KR19980070048A - 한계 전류 산소 감지기를 사용하는 고농도 산소 측정용 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산소 샘플을 한계 전류 산소 감지기에 적용시키기 전에 희석시켜 농도를 95% 미만으로 만드는 장치를 제공한다. 당해 장치는 측정하고자 하는 공기 및 산소 샘플의 유입 유체의 압력을 조절하는 조절기, 공기 샘플의 농도를 측정하는 밸브 및 공지된 공기 샘플 농도를 기초로 하여 공기/샘플 혼합비를 계산한 다음, 공지된 공기 농도와 계산된 혼합비를 기초로 하여 산소 감지기로부터 방출되는 공지되지 않은 샘플의 농도를 계산하는 시스템을 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 한계 전류 산소 감지기에 관한 것이고, 보다 자세하게는 한계 전류 산소 감지기를 사용한 고농도 산소 측정용 장치에 관한 것이다.
고체 상태의 한계 전류 산소 감지기는 대기압 측정, 연소 조절에서부터 고성능 항공기용 산소 농축기까지 다수의 분야에 사용된다. 이러한 분야 중의 하나가 리톤 시스템즈, 인코포레이티드(Litton Systems, Inc.)에게 허여된 미국 특허 제5,071,453호에 기재되어 있다. 기본 구조는 디스크 형상이고 1.7 내지 3.0VDC로 적용된 가열 전압에 의해 400 내지 700℃로 가열된 ZrO2-Y2O3을 포함하는 지르코니아 전해질 원소를 포함한다. 한 쌍의 다공성 백금 전극이 공지된 전압이 적용되는 지르코니아 디스크의 반대면에 제공되어 있어서 후술하는 바와 같이 디스크에 적용된 샘플의 산소 농도와 관련되는 한계 전류가 디스크 내에 생성된다. 전체 구조는 디스크의 반대면이 확산 구멍으로 싸여 있다.
한계 전류 감지기는 선행 감지기에 비해 작동 수명이 길고(10,000시간 이상), 정확성이 크며(±0.5% O2) 소형인 것 등 다수의 이점이 특징이다.
이러한 감지기는 매우 고농도의 산소를 측정할 경우, 심한 제한이 따른다는 것은 널리 공지되어 있다. 보다 구체적으로 이러한 감지기의 출력 특성은 수학식 1과 같다.
상기 수학식 1에서,
C는 상수이다.
그러므로, 수학식 1에서 O2%가 100%이면, 출력은 C ln(1-1)=∞이다. 따라서, 대부분의 이러한 유형의 감지기는 산소 농도가 95% 미만일 때만 작동시킨다. 이러한 산소 감지기의 한계에 대한 보다 상세한 것은 문헌[참조: Output Characteristics of Limiting Current Type Oxygen Sensor by Akiyoshi Asada and Toshio Usui in Proceedings of the 6th Sensor Symposium, 1986, pp. 257-260]에 기재되어 있다.
다수의 분야에서 작동 수명, 소형 등의 면에서 제공되는 감지기의 이점을 누리기 위해 한계 전류 산소 감지기를 사용하여 95% 이상의 산소 농도를 측정하는 것이 바람직하다.
도 1은 한계 전류 산소 감지기를 사용하는 고농도 산소 측정용 장치의 단일 도식도이다.
본 발명에 따라, 산소 샘플(O2100% 이하)을 한계 전류 산소 감지기에 적용시키기 전에 희석시켜 농도를 95% 미만으로 만드는 장치가 제공된다. 당해 장치는 측정될 공기 및 산소 샘플의 유입 유체의 압력을 조절하는 조절기, 공기 샘플의 농도를 측정하는 밸브 및 공지된 공기 샘플 농도를 기초로 하여 공기/샘플 혼합비를 계산한 다음, 공지된 공기 농도 및 계산된 혼합비를 기초로 하여 산소 감지기로부터 방출되는 공지되지 않은 샘플의 농도를 계산하는 시스템을 포함한다.
바람직한 양태로, 다양한 대기압으로 작동될 경우의(예를 들면, 항공기에서의 상이한 고도에서의) 산소 감지기에 적용되는 공기 및 산소 샘플의 혼합 압력을 조절하기 위한 조절기가 추가로 제공된다.
바람직한 양태를 도면을 참조로 하여 상세히 후술한다.
도 1은 오리피스(ORF1 및 ORF2)를 통해 샘플 및 공기 공급원에 연결되어 있는 저지 밸브가 있는 샘플/공기 압력 조절기(REG1)를 포함하는 바람직한 양태에 따르는 장치를 도시한 것이다. 통상의 조작시, 조절기(REG1)는 샘플 압력 및 공기 압력을 각각 대략 P1(각각 P1' 및 P1로 나타냄)로 조절하기 위해 예정된 압력 P1에서 작동하도록 되어 있다.
활주 솔레노이드 밸브(SV1)는 교대로 시그날 프로페서 조정기(SPC)의 조정하에 조절된 산소 샘플 유체를 오리피스(ORF3)로 연결시키거나 조절된 공기 유체를 오리피스(ORF3)로 연결시킨다. 시그날 프로페서 조정기(SPC)는 또한 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 측정된 산소 농도와 공지된 산소 농도를 기초로 하여 계산을 수행하는 산소 감지기(S)로 연결된다. 조절된 공기 유체는 또한 추가의 오리피스(ORF4)로 통과된다. 오리피스(ORF3 및 ORF4)는 산소 감지기(S)의 수용기(챔버)로 연결된다.
그러므로, 통상의 조작 동안 조절된 샘플 유체와 공기 유체는 혼합이 일어나는 감지기 챔버로 공급되는 반면, 공기량이 점검되는 동안 감지기의 양면은 조절된 공기 유체만을 공급받는다.
제2 조절기(REG2)는 바람직하게는 감지기(S)가 다양한 주위 압력으로 작동될 경우(즉, 항공기의 경우), 감지기에서의 혼합된 샘플과 공기의 압력(P2)을 조절하도록 제공된다. 지면에서는 P2가 대기압이므로 (REG2)가 불필요하다.
샘플 압력(P1'), 공기 압력(P1) 및 P2는 일정하기 때문에 오리피스(ORF3 및 ORF4)를 가로지르는 유체(각각 Fs 및 Fa로 나타냄)가 일정하다. 따라서, 공기와 샘플의 혼합비도 일정하다.
보정 동안, 공지된 기체[예를 들면, O299%의 보정 기체(Cc)]를 산소 농도[예를 들면, O220.9%의 공기(Ca)]가 공지된 공기와 함께 샘플로서 샘플 입구에 공급한다. 공기의 산소 농도(Ca)는 항공기가 지면에 있는 동안 솔레노이드 밸브(SV1)에 전압을 가하여 보정 동안 측정한다. 이어서,혼합물 농도를 차후 사용을 위해 공지된 농도와 함께 기록한다. 따라서, O299%가 보정 기체(Cc)로서 사용되고 혼합물이 68%로 판독되는 경우, Cc=99%, Cr=68% 및 Ca=20.9%가 보정 매개변수로서 판독된다.
비행 감지 동안, 공기량을 먼저 점검[즉, 솔레노이드 밸브(SV1)에 전압을 가함]하고 감지기(S)로 공기 공급원의 산소 농도[예를 들면, 공기 중의 O220.7%(Ca')]를 시험한다. 이 농도를 샘플 농도를 계산하는데 사용한다.
이어서, 감지기(S)가 공기와 샘플의 혼합물(조절된 유체 Fa 및 Fs)을 공급받도록 솔레노이드 밸브(SV1)의 전압을 끊는다. 공기 농도와 혼합비를 앎으로써, 상기한 감지기 출력 특성에 따라 다수의 계산 방법 중의 하나를 사용하여 감지기(S)에 적용된 희석된 샘플을 기초로 하여 산소 감지기의 출력 전류로부터 공지되지 않은 샘플 산소 농도를 계산할 수 있다. 계산 방법 중의 가장 간단한 것 중의 하나는 선형 접근이다. 상기한 예시적 농도를 사용한 선형 접근 방법은 다음과 같다:
1. 99% 보정 기체(Cc) 및 20.9% 공기(Ca)를 사용하여 보정하는 동안, 보정을 판독(Cr)하면 68%이다. 이러한 모든 농도는 상기한 바와 같이 추후 정정을 위해 매개면수로서 저장한다.
2. 통상의 작동(예를 들면, 비행 시험) 동안, 혼합물 농도를 판독(Cm)하면 68.3%이고, 공기를 점검하는 동안 공기 농도(Ca')는 20.7%이다.
3. 선형 접근을 사용한 샘플 농도(Cs):
Cs=(Cm-Ca')*(Cc-Ca)/(Cr-Ca)+Ca' 또는 Cs=(68.3-20.7)*(99-20.9)/(68-20.9)+20.7=99.6%
상기한 바와 같이, 감지기(S)는 0 내지 95%의 산소 농도를 측정할 수 있다. 선택된 오리피스의 크기에 따라, 희석되거나 혼합된 샘플은 산소 농도가 25 내지 95%이고, 바람직하게는 50 내지 80%이다. 혼합비는 샘플 및 공기 유체(Fs 및 Fa)에 따라 좌우된다. 유체는 오리피스 크기, P1'과 P2간의 압력차 및 P1와 P2간의 압력차에 따라 좌우된다. 당해 분야의 숙련가는 바람직한 유체 또는 혼합비를 기초로 하여 오리피스의 크기를 잘 계산할 수 있을 것이다.
본 발명을 첨부되는 특허청구의 범위에 기재한 본 발명의 영역 및 범위를 벗어나지 않고 변형 및 수정할 수 있다.
본 발명으로 한계 전류 산소 감지기에 적용되는 산소 샘플의 농도를 95% 미만으로 감소시킬 수 있다.
Claims (8)
- 산소 농도가 공지된 보정 기체(Cc) 및 산소 농도가 100% 이하로서 공지되지 않은 샘플 기체(Cs) 중의 하나인 샘플 유체 공급용 샘플 입구,예정된 산소 농도의 주위 공기(Ca) 유체 공급용 주위 공기 입구,샘플 입구와 주위 공기 입구로 연결되어 있는 유입구를 갖고, 보정 기체와 공기 유체와의 혼합물 중의 산소 함량을 나타내는 보정 판독(Cr)을 제공하는 보정 기체이자 샘플 기체와 공기 유체와의 혼합물 중의 산소 함량을 나타내는 혼합물 농도 판독(Cr)을 제공하는 샘플 기체인 샘플 유체와 공기 유체와의 혼합물을 공급하는 한계 전류 산소 감지기 및공지된 산소 농도의 보정 기체(Cc), 예정된 산소 농도의 공기 유체(Ca), 보정 판독(Cr) 및 혼합물 농도 판독(Cm)이 공급되고 저장되어 결과적으로 샘플 기체의 공지되지 않은 산소 농도(Cs)가 계산되는, 한계 전류 산소 감지기로 연결되어 있는 조정기를 포함하는 고농도 산소 측정용 장치.
- 제1항에 있어서, 샘플 입구와 주위 공기 입구로 연결되어 있고 샘플 유체와 공기 유체를 예정된 압력으로 조절하는 조절기를 추가로 포함하는 장치.
- 제2항에 있어서, 감지기가 다양한 주위 압력으로 작동되는 경우, 혼합물의 압력을 예정된 제2 압력으로 추가로 조절하는 추가의 조절기를 추가로 포함하는 장치.
- 제2항에 있어서, 감지기로의 샘플 유체 및 공기 유체 중의 하나를 선택하기 위한, 감지기의 제1 유입구와 조절기로 연결되어 있는 밸브 및 주위 공기 입구로 연결되어 있는 감지기의 제2 유입구를 추가로 포함함으로써, 밸브가 샘플 유체를 선택하는 경우, 혼합물의 산소 농도(Cm)가 측정되고, 밸브가 공기 유체를 선택하는 경우, 공기 유체의 산소 농도(Ca)가 측정되는 장치.
- 제1항에 있어서, 조정기가 선형 접근을 통한 샘플 기체 중의 공지되어 있지 않은 산소 농도(Cs) 계산용 수단을 추가로 포함하는 장치.
- 제5항에 있어서, 계산용 수단의 선형 접근이 Cs=(Cm-Ca)*(Cc-Ca)/(Cr-Ca)+Ca과 같은 장치.
- 공지된 산소 농도의 보정 기체(Cc)와 공지된 산소 농도의 주위 공기(Ca)와의 혼합물을 한계 전류 산소 감지기로 공급하여, 그 결과로서 보정 기체와 공기와의 혼합물 중의 산소 함량을 나타내는 보정 판독(Cr)을 제공하는 단계,공지된 산소 농도(Cc 및 Ca)와 보정 판독(Cr)을 저장하는 단계,샘플 기체와 주위 공기와의 혼합물을 한계 전류 산소 감지기로 공급하여, 그 결과로서 샘플 기체와 공기와의 혼합물 중의 산소 함량을 나타내는 혼합물 농도 판독(Cm)을 제공하는 단계,혼합물 농도 판독(Cm)을 저장하는 단계,공지된 산소 농도(Cc 및 Ca), 보정 판독(Cr) 및 혼합물 농도 판독(Cm)을 정정하는 단계 및샘플 기체 중의 산소 농도(Cs)를 Cs=(Cm-Ca)*(Cc-Ca)/(Cr-Ca)+Ca에 따라 계산하는 단계를 포함하는, 한계 전류 산소 감지기를 사용하는, 샘플 기체 중의 100% 이하의 고농도 산소 측정방법.
- 제7항에 있어서, 주위 공기를 한계 전류 감지기로 공급하여, 그 결과로서 주위 공기 중의 산소 함량을 나타내는 조절된 공기 농도 판독(Ca')을 제공하고 샘플 기체 중의 산소 농도(Cs)를 Cs=(Cm-Ca')*(Cc-Ca)/(Cr-Ca)+Ca'에 따라 계산하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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