KR20150005707A - 압력 하의 가스 실린더의 실제 내용물을 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

압력 하의 가스 실린더의 실제 내용물을 측정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

압력 용기(100) 내부의 압력 하의 가스의 물리적 특성들을 측정하기 위한 센서 조립체(200)가 제공된다. 센서 조립체(200)는 하우징 및 상기 압력 용기(100) 내부의 가스 내에서의 잠김을 위한 압전 발진기(202)를 포함한다. 센서 조립체(200)는, 상기 가스 내에 감기게 될 때, 압력 용기(100) 내부의 가스의 밀도를 측정하도록 배열된다. 하우징은 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함한다. 제1 챔버는 제2 챔버와 유체 소통 상태에 놓이며 그리고 상기 압전 발진기를 실질적으로 둘러싼다. 제2 챔버는 압력 용기의 내부와 유체 소통 상태에 놓인다. 그러한 장치를 제공함으로써, 실린더와 같은 압력 용기의 유체의 실제 내용물(즉, 중량)이 직접적으로 그리고 정확하게 측정될 수 있다. 본 발명의 하우징은 가스 실린더(100) 내부에서의 대류 흐름에 의해 생성되는 노이즈 및 오류를 완화시켜, 실린더 내부의 가스의 밀도로부터의 직접적인 유도를 통해 질량 또는 질량의 변화율의 정확한 결정을 가능하게 한다.

Description

압력 하의 가스 실린더의 실제 내용물을 측정하는 방법 및 장치{METHOD OF, AND APPARATUS FOR, MEASURING THE TRUE CONTENTS OF A CYLINDER OF GAS UNDER PRESSURE}
본 발명은 압력 하의 가스 실린더의 실제 내용물(true contents)을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압전(piezoelectric) 발진기 및 차폐(shielding) 하우징을 사용하는 가스 실린더의 실제 내용물 또는 상기 실제 내용물의 변화율을 정확하게 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 명세서에 설명된 방법 및 장치는, 예를 들어, 고압 가스를 사용하는 고압 실린더 또는 제조 플랜트에서의 가스 공급과 같은, 비교적 고압(예를 들어, 대략 10 bar 이상의 압력)의 가스가 존재하는 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은, 특히, "청정(clean)" 가스, 즉, 수증기나 먼지와 같은 불순물이나 오염물이 적은 또는 없는 가스에 관한 것이다.
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 g[bar g 는 대기압 위의 압력(bar)의 측정값이다]에 이르는, 그리고 수소 및 헬륨과 같은 가스들을 위해 900 bar g에 이르는 최대 충전 압력으로, 압축, 액화 또는 용해 가스를 저장할 수 있다.
본 발명은 특히 영구 가스에 적용할 수 있다. 영구 가스는 압력만으로는 액화될 수 없는 가스이며, 또한 예를 들어 450 bar g 에 이르는 압력으로 실린더에 공급될 수 있다. 예들로는 아르곤 및 질소가 있다. 그러나, 이는 제한하는 것으로는 취해지지 않으며, 그리고 가스라는 용어는 광범위한 가스, 예를 들어 영구 가스와 액화된 가스의 증기 모두를 포괄하는 것으로 간주될 수 있다. 액화된 가스의 증기는 압축된 가스 실린더에서 액체 위에 존재한다. 실린더 내로의 충전을 위해 압축됨에 따라 압력 하에서 액화되는 가스는 영구 가스가 아니며, 더욱 정확하게 압력 하에서 액화된 가스로서 또는 액화된 가스의 증기로서 설명된다. 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.
많은 경우에, 남아있는 가스의 양을 결정하기 위해 주어진 실린더 또는 압력 용기의 내용물을 모니터링할 필요가 있다. 이것은 특히 헬스 케어(health care) 적용들과 같은 상황에 특히 중요하다.
가스 법칙에 따라, 실린더 내부의 가스의 압력에 대한 인지로부터 실린더의 실제 내용물을 계산하는 것이 알려져 있다. 압력 측정은 잘 알려진 기술이며 또한 압력을 측정하도록 기능하는 다양한 장치가 있다. 가장 통상적인 유형은 스트레인 게이지(strain gauge) 요소를 갖춘 탄성 다이아프램을 사용한다. 그러나 비록 가장 저렴한 센서들 중 하나가 현재 제조되고 있지만, 이들 센서는 상대적으로 크기가 큰 경향을 가지고 있으며, 그리고 비록 대량-생산에 의해 생산은 가능하지만 포토리소그래픽 방법이 여전히 상당히 복잡하고 제조하기에는 값비싼 기계적 구조를 갖는다. 또한, 이들은 어느 정도의 파손가능성(fragility)을 가지며, 이들이 사용될 수 있기 이전에 보정 및 온도 보상을 요구한다.
공통적으로 사용되는 다른 압력 게이지는 보든(Bourden) 게이지이다. 그러한 게이지는, 중공 단부에서 측정될 유체 압력을 수용하는 고정된 파이프에 연결되는, 파손되기 쉽고, 평탄한 얇은-벽의, 폐쇄-단부형 튜브를 포함한다. 압력의 증가는 파이프의 폐쇄된 단부가 호형(arc)를 를 형성하도록 야기한다. 그러한 게이지는, 예를 들어 높은 압력에 대한 노출로부터의 손상에 취약한 정교한 부품들을 포함하고 있다.
가스 용기 내부의 가스의 양을 정확하게 측정하는 것을 어렵게 하는 하나의 문제점은, 실린더 내부에 수용되는 가스의 온도-압력 상관 관계이다. 가스 법칙에 따라, 일정한 체적의 주어진 가스의 양에 의해 가해지는 압력은 그의 온도에 직접적으로 비례한다. 따라서 가스의 온도가 증가함에 따라, 가스의 압력도 증가할 것이다.
결과적으로, 보든 게이지와 같은 압력 게이지를 사용한 압력의 측정은, 예를 들어 20℃ 의 초기 온도로부터 예를 들어 햇빛이 비치는 환경인 50℃ 까지, 절대 온도에 비례하여 오르내리며, 보든 게이지 상에 표시된 압력은 약 10% 까지 증가할 것이다.
추가적인 문제점은, 압력 측정을 사용하여 실린더의 내용물을 결정하기 위해, 압력 게이지는 가스의 압축률에 대해 보정되도록 요구된다는 점이다. 이것은 이상 기체의 거동과 일치하지 않는, 높은 압력에서의 가스의 거동에 의해 복잡해진다.
가스의 물리적 특성들을 측정하기 위해 사용되는 대안적인 유형의 디바이스가 수정(quartz crystal)과 같은 압전 디바이스이다. 수정은 압전 거동을 나타내며, 즉 이들에 대한 전압의 인가가 고체(solid)의 미세한 압축 또는 신장 그리고 그 반대를 야기한다.
Sensors and Actuators 80 (2000) 233-236 에 실린 지젤(Zeisel) 등의, "(SF6)-가스 밀도 제어를 위한 소리굽쇠(Turning Fork) 기술에 기초한 정밀하고 강건한 수정 센서(A Precise And Robust Quartz Sensor Based On Tuning Fork Technology For (SF 6 ) - Gas Density Control)"는, 수정 센서가 낮은 가스 압력에서 높은 그리고 중간의 전압 전기 설비에서 SF6-가스의 밀도를 측정하는데 사용되는 장치를 개시하고 있다. SF6 가스의 밀도의 측정은 장치의 안전이 중요하다. 이 문헌은, 8 bar g 까지의 압력이 사용되는 수정 센서 기술을 위한 낮은 압력 적용을 설명하고 있다.
US 4,644,796호는 벨로우즈(bellows) 장치를 포함하는 가변-용적 하우징 내부에 수용된 수정 발진기를 사용하여 유체의 압력을 측정하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 하우징의 내부 용적은, 외부 유체 압력에 의한 벨로우즈의 압축/팽창으로 인해 변화한다. 결과적으로, 하우징 내부의 유체의 밀도는 하우징의 내부 용적이 변화함에 따라 변화하게 된다. 하우징 내부의 밀도는 수정 발진기를 사용하여 측정될 수 있다.
상기한 장치는, 수정 발진기와 같은 고체 상태 센서의 사용을 설명하고 있다. 그러나 상기한 장치와 방법 중 그 어느 것도, 가스 실린더와 같은 압력 용기 내부의 가스의 질량을 정확하게 측정하기에는 적합하지 않다.
가스 실린더에 수용되는 가스의 물리적 특성들의 측정에 관한 부가적인 복잡함은, 실린더 내부에서의 가스의 운동이다. 예를 들어, 가스 실린더의 상부가 차갑다면, 가스의 물리적 특성에 대한 측정을 왜곡시킬 수 있는 활발한 대류 흐름(convection current)이 일어날 수 있다.
그라쇼프 수(Grashof number)(Gr)는 유체상에 작용하는 점착력(viscous force)에 대한 부력의 비율을 어림 계산한 무차원 수(dimensionless number)이다. Gr 값은, 특히 유체의 대류 발생의 가능성에 대한 표시를 제공하며, Gr 값이 높을수록, 더욱 쉽게 대류가 발생할 것이다.
예를 들어, 가스 실린더 내부의 300 bar g 의 압력에서 아르곤 가스의 Gr 의 값은 매우 크다. 그로한 높은 압력에서의 아르곤은, 물의 밀도에 가까운 밀도를 갖지만, 상당히 낮은 점도(물 보다 약 50배 낮은)를 갖는다. 부가적으로, 아르곤은 가열될 때 물 보다 팽창하려는 훨씬 더 큰 경향을 갖는다. 그 결과로서, 심지어 작은 음의 온도 구배(gradient)라도(즉, 실린더의 상부가 더 차가운) 가스 실린더 내부에서 가스의 강한 대류로 이어질 수 있다.
실린더의 길이를 따른 온도 구배가 사용 시 많은 상황에서 일어날 수 있다. 예를 들어, 실린더가 최근에 충전되었다면, 이것이 상이한 온도의 환경들 사이에서 또는 유동이 실린더에 부착된 밸브로부터 빠져나가는 상황에서 이동되었다면, 실린더의 상부는 실린더의 대부분 보다 상당히 차가울 수 있다. 온도 구배는 흔히 10℃ 를 넘어, 그리고 심지어 30℃ 만큼 높을 수 있다. 현재, 일체형 압력 조정기를 갖는 밸브(VIPR)가 점점 더 대중화되고 있다.
그러나 그러한 밸브들은, 이들이 저장 압력으로부터 가스를 팽창시킬 때, 특히 차가워진다. 따라서, 이러한 온도 차이들의 결과로서, 대류가 흔히 실린더 내에서 발생할 것이다. 대류는, 밀도 및 온도의 랜덤 변조와 더불어, 압력 변화가 거의 없이, 난류(turbulent) 방식으로 일어난다.
일반적으로, 실린더 내부의 가스의 물리적 특성들을 측정하는 하나의 접근방법은 가스 실린더 자체의 내부에 센서를 배치하는 것이다. 이는, 센서가 실린더의 중심에서 가스 특성들을 모니터링하는 것을 가능하게 한다.
그러나, 유동이 VIPR 을 갖는 실린더를 사용하는 가스 실린더로부터 빠져나가게 될 때, 강한 대류 흐름이 생성된다. 대류 흐름은, 실린더의 내용물의 질량 변화율과 같은 가스 특성들을 측정할 때 과도한 소음으로 이어져서, 측정 결과를 부정확하게 하거나 또는 심지어 의미 없게 만든다. 따라서 알려진 측정 장치들은, 대류를 직면하기 쉬운 가스 실린더와 같은 용기(enclosure)에서 가스의 물리적 특성들에 대한 정확한 측정을 제공할 수 없다는 기술적 문제점으로부터 고통 받는다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 가스 실린더 몸체 및 상기 가스 실린더의 고정된 내부 용적을 한정하는 밸브 장치를 포함하는 가스 실린더 내부의 압력 하의 가스의 물리적 특성들을 측정하기 위한 센서 조립체가 제공되며, 상기 센서 조립체는 하우징, 가스 실린더 내부의 가스 내에 잠기는 압전 발진기, 및 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 압전 발진기를 구동시킬 수 있는 구동 회로를 포함하며, 상기 센서 조립체는, 상기 가스 내에 잠길 때, 상기 압전 발진기의 공진 주파수로부터 가스 실린더 내부의 가스의 밀도를 결정하도록 배치되며, 사용 시 상기 하우징은 가스 실린더의 고정된 내부 용적 내부에 위치하게 되며 그리고 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하고, 상기 제1 챔버는 제2 챔버와 유체 소통 상태에 놓이며 그리고 상기 압전 발진기를 실질적으로 둘러싸며, 그리고 상기 제2 챔버는 가스 실린더의 내부와 유체 소통상태에 놓인다.
본 발명의 장치는 센서 조립체에 관한 것이다. 센서 조립체는 하우징 내부에 둘러싸인 압전 발진기를 포함한다. 하우징은 적어도 2개의 챔버를 포함하는 자체적으로 완비된(self-contained) 구조이며, 가스 실린더와 같은 압력 용기 내부에 위치하게 되도록 배열된다. 이것은, 압력 용기 내에 센서 조립체의 최적의 배치를 가능하게 하며, 거기에서 상기 센서 조립체는, 온도 변화 또는 경계층 유동이 예를 들어 밀도 측정에 영향을 끼칠 수 있는, 예를 들어 용기의 벽들로부터 이격될 수 있다.
실시예에 따르면, 압력 용기 내부의 압력 하의 가스의 물리적 특성들을 측정하기 위한 센서 조립체가 제공되며, 상기 센서 조립체는 하우징 및 압력 용기 내부의 가스 내에 잠기게 되는 압전 발진기를 포함하며, 상기 압전 발진기는 상기 가스 내에 잠기게 될 때 압력 용기 내부의 가스의 밀도를 측정하도록 배열되며, 상기 하우징은 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하고, 상기 제1 챔버는 제2 챔버와 유체 소통 상태에 놓이고 상기 압전 발진기를 실질적으로 둘러싸며, 그리고 상기 제2 챔버는 압력 용기의 내부와 유체 소통 상태에 놓인다.
그러한 장치를 제공함으로써, 실린더와 같은 압력 용기 내의 유체의 실제 내용물(즉, 질량)은, 온도 또는 압축률과 같은 인자들에 대해 보상할 필요 없이 직접적으로 측정될 수 있다. 본 발명의 하우징은 가스 실린더 내부의 대류 흐름에 의해 생성되는 소음 및 오류를 완화시켜, 실린더 내부의 가스의 밀도로부터의 직접적인 유도를 통해 질량 또는 질량의 변화율의 정확한 결정을 가능하게 한다.
또한, 압전 발진기는, 높은 압력 또는 급작스러운 압력 변화에 저항하며 그리고 그에 따라 압력 "크리프(creep)" 또는 다른 환경적 인자에 의해 손상될 가능성이 낮은, 고체 상태 디바이스(solid state device)이다. 압전 발진기의 구조는, 기능하기 위해 압력 차이를 요구하는 통상적인 게이지(보든 게이지와 같은)와는 달리, 압전 발진기가 가스에 완전히 잠기게 되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 센서 조립체는, 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 하기 위해 압전 발진기를 구동하도록 그리고 상기 압력 용기 내부의 가스의 밀도를 결정하기 위해 미리 결정된 시간 주기에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하도록 작동할 수 있는 구동 회로를 더 포함한다.
일 실시예에서, 압력 용기는 고정된 내부 용적을 가지며, 그리고 센서 조립체는 나아가, 밀도 측정값으로부터 및 상기 압력 용기의 내부 용적으로부터 압력 용기 내부의 가스의 질량을 결정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 나아가, 복수의 측정값을 획득하기 위해 불연속적인 시간 간격으로 압력 용기 내부의 가스의 질량의 반복적인 측정을 수행하도록, 그리고 상기 복수의 측정값으로부터 불연속적인 시간 간격 도중의 압력 용기로의/압력 용기로부터의 가스의 질량 유량을 결정하도록 배열된다.
일 실시예에서, 불연속적인 시간 간격들은 몇 초 정도이다.
일 실시예에서, 수치 필터링(numerical filtering)이 상기 측정값에 적용된다.
일 실시예에서, 제1 챔버는, 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 제1 개구를 포함하는 벽을 가지며, 그리고 제2 챔버는, 제2 챔버와 압력 용기의 내부 용적 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 제2 개구를 포함하는 벽을 갖는다.
일 실시예에서, 제1 및/또는 제2 개구는 0.35 mm 이하의 치수를 갖는다.
일 실시예에서, 제1 및/또는 제2 개구는 0.22 mm 이하의 치수를 갖는다.
일 실시예에서, 하우징은 실질적으로 원통형이다.
일 실시예에서, 하우징은 230 mm 이하의 길이를 갖는다.
일 실시예에서, 하우징은 80 mm 이하의 길이를 갖는다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 수정 발진기를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 압력 하의 가스를 수용하기 위한 가스 실린더가 제공되며, 상기 가스 실린더는 고정된 내부 용적을 한정하는 가스 실린더 몸체, 상기 가스 실린더 몸체에 연결되며 그리고 가스에 의한 상기 가스 실린더의 충전 또는 상기 가스 실린더로부터의 가스의 분배를 선택적으로 가능하게 하도록 배열되는 밸브 장치, 및 상기 제1 양태의 센서 조립체를 포함한다.
실시예에 따르면, 압력 하에 가스를 수용하기 위한 압력 용기가 제공되며, 상기 압력 용기는, 고정된 내부 용적을 가지며 그리고, 고정된 내부 용적을 한정하는 압력 용기 몸체, 상기 용기 몸체에 연결되며 그리고 가스에 의한 상기 압력 용기의 충전 또는 상기 용기로부터의 가스의 분배를 선택적으로 가능하게 하도록 배열되는 밸브 장치, 및 상기 제1 양태의 센서 조립체를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전체적으로 압력 용기의 고정된 내부 용적 내부에 위치하게 된다.
일 실시예에서, 압력 용기는 가스 실린더의 형태이다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 압전 발진기 및 하우징을 포함하는 센서 조립체를 사용하여 압력 하의 가스의 질량을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 가스는 고정된 내부 용적을 갖는 압력 용기 내에 수용되며, 압전 발진기는 압력 용기 내부의 가스 내에 잠기게 되며, 하우징은 제1 및 제2 챔버를 포함하고, 상기 제1 챔버는 제2 챔버와 유체 소통 상태에 놓이고 상기 압전 발진기를 실질적으로 둘러싸며, 그리고 상기 제2 챔버는 압력 용기의 내부와 유체 소통 상태에 놓이며, 상기 방법은 a) 고압 용기 내부의 가스의 밀도를 측정하기 위해 상기 압전 발진기를 사용하는 단계, b) 밀도 측정값으로부터 그리고 상기 압력 용기의 내부 용적으로부터, 압력 용기 내부의 가스의 질량을 결정하는 단계를 포함한다.
그러한 방법을 제공함으로써, 실린더와 같은 압력 용기 내의 가스(영구 가스와 같은)의 실제 내용물(즉, 질량)이, 온도 또는 압축률과 같은 같은 인자들에 대해 보상할 필요 없이 직접적으로 측정될 수 있다. 이것은 실린더 내의 가스의 밀도로부터의 직접적인 유도를 통해 질량의 결정을 허용하여, 추가적인 센서에 대한 또는 이루어져야 할 복잡한 보상 및 개산(槪算)(approximation)에 대한 필요성을 감소시킨다. 또한, 압전 발진기는, 높은 압력, 급작스러운 압력 변화, 또는 다른 환경적 인자에 저항하는 고체 상태 디바이스이다. 압전 발진기는, 기능하기 위해 압력 차이를 요구하는 통상적인 게이지(보든 게이지와 같은)와는 달리, 가스 내에 완전히 잠기게 될 수 있다.
일 실시예에서, 단계 a) 는, 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 구동 회로에 의해 압전 발진기를 구동하는 것; 및 상기 고압 용기의 가스 내의 밀도를 결정하기 위해 미리-결정된 시간 주기에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 단계 a) 및 단계 b) 는, 상기 시간 주기에 걸친 상기 압력 용기 내부의 가스 밀도에 대한 일련의 측정값이 획득되도록, 1회 이상 반복되며, 상기 일련의 측정값은 상기 시간 주기 도중의 상기 압력 용기 내부의 가스의 질량 변화를 결정하는데 사용된다.
일 실시예에서, 상기 압전 발진기는 수정(quartz crystal) 발진기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수정 발진기는 적어도 하나의 가지부(tine)를 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 구성으로 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.
일 실시예에서, 압력 용기는 고압 용기를 포함한다. 고압 용기는 일반적으로 10 bar 보다 큰 내부 압력에 견디도록 배열되는 용기이다.
변형예에서, 압력 용기는 가스 실린더를 포함한다.
변형예에서, 상기 압전 발진기는 수정 발진기를 포함한다.
변형예에서, 가스는 영구 가스이다.
일 장치에 있어서, 고압 용기는 가스 실린더이다.
실시예에서, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 실시예에서, 센서 조립체는 공통 이미터 증폭기로부터 피드백 구성으로 배치되는 달링턴 쌍을 포함하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 일 장치에 있어서, 전원은 리튬-이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는, 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 압전 발진기를 구동시키며 그리고 상기 압력 용기 내의 가스의 밀도를 결정하기 위해 미리-결정된 시간 주기에 걸쳐 상기 공진 주파수를 측정하도록 배열된다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 나아가, 복수의 측정값을 얻기 위해 불연속적인 시간 간격으로 압력 용기 내부의 가스의 질량의 반복적인 측정을 수행하도록, 그리고 복수의 측정값으로부터 불연속적인 시간 간격 도중의 압력 용기로의/압력 용기로부터의 가스의 질량 유량을 결정하도록, 배열된다. 시간의 주기에 걸쳐 압력 용기 내부의 가스 밀도의 일련의 측정값이 획득되도록 하기 위해 많은 횟수로, 상기 일련의 측정값은 상기 시간의 주기 도중의 압력 용기 내부의 가스의 질량의 변화를 결정하는데 사용된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 제1 양태의 센서 조립체를 포함하는 밸브 장치가 제공되며, 상기 밸브 장치는 고정된 내부 용적을 갖는 압력 용기를 형성하기 위해 압력 용기 몸체에 연결되고, 밸브 장치는 가스에 의한 압력 용기의 충전 또는 압력 용기로부터 가스의 분배를 선택적으로 가능하게 하도록 배열된다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 구동 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 센서 조립체는 전원을 포함한다. 변형예에서, 전원은 리튬-이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 완전히 압력 용기의 고정된 내부 용적 내부에 위치하게 된다.
하나의 장치에서, 압력 용기 몸체는 가스 실린더를 포함한다.
본 발명의 제5 실시예에 따르면, 제3 양태의 단계들을 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는, 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 제6 실시예에 따르면, 제5 양태에 따른 컴퓨터 프로그램 제품이 저장되는, 컴퓨터 사용가능 저장 매체가 제공된다.
본 발명의 실시예들이 지금부터 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 가스 실린더 조립체의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 실린더 조립체의 위쪽 부분을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3a는 도 2의 실시예의 센서 조립체의 하우징을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3b 내지 3f는 도 2의 실시예의 센서 조립체와 함께 사용하기에 적합한 하우징의 대안적인 변형예들을 도시한 개략적인 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 구동 회로의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 대안적인 구동 회로를 도시한 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 다른 대안적인 회로를 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 많은 상이한 가스들에 대한 밀도(kg/m3)의 함수로서 Y-축 상에 수정 주파수(kHz)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 아르곤, 산소 및 아르곤, 이산화탄소 혼합물에 대한 X-축 상의 압력(bar g)의 함수로서 Y-축 상에 가스 질량(kg)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 3개의 가스(아르곤, 산소 및 아르곤, 이산화탄소 혼합물)에 대한 X-축 상의 밀도(kg/m3)의 함수로서 Y-축 상에 가스 질량(kg)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 100 bar g 의 압력에서 50 리터 가스 실린더로부터 12 l/min 의 유량에 대한 X-축 상의 시간(분)의 함수로서 Y-축 상에 주파수(kHz)를 나타낸 그래프이다.
도 11은 100 bar g 의 압력에서 50 리터 실린더에 대한 X-축 상의 시간(분)의 함수로서 Y-축 상에 계산된 유량(l/min)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 전형적인 가스 실린더에 대한 X-축 상의 가스 실린더 질량(kg)의 함수로서 Y-축 상에 주파수(kHz)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 하우징이 없는 수정 발진기를 사용한 유량 측정을 위해 초(sec) 단위의 시간 (X-축상의)의 함수로서 유량[(l/min)을 2 로 나눈]을 나타낸 그래프이다.
도 14는 제1 실시예에 따른 하우징에 의해 둘러싸이는 수정 발진기를 사용한 유량 측정을 위해 초 단위의 시간(X-축상의)의 함수로서 유량[(l/min)을 2 로 나눈]을 나타낸 그래프이다.
도 15는, 제1 실시예에 따른 하우징에 의해 둘러싸이는 수정 발진기를 사용한 유량 측정을 위해(정사각형) 그리고 수치 필터를 통과하는 동일한 데이터를 위해, 초 단위의 시간(X-축상의)의 함수로서 유량[(l/min)을 2 로 나눈]을 나타낸 그래프이다.
도 16은 설명된 실시예에 따른 방법을 도시한 흐름도이다.
도 17은 상이한 결정 유형들에 대한 주파수 거동을 도시한 그래프이다.
도 18은 2개의 수정을 포함하는 대안적인 센서 조립체를 도시한 개략적인 도면이다.
도 19는 원격 전자 데이터 유닛을 사용하는 대안적인 장치를 도시하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 실린더 조립체(10)를 도시한 개략적인 도면이다.
가스 실린더 조립체(10)는, 가스 실린더 몸체(102) 및 밸브(104)를 갖는 가스 실린더(100)를 포함한다. 가스 실린더 몸체(102)는, 가스 실린더(100)가 평탄한 표면 상에서 별도의 지지 없이 직립할 수 있도록 배열되는, 평평한 기부(102a)를 갖는 대체로 원통형인 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 몸체(102) 및 밸브(104)는 내부 용적(V)을 갖는 압력 용기[이 실시예에서, 가스 실린더(100)의 형태]를 한정한다. 내부 용적(V)은 고정된다. 이것은, 가스 실린더(100)의 구조가, 그의 내부 용적(V) (및 부수적으로 그 내부에 수용되는 가스의 체적)이 사용, 저장 시 또는 온도, 압력, 또는 습도와 같은 환경적인 조건에 의존하여 상당한 정도로 변화하지 않을 것으로 가정될 수 있도록 한다는 것을, 의미한다. 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)은 가스 실린더 몸체(102) 및 밸브(104) 내의 전체 용적을 포함하는 것으로 의도된다. 달리 말하면, 내부 용적(V)은 가스가 압력 하에 유지되는 가스 실린더 조립체(10) 내부의 전체 내부 용적이다.
임의의 적당한 유체가 가스 실린더 조립체(10) 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, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 삼불화질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 크립톤, 네온 또는 이들의 혼합물들(예를 들어, 아르곤 및 이산화탄소)일 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 개구(106)와의 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.
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.
관통-구멍(118)이 유출구(110)의 하류에서 하우징(108)에 형성된다. 관통-구멍(118)은, 부품들(와이어와 같은)이 가스 실린더(100)의 외부로부터 가스 실린더(100)의 내부로 공급될 수 있도록 하는 피드 스루(feed through)(120)에 의해 폐쇄된다. 피드 스루(120)는, 가스 실린더(100)의 온전함을 유지하는 고압 밀봉부로서 기능한다.
가스 실린더 조립체(10)는 센서 조립체(200)를 갖는다. 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부의 가스의 밀도를 측정하도록 배열된다. 센서 조립체(200)는 도 2에 도시되어 있으며, 또한 적절한 배선(wiring)에 의해 구동 회로(204) 및 배터리(206)에 연결되는 수정 발진기(202)를 포함한다. 프로세서(220)(도 2에는 도시되지 않음)가 또한, 별도로 또는 구동 회로(204)의 일부분으로서 제공될 수 있다. 이것은 나중에 설명될 것이다.
도 2의 실시예에서, 센서 조립체(200) 전체는 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부에 위치하게 된다. 따라서 수정 발진기(202), 구동 회로(204)[및 프로세서(220), 제공될 경우], 및 배터리(206)는 모두 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내에 위치하게 된다. 센서 조립체(200)의 부품들은 가스 내에 완전히 잠기게 되며, 그리고 가스 실린더(100) 내부의 평형(isostatic) 가스 압력 하에 놓인다. 결과적으로, 센서 조립체(200)는 가스 실린더(100) 내부의 가스의 전체 가스 압력을 경험한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센서 조립체(200)는 예를 들어 베이스 스테이션(base station)과의 원격 통신을 위한 안테나(230)에 연결될 수 있다. 이것은 나중에 논의될 것이다. 이 경우에, 안테나(230)는 가스 실린더(100)의 외부에 위치하게 될 수 있으며, 그리고 와이어 또는 등가의 커넥터에 의해 센서 조립체에 연결될 수 있다. 와이어는 안테나(230)와 센서 조립체(200) 사이의 연결을 유효하게 하기 위해 피드 스루(120)를 통과하게 될 수 있다.
안테나(230) 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, 안테나(230)의 변형예들(및 연관된 전송 하드웨어)에 대해 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
본원 발명자들은 센서 조립체(200)의 단지 몇몇 부품만이 고압에 민감하다는 것을 발견한 바 있다. 특히, 배터리와 같은 큰 부품들은 고압에 민감할 수 있다. 그러나 리튬 이온 배터리가 가스 실린더(100) 내부에서 직면할 수 있는 고압 하에서 특히 잘 수행한다는 것을 발견하였다. 결과적으로, 배터리(206)는 리튬 이온 셀을 포함한다. 그러나 대안적인 적절한 전원들이 숙련자에 의해 용이하게 예상될 것이다.
전체 센서 조립체(200)가 완전히 가스 실린더(100) 내에 위치하게 되는 것은, 가스 실린더(100)를 구성할 때 부가적인 유연성을 제공한다. 특히, 상대적으로 손상되기 쉬운 전자 부품들이 전체적으로 가스 실린더(100)의 강력한 금속 또는 복합 재료 벽들 내부에 위치하게 되는 것은, 환경적인 또는 우발적인 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이것은, 예를 들어, 가스 실린더들(100)이 다른 가스 실린더들(100), 중장비류, 또는 거친 표면들에 인접하게 되는, 저장 영역들 또는 창고에서 특히 중요하다.
나아가, 센서 조립체의 전자 부품들이 전체적으로 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부에 위치하게 되는 것은, 그렇지 않을 경우 실린더(100)의 외표면 상에서의 사용에 적합하지 않을 수 있는 더 큰 부품들이 제공될 수 있도록 한다. 예를 들어, 더 큰 배터리가, 센서 조립체(200)의 작동 수명을 증가시키기 위해, 제공될 수 있다.
부가적으로, 센서 조립체(200)의 내부 위치는, 전자 부품을 염분(salt), 물, 및 다른 오염물질과 같은 환경적인 조건들로부터 보호한다. 이것은, 예를 들어, 염분 및 물에 의한 손상에 매우 민감한 고 임피던스 회로가 센서 조립체(200)의 일부로서 사용되는 것을 허용한다.
그러나, 센서 조립체(200)가 실린더의 내부 내에 위치하게 되는 것으로 도 2에 도시되지만, 다른 위치들이 적절할 수 있다는 것을 한 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 센서 조립체(200)는 피드 스루(120)에 인접한 밸브(104)에 장착될 수 있거나, 또는 밸브(104)의 분리된 섹션을 형성한다. 중요한 점은, 수정 발진기(202)가 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부에서 가스에 노출된다는 것이다.
부가적인 변형예들이 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 수정 발진기(202)는 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부에 위치하게 되고, 구동 회로(204)는 가스 실린더(100)의 외부에 위치하게 될 수 있다. 결과적으로, 센서 조립체(200)의 적어도 일부분이 관통-구멍(118) 내에 위치하게 된다. 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)는 이때, 고압 피드 스루(120)를 통과하는 배선(208)에 의해 연결된다.
다른 변형예에서, 센서 조립체의 다른 부분들이 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내에 위치하게 될 수 있으며, 그리고 일부분이 그 외부에 위치하게 될 수 있다. 예를 들어, 구동 회로(212) 및 프로세서(220)가 가스 실린더(100) 내에 위치하게 될 수 있는 반면에, 배터리(206)는 가스 실린더(100)의 외부에 위치하게 될 수 있다. 이러한 배열은, 센서 조립체의 더욱 손상되기 쉬운 부품들이 손상 및 오염물질로부터 보호될 수 있도록 하는 반면에, 배터리(206)는 유지 관리 및 교체를 위해 용이하게 접근할 수 있다.
외부 통신에 대해, 일 구성에 있어서, 외부 안테나(aerial) 또는 안테나[안테나(230)와 같은]는 명확하게 요구되지 않는다. 예를 들어, 통신은 실린더(100) 내부로부터의 음향 전송에 의해 유효하게 될 수 있다. 음향 전송은 가스 실린더(100) 내에 위치된 송신기에 의해 유효하게 될 수 있다. 송신기는 예를 들어 간단한 고정-주파수 압전 공진기를 포함할 수 있다.
상보형 수신기가 또한 요구되며, 그리고 이러한 부품은 실린더(100)로부터 원격으로 위치하게 될 수 있으며, 예를 들어, 마이크와 일체형인 위상 고정 루프 톤 검출기(phase-locked loop tone detector)와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다. 그러한 음향 장치는, 피드-스루가 요구되지 않으며[안테나(230)에 대한 경우처럼] 그리고 모든 전자 부품이 완전히 실린더(100) 내부에 위치하게 될 수 있다는, 장점을 제공한다.
대안적으로, 센서 조립체(200)는 가스 실린더 자체 상에 장착되는 디스플레이 장치(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 이것은, 실린더(100)에 남아있는 가스의 질량, 또는 예를 들어 가스의 사용 비율을 디스플레이하도록 작동할 수 있는, 디지털 디스플레이의 형태를 취할 수 있다.
이러한 배열에서, 수정 발진기(202)는 항상 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부에서 평형 압력 하에 있으며 그리고 결과적으로 압력 구배를 경험하지 않는다. 달리 말하면, 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)과 외부 환경 사이의 압력 차이로부터 유래하는 임의의 기계적 응력이 피드 스루(120)를 가로질러 존재한다.
센서 조립체(200)의 내부 배치의 장점은 수정 발진기(202)와 같은 고체 상태 센서 디바이스 특유의 것이다. 예를 들어, 보든 게이지와 같은 통상적인 압력 센서가 이 방식으로 위치하게 될 수 없다. 결정-기반(crystal-based) 센서가 일정한 압력의 가스 내에 전체적으로 잠기도록 작동할 수 있는 반면에, 통상적인 압력 센서는 평형 압력을 측정할 수 없으며 그리고 기능하기 위해 압력 구배를 요구한다. 결과적으로, 통상적인 압력 게이지는 측정될 고압과 대기압 사이에 위치하게 되어야만 한다. 이것은, 통상적인 압력 게이지가 완전히 가스 실린더(100) 내부에 위치하게 되는 것을 배제한다.
이제 도 2 및 3a 내지 3f를 참조하여 센서 조립체(200)가 더욱 상세히 설명될 것이다.
수정 발진기(202)는 절단된 석영의 작고 얇은 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(202)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(202)의 특성 또는 공진 주파수는 두 개의 금속 피복된 표면 사이의 물리적 두께에 반비례한다.
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(adsorption) 또는 수정 상으로의 주변 물질들의 침착(deposition)은 진동하는 수정의 질량에 영향을 미쳐, 공진 주파수를 변경시킬 것이다. 이것은, 흡수층이 수정 상에 형성되며 그리고 가스가 흡수층 상으로 흡수됨에 따라 질량을 증가시키는, 통상적으로 사용되는 선택적인 가스 분석기에 대한 기초를 형성한다. 그러나 본 실시예의 경우에, 코팅이 수정 발진기(202)에 도포되지 않는다. 실제로, 수정 발진기(202) 상으로의 물질의 흡착 또는 침착은, 측정의 정확도가 영향을 받을 수 있기 때문에, 본 실시예의 경우에는 바람직하지 않다.
본 실시예의 수정 발진기(202)는 튜닝 포크-형상(tuning fork-shaped)이며, 본 실시예에서는 32.768 kHz 의 공진 주파수로 진동하도록 배열되는 약 5 mm 길이의 한 쌍의 가지부(202a)(도 3 참조)를 포함한다. 포크의 가지부들(202a)은 통상적으로, 일반적으로, 공진 주파수에서 서로를 향해 또는 서로로부터 멀어지게 동기식으로 이동하는, 기본 모드에서 진동한다.
부가적으로, AT 판 또는 SC 판인 석영을 사용하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 석영의 평면형 섹션이 특정의 선택되는 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 비료적 낮은 비용으로 입수할 수 있다. 진공 하에서(in vacuo) 사용되는 대부분의 수정 발진기와는 대조적으로, 본 실시예에서, 수정 발진기(202)는 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내에서 압력 하의 가스에 노출된다.
센서 조립체(200)는 하우징(250)을 더 포함한다. 하우징(250)은 수정 발진기(202)를 둘러싸도록 작동할 수 있으며, 사용 시 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내에 위치하게 된다. 하우징(250)은 센서 조립체(200)에 의해 이루어진 측정값에서 가스 실린더(100) 내부에서의 대류 흐름의 영향을 감소시키도록 작동할 수 있다. 도 2의 하우징(250)은 도 3a에 더욱 상세히 도시되어 있다.
도 3a를 참조하면, 하우징(250)은 본 실시예에서 제1 하우징 부분(252) 및 제2 하우징 부분(254)을 포함한다. 제1 하우징 부분(252)은 실질적으로 원통형의 측벽(256), 말단측 단부벽(258), 및 수정 발진기(202)에 인접하며 그리고 하우징(250)의 기부측 단부를 밀봉하는 기부측 단부벽(260)을 갖는다. 제1 하우징 부분(252)의 벽들은 제1 챔버(262)를 한정한다. 제1 챔버(262)는 수정 발진기(202)를 실질적으로 둘러싸며, 그리고 하우징(250)의 기부측 단부에 인접하여 위치하게 된다.
제1 하우징 부분(254)은 수정 센서들에 공통적으로 이용가능한 것과 같은 통상적인 압력 하우징을 포함할 수 있다. 이것은 제조비용을 감소시킬 수 있다. 그러나 대안적인 구성들이 사용될 수 있으며, 그에 대한 일부 가능한 변형예들이 도 3b 내지 3f에 도시되어 있다.
제2 하우징 부분(254)은 실질적으로 원통형의 측벽(264), 말단측 단부벽(266), 및 기부측 단부벽(268)을 갖는다. 제2 하우징 부분(254)의 벽들은 제2 챔버(270)를 한정한다. 본 실시예에서, 제2 하우징 부분(254)은 약 6 mm 의 직경과 약 80 mm 의 길이를 갖는 원통형이다. 그러나 이것은 치수를 제한하는 것으로 받아들여지지 않으며, 또한 횡단면 형상은 요구에 따라 변할 수 있다.
제2 챔버(270)는 제1 챔버(262)에 인접하게 위치하게 되며, 그리고 제1 하우징 부분(252)의 말단측 단부벽(258)의 관통-구멍(272)에 의해 제1 하우징 부분과 유체 소통 상태에 놓인다. 본 실시예에서, 관통-구멍(272)은 약 0.35 mm 의 직경을 갖는다. 그러나 요구에 따라 관통-구멍의 다른 형상들 및 치수들이 사용될 수 있다. 부가적으로, 요구에 따라 복수의 관통-구멍(272)이 제공될 수 있다.
추가적인 관통-구멍(274)이, 제2 챔버(270)가 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)내의 가스와 그리고 하우징(250)의 외부와 유체 소통 상태에 놓이도록, 제2 하우징 부분(254)의 측벽(264)에 형성된다. 본 실시예에서, 추가적인 관통-구멍(274)은 0.22 mm 의 직경을 갖는다. 그러나 대안적인 크기의 관통-구멍(274)이 좋은 결과를 산출하는 것으로도 확인된 바 있다. 숙련자는, 본 발명과 함께 사용될 수 있는 관통-구멍의 구성, 치수, 및 형상에 대해 용이하게 인식할 것이다. 부가적으로, 복수의 관통-구멍(274)이 제공될 수 있다.
하우징(250)의 구조는, 제1 및 제2 챔버(262, 270)가 서로 그리고 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)과 직렬로 유체 소통 상태에 놓이도록 하는 것이다. 달리 말하면, 수정 발진기(202)가 노출되는 가스는, 가스가 수정 발진기(202)에 도달하기 이전에, 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)으로부터 제2 챔버(270)를 통해 제1 챔버(262)까지 통과해야만 한다.
도 2 및 3a에 도시된 실시예에서, 하우징(250)에 의해 형성되는 제1 및 제2 챔버(262, 270)는 분리된 구조로서 형성된다. 그러나 이것은 반드시 그럴 필요는 없으며, 단일의 공통 하우징(250)이 사용될 수도 있을 것이다.
도 3b 내지 3f는 본 발명의 범위 이내에 있는 하우징(250)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 명확함을 위해, 도 3a의 실시예와 공통적인 특징부들을 지칭하는 도면부호들은 생략되었다.
도 3b는 하우징(250)의 제2 실시예를 도시하고 있다. 제2 실시예는 관통-구멍(274)이, 제2 하우징 부분(254)의 말단측 단부벽(266)에 형성되는 것을 제외하고는, 구조적으로 제1 실시예와 유사하다.
도 3c는 하우징(250)의 제3 실시예를 도시하고 있다. 도 3c의 실시예는, 제2 하우징 부분(254)이 연장된 길이를 갖는 것을 제외하고는, 하우징(250)의 제1 및 제2 실시예와 구조적으로 유사하다. 본 실시예에서, 제2 하우징 부분(254)은 약 230 mm 의 길이를 갖는다. 도 3c가 말단부에 관통-구멍(274)을 갖는 것으로 도시되었지만, 관통-구멍(274)은 동일하게 제2 하우징 부분(254)의 측벽(264)에 형성될 수도 있다.
도 3d 내지 3f의 실시예는 하우징(250)의 상이한 구조를 도시하고 있다. 도 3d에 도시된 하우징(250)의 제4 실시예는, 하우징(250)이 일체형 부재라는 점에서이전의 실시예들과 상이하며 그리고, 원통형 외측벽(276), 말단측 단부벽(278), 및 기부측 밀봉부(280)를 포함한다.
벽들(276, 278, 280)은 하우징(250)의 내부의 경계를 한정한다. 하우징(250)은, 하우징(250)의 내부를 제1 및 제2 챔버(284, 286)로 분할하는 내부벽(282)을 더 포함한다. 제1 챔버(284)는 수정 발진기(202)를 실질적으로 둘러싸며, 하우징(250)의 기부측 단부에 인접하게 위치하게 된다.
제2 챔버(286)는 제1 챔버(284)에 인접하여 위치하게 되며, 내측벽(282)의 관통-구멍(288)에 의해 제1 챔버와 유체 소통 상태에 놓인다. 본 실시예에서, 관통-구멍(288)은 약 0.35 mm 의 직경을 갖는다. 그러나 요구된다면 관통-구멍의 다른 형상 및 치수가 사용될 수 있다. 부가적으로, 요구된다면 복수의 관통-구멍(288)이 제공될 수 있다.
추가적인 관통-구멍(290)이, 제2 챔버(286)와 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 사이의 유체 소통을 가능하게 하기 위해, 제공된다. 제1 실시예와 마찬가지로, 관통-구멍(290)은 하우징(250)의 측벽(276)에 제공된다.
하우징(250)의 제5 실시예가 도 3e에 도시되어 있다. 하우징(250)의 제5 실시예는 구조적으로 제4 실시예와 유사하지만, 그러나 관통-구멍(290)은 하우징(250)의 말단측 단부벽(278)에 제공되며, 그리고 하우징(250)은, 제2 챔버(286)가 더 큰 내부 용적을 갖도록, 더 큰 길이(이 실시예에서는, 230 mm)를 갖는다. 이러한 변형예들은 어느 것이나 제5 실시예에 적용될 수 있다.
하우징(250)의 제6 실시예가 도 3f에 도시되어 있다. 하우징(250)의 제6 실시예는 구조적으로 제5 실시예와 유사하지만, 그러나 제2 내부벽(292)이 제공된다. 제2 내부벽(292)은 그 내부에 형성되는 관통-구멍(294)을 가지며, 그리고 하우징(250)의 내부를 3개의 챔버, 즉 제1 챔버(284), 제2 챔버(286), 및 제3 챔버(296)로 분할한다.
제1, 제2, 및 제3 챔버(284, 286, 296)는 서로 그리고 하우징(250)의 외부의 가스 실린더(100)의 내부와 직렬로 유체 소통 상태에 놓인다. 달리 말하면, 수정 발진기(202)가 노출되는 가스는, 가스가 수정 발진기(202)에 도달하기 이전에, 가스 실린더(100)의 내부 용적(V)으로부터 제3 챔버, 제2 챔버(286)를 통해 제1 챔버(284)까지 순차적으로 그리고 연속적으로 통과해야만 한다.
전술한 하우징(250)의 제1 내지 제6 실시예에 도시된 바와 같은 일련의 챔버의 제공은, 가스 실린더(100) 내부에서의 대류 흐름의 공압적 감쇠(damping)를 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 실린더(100) 내부의 온도 차이의 결과는, 대류가 실린더 내에 흔히 일어날 것이라는 점이다. 대류는, 결과적인 압력의 변화가 거의 없는 가운데, 밀도 및 온도의 변조(ρ∼1/T 이도록)와 더불어, 난류 방식으로 발생한다.
본원 발명자들은 하우징(250)의 작동의 원리가 다음과 같음을 이해한다. 하우징(250)은, 밀도 및 온도의 변화를 평균화는 경향을 갖는, 가스의 내부 용적을 한정한다. 원칙적으로, 압력 변화의 부족 때문에, 하우징(250)의 관통-구멍을 통해서는 유동은 없을 것이다. 따라서, 시스템은 밀도 및 압력이 단지 그 외부에서 변할 때, 안정된 압력으로 안정된 출력을 제공할 것이다. 하우징(250)의 온도가 변화하는 경우에만, 측정된 밀도가 변화할 것이다. 그러나 이것은, 하우징(250) 내부에서의 가스의 체적의 큰 열 용량(thermal mass) 때문에 실제로는, 제한된다.
그러나, 본원 발명자들은, 예를 들어 유동이 가스 실린더(100)로부터 빠져나갈 때 보이게 되는 압력 변동에 대해, 하우징(250)이 상이하게 반응한다는 것을 발견하였다. 이 경우에, 관통-구멍들은, 그러한 대응하는 압력 변화가 관통-구멍을 통한 유체 유동을 통해 거의 순간적으로 소통되도록, 충분히 크다.
전술한 이익을 얻기 위하여, 적어도 2개의 챔버를 포함하는 하우징(250)이 요구된다는 것이 확인된 바 있다. 단일의 챔버 배열은, 실린더 내부에 대류 흐름으로부터 야기되는 밀도 및 온도 변화로부터 충분한 격리를 제공하는데 비효과적인 것으로 확인된 바 있다.
수정 발진기(202)를 구동하기 위한 구동 회로(204)가 도 4에 도시된다. 구동 회로(204)는 다수의 특별한 기준을 충족시켜야 한다. 첫째, 본 발명의 수정 발진기(202)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(202)는 넓은 범위의 압력 하에서 작동(그리고 비사용 기간 후에 재시동)하도록 요구된다.
결과적으로, 수정 발진기(202)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(204)는 Q 인자의 변화에도 불구하고 수정 발진기(202)를 구동시킬 수 있어야 한다. 가스 실린더(100) 내의 압력이 증가함에 따라, 수정 발진기(202)의 진동은 점진적으로 감쇠될 것이고, Q 인자는 떨어지게 된다. 하락하는 Q 인자는, 구동 회로(204)의 증폭기에 의해 제공될 더 높은 게인(gain)을 요구한다. 그러나, 너무 높은 증폭이 제공되면, 구동 회로(204)가 수정 발진기(202)로부터의 응답을 구별하기 어려워질 수 있다. 이 경우, 구동 회로(204)는 단순히 연관성이 없는 주파수에서 진동하거나, 수정 발진기(202)의 비-기본 모드의 주파수에서 진동할 수 있을 것이다.
추가적인 제한으로서, 구동 회로(204)는 광전지와 같은 보충 전력과 더불어 또는 보충 전력 없이 장시간 소형의 저전력 배터리로 구동할 수 있도록 전력 소비가 적어야 한다.
지금부터, 구동 회로(204)가 도 4를 참조하여 설명될 것이다. 수정 발진기(202)를 구동하기 위해, 구동 회로(204)는 본질적으로 수정 발진기(202)로부터 전압 신호를 수신하여, 이를 증폭시키고, 다시 그 신호를 수정 발진기(202)로 공급한다. 수정 발진기(22)의 기본 공진 주파수는, 본질적으로, 석영의 팽창률 및 수축률의 함수이다. 이는 일반적으로 수정의 판(cut) 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(204)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, 프로세서(220)에 의해 측정될 수 있다.
구동 회로(204)는 6V 배터리(208)로부터 전원을 공급받는다. 본 실시예에서, 배터리(208)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(204)는 달링턴 쌍 공통 이미터 증폭기(210)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(200)은 단일 트랜지스터(T1) 공통 이미터 증폭기(212)로부터의 피드백 구성으로 배치된다. NPN 이극 접합 트랜지스터가 도 4에 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(204)는 버퍼 증폭기(214)로서 작용하는 추가의 NPN 이미터 팔로워 트랜지스터(T2)를 포함한다. 버퍼 증폭기(214)는 회로와 외부 환경 사이에서 버퍼로서 기능하도록 배열된다.
커패시터(216)가 수정 발진기(202)와 직렬로 위치하게 된다. 본 예에서, 커패시터(216)는 100 pF의 값을 가지며, 수정이, 예를 들어, 염분이나 다른 침착 물질들에 의해 오염된 상황에서, 구동 회로(204)가 수정 발진기(202)를 구동하는 것을 가능하게 한다.
이하, 대안적인 구동 회로(240)가 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 구동 회로(240)는 전술한 구동 회로(204) 대신 사용될 수 있다. 전술한 구동 회로(204)와 대조적으로, 구동 회로(240)는 도 4의 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(202)의 고 임피던스에 맞춰질 수 있도록 하는, 고 임피던스 입력부로서 기능한다. 다시 말해, MOSFET(242)은 수정 발진기(202)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(202)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(202)와 접지의 사이에 연결된다. 본 실시예에서, 커패시터(246)는 수정 발진기(202)에 대한 구동력을 증가시키도록 작동할 수 있다.
저항기(248)가 수정 발진기(202)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(202)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.
지금부터, 다른 대안적인 구동 회로(300)가 도 6을 참조하여 설명될 것이다. 도 6에 도시된 구동 회로는 피어스(Pierce) 발진기와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기들은 디지털 IC 클럭 발진기로 알려져 있다. 본질적으로, 구동 회로(300)는 단일 디지털 인버터(T)(트랜지스터 형태), 세 개의 저항기(R1, R2, RS), 두 개의 커패시터(C1, C2), 그리고 수정 발진기(202)를 포함한다.
본 장치에서, 수정 발진기(202)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(202)의 사이에 사용된다.
수정 발진기(202)는 커패시터들(C1, C2)과 조합으로 Pi 네트워크 대역 통과 필터를 형성한다. 이는, 수정 발진기(202)의 대략적인 공진 주파수에서 입력에 대한 출력으로부터의 전압 이득 및 180°의 위상 변이를 가능하게 한다. 전술한 구동 회로(300)는 신뢰성이 높으며, 비교적 적은 수의 구성요소를 포함하기 때문에, 제조 비용이 저렴하다.
전술한 바와 같이, 센서 조립체(200)는 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)로부터 입력값을 수신하는 프로세서(220)를 포함할 수 있다. 프로세서(220)는 용도 특정 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC) 또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array)(FPGS)와 같은 적당한 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(220)는 실린더(100)의 사용자에게 유용한 매개변수들을, 계산하고, 디스플레이하며 그리고 전송하도록 프로그램된다.
수정 발진기(202)와 함께 사용될 때, 프로세서(220)는 구동 회로(204)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, 공급된 입력값에 기초하여 가스 실린더(100) 내의 가스의 질량을 결정하기 위한 계산을 수행하도록 구성되는, 프로세서(220)로 전송된다.
프로세서(220)는, 임의로, 상이한 가스들을 위해 사용 가능한 소프트웨어 및 하드웨어의 상이한 특징들을 갖는, 모든 실린더에서 동일할 수 있도록 대량 생산 가능하게 설계될 수 있다.
부가적으로, 프로세서(220)는, 프로세서(220) 및, 구동 회로(204)와 수정 발진기(202)와 같은, 추가적인 부품들을 커버할 수 있는 대기 또는 "휴면(sleep)" 모드의 실시를 통해 전력 소모를 최소화하도록 구성될 수 있다.
다양한 방안들이 실시될 수 있으며, 예를 들어 프로세서(220)는 11 초당 10 초 동안 대기 상태에 놓일 수 수 있다. 또한, 프로세서(220)는 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)를 제어하여, 이들 구성요소가 대부분의 시간 동안 대기 모드에 놓일 수 있도록 하며, 더욱 전력에 굶주린(power-hungry) 구성요소들을 단지 30초당 1/2초 동안만 스위칭 온 상태에 놓이도록 한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 안테나(230)와 같은 통신 부품들은 요구에 따라 스위치 오프되거나 센서 조립체(200)를 활성화하기 위해 사용된다.
센서 조립체(200)의 원리 및 작동이 이제 도 7 내지 14를 참조하여 설명될 것이다.
수정 발진기(202)는, 이것이 위치하게 되는 유체의 밀도에 의존하는 공진 주파수를 갖는다. 진동하는 튜닝 포크-타입 평면형 수정 발진기를 가스에 노출시키는 것은 수정의 공진 주파수의 이동(shift) 및 및 감쇠로 이어진다(진공에서 수정의 공진 주파수와 비교될 때). 이에 대한 다수의 이유가 있다. 수정의 진동에 대한 가스의 감쇠 효과가 존재하지만, 튜닝 포크 타입 수정 발진기(202)의 진동 가지부(202a)에 인접한 가스는 발진기의 유효 질량을 증가시킨다. 이는, 일측만 고정된 탄성 빔의 운동에 따라 수정 발진기의 공진 주파수의 감소로 이어진다.
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 pct00002
상기 수학식 2는, 아래의 수학식 3에 기재된 바와 같이, 진동수 f0 으로부터의 주파수 편차 Δf 에 관하여 다시 표현될 수 있다.
Figure pct00003
결론적으로, 양호한 근사치까지, 진동수의 변화는, 수정 발진기가 노출되는 가스의 밀도 변화에 비례한다. 도 7은, 다수의 상이한 가스들/가스 혼합물들에 대해, 수정 발진기(202)의 공진 주파수가 밀도 함수로서 선형으로 변한다는 것을 보여준다.
일반적으로, 수정 발진기(202)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(202)는, 상용 가스를 위한 밀도 센서로서의 사용에 특히 적당하다. 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해, 첫 번째로, 가스가 먼지와 액적으로부터 자유로울 필요가 있으며, 이는 상용 가스의 경우에는 보장되지만, 공기의 경우나 다른 일반적인 압력 모니터링 상황에서는 보장되지 않는다.
두 번째로, 실린더 내부의 가스 압력이 정상 사용 도중에[즉, 가스가 유출구(110)를 통해 배출될 때] 단지 서서히 변할 수 있기 때문에, 수정 발진기(202)가 판독을 위해 약간의 시간을 취한다는 사실은 측정의 정확도에 영향을 끼치지 않는다. 진동수를 카운팅할 필요성 때문에 그리고 수정 발진기(202)가 새로운 가스 압력에서 평형에 도달하도록 할 필요성 때문에, 대략 1 초의 시간 주기가 요구된다.
이 방법은, 가스 실린더(100) 내의 가스가 균일하지 않다면, 예를 들어 부분적으로 액체-충전된 실린더 내부에서 발생하거나 또는 최근에 준비된 가볍고 무거운 가스들이 불충분하게 혼합된 혼합물의 경우에서 발생하는 것과 같이, 가스가 불균일한 혼합물이라면, 덜 정확할 수 있다. 그러나 이것은 대부분의 패키징된 가스 적용에서는 발생하기 쉽지 않다.
전술한 바와 같이, 가스 실린더(100) 내부의 가스의 내부 용적(V)은 고정된다. 따라서 일단 가스 실린더(100)의 내부 용적(V) 내부의 가스의 밀도(ρ)가 센서 조립체(200)에 의한 측정으로부터 얻어지면, 실린더 내의 가스의 질량(M)은 뒤따르는 수학식으로부터 획득될 수 있다.
Figure pct00004
따라서, 가스의 밀도(ρ)의 직접적인 측정은 가스 실린더(100) 내에 남아있는 가스의 질량의 계산을 가능하게 한다.
이 방법으로의 가스의 질량의 측정은, 공지된 장치 이상의 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라 측정된 질량은 본질적으로 온도에 대해 보정된다. 대조적으로, 예를 들어 보든 게이지를 사용한 압력의 측정은 절대 온도에 비례하여 변한다. 따라서, 본 장치는, 공지 장치의 경우처럼 온도 측정 및/또는 보정을 요구하지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 측정된 가스의 질량은 본질적으로 압축률(Z)에 대해 보정된다. 예를 들어 압력으로부터 가스 내용물을 획득하기 위해 보든 게이지를 사용하는 통상적인 장치에서, 가스의 압축률에 대해 보정될 필요가 있다. 이것은, 압축률(Z)이 이상 기체에 대해 예상되는 방식으로 가스 압력에 비례하지 않는, 고압에서 특히 중요하다.
압축률에 대한 자동 보상이 도 8 및 9를 참조하여 예시된다. 도 8은 아르곤, 산소 및 아르곤과 이산화탄소 혼합물에 대한 압력(bar g)의 함수로서 Y-축 상에 가스 질량(kg)을 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상이한 가스들의 질량은 증가하는 압력과 더불어 변한다. 나아가, 250 bar g 를 초과하는 높은 압력에서, 질량과 압력 사이의 선형 관계는 더 이상 없다.
도 9는 도 8과 동일한 3 가지 가스(아르곤, 산소 및 아르곤과 이산화탄소 혼합물)에 대한 밀도(kg/m3)의 함수로서 Y-축 상에 가스 질량(kg)을 나타낸 그래프이다. 도 8과는 달리, 밀도의 함수로서의 가스의 질량은 각각의 가스/가스 혼합물에 대해 이상적이다. 나아가, 관계는 높은 밀도에서 여전히 선형적이다. 결과적으로, 수정 발진기(202)는 밀도에 대한 높은 해상도(resolution) 및 높은 선형성 모두를 갖는다.
이상에서 개략적으로 설명된 바와 같이, 본 발명의 장치는 100만 분의 1(part per million)의 해상도를 갖는 매우 높은 정확도로 질향 측정을 가능하게 한다. 높은 밀도 및 압력에서의(도 8 및 9에 도시된 바와 같이) 수정 발진기(202)의 선형 응답성과 결합되어, 높은 정확도는, H2 및 He 와 같은 매우 가벼운 가스가 정확하게 측정될 수 있도록 한다.
많은 실제적인 상황에 있어서, 가스 실린더(100) 내로의 또는 이로부터의 질량 유량의 측정이 중요하다. 이것은, 예를 들어 실린더가 비워지기까지 남아있는 시간을 계산하기 위해, 가스 실린더(100)로부터의 가스의 사용 속도(usage rate)이요구되는 상황에 유용할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 질량 유량은 가스의 정확한 양을 관리하기 위해 모니터링될 수 있다.
대기압에서의 가스 밀도는 단지 1 g/liter 정도이며, 그리고 정상적인 가스 사용 속도는 흔히 겨우 분당 몇 리터 정도이다. 본원 발명자들은, 가스 실린더(100)를 빠져나오는 가스의 질량 유량이 변화하는 밀도에 의해 측정될 수 있도록 하기 위해, 수정 발진기(202)가 충분히 안정적이며 정확하다는 것을 확인한 바 있다. 질량 유량
Figure pct00005
은 수학식 5) 로부터 계산된다.
Figure pct00006
여기에서, V 는 체적이고, △ρ 는 시간 간격 △t 에 걸쳐 나타나는 밀도의 변화이다. 이 경우에, 센서 조립체(200)의 작동은, 구동 회로(204)가 수정 발진기(202)의 많은 수의 진동 사이클에 걸쳐 적분할 것을 요구한다.
따라서 시간에 대한 순간적인 밀도 변화율
Figure pct00007
을 획득하는 것이 불가능하다. 그러나 시간에 대한 밀도의 변화율은 정상 작동 하의 가스 실린더(100) 내에서 비교적 낮다. 따라서 센서 조립체(200)를 사용하여 이루어진 측정은 정상 사용 시 충분히 정확하다.
도 10 및 도 11은 질량 유량 검출의 실험 데이터를 도시하고 있다. 도 10은 나타난 100 bar 까지의 압력에서 50 리터 실린더로부터의 분당 12 리터의 유량에 대한 X-축 상의 시간(분)의 함수로서 Y-축 상에 주파수(kHz)를 나타낸 그래프이다. 도 11은 100 bar 까지의 압력에서 50 리터 실린더에 대한 X-축 상의 시간(분)의 함수로서 Y-축 상에 계산된 유량(l/min)을 나타낸 그래프이다.
이러한 도면들은, 가장 정상적인 사용들에 대해, 가스 실린더(100)로부터의 가스의 질량 유량이 시간에 따른 밀도 변화의 측정으로부터 결정될 수 있다는 것을 예시한다. 결과적으로, 질량 유량은, 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)를 사용하여 충분한 정확도 및 시간 해상도(time resolution)로 계산될 수 있다.
도 12는 본 발명의 작동을 도시한 추가적인 실험 데이터를 예시하고 있다. 도 12는 X-축 상의 전체 실린더 질량(kg)의 함수로서 Y-축 상에 주파수(kHz)를 나타낸 그래프이다. 확인될 수 있는 바와 같이, 그래프는 고도의 정확도로 대략적으로 선형이다. 따라서 도 12는 가스 실린더(100) 내부의 가스의 질량이 수정 발진기(202)로 정확하게 측정될 수 있다는 것을 보여준다.
그러나 전술한 바와 같이, 유동이 실린더로부터 빠져나갈 때, 실린더의 상부는 실린더의 나머지 부분보다 상당히 차가워질 수 있어서, 실린더 내부에 강한 대류 흐름을 야기하도록 한다. 도 13은 가스 유동이 10 분 동안 빠져나간 실린더로부터의 가스 유동의 측정에 대한 대류의 영향을 도시하고 있다.
실험적인 설정에서, 하우징(250)은 생략되었으며, 그리고 수정 발진기(202)는, 가스 실린더(100)의 내부에 덮이지 않은 상태로 위치하게 되며 실린더(100) 내의 가스에 직접적으로 노출된다.
도 13으로부터, 유동이 정지된 이후의 유동 신호에 대류 흐름이 상당한 노이즈를 야기한다는 것이 확인될 수 있다. Y-축은 2 로 나눈 l/mim 단위의 유동을 나타내는 가운데, X-축은 초 당 하나의 데이터 지점을 갖는 시간이다. 대류로 인한 노이즈 레벨은, 잘못된 유량이 검출될 수 있다는 것 및 거의 의미 없는 정보가 수집될 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 노이즈 변동은 +10 l/mim 내지 -10 l/mim 사이에서 진동하는 유량에 대한 잘못된 측정으로 이어질 수 있다. 이것은 정확한 상업적인 용도로는 명백히 허용될 수 없다.
도 14는 유사한 측정을 도시하고 있다. 그러나, 이 경우에, 실험적인 장치는 공압 댐퍼로서 작용하도록 수정 발진기(202)의 둘레에 위치하게 되는 제1 실시예의 하우징(250)을 포함한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 데이터는 밸브가 개방되고 가스가 흐를 때 및 밸브가 폐쇄될 때 모두에 대해, 도 13에 도시된 측정 보다 상당히 적은 노이즈를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하우징(250)은 실린더(100) 내부의 대류로 인한 데이터 노이즈(및 결과적인 측정 오류)를 상당히 감소시킨다.
본원 발명자들은 이러한 노이즈의 감소가 오직 전자 필터링(filtering) 만을 사용하여 효과적으로 달성될 수 없다는 것을 확인한 바 있다. 예를 들어, RC 필터 또는 지수(exponential) 디지털 필터를 적용하는 것이 신호의 평활화(smoothing)를 생성할 수 있지만, 허용 가능한 결과를 얻기 위해는 약 30 초의 시간 상수(time constant)가 요구된다는 것을 실험적으로 확인한 바 있다. 이러한 느린 응답 시간은 대부분의 전형적인 상업 적용들에 대해 허용될 수 없다.
그러나 하우징(250)(대류로 인한 노이즈를 상당히 감소시키는)과 전자 필터링의 조합은 양호한 결과를 제공할 수 있는 것으로 확인된 바 있다. 노이즈는 하우징(250)의 사용에 의해 상당히 감소되기 때문에, 더 짧은 시간 주기에 걸쳐 평균화된 전자 필터링이 제공될 수 있으며, 따라서 응답을 개선시킨다.
지수 평균화 모델이 수학식 6)을 사용하여 적용되었다.
Figure pct00008
여기에서,
Figure pct00009
는
Figure pct00010
의 사전 계산된 값(또는 평균값)이며,
Figure pct00011
는 현재 기록된
Figure pct00012
값이며, 또한 γ 는 지수 붕괴 상수(decay constant)(0 내지 < 1)이다.
그러나 지수 필터링은 보고된 값들에 시간 지연(lag)을 도입한다. 이러한 지연은 수학식 7)을 사용하여 계산될 수 있다.
Figure pct00013
여기에서,
Figure pct00014
는 판독값들 사이의 시간 주기이다.
도 15는 0.9 의 붕괴 상수(γ)와 함께하는 필터링의 효과를 도시한 실험적인 측정을 도시하고 있다. 필터는 신호의 노이즈를 추가적으로 평활화시키는 효과를 갖는다는 것을 명확히 알 수 있다.
표 1은 본 발명의 실시예들에 따른 하우징의 장치들에서 이루어진 측정의 개요를 나타내고 있다. 아래에 나타난 바와 같이, 하우징(250)의 다양한 실시예들의 사용은 실린더(100) 내부의 대류 흐름의 결과로의 노이즈 감소에서 어느 정도의 크기의 개선으로까지 생성한다. 또한, 수치 필터링은 유동 확산(flow spread)(즉, 측정 신호 상의 노이즈의 결과로서 유동 내의 측정된 변화)를 더욱 더 감소시킬 수 있다. 그러나 수치 평균은 응답 시간의 희생으로 나타난다. 따라서 실제로는 거래(trade-off)가 요구된다.

하드웨어 타입
전체 확산(Hz/s)
유동 확산(Hz/s)
유동 확산(평균화된)(L/분)
안정 시간 시작(초)
안정 시간 정지(초)

하우징 없음
0.84
0.205
39
23
> 200

80 mm 하우징, 0.35 mm 관통-구멍

0.29

0.029

5

89

115

80 mm 하우징, 0.22 mm 관통-구멍

0.30

0.023

4

94

126

230 mm 하우징, 0.22 mm 관통-구멍

0.33

0.078

15

84

105
80 mm 하우징, 0.22 mm 관통-구멍, 수치 필터링(γ= 0.9)


0.26


0.0085


1.6


89


115
본 발명의 실시예에 따른 방법이 이제 도 16을 참조하여 설명될 것이다. 하기에 설명되는 방법은 전술한 각각의 실시예에 적용할 수 있다.
단계(400): 측정을 초기화
단계(400)에서, 가스 실린더(100) 내의 가스의 질량의 측정이 초기화된다. 이것은 예를 들어 가스 실린더(100)의 외부의 버튼을 누르는 사용자에 의해 활성화될 수 있다. 대안적으로, 측정은 원격 연결에 의해, 예를 들어 무선 네트워크를 가로질러 전송되고 안테나(230)(도 2 참조)를 통해 센서 조립체(200)에 의해 수신되는 신호에 의해 착수될 수 있다.
추가의 대안 또는 부가로서, 센서 조립체(200)는 원격으로 또는 타이머를 사용하여 초기화하도록 구성될 수 있다. 본 방법은 단계(402)로 이어진다.
단계(402): 수정 발진기를 구동
일단 초기화되었으면, 구동 회로(204)가 수정 발진기(202)를 구동시키기 위해 사용된다. 초기화 도중에, 구동 회로(204)는 수정 발진기(202)을 가로질러 랜덤 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그러한 랜덤 전압의 적어도 일부가 수정 발진기(202)가 진동하도록 야기하기에 적당한 주파수일 것이다. 수정 발진기(202)는 이후 그러한 신호와 동기하여 진동하기 시작할 것이다.
압전 효과에 의해, 이후 수정 발진기(202)의 움직임은 수정 발진기(202)의 공진 주파수 대역에서 전압을 생성할 것이다. 구동 회로(204)는 이후, 수정 공진기(202)의 주파수 대역에서 생성되는 신호가 구동 회로(204)의 출력을 지배하도록, 수정 발진기(202)에 의해 생성되는 신호를 증폭한다. 수정 필터의 좁은 공진 대역은, 원하지 않는 모든 주파수를 걸러 내고, 구동 회로(204)는 이어서 기본적인 공진 주파수(f)로 수정 발진기(202)를 구동시킨다. 일단 수정 발진기(202)가 특정한 공진 주파수에서 안정화되면, 본 방법은 단계(404)로 이어진다.
단계(404): 수정 발진기의 공진 주파수를 측정
공진 주파수(f)는 가스 실린더의 내부 용적(V) 내부의 조건들에 의존한다. 본 실시예에서, 공진 주파수의 변화량(△f)은 가스 실린더(100) 내부의 가스의 밀도의 변화의 크기에 비례하며 밀도 증가와 더불어 감소할 것이다.
측정을 수행하기 위해, 수정 발진기(202)의 주파수가 약 1 초의 주기 동안 측정된다. 이것은, 정확한 측정 값을 결정하기 위해, 판독치를 안정화할 수 있도록 하기 위한 것이며 그리고 충분한 진동들이 카운팅될 수 있도록 하기 위한 것이다. 주파수의 측정은 프로세서(200)에서 수행된다. 프로세서(220)는 또한, 측정이 시작되었을 때의 시간(T1)을 기록할 수 있다.
수정 발진기(202)는 전술한 실시예들 중 하나의 하우징(250) 내부에 위치하게 된다. 따라서, 측정 주기 도중에, 하우징(250)은 실린더(100) 내부의 대류로 인한 밀도 및 온도 변화로부터 수정 발진기(202)를 차폐한다. 이러한 상황은, 예를 들어 가스가 미리 결정된 주기 동안 실린더(100)로부터 빠져나갔으며 실린더(100)의 상부가 차가울 때, 일어날 수 있다.
일단 주파수가 측정되면, 본 방법은 단계(406)로 이어진다.
단계(406): 가스 실린더 내의 가스의 질량 결정
일단 수정 발진기(202)의 주파수가 단계(303)에서 만족스럽게 측정되었다면, 프로세서(220)는 이어서 가스 실린더(100) 내의 가스의 질량을 계산한다.
이것은, 가스의 질량이 단계(304)에서 결정되는 밀도 및 가스 실린더(100) 내의 알려진 내부 용적(V)으로부터 직접적으로 계산될 수 있는, 이사으이 수학식 5)를 사용하여 실행된다. 본 방법은 이어서 단계(408)로 이어진다.
단계(408): 측정의 결과를 저장
일단 가스의 질량이 계산되었다면, 질량은 차후의 검색(retrieval)을 위해 센서 조립체(200)의 프로세서(220)와 연관된 내부 메모리에 간단히 기록될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 시간(T1)에서의 가스의 질량이 상기 프로세서(200)의 내부 메모리에 저장될 수 있다.
본 방법은 이어서 단계(410)로 이어진다.
단계(410): 결과의 전송
임의적인 단계로서, 가스의 질량은 다수의 방식으로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 가스 실린더(100) 또는 밸브(104)에 부착되는 스크린이 가스 실린더(100) 내부에 수용되는 가스의 질량을 디스플레이할 수 있다. 대안으로서, 가스의 질량 측정값은, 베이스 스테이션으로 또는 인접한 장착부(fitting)상에 배치되는 계량기로 원격으로 전송될 수 있다.
본 방법은 이어서 단계(412)로 이어진다.
단계(412): 센서 조립체의 전원 차단
센서 조립체(200)를 항상 작동 중인 상태로 유지할 필요는 없다. 반대로, 비사용 시 센서 조립체(200)를 스위치 오프(off)하여 전력 소비를 감소시키는 것이 유익하다. 이것은 배터리(206)의 수명을 연장시킨다.
구동 회로(204)의 구성은, 수정 발진기(202)가 가스 실린더(100) 내의 가스 압력과 무관하게 재시동되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 센서 조립체(200)는 배터리 전력을 절감하기 위해 필요한 경우 전원 차단될 수 있다.
전술한 방법은 실린더(100) 내의 내용물의 단일 측정과 관련한 것이다. 비록 본 발명의 하우징(250)은 질량 유량 측정에 가장 현저하게 영향을 미치는 대류 흐름에 대한 차폐를 위해 배열되었지만, 하우징(250)은 또한 안정된 상태에서 내용물 측정을 지원할 것이다(즉, 단일 측정). 이것은, 사용자가 남아있는 가스 질량이 결정될 수 있도록 특정 유동이 빠져나간 이후의 실린더(100)의 실제 내용물의 안정 상태 측정을 요구할 수 있기, 때문이다.
그러나 유동이 빠져나간 이후에, 실린더(100)의 상부는 그의 나머지 부분 보다 차가울 수 있어서, 내부에 대류 흐름을 생성할 수 있다. 하우징(250)은, 실린더(100) 내부의 대류와는 무관하게, 실제 질량의 내용물에 대한 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 한다. 이것은 안정-상태 측정의 정확성 및 속도를 개선시킨다.
본 발명의 실시예의 작동의 방법은 안정 상태 측정과 관련하여 이상의 단계(400) 내지 단계(412)를 참조하여 위에 설명되었다. 그러나, 뒤따르는 부가적인 단계들이 또한, 실린더(100)로부터의 질량 유량을 측정하기 위해, 임의적으로 이루어질 수 있다.
단계(414-418): 질량의 추가적인 결정을 수행
가스 실린더(100)로의/또는 가스 실린더로부터의 질량 유량을 계산하는 것이 바람직할 수 있다. 시간(T1)보다 나중인 시간(T2)에서, 단계들(414, 416, 418)이 실시된다. 단계들(414, 416, 418)는 시간(T2)에서 실시되는 단계들(404, 406, 408)에 각각 대응한다. 단계들(414, 416, 418)로부터의 결과적인 값은 시간(T2)에서 가스의 질량으로서 프로세서(220)의 내부 메모리에 저장된다.
시간(T1)과 시간(T2) 사이의 시간 간격은 도 9에 도시된 바와 같이 몇 초 정도로 매우 짧을 수 있다. 대안적으로, 유량이 느리다면, 또는 예를 들어 누설로 인한 가스 실린더(100) 내부의 손실을 측정하는 것이 바람직하다면, 시간(T1)과 시간(T2) 사이의 시간 간격은 예를 들어 수 분, 수 시간, 또는 수 일 정도로 상당히 클 수 있다.
본 방법은 이어서 단계(420)로 이어진다.
단계(420): 수치 필터링 적용
이 단계는, 전술한 바와 같이, 임의적이다. 수치 필터링은, 고도로 정확한 유량이 요구되지만 그러나 측정 장치의 응답 시간이 중요하지 않은 상황에서 선택될 수 있다. 그러한 상황은, 예를 들어 낮은 유량이 장기간에 걸쳐 측정되고 있을 때, 일어날 수 있다.
수치 필터링이 선택된다면, 이것은 프로세서(220)의 부분을 형성하는 전용의 컴퓨터 하드웨어에 의해 수행될 수 있으며 또는 대안적으로 프로세서(220) 상에서 작동하는 소프트웨어로 인코딩될 수 있다.
전술한 바와 같이, 수치 필터링은 단계(416)에서 이루어진 (그리고 단계(418)에서 저장되는) 차후 측정값과 함께 단계(406)에서 이루어진 (그리고 단계(408)에서 저장되는) 측정값을 사용하는 지수 필터를 포함할 수 있다.
본 방법은 이후 단계(422)로 이어진다.
단계(422): 질량 유량을 계산
시간(T1)과 시간(T2) 사이의 시간 차이, 및 이러한 시간들에서의 가스 실린더(100)의 가스의 질량을 알고 있다면, 프로세서(220)는 수학식 6) 으로부터 시간(T1)과 시간(T2) 사이의 시간의 기간 내의 질량 유량을 계산할 수 있다.
본 방법은 이후 필요하다면 추가적인 질량 유량을 계산하기 위해 단계들(414 내지 420)을 반복하여 수행할 수 있다. 대안적으로, 본 방법은 단계(412)로 이동할 수 있으며, 그리고 센서 조립체(200)는 전원 차단될 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 17에 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(100) 외부의 대기에 개방될 수 있다.
적당한 센서 조립체(500)가 도 18에 도시된다. 센서 조립체(500)는 제1 수정 발진기(502)와 제2 수정 발진기(504)를 포함한다. 제1 수정 발진기(502)는, 진공 하의 밀봉 용기(506) 내부에 위치하게 되는, 기준 수정 발진기이다. 제1 수정 발진기(502)는 구동 회로(508)에 의해 구동된다.
제2 수정 발진기(504)는 앞선 실시예들에서 설명된 수정 발진기(202)와 유사한 수정 발진기이다. 제2 수정 발진기(504)는 가스 실린더(100)의 내부 용적 내부의 가스 환경에 노출된다. 제2 수정 발진기(504)는 구동 회로(510)에 의해 구동된다.
이러한 비교는, 두 개의 주파수 신호를 조합하고 두 개의 수정 발진기 사이의 차이와 동일한 주파수로 출력을 생성하는, 전자 혼합 회로(512)를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 온도로 인한 작은 변화들이 무효화될 수 있도록 한다.
나아가, 가스 실린더(100)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 예가 도 19를 참조하여 나타난다. 상기 장치는 가스 실린더(600) 및 센서 조립체(602)를 포함하는 가스 실린더 조립체(50)를 포함한다. 가스 실린더 조립체(50), 가스 실린더(600), 및 센서 조립체(602)는, 이전의 실시예들을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이 실질적으로 가스 실린더 조립체(10), 가스 실린더(100), 및 센서 조립체(200)와 실질적으로 유사하다.
본 실시예에서, 센서 조립체(602)는 앞선 실시예들의 수정 발진기(202) 및 구동 회로(204)와 유사한 수정 발진기 및 구동 회로(도시하지 않음)를 포함한다. 안테나(604)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(606)이 가스 실린더(600)의 유출구에 연결된다. 연결관은 신속 연결 접속부(608)에 의해 종결된다. 신속 연결 접속부(610)는 배관 연결 작업을 가능하게 하거나, 구성요소들이 가스 실린더(600)에 대해 신속하고 용이하게 연결되도록 또는 분리되도록 할 수 있다.
신속 연결 유닛(650)이 가스 실린더(600)로의 연결을 위해 제공된다. 상보형 신속 연결 접속부(610)가 접속부(608)로의 연결을 위해 제공된다. 나아가, 신속 연결 유닛(650)은 데이터 유닛(652)을 구비한다. 데이터 유닛(652)은 디스플레이부(654) 및 가스 실린더 조립체(50)의 안테나(604)와의 통신을 위한 안테나(656)를 포함한다. 디스플레이부(654)는, 전력 소비를 최소화하며 디스플레이부의 가시성을 최대화하기 위하여, 예를 들어, E-잉크 디스플레이부를 포함할 수 있다.
데이터 유닛(652)은 가스 실린더 조립체(50)의 센서 조립체(602)에 의해 측정되는 바와 같은 다양한 매개 변수를 기록할 수 있다. 예를 들어, 데이터 유닛(652)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 데이터를 제공하기를 희망하는, 용접 계약자에게 유용할 수 있다.
부가적으로, 가스 실린더(600)로부터 획득된 데이터는, 런 아웃 타임(run out time), 즉 실린더(600) 내의 가스가 모두 사용되기 까지의 시간에 대한 데이터를 제시하는데 사용될 수 있다. 이것은 병원들 간의 환자 이송에 사용되는 병원 산소 실린더와 같은 작용들에 특히 중요하다. 그러한 시간(Tro)은 하기의 수학식 8) 을 통해, 유량(전술한), 실린더의 내용물 질량, 및 현재 시간(Tc)에 대한 인지로부터 계산될 수 있다.
Figure pct00015
대안적으로, 데이터 유닛(652)으로부터의 데이터는, 경고 메시지와 함께, 유도된 매개 변수의 계산을 허용하기 위해, (용접 적용들을 위한) 컴퓨터화 활용가능용접 기계나 다른 가스 사용 장비로 출력될 수 있다. 이에 대한 총망라한 것은 아닌 예들은, 단위 아크 시간 당 사용된 가스, 용접 와이어의 kg 당 사용된 가스(예를 들어 용접부의 다공도에 대한 경고를 갖는), 표준-크기의 풍선(balloon)의 개수(또는 비-표준 크기의 풍선을 측정 및 보정하기 위한), 남아있는 용접의 시간수, 압력의 디스플레이(알려진 가스 데이터를 사용하여 측정된 밀도값을 압력으로 변환시킴으로써)일 수 있다.
부가적으로, 데이터 유닛(652)은 아래의 기능을 제공하도록, 즉 가스 레벨이 특정의 레벨 또는 유량 아래인 경우 청각적 또는 시각적 경고를 제공하도록; 실린더 수명(예를 들어, 느리게 변하는 혼합물을 위한) 또는 실린더의 유통기한을 출력하도록; 가스의 사용에 대한 데이터, 즉 어떤 타입의 용접, 어떤 타입의 용접된 금속에 대한 데이터를 포함하고 디스플레이하도록, 또는 휴대폰이나 컴퓨터가 상세한 데이터를 픽업할 수 있도록 하는 링크를 제공하도록; 다중 모드 작동, 예를 들어 공급자/충전자 모드 및 소비자 모드를 제공하도록; 실린더를 재충전하는 가스 회사에 의해 디스플레이되는 양으로부터 상이한 양을 소비자에게 디스플레이하도록; 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 모든 예들은, 센서 조립체(200, 602)에 관해 논의된 바와 같이 완전히 가스 실린더(600) 상에(또는 내부에) 위치하게 되는 시스템으로부터 임의적으로 처리되거나, 저장되거나 또는 획득될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 실시예들은 누설 검출을 수행하기 위해 사용될 수도 있다. 수정 발진기가, 그러한 센서의 탁월한 감도로 인해, 이러한 작업에 특히 적합하다. 부가적으로, 수정 발진기는, 압력 게이지를 사용하여 누설을 검출할 때의 경우처럼, 실린더의 온도의 변화로 인한 압력 변화를 부정확하게 판독하지 않을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예는 고장을 검출하는데, 예를 들어 잔류 압력 밸브 고장(예를 들어, 3 bar g 아래의 압력을 갖는 사용된 실린더에서)의 검출에 사용될 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.
부가적으로, 상기 실시예들은 가스 실린더들에 관해 예시되었지만, 본 발명의 다른 적용들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수정 발진기는 자동차, 모터바이크, 또는 트럭과 같은 차량의 타이어 내부에 위치하게 될 수 있다. 차량의 타이어의 형상은 부하 하에소 또는 고속에서 변화할 수 있지만, 본원 발명자들은 타이어의 내부 용적이 사용 시 상당히 변화하지 않는다는 것을 확인한 바 있다. 예를 들어, 내부 용적의 변화가, 이러한 맥락에서, 전체 내부 용적의 2-3 % 보다 작다면, 본 발명은 차량의 타이어 내부의 가스의 질량을 신뢰가능하게 계산할 수 있다.
나아가, 많은 적용들이 차량 타이어 내부의 가스로서 공기를 사용하지만, 점증적으로 질소와 같은 가스가 사용되고 있다. 본 발명의 장치들은 그러한 적용들에 특히 적합하다. 더불어, 질량의 측정이 본질적으로 온도와는 독립적이기 때문에, 본 발명의 장치는 환경 조건들이 측정에 영향을 미칠 수 있는 상황에 특히 유용하다.
다른 예로서, 본 발명은 또한 차량을 위한 공기 서스펜션 시스템에 적용할 수도 있다.
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 (14)

  1. 가스 실린더 몸체 및 상기 가스 실린더의 고정된 내부 용적을 한정하는 밸브 장치를 포함하는 가스 실린더 내부의 압력 하의 가스의 물리적 특성들을 측정하기 위한 센서 조립체로서, 하우징, 상기 가스 실린더 내부의 가스 내에 잠기는 압전 발진기, 및 상기 압전 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 상기 압전 발진기를 구동시킬 수 있는 구동 회로를 포함하며, 상기 가스 내에 잠길 때, 상기 압전 발진기의 공진 주파수로부터 상기 가스 실린더 내부의 가스의 밀도를 결정하도록 배열되는, 센서 조립체에 있어서,
    상기 하우징은, 사용 시, 상기 가스 실린더의 고정된 내부 용적 내부에 위치하게 되며 그리고 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하고,
    상기 제1 챔버는 상기 제2 챔버와 유체 소통 상태에 놓이며 상기 압전 발진기를 실질적으로 둘러싸며, 그리고
    상기 제2 챔버는 상기 가스 실린더의 내부와 유체 소통상태에 놓이는 것인, 센서 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 조립체는, 밀도 측정값으로부터 그리고 상기 가스 실린더의 내부 용적으로부터, 상기 가스 실린더 내부의 가스의 질량을 결정하도록 배열되는 프로세서를 더 포함하는 것인, 센서 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는 추가로, 복수의 측정값을 획득하기 위해 불연속적인 시간 간격들에 상기 가스 실린더 내부의 가스의 질량에 대한 반복 측정을 수행하도록, 그리고 상기 복수의 측정값으로부터 상기 불연속적인 시간 간격들 도중에 상기 가스 실린더로의 또는 가스 실린더로부터의 가스의 질량 유량을 결정하도록 배열되는 것인, 센서 조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 불연속적인 시간 간격들을 몇 초의 정도로 한정하도록 배열되는 것인, 센서 조립체.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 측정값에 수치 필터링을 적용하도록 배열되는 것인, 센서 조립체.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 챔버는, 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 제1 개구를 포함하는 벽을 가지며, 그리고
    상기 제2 챔버는, 상기 제2 챔버와 상기 가스 실린더의 내부 용적 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 제2 개구를 포함하는 벽을 갖는 것인, 센서 조립체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 개구 및/또는 상기 제2 개구는 0.35 mm 이하의 치수를 갖는 것인, 센서 조립체.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 개구 및/또는 상기 제2 개구는 0.22 mm 이하의 치수를 갖는 것인, 센서 조립체.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 실질적으로 원통형인 것인, 센서 조립체.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 230 mm 이하의 길이를 갖는 것인, 센서 조립체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 하우징은 80 mm 이하의 길이를 갖는 것인, 센서 조립체.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 발진기는 수정 발진기를 포함하는 것인, 센서 조립체.
  13. 압력 하의 가스를 수용하기 위한 가스 실린더로서:
    고정된 내부 용적을 한정하는 가스 실린더 몸체;
    상기 가스 실린더 몸체에 연결되며 그리고 가스에 의한 상기 가스 실린더의 충전 또는 상기 가스 실린더로부터의 가스 분배를 선택적으로 가능하게 하도록 배열되는 밸브 장치; 및
    제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 센서 조립체를 포함하는 것인, 가스 실린더.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 센서 조립체는 완전히 상기 가스 실린더의 고정된 내부 용적 내부에 위치하게 되는 것인, 가스 실린더.
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