KR20100029177A - 하우징에서 가스의 압력 및/또는 몰 질량의 측정방법, 및 이에 대응하는 측정 어셈블리 - Google Patents

하우징에서 가스의 압력 및/또는 몰 질량의 측정방법, 및 이에 대응하는 측정 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하우징에서 가스의 압력 및/또는 몰 질량을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 음향 센서를 통해 실행되고, 상기 음향 센서는 적어도 하나의 변환기(5), 상기 변환기(5)에 연결되는 전기 시스템(8), 및 하우징(1)에 상기 변환기(5)를 결합하는 결합층(6)을 포함하고, 상기 방법은 상기 변환기(5)를 이용하여 넓은 주파수 대역에서 상기 하우징(1)과 가스(2)를 진동시키는 여기 음향 신호를 발생시키는 단계; 상기 변환기(5)로 하우징과 가스 진동의 반응 음향 신호 특성을 검출하는 단계; 상기 시스템(8)을 이용하여 상기 변환기(5)로부터 반응 전기 신호를 분석하는 단계; 및 본질적으로 상기 가스(2) 공진 주파수에 기초하여 가스에서 음파의 속도, 가스의 몰 질량, 및 가스의 압력을 얻는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 구현하기 위한 어셈블리에 관한 것이다.
어셈블리, 변화기, 질량, 공진 주파수, 하우징

Description

하우징에서 가스의 압력 및/또는 몰 질량의 측정방법, 및 이에 대응하는 측정 어셈블리{METHOD FOR MEASURING THE PRESSURE AND/OR MOLAR MASS OF A GAS IN A HOUSING, AND CORRESPONDING MEASUREMENT ASSEMBLY}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 7의 전제부에 따른 어셈블리에 관한 것이다.
예를 들면, 핵 발전소 반응기의 연료봉의 내부 압력을 측정하기 위하여, 가스 혼합물로 충전된 원통형 하우징에서 압력 값을 액세스한다.
또한, 상기 가스 혼합물의 몰 질량을 결정하기도 한다.
이러한 타입의 정보를 액세스하기 위해서는 일반적으로 하우징을 관통시키는 것과 같은 파괴적인 방법이 필요하다.
(예를 들면, 크립톤 85(krypton 85)와 같은) 방사능 추적가스가 존재하는지에 기초하는 방법이 이용될 수도 있다. 그러나, 이러한 방법은, 동일한 방사능 추적자(tracer)를 함유하는 한 다발의 튜브 중 일부인 튜브에서 압력을 측정하기 원하는 경우에 적용될 수 없다.
FR 2 739 925호 공보에는 음향 센서가 제안되어 있고, 상기 음향 센서는,
음파의 발생 및/또는 반환해서 음파의 수신을 행하는 적어도 하나의 변환기;
상기 음파를 송신하기 위한 유리 바; 및
상기 봉을 갖는 센서의 액체 결합층을 포함하고, 상기 층은 λ/4의 두께로 형성되고, 여기서 λ는 상기 봉 벽의 음향 두께의 두배에 대응한다.
상기 센서는 변환기에서 반사되는 파동의 진폭으로 인해 상기 연료봉의 빈 체적에서 가스의 압력을 유도하는 것이 가능하게 된다.
그러나, 상기 센서는 단점을 갖고 있다.
먼저, 상기 센서는 가스의 몰 질량은 측정하지 못하고, 가스 압력의 측정만이 가능하다.
또한, λ/4의 액체 결합층은 상기 봉에서 음파의 송신을 양호하게 하지만, 상기 센서와 봉에 의해 형성된 스택의 공진 주파수에 대해 작은 주파수 간격에서만 가능하다.
또한, 상기 가스의 공명의 진폭은 압력에 대하여 민감하지만, 또한 장애나 불충분하게 알려진 크기, 이를 테면 상기 가스의 흡수와 상기 봉 벽의 흠에 대해서도 민감하다. 따라서, 캘리브레이션을 한 후에도 측정의 정확성은 낮게 된다.
마지막으로, 상기 측정방법은 스프링과 같은 파동의 분산을 야기하는 물체를 포함하는 봉을 사용할 수 없다.
또한, WO 00/73781호 공보에는 (FR 2 739 925호 공보에서와 같은 가스가 아닌) 하우징의 진동을 통해 그리고 FR 2 739 925호 공보에 기재된 주파수 범위보다 더 작은 주파수 범위에서 작동하는 (FR 2 739 925호 공보에서와 같은 접촉하지 않는) 원격 센서에 의한 하우징의 특징적 기술이 제안되어 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점 중 적어도 하나를 상쇄시키기 위한 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따라 제안된 것은 청구항 1에 따른 방법이다.
본 발명은 종속항인 청구항 2 내지 6에서 보호되는 특징에 의해 유리하게 완료된다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 구현하기 위한 어셈블리에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따라 제안된 것은 청구항 7에 따른 어셈블리이다.
본 발명은 종속항인 청구항 8 내지 12에서 보호되는 특징에 의해 유리하게 완료된다.
본 발명은 다수의 이점을 제공한다.
새로운 "센서-하우징" 결합은 종래 기술보다 더 넓은 스펙트럼 대역에서 전송이 되게 고안된다. 상기 하우징, 결합층, 및 변환기에 의해 형성된 음향 스택은 넓은 주파수 대역을 진동시킬 수 있다. 상기 대역 폭은 4 MHz 또는 상대적인 값의 25% 부근에서 진동하는 지르코늄 합금의 현재 하우징 벽에 대해 1 MHz에 이르러야 한다.
상기 광대역 센서는 가스의 수많은 공명을 여기시킬 수 있다. 다수의 가스 공명을 여기시키는 것은 가스의 흡수로부터 그 자신이 벗어나고 하우징 임피던스로부터 많은 부분에서 벗어나도록 (특히, 가스의 스펙트럼 반응의 적분 J를 이용하여) 적절한 처리의 평균적인 효과를 통해 이루어질 수 있다.
상기 센서는 압력 측정의 정확성을 현저하게 증가시킬 수 있다.
상기 센서와 이와 관련된 측정방법은 스프링을 포함하는 하우징에서 측정할 수 있고, 이때 상기 스프링의 효과는 부가적인 감쇠가 고려된다.
또한, 상기 광대역 측정방법은 음파 전파속도의 측정의 정확성 및 가스 혼합물의 몰 질량의 측정의 정확성을 증가시킬 수 있다.
상기 센서와 측정방법은 다수의 어플리케이션을 갖는다.
상기 센서와 측정방법은 서비스와 저장소에서의 핵 연료봉의 시험을 가능하게 한다.
상기 센서와 측정방법은, 특히 헬륨, 크세논, 및 크립톤의 가스 혼합물을 주로 함유하는 핵 연료봉에서 가스의 압력 및 몰 질량의 비파괴 측정을 가능하게 한다. 상기 측정은 연료 기둥의 팽창 챔버에서 유지 스프링에서의 연료봉의 상부에서 이루어진다.
상기 측정방법은 정지 동안에 인터사이클(intercycle)의 풀(pool)에서 구현될 수 있다.
상기 센서는,
복수의 봉을 포함하는 어셈블리에서 하나 또는 수개의 밀봉되지 않은 연료봉을 검출하고;
발전소 어셈블리에 대한 연료 공급 결정에 조력하고;
가역 저장 전의 결정에 조력하고;
디지털 시뮬레이션에 대한 통계적인 지지 근거를 증가시킬 수 있다.
동일한 목적을 갖는 비파괴 핫 셀 시험(nondestructive hot cell examination)(활성 물질에 작용하기 위해 차폐되는 셀)을 위한 구현도 가능할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 하우징에서 센서의 예 중 두 실시예를 도식적으로 나타낸 것으로서, 각 센서와 하우징은 음향 스택을 형성한 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 주파수에 따른 상기 음향 스택의 전기 임피던수를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 주파수에 따른 비여과 전압의 실제부와 가상부의 곡선을 나타낸 도면이다.
도 3b는 변환기, 결합층, 및 하우징(1)의 반응이 제거된, 정류된 것을 나타내는 가스 공명의 반응 예를 도시한 도면이다.
도 4는 센서의 실시예의 일 예 중 주요 단계를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 센서의 캘리브레이션 곡선의 예를 나타낸 도면이다.
전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다. 또한, 모든 도면에 있어서, 동일한 구성요소는 동일한 도면부호로 나타낸다.
도 1a 및 도 1b에서는 가스(2)를 함유한 하우징(1)을 도식적으로 나타내고 있다.
상기 하우징(1)은, 예를 들면 연료봉이고, 상기 가스(2)는, 예를 들면 헬륨이나 가스의 혼합물이다.
상기 하우징(1)은 음향 센서(acoustic sensor)를 지지한다.
그러므로, 상기 하우징에 결합되는 센서는, 한편 센서에 의해 형성되며 다른 한편으로는 하우징에 의해 형성되는 어셈블리를 형성한다.
상기 음향 센서는, 예를 들면 하우징에서 가스의 압력 및/또는 가스의 몰 질량과 같은 가스(2)의 적어도 하나의 물리적 파라미터를 측정한다.
상기 음향 센서는,
한편 상기 하우징과 가스를 진동시키는 음향 신호를 발생시키고, 다른 한편 상기 가스와 하우징의 진동의 특성을 나타내는 음향 반응 신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 변환기(5);
상기 변환기(5)와 하우징(1) 사이의 결합층(6); 및
상기 변환기(5)에 연결되고, 상기 변환기(5)를 여기시키며 상기 반응 신호를 분석하는 전기 시스템(8)을 포함한다.
일반적으로, 상기 하우징은 원통형의 로터리 형상을 갖고, 이는 예를 들면 특히 연료봉의 경우이다.
그러나, 상기 하우징은, 예를 들면 평탄한 평행 면을 갖는 것과 같은 어느 정도 임의의 원통형 형상을 가질 수 있다.
원통형 로터리 형상의 경우, 상기 센서의 모든 구성요소는 같은 중심으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 변환기(5)는 백부(back)(7)를 포함할 수 있다. 상기 음향 신호를 위한 반사 용적 또는 흡수 용적을 갖는 백부(7)는 상기 센서의 음향성에 영향을 줄 수 있다. 상기 백부를 공명시켜서 이용하는 것은 센서의 스펙트럼 이용 대역을 두절시켜서는 안된다.
상기 시스템(8)은 전기 신호를 변환기(5)로 송신한다. 상기 변환기(5)는 전기 신호를 음향 신호로 전환시키고, 상기 음향 신호를 전기 신호로 전환시킨다. 이 때문에, 상기 변환기(5)는 압전 타입(piezoelectric type)이다(예를 들면, PZT 재료(압전재) - 납 지르코늄 티타늄 산화물).
상기 결합층(6)은 액체 또는 고체와 같은 여러 형태로 가정할 수 있다. 상기 결합층은 변환기(5)의 내면, 하우징(1)의 외면, 및 상기 두 면 사이에 삽입되는 웨지(wedge)(9)에 의해 형성되는 체적에 포함된다. 상기 웨지(9)는 고체층(6)인 경우에 선택가능하다.
고체층(6)의 경우, 액체 커플러의 매우 얇은 층에 의해 또는 접합시킴으로 써, 인터페이스로 음파의 적절한 송신이 확보되어야 한다. 이러한 얇은 층의 효과가 무시되지 않는다면, 상기 얇은 층은 아래의 표 1에서 제시된 이동시간(transit time)에 포함될 수 있다.
상기 센서가 하우징(1)에 위치되는 경우, 상기 하우징(1)의 벽(10), 결합층(6), 및 변환기(5)에 의해 형성된 음향 스택(acoustic stack)이 존재하게 된다. 상기 하우징(1)의 벽(10) 및 변환기(5)는 강한 음향 임피던스를 갖고, 상기 가스(2)와 결합층(6)은 작은 음향 임피던스를 갖는다.
본 발명에 따르면, 압전재(5)와 결합층(6)의 다양한 두께는 상기 벽(10)의 자유 공진 주파수에서 부여된다.
이와 같이 부여되는 것에 대한 합의는 음파에 의해 상기 결합층(6)의 주행시간에 따라 정의된다.
T10은 음파에 의한 하우징(1)의 벽(10)으로부터의 주행시간(travel time)이고, T10 = ehousing / chousing이고, ehousing과 chousing은 상기 벽의 두께 및 상기 벽에서 음파의 전파속도를 각각 나타낸 것이다. 이때, 이러한 벽의 제1자유 공명주기는 2T10이다. 이러한 공명을 λ/2모드라 한다.
T5는 음파에 의한 변환기(5)으로부터의 주행시간이다. 상기 변환기(5)는 상기 벽(10)과 동일한 주파수에서의 동일한 모드인 λ/2에서 진동해야 하고, 이에 따라 상기 변환기(5)의 두께는 T5와 T10이 같도록 이루어진다.
상기 변환기의 음향 임피던스는 PZT에 대해 30 106 PA.s.m-3 부근에 있다.
또한, 상기 결합층(6)의 두께는 T10으로부터 결정된다. 여러 경우가 고려될 수 있다.
106 SI(Pa.s.m-3)에서 결합층의 음향 임피던스 이동시간 T6 = [n-(1/2)]T10 이동시간 T6 = nT10
0.5<Z<3 협대역 광대역
3<Z<15 광대역
여기서, n은 정수이고, 바람직하게는 1이다.
물(Z = 1.5 106 SI)에서 T10/2(두께는 λ/4)과 같은 이동시간 T6의 경우는 FR 2 739 925호 공보에 기재된 센서에 대응한다. 이는 "협대역(narrow band)" 시스템이다.
상기 이동시간에서 달성되는 정밀(정확)도는 표준 어셈블리에서 ±20%이어야 하지만; 상기 이동시간이 상기 표의 조건에 더 근접할 수록 측정의 재현성은 더 커지게 되는데, 이는 상기 센서의 반응에 대해 하나의 극대치에 있기 때문이다.
0.5 106과 3 106 SI 사이의 음향 임피던스를 갖는 결합층에 대해(예를 들면, 액체의 경우), 이러한 정밀도는 0.4λ와 0.6λ 사이의 음향 두께를 부여하는데, 여기서 λ는 f 0 = chousing/(2ehousing)인 상기 하우징(10)의 벽(10)의 자유 진동의 주파수(f 0 )에서 결합층에서의 파장이다.
또한, 3.106과 15.106 SI 사이에서 이루어지는 음향 임피던스를 갖는 결합층에 대해(예를 들면, 고체의 경우), 상기 결합층의 두께는 0.2λ와 0.3λ 사이에서 이루어지게 달성되는데, 여기서 λ는 상기 하우징(10)의 벽(10)의 자유 진동의 주파수(f 0 )에서 결합층에서의 파장이다.
도 2는 (도 1a의 어셈블리의 경우) 반사작용으로 작동하는 센서의 임피던스를 나타낸 것이다. 4 MHz의 집중 주파수(central frequency), 즉 자유 벽(10)의 공진 주파수에 대해 0.3 MHz의 폭을 갖는 대역은 센서에 완전히 만족스럽게 대응하지 못한다. 상기 중앙 공진 주파수의 20%, 또는 25% 정도에 대역폭이 있는 것이 바람직하다.
"광대역(broad band)"으로 표시되는 두 경우는 본 발명에 따른 광대역 센서에 대응한다. 상기 음향 센서는 하나의 주파수에서만 높은 감도를 갖기보다는 넓은 스펙트럼 대역에서 감도를 갖도록 고안된다.
구체적으로, 상기 가스의 적어도 두 공명이 발생되도록, 바람직하게는 10 부근에서 발생되도록 이루어지는 주파수 대역폭을 "광대역"이라 한다.
다시 말해서, 상기 음향 센서는 음향 신호의 송신용 주파수 대역이 다음과 같은 폭 L을 갖도록 이루어지는 것을 특징으로 하고,
Figure 112009052473071-PCT00001
여기서, c는 상기 하우징의 가스에서 음파의 전파속도이고,
D는 상기 하우징의 내부 치수이고,
상기 송신 주파수 대역은 f 0 에 집중되고, 상기 f 0 는 하우징의 벽의 자유 진동 주파수이고, 상기 센서는 측정 f 0 에 따라 하우징에 결합된다.
이하, 상기 센서의 전기부에 대해 간단히 설명한다. 상기 변환기(5)는, 예를 들면 PZT(납 지르코늄 티타늄 산화물) 타입이다. 또한, 상기 변환기(5)는 압전 폴리머 합성물일 수 있다. 이러한 변환기는 센서의 특성 계수(quality factor)를 감소시킴으로써 상기 센서의 스펙트럼 이용 대역을 넓힐 수 있다.
상기 변환기(5)는 도전성 와이어(80)에 의해 시스템(8)에 연결된다.
상기 시스템(8)은, 한편 전압 발생기, 및 다른 한편 주파수 V(f) 또는 전압 펄스에 대한 일시적인 반응 V(t)에 따라 상기 센서에 의해 공급되는 전압을 측정하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 측정은, 도 4를 참조하여 후술할 바와 같이, 상기 하우징에서 가스의 압력 및 몰 질량을 결정할 수 있다.
상기 방법의 제1스텝 41은, 예를 들면 상기 변환기(5)를 정현 전압(U)을 갖는 시스템(8)을 이용하여 조절가능한 유용한 범위의 주파수로 여기시키는 것으로 이루어진다. 이로부터, 도 3a의 전압 V(f)을 갖는 주파수 공명 스펙트럼을 얻는다.
상기 제1스텝에 대한 다른 가능한 방법(스텝 42)은 일련의 펄스로 상기 변환기(5)를 여기시키는 것으로 이루어진다. 상기 변환기(5)로부터 나타나는 전기 신호의 퓨리에 변환은 전술한 바와 같이 상기 시스템의 주파수 공명 스펙트럼 V(f)을 얻는데 필수적이다.
복합 스펙트럼 V(f)(스텝 43)은 신호를 처리하기 위한 개시점을 구성한다.
상기 두 스텝으로부터 발생되는 스펙트럼의 처리는 도 4에 도시된 바와 같이 공통적이다.
상기 센서의 전체 반응은 상기 가스(2)의 공명 및 상기 하우징(1)에 결합되는 음향 센서의 공명으로 이루어진다.
그러나, 상기 하우징(1)에서의 방사형 고정파에 기인한 가스(2)의 공명은 주파수에 따라 주기적으로 된다. 그러므로, 상기 가스(2)의 공명은 쉽게 구별될 수 있고, 다른 공명으로부터 분리될 수 있다.
상기 가스(2)로 인한 공명은 도 2의 곡선에서의 피크(peak) 20에 대응한다.
스텝 44 동안, (도 3b에서와 같이) 상기 변환기(5)의 공명, 결합층(6), 하우징(1)이 제거되고, 상기 가스의 공명만이 나타나며 정류된 실제의 곡선 X(f)를 얻기 위하여 도 2의 복합 주파수 스펙트럼에서 수학적 변환을 수행한다. 상기 센서의 스펙트럼 반응의 디지털 처리는 상기 가스 공명의 가변 상을 보정하기 위하여 필요하다. 하나의 가능한 처리로는 (예를 들면, 일시적인 공간에서 커트함으로써) V(f)에서 완만하게 가변부를 제외시키는 것으로 이루어지고, 이때 상기 신호의 모듈을 얻는다.
스텝 53은 상기 가스의 적어도 두 공진 주파수 사이에서 갭 Δf을 측정하는 것으로 이루어진다. 이때, 상기 갭 Δf로부터 상기 가스에서 음파의 전파속도(c)를 얻는다. 상기 측정이 하나의 센서로 이루어질 지 또는 두개의 센서로 이루어질 지에 따라 두가지 경우가 발생할 수 있다.
1) 도 1a에서, 상기 변환기(5)는 유일하고 "반사작용(in reflection)으로" 작동한다. 상기 변환기(5)는 하우징을 향해 음파를 발생시키고, 상기 하우징(1)으로부터 음파를 수신한다. 이 경우, 상기 가스에서 음파의 전파속도(c)는,
c = 2DΔf로부터 유도되고,
여기서, D는 원통형 로터리 하우징의 경우에 상기 하우징의 내부 치수이다. 평행한 평탄면을 갖는 하우징의 경우에, D는 하우징의 두 벽 사이에서 파동에 의해 교차되는 내부 치수를 나타낸다.
2) 도 1b에서, 상기 하우징(1)의 각 측에 대칭적으로 위치되는 두 센서의 상기 하우징의 주위에 장착될 것이 예상된다. 하나의 변환기(5)는 하우징과 가스를 진동시키는 음향 여기 신호(acoustic excitation signal)를 발생시키고, 다른 변환기(5)는 반응 진동을 검출한다. 이러한 어셈블리는 여기 신호와 반응 신호를 분리하는 것을 대상으로 삼는다. 이 경우, 상기 가스에서 음파의 전파속도(c)는,
c = DΔf로부터 유도된다.
양 경우에, 여러 공명 사이의 갭 Δf(예를 들면, 도 2의 피크 20 사이의 수개의 갭의 평균)을 측정하면, 또는 상기 공명 위치의 수학적 처리(예를 들어, 하나의 가능한 처리로는 변환된 퓨리에 타입임)를 통해 갭 Δf을 결정하면 보다 높은 정밀도가 달성될 수 있기 때문에, 넓은 스펙트럼 대역에서 가스를 여기시킬 수 있는 시스템을 가질 필요가 있다.
스텝 53은 스텝 43으로부터 발생되는 복합 스펙트럼 V(f)에서 행해질 수 있지만, 주기 검색 방법(periodicity search method)이 이용될 수 있는 스텝 44로부터 발생되는 실제 반응 X(f)에서 행해지는 것이 바람직하다.
스텝 63에서, 스텝 53에서 유도되는 전파속도(c)로부터 가스의 몰 질량(M)을 다음과 같이 계산할 수 있고,
Figure 112009052473071-PCT00002
여기서, R은 이상기체 상수이고, γ는 이상기체에 대한 비열비이고, T는 온도이다.
상기의 관계는 이상기체(이상가스)에 대해 유효하다. 가스 혼합물의 경우, 실제 가스의 식으로부터 발생하는 보정이 도입될 수 있다. 헬륨-크세논 혼합물과 같은 단원자 가스의 2성분 혼합물의 경우, 상기 몰 질량을 측정하면 상기 혼합물의 질량 합성물 x를 직접 유도할 수 있고,
M = xM Xe + (1-x)M He 이기 때문이고,
여기서, M Xe 와 M He 는 크세논과 헬륨의 원자 질량이다.
스텝 54는 상기 가스의 압력을 측정한다. 상기 측정의 주요 원리는 다음과 같다.
도 3b의 반응 X(f)에서 관찰되는 가스의 공명의 진폭은 상기 하우징(1)에서 가스의 음향 임피던스에 비례하고, 후술할 스텝을 이용하여 상기 압력을 얻을 수 있다.
예를 들면, 평탄한 평행 면을 갖는 단단한 캐비티에서 가스의 음향 임피던스 Zgaz(f)는 다음과 같을 수 있고,
Figure 112009052473071-PCT00003
여기서, ρ는 가스의 밀도이고,
c는 가스의 전파속도이고,
i2 = -1,
Figure 112009052473071-PCT00004
,
α는 가스의 흡수계수이고,
D는 하우징의 내부 치수이다.
공명에 대한 가스의 음향 임피던스의 적분 I는 가스의 흡수와는 독립적인 성질을 갖는다. 이는 실제로 다음과 같이 표현된다.
Figure 112009052473071-PCT00005
물론, 곡선 X(f)에 걸쳐 관찰된 가스의 공명의 진폭은 가스 임피던스의 측정된 크기가 아니지만, 주파수에 의존하는 함수인 센서의 상대 감도 S(f)에 의해 변조된다. 그러므로, 상기 가스의 하나의 공명에만 걸친 측정으로부터 압력을 유도할 수 없다.
상기 센서의 안정적인 특성인 센서의 상대 감도 S(f), 상기 센서의 관측 윈도우에 있는 모든 공명에 대한 적분 I의 합계, STG(가스에 대한 총 감도)라 불리우는 크기는 오직 가스에만 의존하는 크기이다.
Figure 112009052473071-PCT00006
여기서, Sn은 가스의 n번째 공진 주파수에 대한 센서의 상대 감도이다.
상기 센서는 캘리브레이션을 필요로 하기 때문에, 이러한 크기는 정확히 알려질 필요는 없다. 상기 센서가 폭 F의 윈도우에서 감지되며, 상기 감도가 폭 F의 윈도우에서 S와 같은 상수인 이상적인 경우에,
STG = mIS이고,
여기서, m은 상기 윈도우에 있는 공명의 수이다.
Figure 112009052473071-PCT00007
으로부터 공명이 떨어져 있기 때문에,
Figure 112009052473071-PCT00008
이다.
이상기체에 대해,
PV=nRT,
Figure 112009052473071-PCT00009
,
Figure 112009052473071-PCT00010
이다.
상기 가스에 대한 총 감도는,
Figure 112009052473071-PCT00011
이고,
여기서, γ는 이상기체에 대한 비열비이다.
이상적으로, 상기 STG 측정은 가스의 압력에 비례한다. 통합 윈도우에 많은 공명을 갖고 전체를 안정시키기 위하여 광대역 센서를 갖는 것은 필수적이다.
상기 이상적인 경우와 유사하게 스텝 54에서, 상기 센서 감도의 범위 F에서 실험 주파수 반응 X(f)의 적분 J를 계산한다.
Figure 112009052473071-PCT00012
여기서, T는 가스의 기본 반응 주기이고, n은 선택 조화(chosen harmonic)의 순서이다.
n=1인 경우가 가장 바람직하다.
이러한 적분은 P/c에 비례하고, 상수 χ를 알고 있다면 압력 P를 측정할 수 있다.
그러나, 상기 상수 χ는 센서의 특성이다. 상기 상수 χ는 센서 재료의 속성이나 치수로부터 충분히 정확하게 유도될 수 없다.
또한, 상기 적분 J의 이론 및 실험적인 연구는 선행 이론이 유일한 최초의 접근이다는 것을 나타낸다. 실제 적분 J는 비선형의 함수 J(P)(도 5 참조)를 이루는 가스의 흡수에 따라 약간 좌우된다. 상기 함수 J(P)는 고압(100 bar 정도)에 대하여 유사-선형(quasi-linear)이지만, 상기 가스는 흡수성이 크기 때문에 상기 시스템의 반응은 저압(20 bar 미만)에 대하여 보이지 않게 된다.
결론적으로, 상기 함수 J(P, c)는 (c를 변화시키기 위하여) 가스의 본질과 압력 P에 따라 알려진 가스와 함께 상기 센서의 선행된 캘리브레이션을 통해서만 얻어질 수 있다. 미지의 가스 측정에 대하여는, 먼저 스텝 53에서 c를 얻은 후, 전파속도 c를 위해 이용되는 센서로 얻게된 캘리브레이션을 읽어서 스텝 64에서 P를 얻는다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 변환기(5), 상기 변환기(5)에 연결되는 전기 시스템(8), 및 하우징(1)에 상기 변환기(5)를 결합하는 결합층(6)을 포함하는 음향 센서를 통해 가스(2)로 충전되는 하우징(1)에서 적어도 하나의 물리적 파라미터를 측정하기 위하여 상기 변환기(5)를 이용하여 넓은 주파수 대역에서 상기 하우징(1)과 가스(2)를 진동시키는 여기 음향 신호를 발생시키는 단계; 상기 변환기(5)로 하우징과 가스 진동의 반응 음향 신호 특성을 검출하는 단계; 및 상기 시스템(8)을 이용하여 상기 변환기(5)로부터 반응 전기 신호를 분석하는 단계를 포함하는 하우징에서 적어도 하나의 물리적 파라미터의 측정방법으로서,
    상기 시스템(8)을 이용하여,
    상기 가스(2)의 모든 반응 주파수를 결정하기 위하여 상기 변환기(5)로부터 발생하는 전기 반응 신호의 진폭을 측정하는 단계;
    상기 센서의 반응 주파수 세트로부터 상기 가스의 반응 주파수를 추출하는 단계;
    상기 가스의 적어도 두 반응 주파수 사이의 갭을 측정하는 단계;
    상기 가스의 측정에 기초하여, 상기 가스에서 음파의 전파속도 c를 얻는 단계;
    Figure 112009052473071-PCT00013
    에 의해 상기 가스의 몰 질량 M을 계산하는 단계로서, 여기서 R은 이상기체 상수이고, T는 온도이고, γ는 이상기체에 대한 비열비임; 및/또는
    상기 하우징에서 가스의 실제 음향 반응 신호 X(f)의 적분 J를 계산하는 단계로서, 여기서 X(f)는 상기 변환기(5)의 공명, 결합층(6), 및 하우징(1)이 제거되고, 상기 가스의 공명만이 나타나며 정류된 실제의 곡선임; 및
    또한, 이전 단계에서 얻게 된 상기 전파속도를 이용하여, 알려진 압력과 본질을 갖는 가스에 대해 상기 곡선 J(P, c)를 나타내는 이전의 캘리브레이션으로 상기 적분 J의 계산으로부터 압력 P를 얻는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시스템(8)이 일련의 일시적 펄스를 통해 상기 변환기(5)를 여기시키는 경우에, 퓨리에 변환으로 상기 변환기(5)로부터 일시적 전기 신호의 주파수 공간에서의 변환단계를 포함하는
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스의 공진 주파수를 인클로저에서 추출하기 위하여 상기 하우징(1)에 서 가스(2)의 공진 주파수가 주기적인 것에 따르는 성질을 이용하는 단계를 포함하는
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서가 반사작용으로 작동하는 하나의 변환기(5)를 포함하면, 상기 가스에서 음파의 전파속도 c는,
    c = 2DΔf로부터 유도되고,
    여기서, D는 상기 하우징의 내부 치수이고, Δf는 상기 가스의 두 공진 주파수 사이의 갭이고;
    상기 센서가 전송작용으로 작동하는 두개의 변환기(5)를 포함하면, 하나의 변환기(5)는 하우징을 향해 퍼지는 음향 신호를 발생시키고, 다른 변환기(5)는 반응 음향 신호를 검출하고, 상기 가스에서 음파의 전파속도 c는,
    c = DΔf로부터 유도되는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 반응의 적분 J는,
    Figure 112009052473071-PCT00014
    에 의해 계산되고,
    여기서, T는 가스의 기본 반응 주기이고, n은 선택 조화의 순서이고,
    F는 상기 센서의 감도 주파수 폭이고, X(f)는 상기 변환기(5)의 공명, 결합층(6), 및 하우징(1)이 제거되고, 상기 가스의 공명만이 나타나며 정류된 실제의 곡선이고, J는 압력을 의미하고, 압력은 캘리브레이션에 의해 얻어질 수 있는
    방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스의 적어도 두 공명이 바람직하게 10 정도에서 발생되도록 상기 주파수 대역의 폭이 이루어지는
    방법.
  7. 한편으로는 하우징(1) 및 가스(2)를 진동시키는 음향 신호를 발생시키고, 다른 한편으로는 상기 하우징과 가스 진동의 반응 음향 신호 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 변환기(5); 상기 하우징(1)에 변환기(5)를 결합하기 위한 결합층(6); 및 상기 변환기(5)에 연결되며, 한편으로는 상기 변환기(5)를 여기시키고, 다른 한편으로는 상기 반응 신호를 분석하는 전기 시스템(8)을 포함하는 음향 센서 가 하우징에 결합되는 경우에 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하도록 가스(2)를 함유하는 하우징 및 음향 센서로 이루어진 어셈블리로서,
    상기 음향 센서는,
    음향 신호의 송신용 음향 센서의 주파수 대역은 다음의 식과 같이 되도록 폭 L을 갖고,
    Figure 112009052473071-PCT00015
    여기서, c는 상기 하우징의 가스에서 음파의 전파속도이고,
    D는 상기 하우징의 내부 치수이고,
    상기 송신 주파수 대역은 f 0 에 대하여 집중되고, 상기 f 0 는 센서는 측정 동안에 결합되는 하우징(1)의 벽(10)의 자유 진동 주파수인
    어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 결합층(6)은,
    0.5 106과 3 106 SI 사이의 음향 임피던스; 및
    0.4λ와 0.6λ 사이의 음향 두께를 갖고,
    여기서 λ는 상기 하우징(10)의 벽(10)의 자유 진동의 주파수에서 결합층에 서의 파장인
    센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 결합층(6)은,
    3 106과 15 106 SI 사이의 음향 임피던스; 및
    0.2λ와 0.3λ 사이의 음향 두께를 갖고,
    여기서 λ는 상기 하우징(10)의 벽(10)의 자유 진동의 주파수에서 결합층에서의 파장인
    센서.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기(5)는 0.5λ와 같은 음향 두께를 갖는 압전 타입이고, 여기서 λ는 상기 하우징(10)의 벽(10)의 자유 진동의 주파수에서 변환기에서의 파장인
    센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변환기(5)는 하우징(1)과 같은 중심의 형상을 갖는
    센서.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기(5)의 지지 백(7)을 더 포함하고, 상기 백은 음향 신호의 반사 또는 흡수 용적을 갖는
    센서.
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