걸쳐 진동하도록 하는 것을 가능하게 하기 위해, 수정 발진기(222)의 진동을 감쇠시킨다.
구동 회로(240)는 3V 배터리(249)에 의해 전력을 공급받는다. 본 실시예에서, 배터리(249)는 리튬 배터리를 포함한다. 그러나, 예를 들어, 재충전 가능한 그리고 재충전 불가능한 모든 배터리 유형들 및 태양 전지 장치와 같은, 대안적인 전원들이 당업자에게 쉽게 인식될 수 있을 것이다. 대안적으로, 메인 공급 장치가 DC 정류 및 적절한 전압 감소 이후에 사용될 수 있을 것이다.
이하, 대안적인 구동 회로(260)가 도 11을 참조하여 설명될 것이다. 도 11에 도시된 구동 회로는 피어스(Pierce) 발진기와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기들은 디지털 IC 클럭 발진기로 알려져 있다. 본질적으로, 구동 회로(260)는 단일 디지털 인버터(T)(트랜지스터 형태), 세 개의 저항기(R1, R2, RS), 두 개의 커패시터(C1, C2), 그리고 수정 발진기(222)(또는 발진기(230))를 포함한다.
본 장치에서, 수정 발진기(222)는 매우 선택적인 필터 요소로서 기능한다. 저항기(R1)는 트랜지스터(T)를 위한 부하 저항기로서 작용한다. 저항기(R2)는 피드백 저항기로서 작용하여, 선형 작동 구역에서 인버터(T)를 바이어싱한다. 이는 효과적으로, 인버터(T)가 고 이득 변환 증폭기로서 작동하도록 할 수 있다. 다른 저항기(RS)는, 이득을 제한하며 회로에서 바람직하지 않은 진동을 감쇠시키기 위해, 인버터(T)의 출력부와 수정 발진기(222)의 사이에 사용된다.
수정 발진기(222)는 커패시터들(C1, C2)과 조합으로 Pi 네트워크 대역 통과 필터를 형성한다. 이는, 수정 발진기(222)의 대략적인 공진 주파수에서 입력에 대한 출력으로부터의 전압 이득 및 180°의 위상 변이를 가능하게 한다. 전술한 구동 회로(260)는 신뢰성이 높으며, 비교적 적은 수의 구성요소를 포함하기 때문에, 제조 비용이 저렴하다. 이러한 회로는 또한, 저압 적용들에 특히 적용 가능하다.
위에 논의한 바와 같이, 센서 조립체(204)는 수정 발진기(222)와 구동 회로(224)로부터 입력들을 수신하는 마이크로프로세서(238)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(238)는 ASIC 또는 FPGA와 같은 적당한 장치를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(238)는 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량의 결정을 계산하고, 필요한 경우, 결정 값을 디스플레이 및 전송하도록 프로그램된다.
수정 발진기(222)와 함께 사용될 때, 마이크로프로세서(238)는 구동 회로(224)로부터의 신호의 주기 또는 주파수(f)를 측정하도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 고정된 시간에 걸친 진동들을 카운팅함에 의해 달성될 수 있으며, 그리고 알고리즘 또는 룩-업 테이블을 사용하여 그러한 주파수를 밀도로 변환할 수 있다. 이러한 값은 마이크로프로세서(238)로 전송된다.
마이크로프로세서(238)는 또한, 온도 센서(226)로부터 측정된 온도(T)를 수신한다. 마이크로프로세서(238)는 공급된 입력 값에 기초하여 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량을 결정하기 위한 계산을 수행하도록 배열된다.
일단 질량 유량이 결정되면, 이 데이터는 로컬 메모리에 저장될 수 있고, 디스플레이 스크린에 디스플레이될 수도 있고, 또는 원격 스테이션으로 전송될 수도 있다.
마이크로프로세서(238)는, 임의로, 상이한 가스들을 위해 사용 가능한 소프트웨어 및 하드웨어의 상이한 특징들을 갖는, 모든 유량계 조립체(200)에서 동일할 수 있도록 대량 생산 가능하게 설계될 수 있다.
부가적으로, 마이크로프로세서(238)는 또한, 마이크로프로세서(238) 및 구동 회로(224)와 수정 발진기(222)와 같은 부가적인 구성요소를 커버할 수 있는, 대기 또는 "휴면(sleep)" 모드의 실시를 통해 전력 소모를 최소화하도록 구성될 수 있다.
다양한 방안들이 실시될 수 있으며, 예를 들어, 마이크로프로세서(238)는 11초당 10초 동안 대기 상태에 놓일 수 있다. 나아가, 마이크로프로세서(238)는 수정 발진기(222)와 구동 회로(224)를 제어하여, 이들 구성요소가 대부분의 시간 동안 대기 모드에 놓일 수 있도록 하며, 더욱 전력에 굶주린(power-hungry) 구성요소들을 30초당 1/2초 동안 스위칭 온 상태에 놓이도록 한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예 또는 제3 실시예와 함께하는 사용에 적당한 조정기 구동 회로(270)를 도시한다. 조정기 구동 회로(270)는 수정 발진기(222)(및/또는 제3 실시예의 경우에 수정 발진기(230))로부터 쿼드 NAND 게이트로의 입력 주파수를 수신하도록 작동할 수 있다. NAND 게이트는 또한, 전압 조정기에 연결된 발진기로부터 설정 값 주파수를 수신한다. 쿼드 NAND 게이트는 XOR 게이트로서 기능한다.
이러한 주파수들 사이의 차이는 이어서, 이를 전압 출력으로 변환하기 위해, 주파수-전압 컨버터 내로 입력된다. 전압 출력은 이후, 증폭기(714)에 의해 증폭되고, 도 12에 도시된 10K 전위차계(potentiometer) 상의 전압에 의해 설정되는 바와 같은 설정 값 주파수로 수정 발진기(들)(222, 230)로부터의 입력 주파수를 유지하도록 하기 위해, 솔레노이드 밸브(302)의 위치를 제어하도록 사용된다.
지금부터, 본 발명의 제1 실시예의 작동 방법이 도 13을 참조하여 설명될 것이다. 후술하는 방법은 제1 실시예에만 적용 가능하다.
단계(500): 측정 초기화
단계(500)에서, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량 측정이 초기화된다. 이는, 예를 들어, 사용자가 하우징(210) 외부의 버튼을 누름으로써 활성화될 수 있다. 대안적으로, 측정은, 원격 연결에 의해, 예를 들어, 무선 네트워크를 거쳐 전송되며 안테나를 통해 유량계 조립체(200)에 의해 수신되는 신호에 의해, 초기화될 수 있다.
추가의 대안 또는 부가로서, 유량계 조립체(200)는 원격으로 또는 타이머를 사용하여 초기화하도록 구성될 수 있다. 본 방법은 단계(502)로 이어진다.
단계(502): 수정 발진기를 구동
일단 초기화되면, 구동 회로들(224, 232)은 개별적인 수정 발진기(222, 230)를 구동시키도록 사용된다. 초기화 도중에, 개별적인 구동 회로(224, 232)는 개별적인 수정 발진기(222, 230)를 가로질러 랜덤 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그러한 랜덤 전압의 적어도 일부가 개별적인 수정 발진기(222, 230)가 진동하도록 야기하기에 적당한 주파수일 것이다. 각각의 수정 발진기(222, 230)는 이후 개별적인 신호와 동기화되어 진동하기 시작할 것이다.
인식하게 될 것으로서, 수정 발진기들(222, 230)은 본질적으로, 각각의 수정의 공진 주파수가 측정되고 있는 주파수 그 자체임에 따라, 자체 수용된 검출기들 및 구동기들이다.
압전 효과에 의해, 이후, 수정 발진기들(222, 230)의 움직임은 개별적인 수정 발진기(222, 230)의 공진 주파수 대역에서 전압을 생성할 것이다. 개별적인 구동 회로(224, 232)는 이후, 수정 발진기들(222, 230)의 주파수 대역에서 생성되는 신호들이 구동 회로(224, 232)의 출력을 지배하도록, 수정 발진기(222, 230)에 의해 생성되는 신호를 증폭한다. 수정의 좁은 공진 대역은, 모든 원하지 않는 주파수를 걸러 내고, 구동 회로(224, 230)는 이어서 개별적인 수정 발진기(222, 230)를 기본 공진 주파수(f)로 구동시킨다. 일단 개별적인 수정 발진기(222, 230)가 특정 공진 주파수에서 안정화되면, 본 방법은 단계(504)로 이어진다.
단계(504): 수정 발진기의 공진 주파수를 측정
공진 주파수(f)는 도관(208)의 상류부(218) 내부의 환경 조건에 의존한다. 본 실시예에서, 공진 주파수 변화량(Δf)은, 양호한 근사치까지, 도관(208)의 상류부(218)에서의 가스의 밀도 변화의 크기에 비례하며, 밀도 증가와 더불어 감소할 것이다.
측정 값을 획득하기 위해, 수정 발진기(222)의 주파수가 대략 1s 의 주기 동안 측정된다. 이는, 정확한 측정 값을 결정하기 위해, 판독치를 안정화할 수 있도록 하기 위한 것이며 충분한 진동들이 카운팅될 수 있도록 하기 위한 것이다. 주파수 측정은 마이크로프로세서(238)에서 수행된다. 마이크로프로세서(238)는 또한, 측정이 시작되었을 때의, 시간(T1)을 기록할 수 있다.
일단 주파수가 측정되면, 본 방법은 단계(506)로 이어진다.
단계(506): 가스의 온도를 측정
단계(506)에서, 온도 센서(226)는 도관(208)의 상류부(218) 내부에서의 가스의 온도를 측정한다. 이러한 측정은 가스 유동 내에서의 음속을 정확하게 결정하기 위하여 요구된다.
전술한 바와 같이, 온도 측정은 특히 정확할 필요는 없다. 예를 들어, 온도 센서(226)가 0.5℃ 까지 정확하다면, 이는 음속의 계산을 위해 요구되는 절대 온도에 단지 대략 1200분의 일에 해당한다.
대안적으로, 본 단계는 단순히 마이크로프로세서(238)에 입력되는 고정된 온도 값을 수반할 수 있다. 이는, 예를 들어, 공지된 온도 환경이 사용되는 상황 또는 고도의 정확도가 요구되지 않는 상황에서, 일어날 수 있다. 이 경우, 온도 센서(226)는 요구되지 않는다.
단계(508): 가스의 질량 유량을 결정
본 단계는 오리피스(216)의 상류의 가스 밀도(ρ1), 오리피스(216)의 하류의 가스 밀도(ρ2), 그리고 임의로 가스의 온도(T)가 공지되는 경우에, 전술한 수학식 8을 사용하여 실행된다. 따라서, 단계(504)에서 측정된 바와 같은 공진 주파수, 단계(506)에서 측정되는 가스의 (임의의) 알려진 공지된 온도(T)를 알게 되면, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 이는, 상류 밀도와 하류 밀도가 모두 사용될 수 있기 때문에, 심지어 초크 유동 조건(수학식 7에 기재된)이 충족되지 않는 경우에도, 적용된다. 이후, 본 방법은 단계(510)로 이어진다.
대안적으로, 질량 유량의 측정은, 오리피스(216)의 상류의 가스 밀도(ρ1) 및 임의로 가스 온도(T)가 공지되어 있는 초크 유동 조건에 대해, 수학식 7을 사용하여 실행될 수 있다. 따라서, 단계(504)에서 측정되는 바와 같은 수정 발진기(222)의 공진 주파수 및 단계(506)에서 측정되는 가스의 (임의의) 알려진 온도(T)를 알게 되면, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량(Q)의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 부가적으로, 수정 발진기(230)에 의한 오리피스(216) 하류의 가스 밀도(ρ2)의 측정은 또한, 수정 발진기(222)에 의해 이루어지는 측정의 정확도에 대한 지시를 제공하도록 활용될 수 있다. 이후, 본 방법은 단계(510)로 이어진다.
단계(510): 결과값을 전송 및 저장
가스의 질량 유량은 다수의 방식으로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 하우징(210), 몸체(202) 또는 조정기(150, 300)에 부착되는 스크린(도시하지 않음)이 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량(및 결과적으로 커플링(160)으로 배출되는 가스의 질량 유량)을 디스플레이할 수 있다. 대안적으로, 질량 유량 측정값은, 아래에 설명될 것으로서, 인접한 장착물 또는 베이스 스테이션 상에 위치하게 되는 유량계로 원격 전송될 수 있다.
또 다른 대안으로서, 시간(T1)에서의 가스의 질량 유량은, 시간 기록을 생성하기 위해 상기 마이크로프로세서(238)의 로컬 메모리에 저장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 대안적인 실시예에서, 경고 메시지가, 초크 유동 조건에서는 유량이 너무 느려서 오리피스(216)를 통한 가스의 방출이 불가능할 수도 있기 때문에, 측정되는 바와 같은 질량 유량이 정확하지 않을 수도 있다는 것을 지시하기 위해, 사용자에게 디스플레이될 수 있다.
이후, 본 방법은 단계(512)로 이어진다.
단계(512): 센서 조립체를 전원 차단
유량계 조립체(200)를 항상 작동 중인 상태로 유지할 필요는 없다. 반대로, 비사용 시에 유량계 조립체(200, 350)를 스위치 오프하여 전력 소모를 줄이는 것이 유익하다. 이는, 배터리(228)의 수명을 연장시킨다.
구동 회로(224)의 구성은, 수정 발진기(222)가 도관(208)의 상류부(214)에서의 압력과 무관하게 재시동되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 유량계 조립체(200, 350)는 배터리 전력을 절감하기 위하여 필요한 경우 전원 차단될 수 있다.
지금부터, 본 발명의 제2 및 제3 실시예의 작동 방법이 도 14를 참조하여 설명될 것이다. 아래에 설명되는 방법은 제2 및 제3 실시예에만 적용 가능하다.
단계(600): 측정 초기화
단계(600)에서, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량 측정이 초기화된다. 이는, 예를 들어, 사용자가 하우징(210) 외부의 버튼을 누름으로써 활성화될 수 있다. 대안적으로, 측정은, 원격 연결, 예를 들어, 무선 네트워크를 거쳐 전송되며 그리고 안테나를 통해 제어기(350, 450)에 의해 수신되는, 신호에 의해 초기화될 수 있다.
이 시점에서, 특히 요구되는 가스의 질량 유량이 사용자에 의해 입력된다. 이는 이후에, 수정 발진기(222)(및 제3 실시예의 경우에는 수정 발진기(230))의 특정 설정 값 주파수에 도달하도록 그리고 특정 가스 유동을 유지하도록 하기 위해 그러한 특정 주파수로 수정 발진기(222)를 유지하도록 적당하게 프로그램되어 있는, 조정기 구동 회로(270) 및 제어기(350, 450)에 저장된다.
다른 대안 또는 부가로서, 제어기들(350, 450)은 원격으로 또는 타이머를 사용하여 초기화하도록 구성될 수 있다. 본 방법은 단계(602)로 이어진다.
단계(602): 수정 발진기(들)을 구동
일단 초기화되면, 구동 회로(224)가 수정 발진기(222)를 구동하기 위해 사용된다. 제2 실시예의 경우, 구동 회로(232)가 또한 수정 발진기(230)를 구동하기 위해 사용된다. 초기화 도중에, 구동 회로(224, 232)들은 또는 그들 각각은 개별적인 수정 발진기(222, 230)를 가로질러 랜덤 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그러한 랜덤 전압의 적어도 일부는 개별적인 수정 발진기(222, 230)가 진동하도록 야기하기에 적당한 주파수 일 것이다. 각각의 수정 발진기(222, 230)는 이후 개별적인 신호와 동기화되어 진동하기 시작할 것이다.
인식하게 될 것으로서, 수정 발진기들(222, 230)은 본질적으로, 각각의 수정의 공진 주파수가 측정되는 주파수 그 자체이기 때문에, 자체 수용되는 검출기들 및 구동기들이다.
압전 효과에 의해, 이후, 수정 발진기들(222, 230)의 움직임은 개별적인 수정 발진기(222, 230)의 공진 주파수 대역 내의 전압을 생성할 것이다. 구동 회로들(224, 232)은 또는 그 각각은 이후, 수정 발진기(222, 230)의 주파수 대역에서 생성되는 신호들이 구동 회로(224, 232)의 출력을 지배하도록, 수정 발진기(222, 230)에 의해 생성되는 신호를 증폭한다. 수정 발진기의 좁은 공진 대역은 모든 원하지 않는 주파수들을 걸러 내며, 구동 회로(224, 230)는 이어서 개별적인 수정 발진기(222, 230)를 기본 공진 주파수(f)로 구동한다. 일단 개별적인 수정 발진기(222, 230)가 특정 공진 주파수에서 안정화되면, 본 방법은 단계(604)로 이어진다.
단계(604): 수정 발진기(들)의 공진 주파수를 측정
공진 주파수(f)는 도관(208)의 상류부(218) 내부의 환경 조건에 의존한다. 본 실시예에서, 공진 주파수의 변화량(Δf)은, 양호한 근사치까지, (수정 발진기(222)의 경우) 도관(208)의 상류부(218)에서의 가스의 밀도 변화의 크기에 비례하며, 밀도 증가와 더불어 감소할 것이다. 동일한 원리가 제3 실시예의 경우의 수정 발진기(230)에 적용된다.
측정 값을 획득하기 위해, 수정 발진기들(222, 230) 또는 그들 각각의 주파수가 대략 1s 의 주기 동안 측정된다. 이는, 정확한 측정 값을 결정하기 위해, 판독치를 안정화할 수 있도록 하기 위한 것이며 충분한 진동들이 카운팅될 수 있도록 하기 위한 것이다. 주파수 측정은 마이크로프로세서(238)에서 수행된다. 마이크로프로세서(238)는 또한, 측정이 시작되었을 때의, 시간(T1)을 기록할 수 있다.
일단 주파수가 측정되면, 본 방법은 단계(606)로 이어진다.
단계(606): 가스의 온도를 측정
단계(606)에서, 온도 센서(226)는 도관(208)의 상류부(218) 내부에서의 가스의 온도를 측정한다. 이러한 측정은 가스 유동 내에서의 음속을 정확하게 결정하기 위해 요구된다.
단계(608): 피드백 루프를 유지
제어기(350, 450)는, 특정 질량 유량을 얻기 위해 발진기(230)(필요에 따라)를 포함하는 제3 실시예가 사용되는 경우, 전술한 수학식 11에 따라, 즉, 수정 발진기(222)의 진동수(또는 수학식 13)를 사용함으로써, 피드백 루프를 유지하도록 작동할 수 있다.
다시 말해, 온도(T)의 제곱근으로 나눈 오리피스(216) 상류의 가스 밀도(ρ1)의 관계식(제2 실시예) 또는 온도(T)의 제곱근으로 나눈 오리피스(216) 하류의 가스 밀도(ρ2) 및 오리피스(216) 상류의 가스 밀도(ρ1)의 함수(제3 실시예)가, 비례적인 가스 유동이 생성되는 것을 가능하도록 하기 위해 사용된다.
따라서, 온도에 비례하는 신호의 제곱근으로 나눈 수정 발진기(222)의 공진 주파수(또는 제3 실시예에서 발진기(222)와 발진기(230) 모두의 함수)가 오리피스(216)를 통과하는 일정한 가스 유동을 유지하기 위한 솔레노이드 밸브(302)의 비례적인 개방/폐쇄에 의해 사전 결정된 값으로 유지될 수 있다.
단계(610): 결과값을 전송 및 저장
사용자는 가스의 특정 질량 유량을 구체화할 수 있다. 따라서, 이러한 조건이 충족되면, 추가의 디스플레이부는 요구되지 않는다. 그러나, 임의로, 가스의 실제 질량 유량이 다수의 방식으로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 하우징(210), 몸체(202) 또는 조정기(150, 300)에 부착되는 화면(도시하지 않음)은, 오리피스(216)를 통과하는 가스의 질량 유량(및 결과적으로 커플링(160)에서 배출되는 가스의 질량 유량)을 디스플레이할 수 있다. 대안적으로, 질량 유량 측정값은, 아래에 설명될 것으로서, 베이스 스테이션으로 또는 인접한 장착물 상에 위치하게 되는 유량계로 원격 전송될 수 있다.
또 다른 대안으로서, 시간(T1)에서의 가스의 질량 유량은, 시간 기록을 생성하기 위해 상기 마이크로프로세서(238)의 로컬 메모리에 저장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 대안적인 실시예에서, 경고 메시지가, 초크 유동 조건에서는 유량이 너무 느려서 오리피스(216)를 통한 가스의 방출이 불가능할 수도 있기 때문에, 측정되는 바와 같은 질량 유량이 정확하지 않을 수도 있다는 것을 지시하기 위해, 사용자에게 디스플레이될 수 있다.
전술한 실시예들의 변형들이 숙련자에게 명백할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어 구성요소의 정밀한 구성은 상이할 수도 있지만, 여전히 본 발명의 범위 내에 속한다. 숙련자는 사용될 수 있는 대안적인 구성들에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
예를 들어, 전술한 실시예들은 32.768 kHz의 기본 주파수를 갖는 수정 발진기를 사용하였다. 그러나, 대안적인 주파수들에서 작동하는 수정들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 60 kHz 및 100 kHz에서 작동하는 수정 발진기가 전술한 실시예들과 함께 사용될 수 있을 것이다. 상이한 수정들에 대한 밀도와 함께 주파수 변화를 보여주는 그래프가 도 15에 도시된다. 다른 예로서, 1.8 MHz의 주파수에서 작동하는 수정 발진기가 사용될 수 있다.
더 높은 주파수에서의 작동은, 더 짧은 시간 기간이 주어진 횟수의 사이클의 샘플링에 요구되기 때문에, 압력을 더욱 빈번하게 모니터링되도록 할 수 있다. 부가적으로, 더 높은 주파수의 수정 발진기는, 수정 발진기의 "휴면" 모드에서 더 짧은 듀티 사이클이 사용되도록 할 수 있다. 설명으로서, 대부분의 경우, 수정 발진기와 구동 회로는 대부분의 시간을 스위치 오프 상태에서 소모할 것이고, 측정이 필요한 경우에만 1초 정도만 스위치 온 상태가 될 것이다. 이는, 예를 들어, 일분에 한 번씩 발생할 수 있다. 더 높은 주파수의 수정 발진기가 사용될 때, 압력은 더 빨리 측정될 수 있다. 따라서, 수정 발진기가 작동되는 시간이 감소하게 될 수 있다. 이는 전력 소모를 감소시킬 수 있으며 이에 수반하여 배터리의 수명을 개선할 수 있다.
부가적으로, 전술한 실시예들은 수정 발진기의 절대 주파수를 측정함으로써 설명되었다. 그러나, 가스 실린더와 관련된 조정기 내에 일체화되는 자체 수용된 전자 부품들에서, 센서가 해당 주파수를 동일한 유형의 그러나 진공 또는 압력 패키지에 둘러싸이는 기준 수정 발진기와 비교함에 의해 센서의 주파수 변이를 측정하는 것이 유리할 수 있다. 압력 패키지는 선택된 밀도의 가스 또는 대기압 조건 하의 가스를 포함할 수도 있으며, 또는 가스 실린더 외부의 대기에 개방될 수 있다.
적당한 센서 조립체(700)가 도 16에 도시된다. 센서 조립체(700)는 제1 수정 발진기(702)와 제2 수정 발진기(704)를 포함한다. 제1 수정 발진기(702)는, 진공 하의 밀봉 용기(706) 내부에 위치하게 되는, 기준 수정 발진기이다. 제1 수정 발진기(702)는 구동 회로(708)에 의해 구동된다.
제2 수정 발진기(704)는 앞선 실시예들에서 설명된 수정 발진기(222)와 유사한 수정 발진기이다. 제2 수정 발진기(704)는 하우징(210) 내부의 가스 환경에 노출된다. 제2 수정 발진기(704)는 구동 회로(710)에 의해 구동된다.
이러한 비교는, 두 개의 주파수 신호를 조합하고 두 개의 수정 발진기 사이의 차이와 동일한 주파수로 출력을 생성하는, 전자 혼합 회로(712)를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 온도로 인한 작은 변화들이 무효화될 수 있도록 한다.
나아가, 센서 조립체(204)에 사용되는 회로는, 측정되도록 하기 위해 단지 주파수 차이만이 요구되기 때문에, 단순화될 수 있다. 또한, 이러한 접근법은 특히, 수정 발진기의 주파수를 직접적으로 측정하기 어려울 수 있는, 고주파(MHz) 수정 발진기와 함께하는 사용을 위해 적당하다.
부가적으로, 밀도, 질량 또는 질량 유량을 측정하고 디스플레이하기 위해 요구되는 모든 전자 부품이 가스 실린더 상에 또는 내에 장착될 필요는 없다. 예를 들어, 전자 기능들이, 실린더 상에 영구적으로 장착되는 유닛들 및 종래 기술의 유량계를 위해 일반적으로 사용되는 위치와 같은 실린더의 유출구 상에 일시적으로 장착되거나 사용자의 사용 스테이션에 장착되는 유닛들 사이에서 분산될 수 있다.
이러한 장치의 일 예가 도 17에 참조로 도시된다. 장치는 가스 실린더(800), 조정기(802), 및 질량 유량계(804)를 포함하는 가스 실린더 조립체(80)를 포함한다. 가스 실린더(800), 조정기(802), 그리고 질량 유량계(804)는 실질적으로, 이전 실시예를 참조하여 앞서 설명된 바와 같은 가스 실린더(100), 조정기(150), 그리고 유량계 조립체(200) 또는 제어기(350, 450)와 실질적으로 유사하다.
본 실시예에서, 질량 유량계(804)는 앞선 실시예들의 수정 발진기(222) 및 구동 회로(224)와 유사한 수정 발진기 및 구동 회로(도시하지 않음)를 포함한다. 안테나(806)가, 임의의 적당한 원격 통신 프로토콜, 예를 들어, 블루투스, 적외선(IR) 또는 RFID를 통한 통신을 위해 제공된다. 대안적으로, 단일 와이어 통신이 사용될 수 있다.
다른 대안으로서, 음향 통신 방법이 사용될 수 있다. 그러한 방법의 장점은, 원격 통신이 외부 안테나에 대한 요구 없이 유효해질 수 있다는 점이다.
연결관(808)이 가스 실린더(800)의 유출구에 연결된다. 연결관은 신속 연결 접속부(810)에 의해 종결된다. 신속 연결 접속부(810)는 배관 연결 작업을 가능하게 하거나, 구성요소들이 가스 실린더(800)에 대해 신속하고 용이하게 연결되도록 또는 분리되도록 할 수 있다.
신속 연결 유닛(850)이 가스 실린더(800)로의 연결을 위해 제공된다. 상보형 신속 연결 접속부(812)가 접속부(810)로의 연결을 위해 제공된다. 나아가, 신속 연결 유닛(850)은 데이터 유닛(852)을 구비한다. 데이터 유닛(852)은 디스플레이부(854) 및 가스 실린더 조립체(80)의 안테나(804)와의 통신을 위한 안테나(856)를 포함한다. 디스플레이부(854)는, 전력 소비를 최소화하며 디스플레이부의 가시성을 최대화하기 위하여, 예를 들어, LCD, LED, 또는 주광 판독 가능한 디스플레이부를 포함할 수 있다.
데이터 유닛(852)은 가스 실린더 조립체(80)의 센서 조립체(802)에 의해 측정되는 바와 같은 다양한 매개 변수를 기록할 수 있다. 예를 들어, 데이터 유닛(852)은 질량 유량 대 시간을 기록할 수 있다. 그러한 기록은, 예를 들어, 중요한 구성요소들 상에서의 긴 시간의 가스 용접 도중에 가스 유동이 존재하였고 정확했다는 것을 체크하기를 또는 특정 사용자의 사용처에 회사 데이터를 제공하기를 희망하는, 용접 계약자에게 유용할 수 있다.
대안적으로, 데이터 유닛(852)으로부터의 데이터는, 경고 메시지와 함께, 유도된 매개 변수의 계산을 허용하기 위해, (용접 적용들을 위한) 컴퓨터화 활용가능용접 기계나 다른 가스 사용 장비로 출력될 수 있다.
부가적으로, 데이터 유닛(852)은 아래의 기능을 제공하도록, 즉 가스 유형이 변경되는 경우 청각적 또는 시각적 경고를 제공하도록, 가스의 사용에 관한 데이터를 제공하고 디스플레이하도록, 다중 모드 작동, 예를 들어, 공급자/충전자 모드 및 사용자 모드를 제공하도록, 데이터의 입력을 허용하도록, 실린더 번호, 가스의 유형, 분석의 인증, 사용자 히스토리(누가 어느 시점에 걸쳐 실린더를 소유하였는지), 안전 데이터와 같은 데이터를 제공하도록 배열될 수 있으며, 작동 팁들이 실린더 상에 개요 형태로 마련될 수 있다.
대안으로서, 이상의 예들 모두는, 임의로, 유량계 조립체(200) 또는 제어기(350, 450)의 관점에서 논의되는 바와 같이, 전체적으로 가스 실린더(800) 또는 하우징(210) 상에 (또는 그 내부에) 위치하게 되는 시스템에 의해, 처리되고, 저장되며 또는 획득될 수 있다.
전술한 실시예들은 수정 발진기의 사용을 참조하여 설명되었지만, 숙련자는 또한 사용될 수 있는 대안적인 압전 재료들에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 총망라한 것이 아닌 리스트는, 리튬 탄탈산염, 리튬 니오브산염, 리튬 붕산염, 베를리나이트, 갈륨 비산염, 리튬 사중 붕산염, 알루미늄 인산염, 비스무트 게르마늄 산화물, 다결정 지르코늄 티탄산염 세라믹, 고알루미늄 세라믹, 실리콘 산화 아연 합성물, 또는 타르타르산염 이칼륨을 포함하는, 결정 발진기들을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 특히 도시된 예를 참조하여 설명되었다. 특정 예들이 도면에 도시되고 본 명세서에서 상세히 설명되고 있지만, 그러한 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한할 의도가 아니라는 것을 이해하여야 한다. 변형들 및 수정들이 본 발명의 범위 내에서 설명된 예들에 대해 이루어질 수도 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (15)

  1. 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배열되는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동으로 제어하는 방법으로서, 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류와 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기 및 온도 센서를 포함하는 제어기를 사용하며, 상기 압전 발진기는 상기 오리피스 상류의 가스 밀도에 비례하는 공진 주파수를 갖고, 상기 오리피스 상류의 가스 밀도는 초크 유동 조건 하에서 상기 오리피스를 통과하는 질량 유량에 비례하는, 가스 질량 유량 자동 제어 방법에 있어서,
    a) 상기 압전 발진기를 공진 주파수로 구동하는 단계;
    b) 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 단계;
    c) 상기 온도 센서를 사용하여, 상기 가스의 온도를 측정하는 단계;
    d) 상기 공진 주파수와 온도로부터 유도되며 그리고 상기 오리피스를 통과하는 특정 질량 유량을 나타내는 함수의 사전 결정된 목표 값을 저장하는 단계; 그리고
    e) 상기 오리피스를 통과하는 가스의 상기 특정 질량 유량을 유지하기 위해, 상기 가스의 상기 측정된 온도 및 상기 압전 발진기의 측정된 공진 주파수의 함수와 상기 목표 값 사이의 차이를 최소화하도록, 전자 피드백 루프에 의해 상기 전자 밸브를 제어하는 단계를 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 e) 단계는, 상기 가스의 절대 온도 제곱근으로 나눈 상기 압전 발진기의 공진 주파수에 비례하는 함수에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하는 것을 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전자 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 오리피스의 하류에서 가스와 접촉하는 추가의 압전 발진기를 더 사용하며,
    상기 a) 단계는, 상기 추가의 압전 발진기를 공진 주파수로 구동하는 것을 더 포함하고,
    상기 b) 단계는, 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하는 것을 더 포함하며,
    상기 e) 단계는, 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기 및 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수 그리고 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하는 것을 더 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    f) 상기 압전 발진기의 공진 주파수와 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수로부터, 상기 오리피스 상류의 가스 밀도와 상기 오리피스 하류의 가스 밀도를 결정하는 것을 더 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    g) 상기 오리피스 상류의 가스 밀도 대 상기 오리피스 하류의 가스 밀도의 비율을 결정하는 단계를 더 포함하는 것인, 가스 질량 유량 자동 제어 방법.
  7. 가스의 질량 유량을 조정하기 위한 제어기로서,
    상기 제어기는, 사용 시에 자체를 통한 초크 유동이 발생하도록 배치되는 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 자동 제어하도록 작동할 수 있고,
    상기 제어기는, 가스 공급원의 하류에 위치하게 되는 전자 밸브, 상기 오리피스의 상류 및 상기 전자 밸브의 하류에서 가스와 접촉하는 압전 발진기 및 온도 센서를 포함하며,
    상기 압전 발진기는 상기 오리피스 상류의 가스 밀도에 비례하는 공진 주파수를 가지며, 그리고 상기 오리피스 상류의 가스 밀도는 초크 유동 조건 하에서 상기 오리피스를 통과하는 질량 유량에 비례하며,
    상기 제어기는, 상기 압전 발진기를 공진 주파수로 구동하도록; 상기 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하도록; 상기 온도 센서를 사용하여, 상기 가스의 온도를 측정하도록; 상기 공진 주파수와 온도로부터 유도되며 그리고 상기 오리피스를 통과하는 특정 질량 유량을 나타내는 함수의 사전 결정된 목표 값을 저장하도록; 그리고 상기 오리피스를 통과하는 가스의 상기 특정 질량 유량을 유지하기 위해, 상기 가스의 상기 측정된 온도 및 상기 압전 발진기의 측정된 공진 주파수의 함수와 상기 목표 값 사이의 차이를 최소화하도록 전자 피드백 루프에 의해 상기 전자 밸브를 제어하도록 작동할 수 있는 것인, 가스 질량 유량 조정을 위한 제어기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가스의 절대 온도 제곱근으로 나눈 상기 압전 발진기의 공진 주파수에 비례하는 함수에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하도록 추가로 작동할 수 있는 것인, 가스 질량 유량 조정을 위한 제어기.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 전자 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함하는 것인, 가스 질량 유량 조정을 위한 제어기.
  10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 오리피스의 하류에서 가스와 접촉하는 추가의 압전 발진기를 더 포함하며,
    추가로, 상기 추가의 압전 발진기를 공진 주파수로 구동하도록; 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수를 측정하도록; 그리고 상기 오리피스를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하기 위해 상기 압전 발진기 및 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수 그리고 가스의 온도에 대응하여 상기 전자 밸브를 제어하도록 배열되는 것인, 가스 질량 유량 조정을 위한 제어기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 압전 발진기의 공진 주파수와 상기 추가의 압전 발진기의 공진 주파수로부터, 상기 오리피스 상류의 가스 밀도와 상기 오리피스 하류의 가스 밀도를 결정하도록 추가로 작동할 수 있는 것인, 가스 질량 유량 조정을 위한 제어기.
  12. 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행 가능하며 그리고 제 1항 또는 제2 항에 따른 방법을 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품을 구비하는 것인, 컴퓨터 사용 가능한 저장 매체.
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