KR101839463B1 - Pvt 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

PVT 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법이 제공된다. 이 장치는, PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치로서, 제1 탱크, 상기 제1 탱크로 가압 기체를 공급하는 제2 탱크, 상기 가압 기체가 정해진 유량 흐름으로 상기 제1 탱크로 공급되도록 하고, 상기 가압 기체의 질량 유량을 측정하는 유량 흐름 제어기, 상기 가압 기체의 질량 유량을 균일한 상태로 상기 제1 탱크로 주입하기 위한 서로 엇갈려 온오프되는 복수개의 밸브를 포함하는 바이패스부, 상기 가압 기체의 주입에 따른 상기 제1 탱크 내부의 압력 변화를 측정하는 압력 센서, 그리고 상기 제1 탱크 내부의 온도 변화를 측정하는 온도 센서를 포함하고, 상기 가압 기체의 질량 유량, 압력 및 온도를 이용하여 측정된 상기 가압 기체의 부피를 제외한 상기 제1 탱크 내부의 잔량이 측정된다.

Description

PVT 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법{PVT MASS GAUGING APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

액체 연료 우주 로켓 발사체의 경우, 수백 톤의 무게에서 약 90%의 높은 비율을 연료 및 추진제가 차지하고 있기 때문에 추진제 총량 대비 1% 수준의 충진량 차이는 수 톤의 무게 차이를 유발한다. 따라서, 경제적인 관점에서뿐만 아니라 설계 효율 향상의 관점에서 볼 때 초기 추진제 충진량의 최적화는 반드시 수행되어야 한다.

추진제 사용량을 미리 예측하는 것은 매우 어렵기 때문에 발사체의 비행 종료 후 추진제 잔량을 계측하여 추진제의 실사용량을 파악하는 방식이 필요하다.

또한, 이원 추진제 시스템(bipropellant system)에서는 잔량 정보를 이용하여 추진 단계에서 추진제를 선택적으로 가압해 연료와 산화제의 소비 속도를 조절할 수 있기 때문에 최종 추진제 잔량을 줄이고, 비행시간을 늘일 수 있다. 이와 같은 이유로 최근 액체 추진제 로켓의 비행 중 추진제 잔량 계측의 필요성이 강조되고 있다.

우주 임무를 수행하는 발사체 혹은 위성은 지구와 다르게 궤도 운동으로 인한 혹은 가속도가 없는 조건에 놓이게 되어 저중력 상태에 노출된다. 우주상의 저중력 상태에서는 액체의 표면장력이 중력보다 지배적인 상황에 놓인다. 이러한 상황은 액체의 표면장력과 중력 가속도의 비율을 나타내는 무차원수인 결합수(Bond number)로 구분되며, 결합수(Bond number)가 1보다 작은 경우 표면 장력이 중력보다 지배적인 상황이다.

따라서, 액체 추진제를 사용하는 경우 추진제의 부착력, 응집력, 표면 장력 등이 매우 작은 중력 가속도보다 유체의 거동에 더 큰 영향을 미치므로 추진제 탱크내의 상부 가압가스와 하부 액체 추진제가 명확하게 분리되지 않는다.

또한, 발사체에서 사용되는 액체 추진제는 일반적으로 극저온 유체로 온도가 매우 낮다. 반면, 가압 가스로 사용되는 헬륨은 상온 또는 가열된 고온 상태로 주입되므로 탱크 내부에서는 열적 비평형(thermal non-equilibrium) 상태가 일어나며 이는 극저온 추진제의 잔량 계측을 더욱 어렵게 한다. 이와 같이, 일반적인 중력, 상온 상황과 매우 다른 저중력, 극저온과 같은 극한 상황에서의 추진제 잔량 측정은 기존 방법과 다른 측정법이 적용되어야 한다.

종래에 사용되는 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 측정법은 가압 기체를 극저온 유체 저장 용기 내부로 주입하여 저장 용기 내부의 기체 부분의 압력 및 온도 변화와, 주입되는 가압 기체의 질량 측정을 통하여 내부 기체 부피를 측정한다. 그리고 이를 통해 최종적으로 내부 액체 잔량 부피를 구하는 방식이다. 이때, 가압 기체는 헬륨이다.

헬륨 주입 질량 유량의 경우는 초기 수 초 동안 작은 질량 유량으로 유입되면서 점차 증가하여 정상 상태의 질량 유량에 도달한다.

초기 헬륨의 주입 질량이 작음에도 불구하고 가압 증분은 오히려 크게 이루어지는 물리적 이론과 반하는 현상으로 인해 초기 구간에서 매우 큰 PVT 측정오차가 발생한다.

이러한 현상의 원인은 실험적 오차로써 열식 유량계의 반응 시간(200 msec. 이하)이 상대적으로 압력 센서의 반응 시간(300 Hz, 약 3.3 msec.)에 비해 매우 길기 때문이다. 이는 열교환 계수 측정을 통해 유체의 질량 유량을 측정하는 열식 유량계의 기본적인 특성이다. 이러한 느린 반응 속도 때문에 열식 유량계의 초기 구간에서 낮은 유량 신호가 과도적으로 나타난다.

반면, 극저온 상태의 저장 탱크 내부로 상온(300 K)의 기체 헬륨이 순간적으로 주입되므로, 그 시점에서는 탱크 내벽과의 열교환이 원활하지 못하여 순간적으로 높은 가압 상황이 필연적으로 발생한다.

PVT 측정 오차는 헬륨 가압을 시작할 때의 초기 시점과 측정 시점 사이의 온도와 압력의 차이, 그리고 주입된 헬륨 기체의 질량을 토대로 계산되므로 위와 같은 초기 수 초 구간에서 발생하는 큰 오차는 측정하는 시간 동안 계속 측정 오차에 영향을 미친다.

또한, PVT 측정을 위한 헬륨 가압이 계속되어야만 초기 오차가 전체에 미치는 영향이 줄어들어 오차가 점차 0에 수렴하는 경향을 보인다. 주입 유량 변화에 따라 오차의 변화 곡선의 차이가 뚜렷하다. 유량이 클수록 오차가 수렴하는 속도가 빨라지는 경향을 보인다. 이는 유량이 클수록 압력 증분량(pressure increment)이 커지기 때문에 초기 오차의 영향이 그만큼 빠르게 줄어들기 때문이다. 가압 용기 내부에 액체 질소가 존재하게 되면, 내부에서 발생하는 상변화로 인하여 PVT 측정 오차가 더욱 커진다.

특히, 주입 및 가압 시간이 짧은 경우, 과도 해석에서의 측정 오차가 정상 상태에 도달하지 못하여 그 오차를 파악하기가 어렵다. 가장 큰 문제는 가압 시간에 따라 측정 오차가 크게 차이가 난다는 점과 가압 시간이 충분하더라도 내부 상변화로 인하여 측정 오차 곡선이 정상 상태로 수렴한다는 확신이 없다는 점이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 바이패스 장치와 차분화 분석법을 적용하여 초기 오차 문제를 해결하는 PVT 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특징에 따르면, PVT 유체 잔량 측정 장치는 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치로서, 제1 탱크, 상기 제1 탱크로 가압 기체를 공급하는 제2 탱크, 상기 가압 기체가 정해진 유량 흐름으로 상기 제1 탱크로 공급되도록 하고, 상기 가압 기체의 질량 유량을 측정하는 유량 흐름 제어기, 상기 가압 기체의 질량 유량을 균일한 상태로 상기 제1 탱크로 주입하기 위한 서로 엇갈려 온오프되는 복수개의 밸브를 포함하는 바이패스부, 상기 가압 기체의 주입에 따른 상기 제1 탱크 내부의 압력 변화를 측정하는 압력 센서, 그리고 상기 제1 탱크 내부의 온도 변화를 측정하는 온도 센서를 포함하고,

상기 가압 기체의 질량 유량, 압력 및 온도를 이용하여 측정된 상기 가압 기체의 부피를 제외한 상기 제1 탱크 내부의 잔량이 측정된다.

상기 바이패스부는,

상기 유량 흐름 제어기와 연결되어 온오프되는 밸브1, 상기 밸브1 및 상기 제1 탱크와 연결되어 온오프되는 밸브2, 그리고 상기 제1 탱크와 연결되어 상기 제1 탱크 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 배출 밸브를 포함하고,

상기 제2 탱크로부터 상기 가압 기체가 공급되는 동안 상기 밸브1은 온 상태이고, 상기 밸브2는 오프상태이며, 상기 배출 밸브는 온상태이고,

상기 가압 기체의 질량이 상기 유량 흐름 제어기에서 설정한 균일한 유량값에 도달한 정상 상태가 되면, 상기 밸브1은 온 상태를 유지하고, 상기 밸브2는 온되며, 상기 배출 밸브는 오프상태가 되어 균일한 질량 유량으로 상기 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급될 수 있다.

상기 제2 탱크와 연결되어 온오프되는 공급 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 밸브1, 상기 밸브2, 상기 공급 제어 밸브, 상기 배출 밸브 및 상기 유량 흐름 제어기와 연결되어 밸브 온오프 여부를 결정 및 제어하고, 상기 정상 상태 여부를 판단하는 밸브 온오프 제어부를 더 포함할 수 있다.

액체 질소가 충전된 배스를 더 포함하고,

상기 제1 탱크는 상기 배스에 담궈지고, 진공 상태에서 질소가 충전 및 가압되어 상기 제1 탱크의 외부 벽면이 직접 냉각되어 극저온 상태가 될 수 있다.

상기 유량 흐름 제어기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서와 연결되어 측정을 수행하고, 상기 온도 센서로부터 획득한 내부 온도 측정값, 상기 압력 센서로부터 획득한 내부 압력 측정값 및 상기 유량 흐름 제어기로부터 획득한 가압 기체의 질량을 통해 상기 제1 탱크 내부의 기체 밀도를 측정하며, 상기 기체 밀도를 통해 측정된 상기 가압 기체의 부피와 상기 제1 탱크 내부의 부피의 차이를 통해 상기 제1 탱크 내부에서 상기 가압 기체를 제외한 잔량 부피 및 질량을 측정하는 PVT 측정부를 더 포함할 수 있다.

상기 PVT 측정부는,

측정값을 미소 시간 구간 단위로 차분화하고, 상기 미소 시간 구간은 사전에 설정된 시간만큼 확장될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, PVT 유체 잔량 측정 방법은 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치를 제어하는 방법으로서, 제1 탱크, 제2 탱크, 공급 제어 밸브, 유량 흐름 제어기, 바이패스부 및 밸브 온오프 제어부를 포함하고, 상기 밸브 온오프 제어부가 상기 공급 제어 밸브를 온시켜 상기 제2 탱크로부터 가압 기체를 공급시키는 단계, 상기 가압 기체가 공급되는 동안 상기 바이패스부를 통해 상기 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급되지 않도록 바이패스시키는 단계, 그리고 상기 가압 기체의 질량 유량이 균일한 질량 상태가 되면, 바이패스된 균일한 질량 상태의 가압 기체를 상기 제1 탱크로 공급시키는 단계를 포함한다.

상기 바이패스부는,

상기 유량 흐름 제어기 및 상기 제2 탱크와 연결된 밸브1, 그리고 상기 제1 탱크와 연결된 밸브2를 포함하고,

상기 바이패스시키는 단계는,

상기 밸브1을 온시키고, 상기 밸브2를 온시키는 단계, 그리고 상기 유량 흐름 제어기를 통하여 상기 가압 기체의 질량 유량이 사전에 설정된 균일한 질량 상태에 도달하는지 모니터링하는 단계를 포함하고,

상기 제1 탱크로 공급시키는 단계는,

상기 균일한 질량 상태에 도달하면, 상기 밸브1을 온시키고, 상기 밸브2를 온시켜 상기 바이패스된 균일한 질량 상태의 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, PVT 유체 잔량 측정 방법은 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 방법으로서, 제1 탱크, 제2 탱크, 공급 제어 밸브, 유량 흐름 제어기, 바이패스부, 압력 센서, 온도 센서 및 PVT 측정부를 포함하고, 상기 PVT 측정부가 상기 유량 흐름 제어기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서와 연결되어 측정을 수행하는 단계, 상기 온도 센서로부터 획득한 내부 온도 측정값, 상기 압력 센서로부터 획득한 내부 압력 측정값 및 상기 유량 흐름 제어기로부터 획득한 가압 기체의 질량을 통해 상기 제1 탱크 내부의 기체 밀도를 측정하는 단계, 그리고 상기 기체 밀도를 통해 측정된 상기 가압 기체의 부피와 상기 제1 탱크 내부의 부피의 차이를 통해 상기 제1 탱크 내부에서 상기 가압 기체를 제외한 잔량 부피 및 질량을 측정하는 단계를 포함한다.

상기 측정을 수행하는 단계는,

측정값을 미소 시간 구간 단위로 차분화하고, 상기 미소 시간 구간은 사전에 설정된 시간만큼 확장될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 초기 상태부터 균일한 질량의 유량을 주입할 수 있고, 초기 과도 상태에서 발생한 오차를 분리하는 분석법을 적용하여 종래에 발생하던 초기 오차 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PVT 유체 잔량 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 온오프 제어 동작을 나타낸 순서도이다.
도 3은 종래에 초기 상반된 압력 증분(Pressure increment)과 가압 헬륨 질량 유량(helium mass flow rate)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스(Bypass) 방식의 가압 기체 주입법에 따른 압력 증분과 가압 헬륨 질량 유량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PVT 측정 동작을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 PVT 측정법의 개념을 기존 PVT 측정법과 비교하여 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 PVT 측정법의 차분화 시간 동안 변화하는 기체의 질량, 온도, 압력과 그에 해당하는 밀도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 종래에 초기 급격히 높은 측정 오차 발생으로 인한 긴 측정 시간을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 방식의 가압 기체 주입법을 통한 효과를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 분석 기법을 통한 효과를 나타내는 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치 및 그 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PVT 유체 잔량 측정 장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 온오프 제어 동작을 나타낸 순서도이며, 도 3은 종래에 초기 상반된 압력 증분(Pressure increment)과 가압 헬륨 질량 유량(helium mass flow rate)을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스(Bypass) 방식의 가압 기체 주입법에 따른 압력 증분과 가압 헬륨 질량 유량을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PVT 측정 동작을 나타낸 순서도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 PVT 측정법의 개념을 기존 PVT 측정법과 비교하여 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 PVT 측정법의 차분화 시간 동안 변화하는 기체의 질량, 온도, 압력과 그에 해당하는 밀도를 개략적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, PVT 측정 장치는 액체질소(LN₂)가 충전된 배스(bath)(101), 제1 탱크(tank)(103), 제2 탱크(105), 제1 밸브(valve)(107), 유체 흐름 제어기(Mass flow controller)(109), 바이패스부(111), 압력 센서(117), 제4 밸브(119), 온도 센서(121), 밸브 온오프 제어부(123) 및 PVT 측정부(125)를 포함한다.

여기서, 밸브 온오프 제어부(123) 및 PVT 측정부(125)는 컴퓨터 기반의 장치에 구현될 수 있다.

밸브 온오프 제어부(123) 및 PVT 측정부(125)는 하나의 컴퓨터 장치 내에 탑재될 수도 있고, 별개의 컴퓨터 장치에 탑재될 수도 있다.

밸브 온오프 제어부(123) 및 PVT 측정부(125)는 프로그램 모듈 형태로 컴퓨터 장치에 탑재될 수 있다.

도 1의 각 구성에 대해 설명하면, 다음과 같다.

배스(101)는 극저온 유체의 잔량을 측정하는 PVT 잔량 측정법을 모사하기 위하여 PVT 측정 장치를 극저온의 액체 질소(77.5K) 온도로 유지하기 위한 구성이다. 배스(101)는 액체질소(LN₂)가 충전되어 있다.

제1 탱크(103)는 PVT 잔량 측정이 실제로 적용되는 측정부를 모사하기 위한 구성이다. 제1 탱크(103)는 텅빈 저장 탱크(empty storage tank)로서, 초기 압력은 제1 탱크(103)에 진공 펌핑된 이후, 질소가 충전된다. 그리고 질소 분압이 38- 40 kPa(절대압)이 되도록 가압된다. 극저온 유체 저장 용기는 제1 탱크(103)를 의미한다.

제1 탱크(103)의 초기 온도 조건은 제1 탱크(103)를 액체 질소가 충전된 배스(101)에 담그어 외부 벽면을 직접 냉각시킴으로써, 제1 탱크(103) 내부의 모든 기체가 대기압의 액체 질소 온도인 77.5 K의 균일한 온도 상태로 만든다.

이때, 초기 압력이 대기압보다 낮은 이유는 질소의 응축을 방지하기 위해서이다. 초기 질소 분압은 0 kPa(절대압)이다.

초기 조건 설정 후, 유체 흐름 제어기(109)를 이용하여 PVT 잔량 측정법을 위한 헬륨 기체 가압을 2, 6, 10 slpm의 유량으로 수행한다.

제2 탱크(105)는 가압제를 공급하는 구성으로서, 가압제로 헬륨(He)이 사용된다. 따라서, 헬륨 공급 탱크에 해당한다. 제1 탱크(103) 내부에 헬륨을 가압하여 헬륨 기체 질량 변화를 구현하기 위한 구성이다.

제1 밸브(107)는 제2 탱크(105)와 연결되어 온오프되는 공급 제어 밸브로서, 제2 탱크(105)의 가압제, 즉, 헬륨 공급을 조절하기 위한 구성이다.

유체 흐름 제어기(109)는 제2 탱크(105)에서 제1 탱크(103)으로 공급되는 헬륨의 질량을 설정하고 그 질량 유량을 측정하기 위한 구성이다.

바이패스부(111)는 종래 PVT 측정 장치에는 없으나 본 발명의 실시예에서 추가된 신규 구성으로서, 공급되는 헬륨의 질량 유량을 초기 시점에서부터 균일한 상태로 주입하기 위한 구성이다. 바이패스부(111)는 제2 밸브(113), 제3 밸브(115) 및 제4 밸브(119)를 포함한다.

압력센서(P)(117)는 공급되는 헬륨으로 인해 변화하는 제1 탱크(103) 내부의 헬륨 압력 변화를 측정하기 위한 구성이다.

제4 밸브(119)는 제1 탱크(103)와 연결되어 제1 탱크(103) 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 배출 밸브로서, PVT 잔량 측정이 종료 된 후 제1 탱크(103) 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 구성이다.

종래에는 제1 밸브(107), 제3 밸브(115) 및 제4 밸브(119)의 온오프 제어를 통해 제2 탱크(105)에 주입된 헬륨 기체를 제1 탱크(103)로 주입하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 바이패스부(111)를 통해 가압 기체 주입 방식을 변경하여 초기 헬륨의 과도 현상을 제거한다.

온도 센서(T)(121)는 제1 탱크(103) 내부의 온도 변화를 측정한다.

밸브 온오프 제어부(123)는 제1 밸브(107), 유체 흐름 제어기(109), 제2 밸브(113), 제3 밸브(115) 및 제4 밸브(119)와 연결되어 각 구성(107, 109, 113, 115, 119)의 동작을 제어한다.

제1 밸브(107)는 열린 상태로 설정한다. 유체 흐름 제어기(109)를 2, 6, 10 slpm의 유량 흐름이 각각 흐르도록 설정한다. 제3 밸브(115)를 열면, 제2 탱크(105)에서 헬륨 기체가 설정된 유량 흐름으로 제1 탱크(103)으로 흘러들어가 가압이 수행된다. 기체 헬륨 주입 튜브 즉, 제2 탱크(105)에서 제1 탱크(103)으로 이어지는 연결 라인을 통하여 제1 탱크(103)의 내부로 주입 되는 헬륨 기체의 질량 유량은 유량 흐름 제어기(109)를 통하여 측정된다.

주입되는 동안의 제1 탱크(103)의 내부의 압력은 압력 센서(117)로 측정되고, 내부의 온도 변화는 제1 탱크(103) 내부에 설치된 온도 센서(121)를 통해 측정된다.

도 2를 참조하면, 밸브 온오프 제어부(123)는 제2 탱크(105)의 연결된 제1 밸브(107)를 개방한다(S101). 그리고 유체 흐름 제어기(109)와 연결된 제2 밸브(113)를 개방하고, 가압 기체 공급 라인을 통해 제1 탱크(103)와 연결된 제3 밸브(115)는 폐쇄하며, 배기 역할을 하는 제4 밸브(119)를 개방한다(S103). 그러면, 유체 흐름 제어기(109)는 제2 탱크(105)로부터 공급되는 가압된 목표 질량 유량의 가압 기체를 제2 밸브(113)로 제공한다.

이때, 제4 밸브(119)가 개방되어야 유량이 흐른다. 과도 상태의 질량 유량이 배기되는 상태이다.

밸브 온오프 제어부(123)는 정상 상태(steady state)의 질량 유량에 도달하는지 판단한다(S105). 여기서, 정상 상태는 질량 유량이 유체 흐름 제어기(109)에서 설정한 균일한 유량값에 도달하는 정상 상태를 의미한다.

유체 흐름 제어기(109)는 유량계의 역할도 수행하므로, 질량 유량이 실시간으로 모니터링된다. 밸브 온오프 제어부(123)는 유체 흐름 제어기(109)를 통해 정상 상태의 질량 유량 도달 여부를 인식한다.

이때, 정상 상태에 도달하면, 밸브 온오프 제어부(123)는 유체 흐름 제어기와 연결된 제 2 밸브(113)의 상태는 유지, 가압 기체 공급 라인과 연결된 제 3 밸브는 개방, 배기 역할을 하는 제4 밸브(119)는 폐쇄한다(S107).

이렇게 하면, 균일한 질량 유량의 가압 기체를 초기 상태부터 제1 탱크(103)로 주입할 수 있다.

도 3 및 도 4에서 가로축은 헬륨 가압 시간을 나타내고, 왼쪽 세로축은 압력 증분(pressure increment)을 나타내며, 오른쪽 세로축은 유체 흐름(또는 유량) 비율(Mass flow rate)을 나타낸다. 가압 시작 직후의 초기 구간에서 측정된 압력 증분(pressure increment)과 헬륨 주입 질량 유량의 시간에 따른 변화를 1초 간격으로 보여주고 있다.

종래에는 헬륨의 질량 유량의 정상상태 도달없이 초기 상태부터 바로 헬륨 기체를 제1 탱크(103)로 주입한다. 그러므로, 도 3의 헬륨 질량 유량(helium mass flow rate)과 같이 초기 상태(0초~약 4초) 동안 균일하지 않고 점차 증가하는 과도 상태(transient state)가 존재한다. 이러한 초기 과도 상태가 큰 계측 오차를 유발한다.

가압 시작 직후에는 정상 상태의 구간의 압력 증분(약 0.1 kPa) 보다 매우 큰 압력 증분(약 0.4 kPa)이 측정되었다.

그러나 밸브 온오프 제어부(123)는 바이패스 밸브 조절을 통해 균일한 질량 유량의 가압 기체를 제1 탱크(103)로 주입할 수 있다.

즉, 초기 주입시 제2 밸브(113)는 개방, 제3 밸브(115)는 폐쇄(115), 제4 밸브(119)는 개방시킴으로써, 제1 탱크(103)에 헬륨을 주입하기 전에 바이패스를 시키면서 헬륨 주입 질량 유량이 균일한 정상 상태에 도달하도록 기다린다. 그리고 헬륨 주입 질량 유량이 균일한 값에 도달하여 정상 상태가 되면, 밸브 온오프 제어부(123)는 이를 인식하여 제2 밸브(113)는 유지, 제3 밸브(115)는 개방, 제4 밸브(119)는 폐쇄시킴으로써, 제1 탱크(103)로 균일한 질량 유량으로 헬륨을 공급한다. 따라서, 도 4의 헬륨 질량 유량과 같이, 초기 상태(0초)부터 균일하게 헬륨 질량 유량이 정상 상태로 존재한다. 이렇게, 초기 과도 상태가 제거된 경우, 초기 계측 오차를 획기적으로 줄일 수 있다.

도 4를 참조하면, 기체 유량 비율이 0.4로 초기 상태부터 일정하다. 그리고 압력 증가분의 증감율도 도 3과 비교할 때 그 폭이 크지 않다.

따라서, 바이패스 방식을 통해 초기 발생하는 가압 기체의 주입 질량 유량의 과도 상태를 해결할 수 있게 되는 것이다.

다시, 도 1을 참조하면, PVT 측정부(125)는 유체 흐름 제어기(109), 압력 센서(117), 온도 센서(121)와 연결되어 PVT 잔량 측정을 수행한다. PVT 잔량 측정법을 통해서 제1 탱크(103)의 내부 잔량을 측정하기 위해서는 제1 탱크(103) 내부의 기체 부분의 부피를 측정한다. 제1 탱크(103)의 내부 전체 부피는 사용자가 알고 있으므로 기체 부분을 측정한다면 제1 탱크(103)의 내부 잔량을 알 수 있다. 기체 부피는 기체 질량을 기체 밀도로 나누면 구할 수 있다.

PVT 측정부(125)는 임의로 헬륨을 외부에서 제1 탱크(103)로 가압하여 변화한 기체 질량을 유체 흐름 제어기(109)를 통해 측정한다.

PVT 측정부(125)는 초기 오차를 완전히 제거하기 위해서 차분화 PVT 측정을 수행한다.

도 5를 참조하면, PVT 측정부(125)는 임의로 확장된 미소 간격 동안 제1 탱크(103)로 공급되는 가압 기체의 질량, 내부 온도 및 압력을 측정한다(S201). 그리고 기체 온도와 압력을 통해 기체 밀도를 계산한다(S203). 그리고 기체 밀도와 기체 질량을 토대로 제1 탱크(103) 내부의 기체 부분 부피를 측정한다(S205). 그리고 기체 부분 부피를 통해 제1 탱크(103)의 내부 잔량을 측정한다(S207).

여기서, 제1 탱크(103) 내부의 기체 밀도는 온도 센서(121)를 통해 측정된 내부 기체의 온도와 압력 센서(117)를 통해 측정된 압력을 이용한 기체 상태 방정식을 통해 구할 수 있다. 이러한 과정을 통해 측정된 제1 탱크(103) 내부의 헬륨 기체의 질량, 온도, 압력을 통해 계산된 밀도를 통해 제1 탱크(103) 내부의 헬륨의 부피를 측정하여 잔량을 측정한다. PVT 측정법을 통해 측정된 잔량과 참값의 오차가 PVT 계측 오차이다.

도 6을 참조하면, 1, 2, 3은 종래의 PVT 측정 분석 기법을 나타내고, 4는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 분석(Selective discretizing PVT analysis) 기법을 나타낸다.

선택적 차분화 분석 기법은 1, 2와 같이 처음과 끝 부분만을 고려하는 방식이 아닌 측정 데이터를 시간에 따라 미소 간격으로 차분화(discretizing)한다. 따라서, 차분화된 경우 기체 부피(Vu), 즉, 제1 탱크(103) 내부에서 기체 부분의 부피는 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서,

는 제1 탱크(103) 내부의 기체 부분의 부피를 의미한다. u는 기체 부분을 의미하고, i는 차분화된 i번째 차수를 의미한다.

는 제1 탱크(103) 내부의 헬륨의 밀도를 의미한다.

는 제1 탱크(103) 내부의 헬륨의 압력을 의미한다.

는 제1 탱크(103) 내부의 헬륨의 온도를 의미한다.

는 제1 탱크(103) 내부의 헬륨의 질량을 의미한다. i-1는 차분화된 i번째 차수의 직전 차수인 i-1번째 차수를 의미한다.

수학식 1은 도 7과 같이 적용된다. 즉, 도 7을 참조하면, 한번의 미소 구간(delta t)에서 제1 탱크(103)의 내부 헬륨 기체의 온도, 압력, 질량이 어떻게 변화하는지 나타낸다. 선택적 차분화 해석 기법에서는 이와 같이 차분화된 미소 구간 동안 계산이 수행된다.

여기서, 미소 시간 구간 단위는 다음과 같이 정해진다.

PVT 측정 과정에서 측정한 압력 증가량을 토대로, PVT 측정 장치(100)에 사용된 압력 센서(117)의 분해능과 동일하거나 그 보다 큰 값의 압력 증분을 나타내는 시간을 미소 시간 구간 단위로 선정한다. 미소 시간 구간은 선택적으로 임의의 시간만큼 확장되는데 이는 앞서 선정된 미소 시간 구간의 2배로 확장되는 것이 적절하다. 이는 연구 결과를 통해 도출된 값으로 해당 내용은 후술할 도 10, 도 11에 나타나 있다.

도 6을 참조하면, 기존의 초기 조건과 종료조건만 고려한 방식(1,2)보다 개선된 초기 조건 및 종료 조건이 차분화되 미소 시간 간격마다 매 순간 동시에 변화하는 방식(3)로 측정법이 개선됨을 알 수 있다. 특히, 선택적 차분화 방식(4)을 통해 미소 시간 간격을 임의로 확장하면, 매우 짧은 미소 간격동안 기체의 온도, 압력, 질량 변화 측정을 할때 오차가 크게 측정되던 문제점을 추가로 개선할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 차분화 PVT 측정을 통하여 초기 발생하는 오차를 후반부의 정상적인 측정 오차와 분리할 수 있다.

추가적으로, 다수의 측정 데이터를 축적할 수 있어서 통계적 접근으로 볼때 측정 결과의 신뢰성이 상승한다.

기존 발표된 차분화 측정법의 경우, 정해진 시간에 대해서만 분석이 이루어지므로 짧은 시간 동안의 작은 압력, 온도 증분량으로 인해 이상치 발생 빈도가 높아진다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 선택적 차분화 방식을 도입하여 시간의 미소 간격을 선택적으로 확장한다. 도 6의 4에 따르면, 차분화된 간격보다 더 넓게

(deltal t)를 설정하여 분석에 적용한다. 이때, 도 6의 3과 비교해보면, 미소 간격을 선택적으로 확장시킨 것을 알 수 있다. 이렇게 하면, 이상치 값들의 발생 빈도를 낮추어 측정 결과의 신뢰성을 추가로 상승시킨다.

남아있는 이상치(outlier) 값들은 중앙치(Median)값을 따르는 통계적 접근법 적용하여 대표 오차를 구한다. 여기서, 이상치 값은 후술할 도 10에서 PVT 계측 오차 분포가 -40% 또는 15~30% 의 오차가 큰 구간에서 많이 발생하는 것을 의미한다. 중앙치 값은 측정된 모든 오차값을 값의 크기에 따라 정렬했을 때 오차값의 전체 개수의 절반에 해당하는 순번에 위치하는 값이다. 도 1의 구성과 연계하여 헬륨이 제1 탱크(103)에 주입된 경우 측정된 오차값을 분석하여 얻은 값을 말한다. 도 1의 구성과 연계하여 앞서 PVT 측정 원리를 설명한 방식으로 측정된 오차 값을 말한다.

도 8은 종래에 헬륨 기체를 가압한 경우에 대한 PVT 계측 오차의 변화를 가압 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 방식의 가압 기체 주입법을 통한 효과를 나타내는 그래프이다.

도 8 및 도 9에서 헬륨 기체를 가압한 경우에 대한 PVT 계측 오차의 변화를 가압 시간에 따라 나타내고 있다.

가로축은 경과 시간(elapsed time/s), 즉 헬륨의 가압 시간을 나타낸다. 세로축은 PVT 계측 오차(gauging error)를 나타낸다. 계측 오차는 알고 있는 잔량, 즉, 해당 상황에서는 텅비어있으므로 잔량이 0인 경우와, PVT 측정법을 통해 측정된 잔량 간의 오차를 %형태로 나타낸 것이다. 이를 수식으로 나타내면, 다음과 같다.

여기서,

인데,

은 PVT 측정법을 통해 직접 사용자가 측정한 제1 탱크(103) 내부의 유체 잔량 부피를 나타내고,

는 제1 탱크(103)의 전체 부피를 나타내며,

는 제1 탱크(103) 내부의 가압 기체의 부피를 나타낸다.

는 제1 탱크(103) 내부에 실제 존재하는 유체 잔량 부피(측정하고자 하는 유체 잔량 부피의 참값)를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 모든 헬륨 유입 유량에 대하여 헬륨 가압 초기에는 약 100% 수준의 매우 높은 오차가 발생하고 이후 오차가 급격하게 감소하여 수백 초가 지난 후 영(0)의 값으로 수렴하는 경향이 공통적으로 나타남을 알 수 있다.

반면, 도 9를 참조하면, 초기 오차가 30~35로, 도 8과 비교할 때, 100에서 35로 획기적으로 감소된 것을 알 수 있다. 따라서, 초기 발생한 과도 상태의 가압 기체 질량 유량 변화를 제거하고 균일 질량 유량을 초기 상태부터 구현할 수 있다.

즉, 바이패스 방식의 가압 기체 주입법을 적용하여 초기 가압 기체의 질량 유량을 도 3과 다르게 초기 상태부터 균일한 질량 유량을 주입할 수 있게 개선되었다. 이를 통해 도 9와 같이, 초기에 발생한 오차가 약 30% 수준으로 획기적으로 단축되었다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 차분화 분석 기법을 통한 효과를 나타내는 히스토그램 그래프이다.

이때, 도 10은 선택적 차분화 분석 기법을 적용하기 전, 즉 종래의 측정값을 나타내고, 도 11은 선택적 차분화 분석 기법을 적용한 후, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 측정값을 나타낸다.

도 10, 11의 가로축은 PVT 측정 오차를 나타내고, 세로축은 히스토그램에서으 도수분포의 빈도를 나타낸다. 1 slpm 조건으로 헬륨 질량 유량을 주입하는 실험을 동일한 조건에서 4번(#1, #2, #3, #4)의 실험을 수행했다.

도 10의 선택적 차분화 기법의 적용 전의 결과를 보면, 선택적 차분화 시간의 확장 개념을 적용하지 않아 시간 간격을 측정 시간인 1초로 적용한 경우로서 오차가 0%에서 크게 벗어난 곳에 빈도 분포를 가장 많이 보이고 있으며, 분포 곡선을 통해서 볼 때 편차가 크게 관찰됨을 알 수 있다.

반면, 도 11은 선택적 차분화 기법의 시간 확장 개념을 적용하여(2초), 오차 발생 빈도 분포가 0% 근처에 가장 높은 빈도를 보이고 있으며, 도 10과 비교하여 볼 때 표준 편차가 큰 폭으로 감소되었다.

이는 선택적 차분화 기법을 통해 기존 차분화 기법을 개선하여 빈도 분포의 정확성과 신뢰성을 높이는 결과임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

1. PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치로서,
   제1 탱크,
   상기 제1 탱크로 가압 기체를 공급하는 제2 탱크,
   상기 가압 기체가 정해진 유량 흐름으로 상기 제1 탱크로 공급되도록 하고, 상기 가압 기체의 질량 유량을 측정하는 유량 흐름 제어기,
   상기 가압 기체의 질량 유량을 균일한 상태로 상기 제1 탱크로 주입하기 위한 서로 엇갈려 온오프되는 복수개의 밸브를 포함하는 바이패스부,
   상기 가압 기체의 주입에 따른 상기 제1 탱크 내부의 압력 변화를 측정하는 압력 센서, 그리고
   상기 제1 탱크 내부의 온도 변화를 측정하는 온도 센서를 포함하고,
   상기 가압 기체의 질량 유량, 압력 및 온도를 이용하여 측정된 상기 가압 기체의 부피를 제외한 상기 제1 탱크 내부의 잔량이 측정되는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
2. 제1항에서,
   상기 바이패스부는,
   상기 유량 흐름 제어기와 연결되어 온오프되는제2 밸브,
   상기 제2 밸브 및 상기 제1 탱크와 연결되어 온오프되는제3 밸브, 그리고
   상기 제1 탱크와 연결되어 상기 제1 탱크 내부의 기체를 외부로 배출하기 위한 제4 밸브를 포함하고,
   상기 제2 탱크로부터 상기 가압 기체가 공급되는 동안 상기 제2 밸브는 온 상태이고, 상기 제3 밸브는 오프상태이며, 상기 제4 밸브는 온상태이고,
   상기 가압 기체의 질량이 상기 유량 흐름 제어기에서 설정한 균일한 유량값에 도달한 정상 상태가 되면, 상기 제2 밸브는 온 상태를 유지하고, 상기 제3 밸브는 온되며, 상기 제4 밸브는 오프상태가 되어 균일한 질량 유량으로 상기 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급되는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
3. 제2항에서,
   상기 제2 탱크와 연결되어 온오프되는 제1 밸브
   를 더 포함하는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
4. 제3항에서,
   상기제2 밸브, 상기제3 밸브, 상기제1 밸브, 상기 제4 밸브 및 상기 유량 흐름 제어기와 연결되어 밸브 온오프 여부를 결정 및 제어하고, 상기 정상 상태 여부를 판단하는 밸브 온오프 제어부
   를 더 포함하는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
5. 제4항에서,
   액체 질소가 충전된 배스를 더 포함하고,
   상기 제1 탱크는 상기 배스에 담궈지고, 진공 상태에서 질소가 충전 및 가압되어 상기 제1 탱크의 외부 벽면이 직접 냉각되어 극저온 상태가 되는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
6. 제2항에서,
   상기 유량 흐름 제어기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서와 연결되어 측정을 수행하고, 상기 온도 센서로부터 획득한 내부 온도 측정값, 상기 압력 센서로부터 획득한 내부 압력 측정값 및 상기 유량 흐름 제어기로부터 획득한 가압 기체의 질량을 통해 상기 제1 탱크 내부의 기체 밀도를 측정하며, 상기 기체 밀도를 통해 측정된 상기 가압 기체의 부피와 상기 제1 탱크 내부의 부피의 차이를 통해 상기 제1 탱크 내부에서 상기 가압 기체를 제외한 잔량 부피 및 질량을 측정하는 PVT 측정부
   를 더 포함하는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
7. 제6항에서,
   상기 PVT 측정부는,
   측정값을 미소 시간 구간 단위로 차분화하고,
   상기 미소 시간 구간은 사전에 설정된 시간만큼 확장되는 PVT 유체 잔량 측정 장치.
8. PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 장치를 제어하는 방법으로서,
   제1 탱크, 제2 탱크, 제1 밸브, 유량 흐름 제어기, 바이패스부 및 밸브 온오프 제어부를 포함하고,
   상기 밸브 온오프 제어부가 상기 제1 밸브를 온시켜 상기 제2 탱크로부터 가압 기체를 공급시키는 단계,
   상기 가압 기체가 공급되는 동안 상기 바이패스부를 통해 상기 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급되지 않도록 바이패스시키는 단계, 그리고
   상기 가압 기체의 질량 유량이 균일한 질량 상태가 되면, 바이패스된 균일한 질량 상태의 가압 기체를 상기 제1 탱크로 공급시키는 단계
   를 포함하는 PVT 유체 잔량 측정 장치의 제어 방법.
9. 제8항에서,
   상기 바이패스부는,
   상기 유량 흐름 제어기 및 상기 제2 탱크와 연결된 제2 밸브, 그리고
   상기 제1 탱크와 연결된 제3 밸브를 포함하고,
   상기 바이패스시키는 단계는,
   상기 제2 밸브를 온시키고, 상기 제3 밸브를 온시키는 단계, 그리고
   상기 유량 흐름 제어기를 통하여 상기 가압 기체의 질량 유량이 사전에 설정된 균일한 질량 상태에 도달하는지 모니터링하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 탱크로 공급시키는 단계는,
   상기 균일한 질량 상태에 도달하면, 상기 제2 밸브를 온시키고, 상기 제3 밸브를 온시켜 상기 바이패스된 균일한 질량 상태의 가압 기체가 상기 제1 탱크로 공급되도록 하는 PVT 유체 잔량 측정 장치의 제어 방법.
10. PVT(Pressure-Volume-Temperature) 유체 잔량 측정 방법으로서,
    제1 탱크, 제2 탱크, 제1 밸브, 유량 흐름 제어기, 바이패스부, 압력 센서, 온도 센서 및 PVT 측정부를 포함하고,
    상기 PVT 측정부가 상기 유량 흐름 제어기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서와 연결되어 측정을 수행하는 단계,
    상기 온도 센서로부터 획득한 내부 온도 측정값, 상기 압력 센서로부터 획득한 내부 압력 측정값 및 상기 유량 흐름 제어기로부터 획득한 가압 기체의 질량을 통해 상기 제1 탱크 내부의 기체 밀도를 측정하는 단계, 그리고
    상기 기체 밀도를 통해 측정된 상기 가압 기체의 부피와 상기 제1 탱크 내부의 부피의 차이를 통해 상기 제1 탱크 내부에서 상기 가압 기체를 제외한 잔량 부피 및 질량을 측정하는 단계
    를 포함하는 PVT 유체 잔량 측정 방법.
11. 제10항에서,
    상기 측정을 수행하는 단계는,
    측정값을 미소 시간 구간 단위로 차분화하고,
    상기 미소 시간 구간은 사전에 설정된 시간만큼 확장되는 PVT 유체 잔량 측정 방법.

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