KR20060003022A - 가스의 농도와 유량을 측정하기 위한 초음파 장치 및 방법 - Google Patents

가스의 농도와 유량을 측정하기 위한 초음파 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

초음파 장치는 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하고, 초음파의 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 두개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하고, 그 위상이 서로 일치하도록 제로-크로스 신호를 처리하고, 순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하고, 초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 그 감산의 결과가 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파의 수신 시점을 구하고, 그 초음파 수신 시점에 기초하여 초음파 전파 시간을 추정하는 단계에 의해, 샘플 가스의 농도와 유량을 측정한다.
초음파 전파 시간, 제로-크로스 시각, 트리거 신호, 가스 농도, 전파 속도

Description

가스의 농도와 유량을 측정하기 위한 초음파 장치 및 방법{ULTRASONIC APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE CONCENTRATION AND FLOW RATE OF GAS}
기술분야
본 발명은 의료용으로 이용되는 산소 농축기로부터 공급되는 샘플 가스 내의 산소 가스의 농도 및 샘플 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 장치 및 방법에 관한 것이다.
배경기술
샘플 가스를 통과하는 초음파의 전파 속도는 그 샘플 가스의 농도 및 온도의 함수에 의해 제공되는 것으로 잘 알려져 있다. 정지 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 속도 C (m/sec) 는 평균 몰분자량 M, 및 온도 T(K)와 함께 다음 식 (1) 에 의해 제공된다.
Figure 112005058464343-PCT00001
여기서:
Figure 112005058464343-PCT00002
: 정적 (constant volume) 몰비열과 (molecular specific heat) 과 정압 몰비열의 비
R: 기체 정수
따라서, 샘플 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 속도 C (m/sec) 와 샘플 가스의 온도 T(K) 의 측정은 계산을 통하여 샘플 가스의 평균 몰분자량 M을 제공할 것이다. 예를 들어, 혼합 비율이 P: (1-P) (0≤P≤1) 인 산소-질소 혼합 가스를 포함하는 샘플 가스의 평균 몰분자량 M은 다음 식 (2) 에 의해 계산될 것이다.
Figure 112005058464343-PCT00003
여기서:
MO2: 산소 가스의 분자량
MN2: 질소 가스의 분자량
따라서, 산소 농도 P는 평균 분자량 M의 측정에 기초한 계산을 통하여 구해질 것이다. 샘플가스가 산소-질소 혼합 가스인 경우에, 산소-질소 혼합 비율 전 범위에 대하여
Figure 112005058464343-PCT00004
=1.4가 합리적이다.
샘플 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 속도가 C (m/sec) 이고, 그 샘플 가스의 유속이 V (m/sec) 인 경우, 그 샘플 가스 흐름에 대하여 전방으로 전파하는 초음파의 속도 C1 (m/sec) 는 C1=C+V 이고, 그 샘플 가스 흐름에 대하여 후방으로 전파하는 초음파의 속도 C2 (m/sec) 는 C2=C-V 이다. 따라서, 샘플 가스 흐름의 속도 V (m/sec) 는 다음 식 (3) 에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00005
샘플 가스의 유량 (m3/sec) 은 샘플 가스 흐름의 속도와 샘플 가스가 통과하여 흐르는 배관 (conduit) 의 단면적 (m2) 을 곱하여 구해질 것이다.
상기 이론을 이용하여, 샘플 가스를 통과하는 초음파의 전파 속도 또는 전 파 시간에 기초하여 샘플 가스의 유속이나 일정 가스의 농도를 측정하는 방법 및 장치가 개발되어 왔다. 예를 들어, 일본 특허 공개 번호 제 6-213877호는 샘플 가스가 통과하여 흐르는 배관 내에 대향하여 배치된 2 개의 초음파 변환기 사이에서 전파하는 초음파의 전파 시간을 측정함으로써 샘플 가스의 농도 및 유량을 측정하는 장치를 기술하고 있다. 또한, 일본 미심사 특허 공개 번호 제 7-209265호 및 제 8-233718호는 초음파 변환기 및 대향하여 배치된 반사기를 포함하는 반사형 장치로써 일정 부피를 통과하여 전파하는 초음파의 전파 속도 또는 전파 시간을 측정함으로써 샘플 가스 내에 포함된 특정 가스의 농도를 측정하기 위한 장치를 기술하고 있다.
초음파의 전파 속도를 이용함으로써 농도 및 유량을 측정하기 위한 방법 및 장치에서, 초음파의 전파 시간을 정확하게 측정하는 것이 필요하다. 그러나, 수신된 초음파에 기초하여 생성된 신호는 항상 노이즈 성분을 포함하며, 이는 초음파가 초음파 변환기에 의해 수신된 시점의 결정을 어렵게 만든다. 따라서, 초음파의 전파 시간은 복잡한 신호 처리 과정이나 복잡한 하드웨어를 통하여 간접적으로 추정된다. 예를 들어, 미심사 일본 특허 공개번호 제 9-318644호는 수신된 초음파 파형이 적분되는 초음파의 전파 시간을 측정하기 위한 방법을 기술하고 있다. 그 파형의 적분 결과가 소정 값에 달하면, 제 1 제로-크로스 시각 (time instant) 이 유량 측정을 위한 초음파의 전파 시간으로서 결정된다. 이 방법에 따르면, 제로-크로스 신호의 생성 타이밍은 수신된 파의 진폭이 얼마간 변동되는 경우에도 변동되지 않는다. 따라서, 구해진 제로-크로스 시각은 초음파가 실질 적으로 도착한 시점에 상대적으로 가깝다. 그러나, 구해진 제로-크로스 시각은 초음파의 실제 전파 시간은 아니다. 특히, 농도가 측정되는 경우, 측정 에러는 실제의 전파 시간과 그 제로-크로스 시각 사이의 차이에 의해 강하게 영향을 받는다.
또한, 일본 미심사 특허 공개번호 제 60-138422호는 수신된 초음파의 파형에 기초하여 포락선 파형이 계산되는 유량 측정 디바이스를 기술하고 있다. 포락선 파형의 상승 시간은 초음파 전파 시간을 측정하기 위하여 근사식에 의해 계산된다. 그러나, 수신된 초음파를 샘플링하기 위하여 하드웨어가 필요하며, 그 샘플링된 파형에 기초하여 포락선 파형을 계산하기 위하여 복잡한 신호 처리가 필요하다. 따라서, 일본 미심사 특허 공개번호 제 60-138422호의 발명에 따라, 저비용의 컴팩트 장치를 제공하는 것은 어렵다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 가스의 농도 및 유량을 측정하기 위한 초음파 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 이는 복잡한 신호 처리와 추가적인 하드웨어 없이도 샘플 가스의 농도와 유량을 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 샘플 가스의 농도 및 유량을 측정하기 위한 초음파 장치로서,
샘플 가스를 흐르게 하는 배관;
상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스;
상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스;
초음파를 송신하기 위한 송신 모드와 초음파를 수신하기 위한 수신 모드 사이에서 상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스의 동작 모드를 스위칭하기 위한 송수신 스위치; 및
상기 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 온도를 측정하기 위하여 상기 배관 내에 배치된 온도 센서를 구비하며;
상기 제 1 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 역방향 파형을 생성하며,
상기 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 순방향 파형을 생성하며,
상기 초음파 장치는 추가적으로,
상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호를 생성하는 수단;
상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과할 때 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 수단; 및
상기 온도 센서, 상기 트리거 신호 생성 수단, 및 상기 제로-크로스 신호 생 성 수단에 결합되며, (1) 상기 온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하고, (2) 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하고, (3) 상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로-크로스 신호를 처리하고, (4) 상기 순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하고, (5) 초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하고, (6) 상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하기 위한 전파 시간 계산 수단을 포함하는, 초음파 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 농도를 측정하기 위한 방법으로서,
상기 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하는 단계;
상기 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하는 단계;
상기 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 온도를 측정하는 단계;
상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과하는 경우에 트리거 신호를 생성하는 단계;
상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과하는 경우에 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 단계;
온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하는 단계;
상기 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하는 단계;
상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로-크로스 신호를 처리하는 단계;
순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하는 단계;
초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하는 단계; 및
상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하는 단계를 포함하는, 샘플 가스의 농도 측정 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 시스템으로서,
공기로부터 질소를 제거하기 위하여 질소를 흡착함으로써 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 장치; 및
산소 농축 가스의 산소 농도와 산소 농축 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 장치를 포함하며,
상기 초음파 장치는,
산소 농축 가스를 수신하고 흐르게 하는 배관;
상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스;
상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스;
초음파를 송신하기 위한 송신 모드와 초음파를 수신하기 위한 수신 모드 사이에서 상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스의 동작 모드를 스위칭하기 위한 송수신 스위치; 및
상기 배관을 통하여 흐르는 산소 농축 가스의 온도를 측정하기 위하여 상기 배관 내에 배치된 온도 센서를 포함하며;
상기 제 1 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 산소 농축 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 역방향 파형을 생성하며,
상기 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 산소 농축 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 순방향 파형을 생성하며,
상기 초음파 장치는 추가적으로,
상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호를 생성하는 수단;
상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과할 때 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 수단; 및
상기 온도 센서, 상기 트리거 신호 생성 수단, 및 상기 제로-크로스 신호 생 성 수단에 결합되며, (1) 상기 온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하고, (2) 상기 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하고, (3) 상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로-크로스 신호를 처리하고, (4) 상기 순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하고, (5) 초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하고, (6) 상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하기 위한 전파 시간 계산 수단을 포함하는, 산소 농축 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 시스템으로서,
공기로부터 질소를 제거하기 위하여 질소를 흡착함으로써 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 장치; 및
산소 농축 가스의 산소의 농도 및 산소 농축 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 장치를 포함하며,
상기 초음파 장치는,
농도가 측정될 대상 가스를 흐르게 하는 배관;
상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스; 및
상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스를 구비하며,
상기 배관은 직선부와 상기 직선부의 말단에 수직하게 접속된 수직부를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 직선부의 말단에 대향하도록 상기 수직부에 배치되며,
상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 배관의 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리는,
Figure 112005058464343-PCT00006
를 만족하며,
여기서:
D: 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리 (m)
f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수 (Hz)
r: 배관의 내부 반경 (m)
C: 초음파의 속도 (m/sec) 인, 산소 농축 시스템이 제공된다.
도명에 대한 간단한 설명
도 1 은 본 발명에 따른 산소 농축 장치의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 초음파 장치의 개략도이다.
도 3a 는 수신된 초음파에 기초한 파형이다.
도 3b 는 도 3a 에 도시된 파형의 일부를 확대한 도면이다.
도 4 는 트리거 신호 및 제로-크로스 신호를 갖는 초음파를 도시한 도면이다.
도 5 는 초음파의 속도와 온도 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 6 은 트리거 신호가 생성되는 위상이 서로 일치하는 경우의 순방향 및 역방향 초음파를 도시한 도면이다.
도 7 은 위상이 서로 일치하지 않는 경우의 도 6 과 유사한 도면이다.
도 8 은 위상이 서로 일치하지 않는 경우의 도 6 과 유사한 도면이다.
도 9 는 샘플 가스가 정지 상태에 있다는 가정 하에 제로-크로스 시각을 얻기 위한 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 10 은 초음파 수신 시점을 얻기 위한 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 11 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 초음파 장치의 일부를 도시한 도면이다.
도 12 는 초음파 변환기의 전방에 형성된 사운드 필드를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 13 은 도 11 의 장치에 의해 획득된 초음파의 실험적인 결과를 도시한 도면이다.
도 14 는 도 11 의 장치에 의해 획득된 초음파의 실험적인 결과를 도시한 도면이다.
도 15 는 도 11의 장치에 의해 획득된 초음파의 실험적인 결과를 도시한 도 면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 모드
본 발명의 바람직한 실시형태를 이하 설명하기로 한다. 이하 기술한 실시형태에서, 샘플가스는 산소와 질소의 혼합 가스로 구성된다. 그러나, 측정가능한 샘플 가스는 산소와 질소의 샘플 가스로 한정되지는 않으며, 본 발명은 다른 가스를 포함하는 혼합 가스에 적용될 수도 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 초음파 가스 농축 및 유량 측정 장치를 구비한 산소 농축 시스템의 개략도이다.
장치 (100) 는 필터 (106) 를 통하여 시스템의 외부로부터 압축기 (104) 에 의해 공급되는 공기에서 질소를 제거함으로써 산소 농축 가스를 생산하는 산소 농축 장치 (102) 를 포함한다. 산소 농축 장치 (102) 에 의해 생성된 산소 농축 가스는 압력 감소 밸브와 같은 유량 설정 디바이스 (108) 를 통하여 본 발명의 초음파 장치 (200) 에 공급된다. 생성된 산소 농축 가스는 제품 필터 (110) 를 통하여 사용자 내지 환자에게 공급된다.
산소 농축 장치는 제올라이트 (zeolite) 와 같은 질소 흡착제와, 압축된 공기를 압축기 (104) 로부터 복수의 컬럼 각각으로 안내하고 생성된 산소 농축 가스를 컬럼으로부터 유량 설정 디바이스 (108) 로 안내하기 위한 배관을 포함하는 파이핑 시스템 (미도시) 과, 그리고 컬럼들 중 하나에 포함되어 있는 흡착제가 질소를 흡착하여 산소 농축가스를 생성하고 컬럼들 중 다른 하나에 포함되어 있는 흡착제가 흡착제의 재생산을 위하여 흡착된 질소를 릴리즈 (release) 하도록 배관을 선 택적으로 개폐하기 위하여 파이핑 시스템 내에 배치된 밸브들 (미도시) 을 수용하기 위한 복수의 컬럼 (미도시) 을 포함한다.
도 2 를 참조하여, 샘플 가스의 농도와 유량을 측정하기 위한 본 발명의 초음파 장치 (200) 를 이하 설명한다.
가스 농축 및 유량 측정 장치 (200) 는 산소 농축 장치 (102) 에 의해 생성된 산소 농축 가스 또는 샘플 가스를 흐르게 하는 배관 (202) 을 구비한다. 배관 (202) 은 직선부 (208) 및 그 직선부의 말단들에 접속된 수직부 (204 및 206) 를 포함한다. 직선부 (208) 는 세로축을 따라서 그 직경이 변하지 않는 원형부를 갖는 배관 부재를 포함한다. 제 1 초음파 송수신 디바이스를 제공하는 제 1 초음파 변환기 (218) 는 직선부의 내측의 말단에 고정적으로 제공되며, 제 2 초음파 송수신 디바이스를 제공하는 제 2 초음파 변환기 (222) 는 제 1 초음파 변환기 (218) 와 대향하도록 직선부 (208) 의 내측의 다른 말단에 고정적으로 장착된다. 이 실시형태에서, 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 사이의 거리는 전파 길이 LS로 지칭된다.
배관 (202) 을 통과하는 가스의 흐름 방향에 대하여 상류 측에 배치된 수직부 (204) 는 입구 포트 (inlet port; 204a) 를 갖는다. 산소 농축 장치 (102) 는 공급 배관 (210) 을 통하여 샘플 가스 소스 (212) 처럼 입구 포트 (204a) 에 접속된다.
배관 (202) 을 통과하는 가스의 흐름 방향에 대하여 하류 측에 배치된 수직 부 (206) 는 제품 필터 (110) 가 접속된 출구 포트 (206a) 를 갖는다.
송수신 스위치 (224) 는 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 에 접속된다. 송수신 스위치 (224) 는 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 가 초음파를 송신하는 송신 모드와 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 가 초음파를 수신하는 수신 모드 사이에서 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 의 동작 모드를 독립적으로 스위칭한다. 송수신 스위치 (224) 는 마이크로컴퓨터 (226) 에 접속되어, 송수신 스위치 (224) 의 스위칭 동작이 마이크로컴퓨터 (226) 에 의해 제어된다.
배관 (202) 을 통해 흐르는 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서 (216 및 220) 는 바람직하게는 직선부 (208) 내의 흐름을 방해하지 않도록 수직부 (204 및 206) 에 배치된다. 온도 센서 (216 및 220) 는 마이크로컴퓨터 (226) 에 접속된다. 이와 관련하여, 샘플 가스의 온도 변화가 작으면, 단지 하나의 온도 센서 (216 또는 220) 만이 배치될 수도 있다.
제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 를 드라이브하기 위한 드라이버 (228) 와, 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (218 및 222) 로부터의 신호들의 제로-크로스 시각을 검출하기 위한 제로-크로스 검출 회로 (230) 와, 예를 들어, 디바이스 (200) 의 동작 상태와 측정 결과들을 나타내기 위한 표시 유닛 (234) 과, 그리고 마이크로컴퓨터 (226) 를 위한 동작 시스템 및 다양한 파라미터들을 저장하기 위한 비휘발성 메모리 디바이스 또는 디스크 디바이스를 포함하는 메모리 (232) 가 마이크로컴퓨터 (226) 에 접속된다.
본 실시형태의 초음파 농축 및 유량 측정 장치 (200) 의 동작을 이하 설명하기로 한다.
예를 들어, 혼합 비율이 P: (1-P) (0≤P≤1) 인 산소-질소 혼합 가스인 샘플 가스가 배관 (202) 에 제공된다. 이때, 샘플 가스의 온도가 온도 센서 (216 및 220) 에 의해 측정되고, 그것의 평균값이 기준 온도 T0(K) 로서 메모리 (232) 내에 저장된다. 본 실시형태에 따르면, 시스템 (100) 의 동작 온도 범위는 바람직하게, 예를 들어, 섭씨 5-35℃로 선택된다.
샘플 가스의 공급동안에, 초음파 생성을 위한 펄스가 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 드라이버 (228) 로 송신된다. 펄스 전압은 송수신 스위치 (224) 를 통하여 드라이버 (228) 로부터 제 1 초음파 변환기 (218) 로 공급된다. 제 1 초음파 변환기 (218) 는 그 펄스 전압에 대응하는 초음파를 생성한다. 제 1 초음파 변환기 (218) 에 의해 생성된 초음파는 배관 (202) 의 직선부 (208) 를 통하여 흐르는 샘플 가스를 통과하여 전파하여, 제 2 초음파 변환기 (222) 에 의해 수신된다. 제 2 초음파 변환기 (222) 는 수신된 초음파에 대응하는 전기 신호를 송수신 스위치 (224) 와 제로-크로스 검출 회로 (230) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 생성한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 송신된 펄스가 드라이버 (228) 에서 생성된 시간과 그 전기 신호가 제 2 초음파 변환기 (222) 로부터 수신된 시간에 기초하여 순방향 전파 시간 ts1(sec) 을 계산한다.
그 후에, 송수신 스위치 (224) 는 제 2 초음파 변환기 (222) 로부터 전기 신 호가 수신된 직후에 제 1 초음파 변환기 (218) 의 동작 모드를 송신 모드로부터 수신 모드로 스위칭하고, 제 2 초음파 변환기 (222) 의 동작 모드를 수신 모드로부터 송신 모드로 스위칭한다. 그 후에, 초음파 생성을 위한 펄스가 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 드라이버 (228) 로 송신된다. 펄스 전압이 송수신 스위치 (224) 를 통하여 드라이버 (228) 로부터 제 2 초음파 변환기 (222) 로 공급된다. 제 2 초음파 변환기 (222) 는 그 펄스 전압에 대응하는 초음파를 생성한다. 초음파는 제 1 초음파 변환기 (218) 에 의해 수신된다. 제 1 초음파 변환기 (218) 는 그 수신된 초음파에 대응하는 전기 신호를 송수신 스위치 (224) 와 제로-크로스 검출 회로 (230) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 생성한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 송신된 펄스가 드라이버 (228) 에 생성된 시간과 그 전기 신호가 제 1 초음파 변환기 (218) 로부터 수신된 시간에 기초하여 역방향 전파 시간 ts2(sec) 을 계산한다.
ts1과 ts2의 평균값을 구함으로써, 배관 (202) 내의 샘플 가스의 흐름의 영향이 제거될 수 있다. 정지 샘플 가스 내의 초음파 전파 시간 ts은 다음 식 (4) 와 같이 정의된다.
Figure 112005058464343-PCT00007
그 후에, 마이크로컴퓨터 (226) 는 정지 샘플 가스를 통과하는 초음파의 전파 속도 CS(m/sec) 를 다음 식 (5) 에 의해 계산한다.
Figure 112005058464343-PCT00008
산소의 농도 PS는 식 (1) 과 (2) 에 기초하여 다음 식 (6) 에 의해 구해진다.
Figure 112005058464343-PCT00009
또한, 샘플 내의 산소의 농도는 샘플 가스 중의 초음파의 전파 속도와 산소 100% 가스 및 질소 100% 가스 중의 초음파의 전파 속도의 비율로서 구해질 수 있다. 즉, 100% 산소 가스를 통과하는 온도 TS(K) 에서의 초음파의 전파 속도 C02(m/sec) 와 100% 질소 가스를 통과하는 온도 TS(K) 에서의 초음파의 전파 속도 CN2(m/sec) 는 식 (1) 을 이용하여 쉽게 구해질 수 있다. 따라서, PS는 샘플 가스를 통과하는 초음파의 전파 속도 CS(m/sec) 와 다음 식 (7) 에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112005058464343-PCT00010
이러한 계산은 마이크로컴퓨터 (126) 에 의해 수행되며, 그 결과는 표시 유닛 (134) 에 의해 표시된다.
다음으로, ts1과 ts2를 구하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 이와 관련하여, 본 발명에서, 제 1 또는 제 2 초음파 변환기 (218 또는 222) 가 초음파를 송신하는 순간은 발산 시간으로 지칭되고, 제 1 또는 제 2 초음파 변환기 (218 또는 222) 가 초음파를 수신하는 순간은 초음파 수신 시점으로 지칭된다.
도 3a 는 마이크로컴퓨터 (226) 에 의해 수신된 통상의 초음파 파형을 도시한 도면이며, 도 3b 는 원 3B로 표시된 파형의 일부의 확대도이다. 도 3a 및 3b 에 도시된 바와 같이, 파형은 샘플 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 초음파 수신 시점 검출을 어렵게 만드는 다양한 노이즈 성분을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따라, 초음파 수신 시점은 파형의 진폭이 일정 한도로 충분히 증가된 이후에 검출되는 파형의 제로-크로스 시각에 기초하여 추정된다. 이러한 목적을 위하여, 제로-크로스 검출 회로 (230) 는 제로-크로스 비교기와 트리거 비교기를 포함한다.
도 4 를 참조하면, 트리거 비교기는 파형이 소정 레벨 이상으로 통과하는 경우에 트리거 신호 Sti를 마이크로컴퓨터 (226) 에 출력한다. 제로-크로스 비교기는 파형이 제로 레벨 이상으로 통과하는 경우에 제로-크로스 신호 Zci를 마이크로컴퓨터 (226) 에 출력한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 제 1 트리거 신호 St1가 마이크로컴퓨터 (226) 에 의해 수신된 이후에 제로-크로스 시각으로서 제로-크로스 신호 Zci 각각을 결정한다. 바람직하게는, 마이크로컴퓨터 (226) 는 제 1 내지 제 3 제로-크로스 시각 (Zc1, Zc2 및 Zc3) 으로서 최초 3개의 제로-크로스 신호를 결정한다.
각각의 제로-크로스 시각 사이의 간격은 이론상 초음파 신호의 주기에 대응한다. 따라서, 초음파 수신 시점은 제 1 제로-크로스 시각 Zc1으로부터 시간축 을 따라서 초음파의 주기의 정수 배를 더듬어 올라감으로써 (trace back) 추정될 수 있고, 따라서, 전파시간은 초음파 수신 시점으로부터 발산 시간과 초음파의 주기의 정수 배를 감산함으로써 추정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 정지 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 속도 C(m/sec)는 식 (1) 에 의해 제공된다. 예를 들어, 20℃에서 순수 질소 가스를 통과하는 초음파의 속도는 349.1 m/sec이며, 20℃에서 순수 산소 가스를 통과하는 초음파의 속도는 326.6 m/sec이다. 따라서, 20℃에서 산소-질소 혼합 가스를 통과하는 초음파의 속도는 326.6 내지 49.1 m/sec의 범위에 속하게 된다. 도 5 는 초음파의 속도와 가스 온도 사이의 관계를 도시한 그래프이며, 여기서 산소-질소 혼합 가스를 통과하는 초음파 속도의 상한 및 하한은 Cmax(T) 및 Cmin(T)로 표시하였다. 가능한 전파 시간 범위는 LS/Cmax(T) 내지 LS/Cmin(T)이다. 따라서, 전파 길이 LS가 다음 식 (8) 을 만족하도록 선택되면, 초음파 수신 시점이 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 되도록 허용하는 단 하나의 정수만이 선택될 수 있다.
Figure 112005058464343-PCT00011
여기서:
f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
(LS/Cmax(T) - LS/Cmin(T)) 의 최대값을 제공하는 가스 온도 T는 작동 온도의 하한이다. 만일 작동 온도가 5℃이면, 초음파의 주파수는 40KHz이고, 관계식 (8) 을 만족하는 전파 길이 LS는,
Figure 112005058464343-PCT00012
와 같이 계산된다.
본 실시형태에 따라, 예로서 LS=0.1m가 채용되었다.
초음파 전파 시간 ts을 획득하기 위하여, 순방향 및 역방향 전파 시간 ts1 및 ts2은 미리 측정된다. 도 6 을 참조하면, 순방향 및 역방향 파형 모두에서의 제 2 파형이 트리거 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호가 생성된다. 이 경우, 트리거 신호는 파형들에 대하여 동일한 타이밍 또는 위상에서 생성되며, 순방향 및 역방향 파 사이의 제로-크로스 시각 사이의 차이 A=ZcBi-ZcFi는 순방향 및 역방향 파 사이의 전파 시간 ts1 및 ts2의 차이 td와 실질적으로 동일하다 (ZcFi: 순방향 파형의 제로-크로스 시각, ZcBi: 역방향 파형의 제로-크로스 시각, i=1, 2, 3...(파 번호)).
그러나, 트리거 신호 Sti는 동일한 트리거 레벨이 이용되는 경우에도, 순방향 및 역방향 파들 사이의 파형들의 상이한 위상에서 종종 생성된다. 도 7 을 참조하면, 순방향 파들에 대하여, 제 3 파가 트리거 레벨 이상으로 통과하는 경우에 트리거 신호가 생성되며, 역방향 파들에 대하여, 제 2 파가 트리거 레벨 이상으로 통과하는 경우에 트리거 신호가 생성된다. 따라서, 역방향 파들에 대한 트리거 신호는 순방향 파들에 대한 트리거 신호보다 한 싸이클 먼저 생성된다. 이 경우, 순방향 및 역방향 파들 사이에서의 제로-크로스 시각들 사이의 차이 A=ZcBi-ZcFi는 네거티브 값을 제공한다. 배관 (102) 을 통하여 샘플 가스가 흐르면, A=ZcBi-ZcFi는 네거티브가 되지 말아야 한다. 따라서, A=ZcBi-ZcFi가 네거티브 값을 제공하면, 역방향 파들에 대한 트리거 신호가 순방향 파들에 대한 트리거 신호보다 먼저 생성됨이 명확하다.
반면에, 도 8 을 참조하면, 순방향 파들에 대하여, 제 2 파가 트리거 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호가 생성되고, 역방향 파들에 대하여, 제 3 파가 트리거 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호가 생성된다. 이 경우, 순방향 및 역방향 파들 사이에서의 제로-크로스 시각 사이의 차이 A=ZcBi-ZcFi는 초음파의 한 주기를 초과하며, 이는 순방향 파들에 대한 트리거 신호가 역방향 파들에 대한 트리거 신호보다 먼저 생성됨을 나타낸다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 배관 (102) 은 순방향 및 역방향 파들 사이의 전파 시간 차이 td가 초음파의 일 주기 안에 항상 속하도록 설계된다. 이런 특성은 마이크로컴퓨터 (226) 가 도 7 및 도 8 의 경우를 서로 구별하고, 전파 시간 차이 td를 계산할 수 있도록 허용한다. 즉, A=ZcBi-ZcFi가 네거티브이면, 그 경우는 도 7 에 도시되었으며, A=ZcBi-ZcFi가 초음파의 일 주기를 초과하면, 그 경우는 도 8 에 도시되었다.
따라서, 전술한 특성을 갖는 배관 (102) 의 구성을 이하 설명하기로 한다.
샘플 가스의 유속 V (m/sec) 의 가능한 범위는 다음 식 (10) 에 의해 제공된 다.
Figure 112005058464343-PCT00013
여기서:
Q: 샘플 가스의 유량 (litter/min)
r: 배관의 내부 반경 (cm)
전술한 바와 같이, 샘플 가스 흐름에 대하여 순방향으로 전파되는 초음파의 속도는 C1=C+V이고, 샘플 가스 흐름에 대하여 역방향으로 전파되는 초음파의 속도는 C2=C-V이다.
여기서:
C: 정지 샘플 가스를 통과하여 전파하는 초음파의 속도 (m/sec)
C1: 샘플 가스 흐름에 대하여 순방향으로 전파되는 초음파의 속도 (m/sec)
C2: 샘플 가스 흐름에 대하여 역방향으로 전파되는 초음파의 속도 (m/sec)
V: 유속 (m/sec)
전파 시간 차이 td는 다음 식에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00014
따라서, 배관 (102) 의 내부 반경이 다음 식 (12) 를 만족하면, 전파 시간 차이 td는 초음파의 주기보다 작아진다.
Figure 112005058464343-PCT00015
부등식 (12) 의 왼쪽 항은, 배관 (102) 을 통과하는 초음파의 속도가 최소화되면 최대화된다 (C=Cmin(5℃)=318.1m/sec). 따라서, 예를 들어, 배관 (102) 을 통과하는 초음파의 주파수가 40 (KHz), 유량 Q=10 (litter/min), 배관 (102) 의 길이가 10 (cm) 이면, 배관 (102) 의 내부 반경 r (mm) 은 r>2.05(mm) 이다. 본 실시형태에 따르면, r=2.5(mm) 가 실시예로서 선택된다.
다음으로, 샘플 가스의 농도 및 유량 측정을 위한 방법이 이하 설명된다.
첫째로, 도 6 의 경우에, 순방향 및 역방향 파들 사이의 전파 시간 차이 td는 A=ZcBi-ZcFi에 의해 구해지는데, 이는 전술한 바와 같이, 전파 시간 차이 td가 차이 A=ZcBi-ZcFi와 실질적으로 동일하기 때문이다. 도 7 의 경우에, 전파 시간 차이 td는 B=ZcBi +1-ZcFi에 의해 구해진다. 또한, 도 8 의 경우에, 전파 시간 차이 td는 B=ZcBi-ZcFi+1에 의해 구해진다. 바람직하게, 복수의 값 A 또는 B는 수학적 평균으로 구해진다.
다음으로, 샘플 가스를 통과하는 초음파의 속도는 샘플 가스가 정지 상태에 있다는 가정 하에 추정된다. 이런 목적을 위하여, 트리거 신호의 출력들에서의 위상 차이는 A 값에 기초하여 미리 결정된다. 만일 위상 차이가 없으면, 도 6 에 도시된 바와 같이, 순방향 및 역방향 파형의 제 1 제로-크로스 시각의 평균값 Zc_ave은 다음 식에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00016
도 7 의 경우에, 순방향 및 역방향 파형의 제 1 제로-크로스 시각의 평균값 Zc _ ave은 다음의 식에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00017
도 8 의 경우에, 순방향 및 역방향 파형의 제 1 제로-크로스 시각의 평균값 Zc _ ave은 다음의 식에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00018
평균값 Zc _ ave은 정지 샘플 가스를 통과하는 초음파를 가정하여 구해지는 제 1 제로-크로스 시각으로 간주될 수 있다. Zc _ ave은 본 출원에서 기준 제로-크로스 시각으로 지칭된다.
전술한 바와 같이, 배관 (102) 의 길이는 초음파 수신 시점이 전파 시간의 가능한 범위 내에 있게 되도록 허용하는 단 하나의 정수만이 선택되도록 설계된다. 따라서, 초음파 전파 시간 ts은 초음파 수신 시점이 가능한 범위 내에 있을 때까지 제 1 제로-크로스 시각 Zc _ ave으로부터 시간 축을 따라서 초음파의 주기의 정수 배를 더듬어 올라감으로써 추정된다.
정지 샘플 가스를 통과하는 초음파의 속도 Cs는 다음 식 (16) 에 의해 추정된다.
Figure 112005058464343-PCT00019
산소의 농도 Ps는 그 계산된 Cs와 함께 식 (6) 또는 (7) 에 의하여 구해진다.
배관 (102) 을 통하여 흐르는 샘플 가스를 통과하는 순방향 및 역방향 전파 시간 ts1 및 ts2는 다음 식 (17) 및 (18) 에 의하여 추정된다.
Figure 112005058464343-PCT00020
Figure 112005058464343-PCT00021
배관 (102) 을 통하여 흐르는 샘플 가스를 통과하는 순방향 및 역방향 속도 C1 및 C2는 다음 식 (19) 및 (20) 에 의하여 추정된다.
Figure 112005058464343-PCT00022
그 후에, 배관 (102) 을 통과하는 샘플 가스의 유속 V는 식 (3), (19) 및 (20) 에 의해 구해진다. 또한, 샘플 가스의 유량 Q는 다음 식 (21) 에 의해 계산된다.
Figure 112005058464343-PCT00023
.
다음으로, 도 11 내지 도 15 를 참조하여, 초음파 농도 및 유량 측정 장치의 바람직한 실시형태를 이하 설명한다.
초음파 농도 및 유량 측정 장치 (10) 는 도 2 의 실시형태의 배관 (102) 을 제공하는 배관 (27) 을 포함한다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (20 및 21) 를 둘러싸기 위한 하우징 (25 및 26) 은 용접부 (welded portion; 41 및 42) 에 의해 배관 (27) 의 말단에 고정된다. 하우징 (25 및 26) 은 도 2 의 실시형태의 입구 및 출구 부분 (204a 및 206a) 을 제공하기 위하여 배관 (27) 에 수직하게 연장하는 포트 (28 및 29) 를 포함한다. 배관 (27) 과 하우징 (25 및 26) 은 바람직하게는 알루미늄 합금과 같은 동일한 금속 물질로 제조된다.
배관 (27) 과 하우징 (25 및 26) 은 나사 (45) 에 의해 기판 (30) 의 일 지점 내지는 산소 농축 장치의 하우징에 고정된다. 이러한 구성은 배관 (27) 이 열적으로 변형될 때 생성될 수 있는 외력으로부터 자유롭게 배관 (27) 이 세로방향으로 변형되는 것을 허용한다.
하우징의 말단 개구를 덮기 위하여 하우징 (25 및 26) 및 커버 (23 및 24) 사이에 클램프되어 있는 오-링 (O-ring; 39 및 40) 과 함께 나사 (43 및 44) 에 의해 커버 (23 및 24) 가 하우징 (25 및 26) 에 부착된다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (20 및 21) 는 커버 (23 및 24) 의 내부 표면에 부착된다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (20 및 21) 는 40KHz의 초음파를 생성한다.
또한, 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (37 및 38) 는 커버 (23 및 24) 의 내부 표면에 부착된다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기 (20 및 21) 와 온도 센서 (37 및 38) 는 커버 (23 및 24) 의 외부 표면에 부착된 커낵터 (31 및 34), 케이블 (33 및 36) 및 기판 (30) 상에 장착된 커낵터 (32 및 35) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 결합된다.
제 1 및 제 2 초음파 변환기 (20 및 21) 의 말단 면들과 배관 (27) 의 각각의 말단들 사이의 거리 D는 중요한 설계 사항이다. 일반적으로 초음파 변환기 로부터의 초음파에 의해 형성되는 사운드 필드는 도 12 에 도시된 바와 같이 근거리 사운드 필드와 장거리 사운드 필드를 포함한다. 초음파는 근거리 사운드 필드를 통하여 직선적으로 전파되며, 반면에, 장거리 사운드 필드에서는 구형파의 형태로 퍼진다. 따라서, 배관 (27) 의 말단이 근거리 사운드 필드로부터 나오면 배관 (27) 내에서 송신되는 초음파 에너지는 근거리 사운드 필드 내에 배치된 말단을 갖는 배관에 비교하여 감소되며, 따라서, 변환기로부터의 신호의 사운드/노이즈의 비율이 감소된다.
근거리 사운드 필드와 장거리 사운드 필드 사이의 경계는 변환기의 중앙선을 따라서 초음파 변환기의 말단 면으로부터의 거리 D 가 다음 식 (27) 에 의해 정의되는 지점 Z0에 제공된다는 것이 알려져 있다.
Figure 112005058464343-PCT00024
여기서:
f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수 (Hz)
r: 배관의 내부 반경 (m)
C: 초음파의 속도 (m/sec)
전술한 바와 같이, 샘플 가스를 통과하는 속도 C는 식 (1) 에 의해 정의된다. 따라서 높은 가스 온도 및 낮은 분자량이면, 높은 속도 C가 된다. 본 실시형태에 따라, Z0를 최대화하는 조건은 예를 들어, 샘플 가스가 35℃의 공기인 경우에는 Z0는 약 1.4mm이다.
도 13 내지 도 15 는 거리 d 가 0.3mm, 1.0mm 및 1.8mm 일 때 도 11 에 도시된 장치에 의해 구해진 초음파의 실험적인 결과를 도시한다. 그 실험적인 결과는 초음파 변환기에 의해 수신된 초음파 에너지가 거리 d가 0.3mm 및 1.0mm 인 경우와 비교하여 거리 d가 1.8mm 인 경우에 상당히 감소되는 것을 나타낸다.

Claims (22)

  1. 샘플 가스의 농도 및 유량을 측정하기 위한 초음파 장치로서,
    샘플 가스를 흐르게 하는 배관;
    상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스;
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스;
    초음파를 송신하기 위한 송신 모드와 초음파를 수신하기 위한 수신 모드 사이에서 상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스의 동작 모드를 스위칭하기 위한 송수신 스위치; 및
    상기 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 온도를 측정하기 위하여 상기 배관 내에 배치된 온도 센서를 구비하며;
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 역방향 파형을 생성하며,
    상기 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 순방향 파형을 생성하며,
    상기 초음파 장치는 추가적으로,
    상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호를 생성하는 수단;
    상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과할 때 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 수단; 및
    상기 온도 센서, 상기 트리거 신호 생성 수단, 및 상기 제로-크로스 신호 생성 수단에 결합되며, (1) 상기 온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하고, (2) 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하고, (3) 상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로-크로스 신호를 처리하고, (4) 상기 순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하고, (5) 초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하고, (6) 상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하기 위한 전파 시간 계산 수단을 포함하는, 초음파 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 거리는 상기 감산의 단 하나의 결과만이 상기 초음파 장치의 가능 동작 조건 전반에 걸쳐 결정되는 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 선택되는, 초음파 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 상기 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00025
    를 만족하도록 선택되며,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Cmax(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 상한인, 초음파 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은 상기 순방향 전파 시간과 상기 역방향 전파 시간의 차이가 샘플 가스의 동작 조건 하에서 초음파의 주기보다 작게 되도록 선택되는, 초음파 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은,
    Figure 112005058464343-PCT00026
    를 만족하도록 선택되며,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Qmax: 샘플 가스 유량 (litter/min) 의 상한인, 초음파 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관은 직선부와 상기 직선부의 말단에 수직으로 접속된 수직부를 포함하고;
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 직선부의 말단에 대향하는 수직부에 배치되며; 및
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 배관의 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00027
    을 만족하며,
    여기서:
    D: 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리 (m)
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수 (Hz)
    r: 배관의 내부 반경 (m)
    C: 초음파의 속도 (m/sec) 인, 초음파 장치.
  7. 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 농도를 측정하기 위한 방법으로서,
    상기 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하는 단계;
    상기 샘플 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하는 단계;
    상기 배관을 통하여 흐르는 샘플 가스의 온도를 측정하는 단계;
    상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과하는 경우에 트리거 신호를 생성하는 단계;
    상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과하는 경우에 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 단계;
    온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하는 단계;
    상기 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하는 단계;
    상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로- 크로스 신호를 처리하는 단계;
    순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하는 단계;
    초음파의 주기의 정수 배를 감산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하는 단계; 및
    상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하는 단계를 포함하는, 샘플 가스의 농도 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 순방향 및 역방향 초음파는 상기 배관 내에 배치된 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스에 의해 송수신되며, 상기 제 1 초음파 송수신 디바이스와 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 거리는 상기 감산의 단 하나의 결과만이 상기 초음파 장치의 가능한 동작 조건 전반에 걸쳐서 결정되는 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 선택되는, 샘플 가스의 농도 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스와 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 상기 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00028
    을 만족하도록 선택되고,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Cmax(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 상한인, 샘플 가스의 농도 측정 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은 상기 순방향 전파 시간과 상기 역방향 전파 시간의 차이가 샘플 가스의 동작 조건하에서 초음파의 주기보다 작게 되도록 선택되는, 샘플 가스의 농도 측정 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은,
    Figure 112005058464343-PCT00029
    을 만족하도록 선택되며,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 샘플 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Qmax: 샘플 가스 유량 (litter/min) 의 상한인, 샘플 가스의 농도 측정 방법.
  12. 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 시스템으로서,
    공기로부터 질소를 제거하기 위하여 질소를 흡착함으로써 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 장치; 및
    산소 농축 가스의 산소 농도와 산소 농축 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 장치를 포함하며,
    상기 초음파 장치는,
    산소 농축 가스를 수신하고 흐르게 하는 배관;
    상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스;
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스;
    초음파를 송신하기 위한 송신 모드와 초음파를 수신하기 위한 수신 모드 사이에서 상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스의 동작 모드를 스위칭하기 위한 송수신 스위치; 및
    상기 배관을 통하여 흐르는 산소 농축 가스의 온도를 측정하기 위하여 상기 배관 내에 배치된 온도 센서를 포함하며;
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 2 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 산소 농축 가스의 흐름 방향에 대하여 순방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 역방향 파형을 생성하며,
    상기 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 의해 생성된 수신 초음파에 기초하여, 상기 디바이스가 송신 모드에 있을 때 산소 농축 가스의 흐름 방향에 대하여 역방향 초음파를 생성하고, 상기 디바이스가 수신 모드에 있을 때 순방향 파형을 생성하며,
    상기 초음파 장치는 추가적으로,
    상기 순방향 및 역방향 파형이 소정 레벨 이상으로 통과할 때 트리거 신호를 생성하는 수단;
    상기 순방향 및 역방향 파형이 제로 레벨 이상으로 통과할 때 순방향 및 역방향 제로-크로스 신호를 생성하는 수단; 및
    상기 온도 센서, 상기 트리거 신호 생성 수단, 및 상기 제로-크로스 신호 생성 수단에 결합되며, (1) 상기 온도 센서에 의해 검출된 가스 온도에 기초하여 가능한 전파 시간 범위를 계산하고, (2) 상기 순방향 및 역방향 파형에 기초하여 각각 생성된 2 개의 제 1 트리거 신호의 위상이 서로 일치하는지 여부를 결정하고, (3) 상기 위상이 서로 일치하지 않으면 상기 위상이 서로 일치하도록 상기 제로-크로스 신호를 처리하고, (4) 상기 순방향 및 역방향 제로-크로스 시각의 평균값을 계산함으로써 기준 제로-크로스 시각을 구하고, (5) 초음파의 주기의 정수 배를 감 산하여 상기 감산의 결과가 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 함으로써 초음파 수신 시점을 구하고, (6) 상기 초음파 수신 시점에 기초하여 상기 초음파 전파 시간을 추정하기 위한 전파 시간 계산 수단을 포함하는, 산소 농축 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 초음파 송수신 디바이스와 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 상기 거리는 상기 감산의 단 하나의 결과만이 상기 초음파 장치의 가능한 동작 조건 전반에 걸쳐서 결정되는 상기 가능한 전파 시간 범위 내에 있게 되도록 선택되는, 산소 농축 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 초음파 송수신 디바이스와 제 2 초음파 송수신 디바이스 사이의 상기 배관에 따른 상기 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00030
    를 만족하도록 선택되며,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 산소 농축 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Cmax(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 산소 농축 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 상한인, 산소 농축 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은 상기 순방향 전파 시간과 역방향 전파 시간의 차이가 산소 농축 가스의 동작 조건 하에서 초음파의 주기보다 작게 되도록 선택되는, 산소 농축 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 배관의 내부 반경은,
    Figure 112005058464343-PCT00031
    를 만족하도록 선택되며,
    여기서:
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    Cmin(Tmin): 가장 낮은 동작 온도 Tmin (℃) 에서 산소 농축 가스를 통과하는 초음파 속도 (m/sec) 의 하한
    Qmax: 산소 농축 가스 유량 (litter/min) 의 상한인, 산소 농축 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 배관은 직선부와 상기 직선부의 말단에 수직으로 접속된 수직부를 포함하고;
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 직선부의 말단에 대향하도록 상기 수직부에 배치되며; 및
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 배관의 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00032
    을 만족하며,
    여기서:
    D: 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리 (m)
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수
    r: 배관의 내부 반경 (m)
    C: 초음파의 속도 (m/sec) 인, 산소 농축 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 배관이 열적으로 변형될 때 생성될 수 있는 외력으로부터 자유롭게 상기 배관이 상기 직선부의 세로 방향으로 열적으로 연장하는 것을 허용하기 위해 상 기 배관이 일 지점에서 산소 농축 장치에 고정되는, 산소 농축 시스템.
  19. 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 시스템으로서,
    공기로부터 질소를 제거하기 위하여 질소를 흡착함으로써 산소 농축 가스를 생성하기 위한 산소 농축 장치; 및
    산소 농축 가스의 산소의 농도 및 산소 농축 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 장치를 포함하며,
    상기 초음파 장치는,
    농도가 측정될 대상 가스를 흐르게 하는 배관;
    상기 배관의 내부에 장착된 제 1 초음파 송수신 디바이스; 및
    상기 제 1 초음파 송수신 디바이스에 대향하도록 상기 배관의 내부에 장착된 제 2 초음파 송수신 디바이스를 구비하며,
    상기 배관은 직선부와 상기 직선부의 말단에 수직하게 접속된 수직부를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스는 상기 직선부의 말단에 대향하도록 상기 수직부에 배치되며,
    상기 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 배관의 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리는,
    Figure 112005058464343-PCT00033
    를 만족하며,
    여기서:
    D: 제 1 및 제 2 초음파 송수신 디바이스와 상기 직선부의 각각의 말단들 사이의 거리 (m)
    f: 샘플 가스 중의 초음파의 주파수 (Hz)
    r: 배관의 내부 반경 (m)
    C: 초음파의 속도 (m/sec) 인, 산소 농축 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 직선부의 내부 직경은 제 1 및 제 2 초음파 변환기의 외부 직경 보다 작은, 산소 농축 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 배관이 열적으로 변형될 때 생성될 수 있는 외력으로부터 자유롭게 상기 직선부의 세로 방향으로의 변형을 허용하는 수단에 의해 상기 배관이 상기 산소 농축 장치에 고정되는, 산소 농축 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 배관이 열적으로 변형될 때 생성될 수 있는 외력으로부터 자유롭게 상기 직선부의 세로 방향으로 열적으로 연장하는 것을 허용하기 위한 일 지점에 상기 배관이 상기 산소 농축 장치에 고정되는, 산소 농축 시스템.
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