KR20150115955A - 가스의 분자량 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

가스의 분자량을 측정하는 계기가 제공되는데, 계기는 입구와 측정 대상 가스를 수용하는 내부를 갖는 하우징과, 사용시에 압전 수정 발진기가 가스와 접촉하도록 상기 하우징 내에 배치되는 고주파수의 면형 압전 수정 발진기를 구비하는 센서 조립체를 포함하고, 상기 센서 조립체는, 압전 수정 발진기가 단일 공진 주파수로 공진하도록 압전 수정 발진기를 구동시키고, 상기 압전 수정 발진기의 단일 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 측정하며, 상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터 가스의 분자량을 결정하도록 배치된다.

Description

가스의 분자량 측정 방법 및 장치{METHOD OF, AND APPARATUS FOR, MEASURING THE MOLECULAR WEIGHT OF A GAS}
본 발명은 가스의 분자량 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압전 수정 발진기를 이용하여 가스의 분자량(또는 가스들의 혼합물인 경우에 평균 분자량)을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 명세서에 설명되는 방법 및 장치는, 예컨대 고압 실린더 내에 유체의 공급 또는 고압 유체를 이용한 제조 설비와 같이 비교적 높은 압력(예컨대, 약 10 bar 이상)의 유체가 존재하는 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은 특히 가스들, 즉 수증기나 먼지와 같은 불순물이나 오염물이 없거나 거의 없는 가스들을 "세정"하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 특히 영구적인 가스에 적용될 수 있다. 영구적인 가스는 압력으로만 액화될 수 없는 가스로서, 예컨대 최대 450 bar g의 압력으로 실린더 내에 공급될 수 있다(여기서, bar g는 대기압보다 높은 bar의 압력의 측정값이다). 그 예로는 아르곤 및 질소가 있다. 그러나, 이것으로 제한되지 않고 가스라는 용어는 더 넓은 범위의 가스, 예컨대 영구적인 가스와 액화 가스의 증기를 모두 포괄하도록 고려될 수 있다.
액화 가스의 증기는 압축 가스 실린더 내에서 액체 위에 존재한다. 실린더 내를 충전하도록 압축될 때에 압력 하에 액화된 가스는 영구적인 가스가 아니고 압력 하에 액화된 가스로서 또는 액화 가스의 증기로서 보다 정확하게 설명된다. 일례로서, 아산화질소(nitrous oxide)는 평형 증기 압력이 15℃에서 44.4 bar g인 상태에서 실린더 내에 액체 형태로 공급된다. 그러한 증기는 대략 대기 상태의 압력 또는 온도에 의해 액화되기 때문에 영구적인 가스 또는 진정한 가스가 아니다.
압축 가스 실린더는 고압, 즉 대기압보다 상당히 큰 압력의 가스를 수용하도록 설계된 압력 용기이다. 압축 가스 실린더는 저비용의 일반적인 산업 시장으로부터 의료 시장을 통해 고순도의 부식성, 독성 또는 자연 발화성 특수 가스를 이용한 전자 기기 제조와 같은 고비용 용례까지 광범위한 시장에서 사용된다. 일반적으로, 압축 가스 컨테이너는 강, 알루미늄 또는 복합재를 포함하고, 대부분의 가스에 대해 최대 450 bar g, 그리고 수소와 헬륨 등의 가스에 대해 최대 900 bar g의 최대 충전 압력으로 압축, 액화 또는 용존 가스를 저장할 수 있다.
많은 경우에, 실린더 내에 또는 실린더의 하류측 지점에, 예컨대 용접 프로세스 중에 파이프 내에 가스의 종류를 아는 것이 바람직하고 때때로 중요하다. 그러한 상황의 예로는 퍼징이 발생되었을 때에 아는 것이다.
분자량은 일반적으로 질량 분석기를 이용하여 측정된다. 그러한 장치는 가스의 비율을 청구하도록 질량을 측정하여 분자량을 직접 결정한다. 일반적으로 사용되는 장치는 비행 시간차 질량 분석기와 조합한 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화 소스(MALDI-TOF로서 공지됨)이다. 그러나, 그러한 장치는 부피가 크고, 고가이며, 휴대성 및 비용이 관련될 수 있는 많은 용례에 부적합하다.
분자량을 측정하도록 사용될 수 있는 대안적인 타입의 계기는 "GD series Vibratory Gas Density Meters"[Suzuki 등, Yokogawa Technical Report No 29(2000)]에 도시되고 설명된 진동 가스 밀도 계기이다. 그러한 장치는 가스가 실린더 내측 및 외측에서 유동할 수 있도록 배치된 박벽형 금속 실린더를 포함한다. 2쌍의 압전 요소 - 한쌍의 구동 요소와 한쌍의 검출 요소 - 가 실린더 상에 배치된다. 가스 밀도는 온도로 인한 진동을 보상하도록 2개의 상이한 공진 주파수의 측정으로부터 얻어진다. 사용된 공진 주파수는 매우 낮고 수백 Hz 정도이다.
상기 장치는 복잡하고, 비교적 고가이며 진동에 영향을 받기가 매우 쉽다. 이는 사용된 공진 주파수가 외부 진동에 의해 발생된 주파수에 상당하기 때문이다. 또한, 온도 영향을 보상하기 위하여 복잡한 여기 및 검출 장치가 요구된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 가스와 접촉하는 고주파수의 면형 압전 수정 발진기를 이용하여 가스의 분자량을 측정하는 방법으로서, a)상기 압전 수정 발진기가 단일 공진 주파수로 공진하도록 구동 회로를 이용하여 압전 수정 발진기를 구동시키고, 상기 압전 수정의 단일 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 결정함으로써, 상기 압전 수정 발진기를 이용하여 가스의 밀도를 측정하는 단계; 및 b)상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터, 가스의 분자량을 결정하는 단계를 포함하는 가스의 분자량 측정 방법이 제공된다.
그러한 방법을 제공함으로써, 가스의 분자량(또는 기상 혼합물인 경우에 평균 분자량)이 튼튼하고 비교적 저렴한 압전 수정 발진기, 예컨대 석영 수정 발진기를 이용하여 쉽게 결정될 수 있다. 그러한 발진기는 (구동 회로에 의해 구동되는 것에 응답하여 발진함으로써) 여기 소스(excitation source)로서 그리고 (발진기가 배치되는 환경에 따라 좌우되는 단일 공진 주파수를 가짐으로써) 검출기로서 모두 기능한다.
면형 수정 발진기는 콤팩트하고 튼튼하며, 그 결과 환경 장애에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 또한, 발진기의 발진 주파수가 (kHz 정도로) 높기 때문에, 발진기는 (Hz 정도의 주파수를 갖는 경향이 있는) 국부적 변동에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 이러한 점은 공지된 분자량 검출 장치와는 현저히 상이하다.
일 실시예에서, 방법은 가스의 압력을 측정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 가스의 압력은 전자 압력 센서를 이용하여 측정된다. 일 실시예에서, 전자 압력 센서는 압전 다이어프램 센서를 포함한다.
실시예에서, 가스의 예정된 압력은 상기 발진기의 상류측에 배치된 가스 레귤레이터의 고정된 출력 압력이다.
실시예에서, 가스의 예정된 압력은 대기압이다.
실시예에서, 방법은 온도 센서를 이용하여 가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에서, 온도 센서는 서미스터(thermistor) 또는 온도 종속 레지스터를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 적어도 하나의 적어도 하나의 분기부를 포함한다. 하나의 장치에 있어서, 상기 압전 수정 발진기는 적어도 2개의 면형 분기부를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 AT 컷 또는 SC 컷이다.
변경예에서, 석영 수정의 표면은 가스에 대해 직접 노출된다.
일 실시예에서, 상기 압전 수정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전력 소스를 포함한다. 한가지 장치에서, 전력 소스는 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 가스의 분자량을 측정하는 계기로서, 계기는 입구와 측정 대상 가스를 수용하는 내부를 갖는 하우징과, 사용시에 압전 수정 발진기가 가스와 접촉하도록 상기 하우징 내에 배치되는 고주파수의 면형 압전 수정 발진기를 구비하는 센서 조립체를 포함하고, 상기 센서 조립체는, 압전 수정 발진기가 단일 공진 주파수로 공진하도록 압전 수정 발진기를 구동시키고, 상기 압전 수정 발진기의 단일 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 측정하며, 상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터 가스의 분자량을 결정하도록 배치되는 것인 계기가 제공된다.
그러한 장치를 제공함으로써, 가스의 분자량(또는 기상 혼합물인 경우에 평균 분자량)이 튼튼하고 비교적 저렴한 압전 수정 발진기, 예컨대 석영 수정 발진기를 이용하여 쉽게 결정될 수 있다. 그러한 발진기는 (구동 회로에 의해 구동되는 것에 응답하여 발진함으로써) 여기 소스로서 그리고 (발진기가 배치되는 환경에 따라 좌우되는 단일 공진 주파수를 가짐으로써) 검출기로서 모두 기능한다.
면형 수정 발진기는 콤팩트하고 튼튼하며, 그 결과 환경 장애에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 또한, 발진기의 발진 주파수가 (kHz 정도로) 높기 때문에, 발진기는 (Hz 정도의 주파수를 갖는 경향이 있는) 국부적 변동에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 이러한 점은 공지된 분자량 검출 장치와는 현저히 상이하다.
일 실시예에서, 계기는 구동 회로, 프로세서 및 전력 소스 중 하나 이상을 더 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 공통의 이미터 증폭기로부터 피드백 형태로 배치된 달링턴 페어를 구비하는 구동 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 계기는 가스의 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 압력 센서는 전자 압력 센서이다. 일 실시예에서, 전기 압력 센서는 압전 다이어프램 센서를 포함한다.
일 실시예에서, 계기는 고정된 압력 레귤레이터의 하류측에 배치되고, 가스의 압력은 상기 고정된 압력 레귤레이터의 출력을 기초로 하여 예정된 값을 갖는다.
일 실시예에서, 계기는 입구의 상류측에 있는 제한된 오리피스와 상기 입구의 하류측 대기를 향한 출구를 더 포함하고, 가스의 예정된 압력은 대기압이다.
실시예에서, 방법은 온도 센서를 이용하여 가스의 온도를 측정하는 것을 더 포함한다. 일 실시예에서, 온도 센서는 서미스터 또는 온도 종속 레지스터를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 적어도 하나의 분기부를 포함한다. 변경예에서, 석영 결정은 한쌍의 면형 분기부를 포함한다.
실시예에서, 석영 수정은 AT 컷 또는 SC 컷이다.
변경예에서, 석영 수정의 표면은 가스에 대해 직접 노출된다.
일 실시예에서, 압전 수정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는다.
일 실시예에서, 계기는 입구에 배치되는 필터를 포함한다. 실시예에서, 필터는 5 내지 10 ㎛ 범위의 기공 크기를 갖는다.
일 실시예에서, 계기는 하우징 내에 배치되는 히터 요소를 포함한다. 실시예에서, 히터 요소는 압전 수정 발진기에 인접하게 배치된다. 다른 장치에서, 히터 요소는 압전 수정 발진기와 접촉하게 배치된다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 전력 소스를 포함한다. 한 장치에서, 전력 소스는 리튬 이온 배터리를 포함한다.
일 실시예에서, 센서 조립체는 프로세서를 포함한다.
일 실시예에서, 계기는 디스플레이를 포함한다.
실시예에서, 계기는 센서 조립체에 결합되고 계기로부터 데이터의 무선 전달을 가능하게 하도록 배치된 안테나를 포함한다. 실시예에서, 계기는 데이터를 원격 디스플레이 유닛에 무선으로 전달하도록 작동될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 제1 양태의 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 제4 양태에 따른 컴퓨터 프로그램 제품을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체가 제공된다.
또한, 가스 혼합 장치가 제공되는데, 가스 혼합 장치는 제1 가스를 공급하는 제1 가스 소스, 제1 가스와 상이한 제2 가스를 공급하는 제2 가스 소스, 및 제1 및 제2 가스 소스의 하류측에 배치되어 사용시에 제1 및 제2 가스를 혼합하여 혼합된 가스를 제공하도록 배치된 혼합기를 포함하고, 가스 혼합 장치는 혼합된 가스의 평균 분자량을 측정하고 상기 혼합된 가스의 측정된 평균 분자량에 응답하여 상기 혼합된 가스에서 제1 및 제2 가스의 상대적 비율을 제어하도록 배치된 계기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 가스 소스는 각각의 가스 소스로부터 가스의 유동을 선택적으로 제어하도록 배치된 압력 조절 장치를 각각 포함한다. 일 실시예에서, 상기 압력 조절 장치 중 하나 또는 각각은 압력 레귤레이터 또는 밸브를 포함한다.
일 실시예에서, 계기는 혼합된 가스의 측정된 평균 분자량에 응답하여 압력 조절 장치들 중 적어도 하나를 제어한다. 일 실시예에서, 압력 조절 장치들 중 적어도 하나는 전자 압력 조절 장치이다. 일 실시예에서, 압력 조절 장치들 중 적어도 하나는 솔레노이드 밸브를 포함한다. 일 실시예에서, 계기는 사용시에 상기 혼합된 가스와 접촉하는 압전 수정 발진기를 구비하는 센서 조립체를 포함하고, 상기 센서 조립체는 압전 수정 발진기가 공진 주파수로 공진하도록 압전 수정 발진기를 구동시키고, 상기 압전 수정 발진기의 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 결정하며, 상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터, 가스의 분자량을 결정하도록 배치된다.
실시예에서, 계기는 제2 양태의 계기를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 가스 실린더와 레귤레이터 조립체의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레귤레이터 조립체와 분자량 계기를 도시하는 개략도이며,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레귤레이터 조립체와 분자량 계기를 도시하는 개략도이고,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 레귤레이터 조립체와 분자량 계기를 도시하는 개략도이며,
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 분자량 계기를 도시하는 개략도이고,
도 6은 제1 및 제4 실시예 중 어느 하나에 사용하기 위한 구동 회로의 개략도이며,
도 7은 제1 및 제4 실시예중 어느 하나에 사용하기 위한 구동 회로의 변경예를 도시하는 개략도이고,
도 8은 제1 및 제4 실시예 중 어느 하나에 사용하기 위한 프로세서의 입력 및 출력 파라미터를 도시하는 개략도이며,
도 9는 다수의 상이한 가스에 대해 밀도(kg/m3)의 함수로서 Y축의 석영 수정 주파수(kHz)의 그래프를 도시하고,
도 10은 최대 300 bar g의 압력으로 아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소:산소 혼합물에 대해 X축의 압력(bar g)의 함수로서 Y축의 가스 밀도(kg/m3)의 그래프를 도시하며,
도 11은 최대 100 bar g의 압력으로 아르곤, 산소 및 아르곤:이산화탄소:산소 혼합물에 대해 X축의 압력(bar g)의 함수로서 Y축의 가스 밀도(kg/m3)의 그래프를 도시하고,
도 12는 가스가 퍼징될 때에 X축의 시간(초)의 함수로서 Y축의 주파수 변화(Hz)를 도시하는 그래프이며,
도 13은 X축의 시간(초)의 함수로서 (Y축의) 계산된 분자량 변화를 도시하는 도 13에 대응하는 그래프이고,
도 14는 설명된 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이며,
도 15는 가스 혼합 장치를 도시하는 본 발명의 제5 실시예의 개략도를 도시하고,
도 16은 상이한 수정 타입의 주파수 거동의 그래프를 도시하며,
도 17은 2개의 석영 수정을 포함하는 대안적인 센서 조립체를 도시하는 개략도이고,
도 18은 원격 전자 데이터 유닛을 이용하는 대안적인 장치를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 실린더 조립체(10)의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 상황의 개략도를 도시한다. 가스 실린더(100), 레귤레이터(150) 및 분자량 계기(200)가 제공된다.
가스 실린더(100)는 가스 실린더 본체(102)와 밸브(104)를 갖는다. 가스 실린더 본체(102)는 가스 실린더 조립체(10)를 평탄한 표면 상에 지지되지 않은 상태로 서 있게 할 수 있도록 배치된 평 베이스(102a)를 갖는 대체로 원통형 압력 용기를 포함한다.
가스 실린더 본체(102)는 강, 알루미늄 및/또는 복합재로부터 형성되고 최대 대략 900 bar g의 내부 압력을 견디도록 되어 있고 배치된다. 베이스(102a)에 대향하여 가스 실린더 본체(102)의 기단부에 구멍(106)이 배치되고 밸브(104)를 수용하도록 된 나사산(도시 생략)을 포함한다.
가스 실린더(100)는 내부 체적(V)을 갖는 압력 용기를 형성한다. 가스 실린더(100) 내에는 임의의 적절한 유체가 수용될 수 있다. 그러나, 본 실시예는 먼지 및/또는 습기 등의 불순물이 없는 정제된 영구적 가스로만 제한되지 않지만 그러한 가스에 관한 것이다. 그러한 가스의 예시적인 예로는 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 메탄, 삼불화질소, 일산화탄소, 크립톤 또는 네온이 있을 수 있다.
밸브(104)는 하우징(108), 출구(110), 밸브 본체(112) 및 밸브 시트(114)를 포함한다. 하우징(108)은 가스 실린더 본체(102)의 구멍(106)과 맞물리기 위한 상보적인 나사산을 포함한다. 출구(110)는 가스 실린더(100)가 가스 조립체의 다른 구성요소, 예컨대 호스, 파이프, 또는 다른 압력 밸브나 레귤레이터에 결합되게 할 수 있도록 되어 있고 배치된다. 밸브(104)는 선택적으로 VIPR(통합형 압력 감소를 갖는 밸브; Valve with Integrated Pressure Reduction)을 포함할 수 있다. 이 상황에서는, 레귤레이터(150)가 생략될 수 있다.
밸브 본체(112)는 출구(110)를 선택적으로 개방 또는 폐쇄하도록 파지 가능한 핸들(116)의 회전에 의해 밸브 시트(114)를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀어지게 축방향으로 조정될 수 있다. 바꿔 말하면, 밸브 시트(112)를 향한 또는 밸브 시트로부터 멀어지는 밸브 본체(112)의 이동은 가스 실린더 본체(102)의 내부와 출구(110) 사이의 전달 통로의 영역을 선택적으로 제어한다. 따라서, 다시 가스 실린더 조립체(100)의 내부로부터 외부 환경에 대한 가스의 유동을 제어한다.
레귤레이터(150)가 출구(110)의 하류측에 배치된다. 레귤레이터(150)는 입구(152)와 출구(154)를 갖는다. 레귤레이터(150)의 입구(152)는 가스 실린더(100)의 출구(110)와 레귤레이터(150) 사이에 전달 경로를 제공하는 유입 파이프(156)에 결합된다. 레귤레이터(150)의 입구(152)는 가스 실린더(100)의 출구(110)로부터 고압의 가스를 수신하도록 배치된다. 이는 임의의 적절한 압력일 수 있다. 그러나, 일반적으로 출구(110)에서 배출되는 가스의 압력은 20 bar를 초과하거나 100 내지 900 bar의 범위일 것이다.
출구(154)는 유출 파이프(158)에 결합된다. 유출 파이프(158)의 말단부에는 커플링(160)이 배치되어 가스가 요구되는 다른 파이프 또는 디바이스(도시 생략)에 결합하도록 되어 있다.
출구(154)와 커플링(160) 사이에는 유출 파이프(158)와 연통하는 분자량 계기(200)가 배치된다. 분자량 계기(200)는 레귤레이터(150)의 바로 하류측에 배치되어 레귤레이터(150) 하류측의 가스의 분자량(또는 가스 혼합물의 평균 분자량)을 결정하도록 배치된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 레귤레이터(150)와 분자량 계기(200)가 도 2에 보다 상세하게 도시되어 있다.
이 실시예에서, 레귤레이터(150)는 단일 다이어프램 레귤레이터를 포함한다. 그러나, 당업자라면 본 발명에 사용될 수 있는 변경예, 예컨대 2개의 다이어프램 레귤레이터 또는 다른 장치를 쉽게 알 것이다.
레귤레이터(150)는 입구(152) 및 출구(154)와 연통하는 밸브 구역(162)을 포함한다. 밸브 구역(162)은 밸브 시트(166)에 인접하게 배치된 포펫 밸브(164)를 포함한다. 포펫 밸브(164)는 밸브 시트(166)를 향해 그리고 밸브 시트로부터 멀어지는 포펫 밸브(164)의 병진 운동이 그 사이에 있는 구멍(170)을 각각 폐쇄 및 개방시킬 수 있도록 구성되는 다이어프램(168)에 연결된다. 다이어프램(168)은 샤프트(174) 둘레에 배치된 스프링(172)에 의해 탄성적으로 편향된다.
레귤레이터(150)는 최대 실린더 압력(예컨대, 100 bar)에서 출구(110)로부터 가스를 수신하지만 실질적으로 일정한 고정된 저압(예컨대, 5 bar)으로 가스를 운반하도록 작동될 수 있다. 이는 구멍(170)의 하류측 가스의 압력이 스프링(172)의 편향력에 대항하여 다이어프램(168)에 작용하도록 작동될 수 있는 피드백 메카니즘에 의해 달성된다. 도 2의 실시예에서, 레귤레이터(150)는 고정된 압력 레귤레이터이고 공지된 고정된 압력으로 출구(154)로부터 가스를 운반하도록 배치된다. 압력은 스프링(172)의 상대적 편향력에 의해 결정된다.
다이어프램(168)에 인접한 구역에서 가스의 압력이 특정한 레벨을 초과하면, 다이어프램(168)은 (도 2에 대해) 상방으로 이동하도록 작동할 수 있다. 그 결과, 포펫 밸브(164)는 밸브 시트(166)에 더 가깝게 이동되어 구멍(170)의 크기를 감소시키고, 그 결과 입구(152)로부터 출구(154)를 향한 가스의 유동을 제한한다. 일반적으로, 스프링(172)의 저항과 가스의 압력의 힘들의 경합이 다이어프램의 평형 위치 및, 이에 따라 출구(154)에서 가스의 일정한 압력의 운반을 초래한다.
분자량 계기(200)는 하우징(202)과 센서 조립체(204)를 포함한다. 하우징(202)은 임의의 적절한 재료, 예컨대 강, 알루미늄 또는 복합재를 포함할 수 있다. 하우징은 짧은 공급 파이프(208)를 통해 유출 파이프(158)의 내부와 연통하는 내부(206)를 갖는다. 따라서, 하우징(202)의 내부(206)는 유출 파이프(158)의 내부와 동일한 압력으로 있다. 사용시에, 하우징(202)은 일반적으로 밀봉되어 외부 대기로부터 격리되어 있다. 분자량 계기(200)는 하우징(202) 내의 가수의 분자량을 측정하도록 배치된다. 별법으로서, 분자량 계기(200)는 하우징(202) 내의 가스들의 균질한 혼합물의 평균 분자량을 측정할 수 있다.
별법으로서, 하우징(202)은 유출 파이프(158)의 일부로서 제공될 수 있다. 예컨대, 유출 파이프(158)의 일부는 센서 조립체(204)를 수용하도록 넓게 될 수 있다. 별법으로서, 센서 조립체(204)의 일부만이 파이프(158) 내에 배치될 수 있는데, 나머지 부분은 파이프 외측에 배치되거나 파이프로부터 떨어져 있다.
또한, 하우징(202)은 레귤레이터(150)의 일체부를 형성할 수 있다. 예컨대, 센서 조립체(204)는 레귤레이터(150)의 출구(154) 내에 전체적으로 배치될 수 있다. 당업자는 본 발명의 범위 내에 속하는 변형 및 변경을 쉽게 알 것이다.
센서 조립체(204)는 구동 회로(212)에 연결된 석영 수정 발진기(210), 온도 센서(214) 및 배터리(216)를 포함한다. 이들 구성요소는 하우징(202) 내에 배치된다.
구동 회로(212)와 석영 수정 발진기(210)는 도 6 및 도 7을 참조하여 나중에 상세하게 설명한다. 온도 센서(214)는 서미스터를 포함한다. 임의의 적절한 서미스터가 사용될 수 있다. 서미스터로부터 높은 정밀도가 요구되지 않는다. 예컨대, 본 실시예에 대해 0.5 ℃의 정밀도가 적절하다. 따라서, 값싸고 작은 구성요소가 사용될 수 있다.
프로세서(230; 도 8을 참조하여 도시되고 나중에 설명됨)는 또한 별개로 또는 구동 회로(212)의 일부로서 제공될 수 있다.
이 장치에서, 석영 수정 발진기(210)는 분자량 계기(200)의 하우징(202) 내에 일정하게 등압 하에 있고 따라서 압력 구배를 경험하지 않는다. 바꿔 말해서, 외부 대기와 분자량 계기(200)의 내부 구성요소 사이의 압력차로부터 생기는 어떠한 기계적 응력도 하우징(202)을 가로질러 나타나지 않는다.
그러나, 이것은 필수적이지 않다. 예컨대, 석영 수정 발진기(210)와 온도 센서(214)만이 하우징(202) 내에 배치될 수 있고, 센서 조립체(204)의 나머지는 그 외부에 배치된다.
발명자들은 센서 조립체(2104) 중에서 몇몇 구성요소만이 고압에 민감하다는 것을 발견하였다. 특히, 배터리와 같이 큰 구성요소가 고압의 영향을 받기 쉽다. 그러나, 리튬 이온 배터리가 가스 실린더(100) 내에서 조우하는 고압 하에서 특히 양호하게 실행된다고 판명되었다. 따라서, 배터리(216)는 리튬 이온 전지를 포함한다. 그러나, 당업자라면 대안적인 적절한 전력 소스를 쉽게 생각할 것이다.
센서 조립체(204)를 하우징(202) 내에 전체적으로 배치하는 것은 레귤레이터(150)를 구성할 때에 추가의 융통성을 제공한다. 특히, 상대적으로 부서지기 쉬운 전자 구성요소를 하우징(202)의 강한 금속 또는 복합 벽 내에 전체적으로 배치하는 것은 환경 또는 우발적 손상으로부터 상당한 보호를 제공한다. 이는 예컨대 레귤레이터(150)를 포함하는 가스 실린더(100)가 가스 실린더, 중장비 또는 거친 표면 근처에 배치되는 저장 영역 또는 창고에서 특히 중요하다.
또한, 센서 조립체(204)의 내부 배치는 이들 구성요소를 염, 물 및 기타 오염물 등의 환경 조건으로부터 보호한다. 이는 예컨대 염 및 물의 손상에 매우 민감한 고 임피던스 회로가 센서 조립체(204)의 일부로서 사용되게 한다.
센서 조립체(204)의 내부 배치의 이점은 석영 수정 발진기(210) 등의 고체 상태의 센서 디바이스에 대해 독특하다. 예컨대, 부르돈관 압력계(Bourdon gauge) 등의 종래의 압력 센서는 이 방식으로 배치될 수 없다. 수정 기반 센서는 일정한 압력에서 가스 내에 완전히 침지된 상태로 작동할 수 있지만, 종래의 압력 센서는 등압을 측정할 수 없고 기능을 하기 위해서는 압력 구배를 필요로 한다. 따라서, 종래의 압력계는 측정될 고압과 대기 사이에 배치되어야 한다. 이는 분자량 계기(200)의 외부 구성요소에 대한 손상 위험을 증가시킨다.
본 발명의 제2 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 2의 제1 실시예와 공통적인 도 3에 도시된 제2 실시예의 특징부는 동일한 참조 번호가 할당되고 여기서 다시 설명하지 않는다.
도 3의 실시예에서, 레귤레이터(250)는 이 레귤레이터(250)가 출구(154)로부터 가변적 유출 압력의 가스를 제공하도록 배치된다는 점에서 도 2의 레귤레이터(150)와 상이하다.
이와 관련하여, 유저가 스프링(172)의 편향력을 조정하게 할 수 있도록 파지 가능한 핸들(252)이 제공된다. 이 핸들은 다이어프램(168)의 평형 위치를 이동시키고, 그 결과 포펫 밸브(164)와 밸브 시트(166) 사이의 평형 간격을 조정한다. 이는 출구(110)로부터의 고압 가스 유동이 통과할 수 있는 구멍(170)의 치수의 조정을 가능하게 한다.
압력은 통상적으로 최대 약 20 bar g까지 변동될 수 있다. 그러나, 당업자라면 대안적인 장치 및 레귤레이터(250)에 의해 공급될 수 있는 압력을 쉽게 알 것이다. 또한, 레귤레이터는 압력의 정밀한 조절이 요구되는 산소-아세틸렌 용접 등의 상황에서 사용하기 위한 이차 스테이지를 포함할 수 있다.
제2 실시예는 분자량 계기(300)를 포함한다. 분자량 계기(200)와 공통적인 분자량 계기(300)의 구성요소는 명확도를 위해 동일한 참조 번호가 할당된다.
분자량 계기(300)는 제1 실시예의 분자량 계기(200)와 실질적으로 유사하다. 그러나, 분자량 계기(300)는 하우징(202) 내에 배치되는 압력 센서(302)를 더 포함한다. 임의의 적절한 압력 센서가 사용될 수 있다.
예컨대, 압력 센서(302)는 압전 저항 다이어프램 센서를 포함할 수 있다. 그러한 압력 센서는 통상 압전 저항 스트레인 게이지가 내부에 형성된 기계 가공된 실리콘 다이어프램을 포함한다. 다이어프램은 실리콘 또는 유리 후방판에 융합된다. 스트레인 게이지들은 일반적으로 휘트스톤 브릿지를 형성하도록 연결되고, 그 출력은 측정된 압력에 정비례한다. 이어서, 압력 센서(302)로부터의 출력은 프로세서(230)에 입력될 수 있다.
당업자라면 본 발명에 사용될 수 있는 대안적인 전자 압력 센서을 쉽게 알 것이다. 바꿔 말하면, 압력 센서(302)는 가스의 압력을 측정하고 그 측정의 전자 출력을 제공할 수 있는 임의의 센서를 포함할 수 있다.
이 장치에서, 석영 수정 발진기(210)와 압력 센서(302)는 분자량 계기(200)의 하우징(202) 내에서 일정하게 등압 하에 있고, 이에 따라 압력 구배를 경험하지 않는다. 바꿔 말해서, 외부 대기와 분자량 계기(300)의 내부 구성요소 사이의 압력차로부터 생기는 임의의 기계적 응력이 하우징(202)을 가로질러 나타난다.
본 발명의 제3 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도 3의 제2 실시예와 공통적인 도 4에 도시된 제3 실시예의 특징들은 동일한 참조 번호가 할당되고 여기서 다시 설명되지 않는다.
도 4의 실시예에서, 레귤레이터(250)는 제2 실시예의 레귤레이터(250)에 대응하고 출구(154)로부터 가변적인 유출 압력의 가스를 제공하도록 배치된다. 레귤레이터(250)의 구성요소는 이미 설명되었으며 여기서 추가로 설명하지 않는다.
제3 실시예는 분자량 계기(400)를 포함한다. 분자량 계기(200, 300)와 공통적인 분자량 계기(400)의 구성요소는 명확도를 위해 동일한 참조 번호가 할당된다.
분자량 계기(400)는 제1 및 제2 실시예의 분자량 계기(200, 300)와 실질적으로 유사하다. 그러나, 분자량 계기(400)는 제2 실시예의 압력 센서(302)를 필요로 하는 일 없이 가변적인 압력 레귤레이터(250)에 의해 작동될 수 있다.
분자량 계기(400)는 도관(402)을 포함한다. 도관(402)의 내부는 하우징(202)의 내부(206)와 연통한다. 도관(402)의 기단부는 짧은 파이프(208)의 바로 하류측에 배치되는 제한 오리피스(404)를 포함하고 출구(154)와 연통한다. 제한 오리피스(404)는 출구(154)로부터 도관(402)에 진입하는 가스의 압력을 제한하는 물리적 제약을 제공하도록 배치된다. 따라서, 제한 오리피스(404)의 하류측의 도관(402) 내에 가스의 압력은 출구(154)에서보다 상당히 낮다.
도관(402)의 말단부(406)는 대기로 개방된다. 말단부(406)는 하우징(202)의 하류측의 도관(402)의 섹션의 단부에 배치된다. 통상적인 용례의 경우, 적절한 도관(402)은 2 mm의 범위의 보어와 대략 100 mm의 길이를 갖는다. 이는 잠재적인 측정 에러를 피하도록 하우징(202)의 내부(206) 내로 대기 가스의 역 확산이 없는 것을 보장한다.
도관(402)은 도 4에서 실질적으로 선형인 것으로 도시되어 있지만, 도관(402)은 임의의 적절한 형태일 수 있다. 예컨대, 보다 콤팩트한 장치가 도관(402)을 래비린스 또는 코일 형태로 배치하여 도관을 더 작은 공간 내로 끼울 수 있다.
따라서, 제한 오리피스(404)와 (대기압으로 있는) 도관(402)의 원격 말단부(406)의 조합된 효과는 하우징(202)의 내부(206)가 항상 대기압으로 또는 대기압에 가깝게 있다는 것이다. 이는 출구(154)의 하류측 및 제한 오리피스(404)의 상류측의 가스 압력과 상관없다.
그 결과, 압력이 항상 대기압으로 있는 것으로 생각될 수 있기 때문에 압력 게이지가 필요하지 않다. 보정이 요구되면(예컨대, 대기압이 보다 낮은 높은 해발에서 작동할 때에), 이러한 보정은 프로세서(230)에 수동으로 입력될 수 있다.
그러므로, 특정한 조건 하에서, 압력값이 자동적으로 설정되거나 유저에 의해 수동으로 입력될 수 있기 때문에 압력 센서가 요구되지 않고, 가스 또는 가스들의 분자량을 결정하도록 프로세서(230)에 의해 사용되는 결과적인 압력값이 감지된다.
본 발명의 제4 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 제4 실시예는 분자량 계기(500)에 관한 것이다. 분자량 계기(500)는 휴대용일 수 있고 특정한 지점 내에서 가스의 종류를 빠르고 쉽게 결정하기를 바라는 지점에, 예컨대 궤도 용접 프로세스 중에 파이프 내에 배치될 수 있다. 별법으로서, 분자량 계기(500)는 예컨대 다른 종류의 가스에 의한 한 종류의 가스의 퍼징을 검출하도록 파이프의 출구에 배치될 수 있다.
분자량 계기(500)는 하우징(502)을 포함한다. 하우징(502)은 구멍(506)을 한정하는 벽(504)을 갖는다. 구멍(506)은 하우징(504)의 내부와 외부 간에 전달 경로를 제공한다. 분자량 계기(500)의 나머지 구성요소들은 제1 내지 제3 실시예의 분자량 계기(200, 300, 400)의 구성요소들과 유사하므로 여기서 더 설명하지 않는다.
석영 수정 발진기(210)가 정확한 측정을 제공하기 위하여, 석영 수정 발진기(210)는 먼지, 습기 및 기타 오염 물질이 없게 유지되어야 한다. 이는 상업적으로 공급되는 패키징된 가스(매우 청정함)에 대해서는 문제가 되지 않지만, 분자량 계기(500)는 환경 오염이 심각한 문제가 될 수 있는 상황에서 사용될 수 있다.
따라서, 분자량 계기(500)에는 구멍(506)에 배치되는 필터(508)가 마련된다. 필터(508)는 임의의 적절한 기공 크기로 될 수 있다. 기공 크기는 5-10 ㎛의 범위가 본 용례에 특히 적절하다. 필터(508)(또는 유사한 필터)는 이전에 설명된 제1 내지 제3 실시예 중 어떤 것에 적용될 수 있다.
별법으로서, 필터(508)는 구멍(506)이 먼지 또는 기타 오염 물질의 침입을 방지하기에 충분히 작으면 생략될 수 있다. 예컨대, 0.25 mm의 기공 크기가 필터 없이 사용하기에 적절하다.
또한, 분자량 계기(500)는 습기가 존재하는 환경을 겪을 수 있다. 임의의 습기가 석영 수정 발진기(210) 상에 응축되면 부정확한 측정이 초래될 수 있다. 따라서, 이들 효과를 완화하기 위하여, 습기가 발진기(210) 상에 응축하지 않는 것을 보장하도록 석영 수정 발진기(210)에 인접한 히터(510)가 제공될 수 있다. 히터(510)는 단일의 히팅 와이어를 포함할 수 있거나, 전기 에너지를 열 에너지로 변환하도록 고체 저항 요소를 포함할 수 있다. 히터(510)는 석영 수정 발진기(210)와 접촉하게 배치될 수 있다.
히터가 사용되면, 온도 센서(214)는 석영 수정 발진기(210)를 둘러싸는 가스 온도의 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 석영 수정 발진기(210)에 실시 가능한 한 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 히터(510), 또는 임의의 다른 적절한 히터가 또한 제1 및 제3 실시예 중 어떤 것에 사용될 수 있다.
제2 실시예의 분자량 계기(300)와 공통적인, 압력 센서(302)를 포함하는 분자량 계기(500)가 도 5에 도시되어 있다. 그러한 장치는 고압 파이프 등과 같은 압축 장치 내에 또는 압력 용기 내에 사용될 때에 유리할 수 있다.
그러나, 압력이 일반적인 정도의 정확도로 공지된 상황에서, 압력 센서(302)는 제1 및 제3 실시예의 방식으로 생략될 수 있다. 그러한 상황은 분자량 계기(500)가 대기압에서 사용될 때에, 예컨대 파이프에서 빠져나가 대기로 향하는 또는 대기압이 파이프 내의 가스의 분자량(또는 평균 분자량)을 측정할 때에 발생할 수 있다. 이 상황에서, 압력값이 자동적으로 설정되거나 유저에 의해 수동으로 입력될 수 있기 때문에 압력 센서가 요구되지 않고, 가스 또는 가스들의 분자량을 결정하도록 프로세서(230)에 의해 사용된 결과적인 압력값이 감지된다.
제1 내지 제4 실시예들 중 임의의 실시예는 유저가 검출된 가스에서 이루어진 측정 결과를 보도록 디스플레이(도시 생략)를 포함할 수 있다. 별법으로서, 디스플레이는 분자량 계기(200, 300, 400, 500)로부터 떨어져서 배치될 수 있고 관련 데이터는 원격으로 전달될 수 있다.
예컨대, 제1 실시예 내지 제4 실시예 중 임의의 실시예는, 예컨대, 기지국과 원격 통신하는 안테나(도시 생략)를 더 포함할 수 있다. 이는 나중에 논의된다. 이 경우에, 안테나는 본체(202)의 외측에 배치되고 배선 또는 동등한 커넥터에 의해 센서 조립체(204)에 연결될 수 있다.
안테나 자체는 어떤 적합한 통신 프로토콜이든 이용하도록 되어 있고 배치될 수 있으며, 예컨대, 예시적인 목록은 RFID, 블루투스, 적외선(IR), 802.11 무선, 주파수 변조(FM) 송신 또는 이동 통신망일 수 있을 것이다.
대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 실시될 수 있다. 단선 통신은 통신하기 위해 단일의 금속 도체만을 요구하며, 회로의 복귀 경로는 통신 장치들 사이의 공중을 통한 용량 결합(capacitive coupling)에 의해 제공된다. 당업자라면 여기에서 설명하는 실시예들과 함께 이용될 수 있는 안테나(및 관련 송신 하드웨어)의 대안을 쉽게 알 것이다.
예컨대, 통신은 실린더(100) 내로부터의 음향 송신(acoustic transmission)에 의해 실시될 수 있다. 하우징(202) 내에 배치된 송신기가 음향 송신을 실시할 수 있다. 송신기는, 예컨대, 단순한 고정 주파수 압전 공진기(fixed-frequency piezoelectric resonator)를 포함할 수 있다.
상보적 수신기도 요구되며, 이 구성요소는 분자량 계기(200, 300, 400, 500)로부터 멀리 떨어져서 배치될 수 있고, 예컨대, 마이크와 통합된 위상 동기 루프 톤 검파기(phase-locked loop tone detector)와 같은 하드웨어를 포함할 수 있다.
이제, 도 6 및 도 7을 참고하여 센서 조립체(204)를 상세히 설명한다. 석영 수정 발진기(210)는 컷 석영(cut quartz)의 평면 섹션(planar section)을 포함한다. 석영은 압전 거동을 나타내는, 즉 수정을 가로지르는 전압의 인가가 수정이 형상을 변화하게 하고, 기계적 힘을 발생시킨다. 역으로, 수정에 가해진 기계적 힘은 전하(electrical charge)를 생성한다.
석영 수정 발진기(210)의 2개의 평행한 표면은 벌크 수정(bulk crystal)을 가로지르는 전기적 연결을 제공하도록 금속화된다. 금속 접점에 의해 수정을 가로질러 전압이 인가되면, 수정은 형상을 변화시킨다. 수정에 교류 전압을 인가함으로써, 수정이 발진하게 될 수 있다.
석영 수정의 물리적 크기 및 두께는 석영 수정의 특성 또는 공진 주파수를 결정한다. 실제로, 수정(210)의 특성 또는 공진 주파수는 2개의 금속화 표면 사이의 물리적 두께에 반비례한다. 석영 수정 발진기는 당 분야에서 잘 알려져 있으므로, 석영 수정 발진기(210)에 대해서는 여기서 더 이상 설명하지 않는다.
또한, 석영 수정의 공진 진동 주파수는 수정이 배치된 환경에 따라 변할 것이다. 진공에서, 수정은 특정한 주파수를 갖게 된다. 그러나, 이 주파수는 상이한 환경에서 변하게 된다. 예컨대, 유체 속에서는, 수정의 진동이 주변 분자들에 의해 감쇠되게 되고, 이는 공진 주파수 및 주어진 진폭에서 수정을 발진시키기 위해 요구되는 에너지에 영향을 주게 된다.
또한, 수정 상에 주변 재료의 퇴적은 진동하는 수정의 질량에 영향을 주게 되고, 공진 주파수를 번갈아 한다. 재료의 그러한 흡착 또는 퇴적은 보편적으로 이용되는 선택적 분석기에 대한 기초를 이루며, 흡수층은 수정 상에 형성되고, 가스가 흡수됨에 따라 질량이 증가한다.
그러나, 이 경우에서는, 석영 수정 발진기(218)에 대해 아무런 코팅도 부착되지 않는다. 실제로, 수정 발진기(218) 상에의 재료의 흡착 또는 퇴적은, 측정의 정확도가 영향을 받을 수 있기 때문에 이 경우에 바람직스럽지 못하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 석영 수정 발진기(210)는 소리굽쇠형(tuning fork-shaped)이고, 32.768 kHz의 공진 주파수에서 발진하도록 배치된 대략 5㎜ 길이의 한 쌍의 분기부(218a)를 포함한다. 분기부(218a)는 석영의 평면 섹션에 형성된다. 굽쇠의 분기부(218a)들은 자신들의 기본 모드에서 정상적으로 발진하며, 분기부들은 공진 주파수에서 서로에 향해 동시에 가까워지고 멀어진다.
용융된(또는 비결정질) 석영은 매우 낮은 온도 의존적 팽창 계수 및 낮은 탄성 계수를 갖는다. 이는 온도에 대한 기본 주파수의 의존도를 감소시키고, 도시되듯이, 온도 효과가 극히 적다.
또한, AT 컷 또는 SC 컷인 석영을 이용하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 석영의 평면 섹션은 특정한 각도로 절단되어, 진동 주파수의 온도 계수가 상온 근처에서 넓은 피크를 갖는 포물선이 되도록 배치될 수 있다. 그러므로, 수정 발진기는 피크의 상부에서의 경사가 정확하게 제로(zero)가 되도록 배치될 수 있다.
그러한 석영 수정은 일반적으로 비교적 낮은 비용으로 입수할 수 있다. 진공 속에서 이용되는 대부분의 석영 수정 발진기와 달리, 본 실시예에서는, 수정 발진기(210)가 하우징(202) 내의 압력 하에 가스에 노출된다.
도 6에는 석영 수정 발진기(210)를 구동하기 위한 구동 회로(212)가 도시되어 있다. 구동 회로(212)는 다수의 특정한 기준을 충족해야 한다. 첫째, 본 발명의 석영 수정 발진기(218)는 다양한 가스 압력에 노출될 수 있고, 가능하게는, 가스 실린더가 수소와 같은 압축 가스를 담고 있으면, 압력은 대기 압력(가스 실린더(100)가 비어 있을 때)으로부터 약 900 bar g까지 변할 수 있다 . 그래서, 석영 수정 발진기(210)는 광범위한 압력 하에서 작동할(그리고, 한 동안의 비사용 후 재시동할) 것이 요구된다.
그 결과로, 석영 수정 발진기(210)의 품질(Q) 인자는 사용 중에 현저하게 변할 것이다. Q 인자는 발진기 또는 공진기의 감쇠율에 관한 무차원 파라미터이다. 마찬가지로, Q 인자는 중앙 주파수에 대한 공진기의 대역폭을 특징으로 한다.
일반적으로, 발진기의 Q 인자가 더 높을수록, 발진기의 저장 에너지에 대한 에너지 손실률이 더 낮아진다. 다시 말해서, 높은 Q 인자 발진기의 진동은 외력이 없을 때 진폭을 더 서서히 저감한다. 더 높은 Q 인자를 갖고 사인 곡선적으로 구동되는 공진기는 공진 주파수에서 더 큰 진폭으로 공진하지만, 그것들이 공진하는 주파수 근처에서 더 작은 대역폭의 주파수를 갖는다.
구동 회로(212)는, 변하는 Q 인자에도 불구하고, 석영 수정 발진기(210)를 구동할 수 있어야 한다. 가스 실린더(100)에서의 압력이 증가함에 따라, 석영 수정 발진기(210)의 진동은 점진적으로 감쇠될 것이고, Q 인자는 떨어질 것이다. 떨어지는 Q 인자는 구동 회로(212)에서 증폭기에 의해 더 높은 이득(gain)이 제공될 것을 필요로 한다. 그러나, 너무 큰 증폭이 제공되면, 구동 회로(212), 석영 수정 발진기(210)로부터의 응답은 구별하기 어려워질 수 있다. 이 경우에, 구동 회로(212)는 무관한 주파수, 또는 석영 수정 발진기(210)의 기본 모드가 아닌 주파수에서 단순 진동할 수 있다.
또 다른 제한으로서, 작은 저전력 배터리 상에서 광전지(photovoltaic cells)와 같은 보완적 전력이 있거나 없거나 장시간 동안 실행하기 위해서는, 구동 회로(212)가 저전력이어야 한다.
이하, 도 6을 참조하여 구동 회로(212)에 대해 설명한다. 석영 수정 발진기(210)를 구동하기 위해서는, 구동 회로(212)가 본질적으로 석영 수정 발진기(210)로부터 전압 신호를 얻고, 그것을 증폭시키며, 그 신호를 석영 수정 발진기(210)에 되돌려 보낸다. 석영 수정 발진기(210)의 기본 공진 주파수는, 본질적으로, 석영의 팽창과 수축의 속도의 함수이다. 이는 일반적으로 수정의 컷 및 크기에 의해 결정된다.
그러나, 외부 인자들로 공진 주파수에 영향을 준다. 발생된 출력 주파수의 에너지가 회로에서의 손실에 필적할 때, 진동이 지속될 수 있다. 구동 회로(212)는 이 진동 주파수를 검출하고 유지하도록 배치된다. 그 후, 주파수가 프로세서(230)에 의해 측정되고, 유저에 의해 요구되는 가스의 적절한 특성을 계산하기 위해 이용되며, 필요하다면, 적합한 디스플레이 수단으로 출력될 수 있다(아래에서 설명됨).
구동 회로(212)는 6V 배터리(216)에 의해 전력이 공급된다. 배터리(216)는, 이 실시예에서는, 리튬 이온 배터리를 포함한다. 그러나, 예컨대, 재충전 가능하고 재충전 불가한 다른 배터리 유형들과 태양 전지 장치인, 대안적 전원이 이 기술분야에서 숙련된 자에게 자명할 것이다.
구동 회로(212)는 달링턴 페어 공통 이미터 증폭기(218)를 더 포함한다. 달링턴 페어는, 트랜지스터 중 제1의 것에 의해 증폭된 전류가 제2 것에 의해 더 증폭되도록 구성된, 2개의 양극성 NPN 트랜지스터로 이루어지는 합성 구조를 포함한다. 이 구조는 각각의 트랜지스터가 별개로 취해지는 것에 비해 더 높은 전류 이득이 얻어질 수 있게 한다. 대안적인 PNP 양극성 트랜지스터가 이용될 수 있다.
달링턴 페어(218)는 단일의 트랜지스터(T1) 공통 이미터 증폭기(220)로부터의 피드백 구조로 배치된다. 도 4에는 NPN 양극성 접합 트랜지스터가 도시되어 있다. 그러나, 숙련된 자는 사용될 수 있는 대안적 트랜지스터 구조, 예컨대, 양극성 접합 PNP 트랜지스터 또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)를 알 것이다.
변경예로서, 자동화 이득 제어(도시 생략)가 달링턴 페어(218)와 공통 이미터 증폭기(220) 사이의 피드백 루프에서 구현될 수 있다. 이 자동화 이득 제어는 전위차계, 가변 레지스터 또는 예컨대 도 6에 도시된 최우측 22k 레지스터 대신에 배치되는 다른 적절한 구성요소의 형태를 취할 수 있다.
자동화 이득 제어는 압력에 의한 Q 인자에서의 변화 및 (예컨대, 낮은 배터리 조건 하에서) 공급 전압에서의 변화를 보상할 수 있다. 자동화 이득 제어는 특히 저압 용례에 적용 가능할 수 있다.
구동 회로(212)는 버퍼 증폭기(222)로서 작용하는 다른 NPN 이미터 폴로워(emitter follower) 트랜지스터(T2)를 포함한다. 버퍼 증폭기(222)는 회로와 외부 환경 사이의 버퍼로서 기능하도록 배치된다. 그러나, 이 특징은 선택적이고, 필요하지 않을 수 있으며, 예컨대, 회로(212)를 구동하기 위해 FET가 직접적으로 접속될 수 있다.
커패시터(224)가 석영 수정 발진기(218)와 직렬로 배치된다. 커패시터(224)는, 이 예에서는, 수정이 예컨대 염분 또는 다른 부착물들에 의해 오염된 상황에서, 100 pF의 값을 갖고, 구동 회로(212)가 석영 수정 발진기(210)를 구동할 수 있게 한다.
이제, 도 7을 참조하여, 대안적인 구동 회로(260)에 대해 설명한다. 도 7에 도시된 구동 회로는 피어스 발진기(Pierce oscillator)와 유사하게 구성된다. 피어스 발진기는 디지털 IC 시계 발진기로부터 알려져 있다. 본질적으로, 구동 회로(260)는 단일의 디지털 인버터(트랜지스터의 형태)(T), 3개의 레지스터(R1, R2 및 R3), 2개의 커패시터(C1, C2), 및 석영 수정 발진기(210)를 포함한다.
이 구조에서, 석영 수정 발진기(210)는 고도로 선택적인 필터 요소로서 기능한다. 레지스터(R1)는 트랜지스터(T)를 위한 부하 레지스터(load resistor)로서 작용한다. 레지스터(R2)는 피드백 레지스터로서 작용하고, 인버터(T)를 그 선형 작동 구역에서 편향시킨다. 이는 인버터(T)가 고 이득 인버팅 증폭기(high gain inverting amplifier)로서 효율적으로 작동하게 할 수 있다. 다른 한 레지스터(RS)가 인버터(T)의 출력과 석영 수정 발진기(210) 사이에서 이득을 제한하고 회로에서의 원하지 않는 진동을 감쇠하도록 사용된다.
석영 수정 발진기(210)는, C1 및 C2와의 조합으로, Pi 통신망 대역 통과 필터를 형성한다. 이 필터는 석영 수정 발진기의 대략적인 공진 주파수에서 입력하기 위한 출력으로부터의 180도 위상 변위 및 전압 이득이 가능하게 한다. 위에서 기술된 구동 회로(260)는 상대적으로 소수의 구성요소들을 포함하므로 신뢰할 만하고 제조 비용이 저렴하다.
전술한 바와 같이, 센서 조립체(204)는 석영 수정 발진기(210) 및 구동 회로(212)로부터의 입력값을 수신하는 프로세서(230)를 포함할 수 있다. 프로세서(230)는 ASIC 또는 FPGA와 같은 적합한 구조를 포함할 수 있다.
프로세서(230)는 가스의 분자량을 계산하고, 필요에 따라 가스의 분자량(가스들의 균질한 혼합물의 평균 분자량)의 결정을 디스플레이하며 전달하도록 프로그램된다. 프로세서(230)의 메인 입력값 및 출력값의 개략이 도 8에 도시되어 있다.
석영 수정 발진기(210)와 함께 이용되면, 프로세서(230)는 구동 회로(212)로부터의 신호의 주파수(f) 또는 주기를 측정하도록 구성될 수 있다. 이는, 예컨대, 일정한 시간에 걸쳐 진동을 계수함으로써 달성될 수 있으며, 알고리즘 또는 순람표(look-up table)를 이용하여 그 주파수를 밀도 값으로 변환할 수 있다. 이 값은 프로세서(240)로 전달된다.
프로세서(230)는 온도 센서(214)로부터 측정된 온도(T)를 또한 수신한다. 또한, 프로세서(230)는, 압력 센서(302; 존재한다면) 또는 고정된 압력값으로부터 압력값을 수신한다. 이 값은 분자량 계기(400, 500)가 대기압에서만 사용되거나 분자량 계기(200)의 경우와 같이 고정된 압력 레귤레이터의 출구에서 사용되는 상황에서 자동적으로 설정될 수 있다. 이 상황에서, 고정된 압력값은 프로세서(230)로 입력된다. 별법으로서, 고정된 압력값은 유저에 의해 수동으로 입력될 수 있다.
프로세스(230)는 공급된 입력값을 기초로 하여, 석영 수정 발진기(210)가 침지되는 가스의 분자량을 결정하는 계산을 수행하도록 배치된다.
분자량이 일단 결정되면, 이 데이터는 로컬 메모리에 저장될 수 있거나, 디스플레이 스크린 상에 표시될 수 있거나, 또는 원격 스테이션으로 전송될 수 있다.
프로세서(230)는, 선택적으로, 대량 생산을 위해, 상이한 가스들에 대해 인에이블(enabled) 되는 소프트웨어 및 하드웨어에서의 상이한 특징부들과 함께, 모든 분자량 계기(200)에서 동일하도록 설계될 수 있다.
또한, 프로세서(230)는, 프로세서(230)와, 구동 회로(212) 및 석영 수정 발진기(210)와 같은 추가적 구성요소를 망라할 수 있는, 대기 또는 "슬립" 모드의 구현을 통해, 전력 소비를 최소화하도록 구성될 수 있다.
다양한 방식이 구현될 수 있는데, 예컨대, 프로세서(230)는 매 11초 중 10초 동안 대기 상태에 있을 수 있다. 또한, 프로세서(230)는 석영 수정 발진기(210) 및 구동 회로(220)를 제어하여, 이러한 구성요소들이 대부분의 시간 동안 대기 상태에 있고, 매 30초마다 ½초 동안 더 많이 전력을 갈구하는 구성요소들만 스위치를 켜도록 할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 13을 참조하여,센서 조립체(204)의 이론 및 작동에 대해 설명한다.
석영 수정 발진기(218)는 이 발진기가 배치되는 유체의 밀도에 종속하는 공진 주파수를 갖는다. 진동하는 소리굽쇠형 평면 수정 발진기를 가스에 대해 노출하는 것은 수정의 공진 주파수의 변위 및 감쇠를 야기한다(진공 속에서의 수정의 공진 주파수에 비교했을 때). 그 이유는 많다. 수정의 진동에 대한 가스의 감쇠 효과가 있지만, 소리굽쇠 수정 발진기(210)의 진동하는 분기부(210a)에 인접한 가스는 발진기의 유효 질량을 증가시킨다. 이는 단면 고정 탄성 빔(one-sided, fixed elastic beam)의 동작에 따른 석영 수정 발진기의 공진 주파수의 저감을 야기한다:
Figure pat00001
여기에서,
Figure pat00002
는 공진 각진동수의 상대적 변화이고, ρ는 가스 밀도이며, t는 석영 발진기의 두께이고, ρq는 석영 발진기의 밀도이고, w는 굽쇠의 폭이며, c1 및 c2는 기하학적 종속 상수이고,
Figure pat00003
는 아래와 같이 정해지는 가스의 표면 층의 두께이다:
Figure pat00004
여기에서, η는 가스의 온도 종속 점도이다.
수학식 1의 두 부분은, a) 석영 수정 발진기(210)의 분기부 상의 가스의 첨가물 질량 및 b) 진동 중에 분기부들의 최외측 표면 층 상에서 일어나는 전단력에 관한 것이다.
그래서, 수학식은 주파수 항을 다시 써서 아래와 같이 단순화될 수 있다:
Figure pat00005
여기에서,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
및 C는 옵셋 상수(offset constant)이고, f0는 진공에서의 수정의 고유 공진 주파수(natural resonant frequency)이다.
발명자들은 아래와 같이 근사치를 계산함으로써 적절하게 양호한 근사치가 얻어질 수 있음을 알아냈다:
Figure pat00008
그 결과로, 양호한 근사치까지, 주파수의 변화가 석영 수정 발진기가 노출되어 있는 가스의 밀도의 변화에 비례한다. 도 9는, 석영 수정 발진기(210)의 공진 주파수가 밀도의 함수로서 선형적으로 변하는, 다수의 상이한 가스들/가스 혼합물을 도시한다.
일반적으로, 석영 수정 발진기(210)의 감도는 주파수의 5% 변화가, 예컨대, 대기 압력과 비교했을 때 250 bar에서의 산소 가스(32의 원자 질량수를 가짐)로 보여진다. 보통 대부분의 가스의 경우에 137 내지 450 bar g이고, 헬륨 및 수소에 대해서는 700 또는 900 bar g까지인, 그러한 압력 및 가스 밀도는 영구적 가스를 위해 이용되는 저장 실린더의 전형적인 것이다.
석영 수정 발진기(210)는 상업적으로 공급되는 가스를 위한 분자량 계기의 밀도 센서 형성 부분으로서 이용하기에 특히 적합하다. 가스의 밀도를 정확하게 감지하기 위해서는, 가스에 먼지 및 액적이 없을 필요가 있는데, 이는 상업적으로 공급되는 가스에서는 보장되지만, 공기에서는 또는 대부분의 압력 감시 상황에서는 보장되지 않는다.
석영 수정 발진기(210)로부터 밀도 값이 얻어지면, 가스의 분자량은 아래와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00009
여기에서, P는 가스의 압력이고, V는 가스의 체적이며, n은 가스 분자의 갯수이고, R은 가스 상수이며, T는 온도이다. 이어서 V를 소거하면:
Figure pat00010
그리고,
Figure pat00011
여기서, MW는 가스의 분자량이고 M은 가스의 질량이다. 따라서, 수학식 5에서 V를 대체하면 다음의 식이 유도된다.
Figure pat00012
여기서, α는 RT와 동일한 상수이고, R은 가스 상수이며 T는 켈빈 절대 온도이다. 따라서, 공지된 압력의 경우, 가스의 밀도와 온도, 가스의 분자량(또는 가스들의 혼합물의 경우에 평균 분자량)이 결정될 수 있다. 상기 유도식은 가스가 이상적인 가스에 가깝다는 것을 가정한다.
상기 수학식 8을 기초로 하여, 압력이 공지되어 있다면(예컨대, 압력이 대기압 또는 고정된 압력 레귤레이터의 출력값으로 있는 경우), 가스의 온도 및 밀도만이 분자량의 정확한 결정을 제공하는 데에 요구된다. 부수적으로, 압력 및 온도가 적당한 정도로 공지되어 있다면, 가스의 분자량은 밀도에 효과적으로 비례하거나, 바꿔 말해서 석영 수정 발진기의 공진 주파수와 예정된 인자의 곱셈에 비례한다.
따라서, 가스의 분자량(또는 혼합물 평균)은 밀도의 함수로서 압력 구배로부터 결정될 수 있고, 수학식 8을 재배열하면 다음의 식이 제공된다.
Figure pat00013
도 10 및 도 11은 분자량 측정의 경험 데이터를 예시한다. 양 그래프는 동일한 4개의 가스에 대해 X축 상의 압력(bar g 단위)의 함수로서 Y축의 밀도(kg/m3 단위)를 도시한다. 2개의 그래프는 도 10이 최대 300 bar g의 압력을 도시하는 반면 도 11은 최대 100 bar g의 압력만을 도시한다는 점을 제외하고 동일하다.
사용된 4개의 가스는 도 9에 도시된 바와 같이 페로맥스(Ferromax) 15(아르곤:이산화탄소:산소 혼합물), 헬륨, 이산화탄소 및 산소이다. 라인의 구배는 (RT가 모두 3개에 대해 일정하다고 가정하면) 분자량에 비례하고, 따라서, 석영 수정 발진기(210)는 가스 또는 가스들의 혼합물의 분자량을 쉽게 결정할 수 있다.
또한, 석영 수정 발진기(210)의 높은 정밀도가 ppm(parts per million)의 해상도를 갖는 매우 높은 정밀도로 측정할 수 있게 한다. 높은 밀도 및 압력에서 석영 수정 밀도 센서(202)의 선형 반응과 결합되면, 높은 정밀도는 H2와 He 등의 매우 가벼운 가스의 분자량이 정확하게 측정되게 할 수 있다.
이 기술의 한가지 유용한 용례는 퍼지 검출에 있다. 도 12 및 도 13은 가스 퍼지 검출의 경험 데이터를 예시한다. 그러한 정보는 파이프라인들의 자동화 궤도 용접과 같은 상황에서 매우 중요하다.
도 12는 나중에 질소로 재충전되는 질소 환경으로 5 리터/분의 아르곤의 유동을 위해 X축 상의 시간(초 단위)의 함수로서 Y축 상의 주파수(Hz)의 그래프를 도시한다. 주파수에 있어서의 단계적 변화가 높은 정밀도로 쉽게 측정될 수 있다는 것이 명백하다.
도 13은 이 경우에 Y축이 분자량(질량 단위)을 판독하도록 교정되었다는 것을 제외하고 동일한 데이터를 보여준다.
도면들은 대부분의 정상 사용에 대해 가스의 분자량이 석영 수정 발진기를 이용하여 쉽게 결정될 수 있다는 것을 명백하게 보여준다. 또한, 하나의 가스가 다른 가스에 의해 퍼지될 때에 발생하는 분자량의 변화가 명백하게 규정되고 식별될 수 있다. 따라서, 가스 퍼지 중에 분자량 변화는 석영 수정 발진기(210)와 구동 회로(204)를 이용하여 충분한 정밀도 및 시간 해상도로 계산될 수 있다.
이하, 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 방법에 대해 설명한다. 아래에 기술된 방법은 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 각각에 적용될 수 있다.
단계 550: 측정의 초기화
단계 550에서, 하우징(202) 내에 가스의 분자량의 측정이 초기화된다. 이는, 예컨대, 유저가 하우징(202)의 외측에 있는 버튼을 누름으로써 작동될 수 있을 것이다. 대안적으로, 측정은 원격 연결, 예컨대, 무선 통신망을 통해 전송되고 안테나를 통해 분자량 계기(200, 300, 400, 500)에 의해 수신되는 신호에 의해 개시될 수 있다.
다른 변경예 또는 추가예로서, 분자량 계기(200, 300, 400, 500)는 원격으로 또는 타이머에 의해 초기화하도록 구성될 수 있다. 방법은 단계 552로 진행한다.
단계 552: 석영 수정 발진기를 구동
초기화 되면, 구동 회로(212)는 석영 수정 발진기(210)를 구동하도록 이용된다. 초기화 동안, 구동 회로(212)는 수정(210)을 가로질러 무작위 노이즈 AC 전압을 인가한다. 그 무작위 전압의 적어도 일부는 수정(210)이 진동하기에 적합한 주파수에 있다. 그 후, 수정(210)은 그 신호와 동기하여 진동하기 시작한다.
알 수 있는 바와 같이, 석영 수정 발진기(210)는, 수정 자체의 공진 주파수가 측정되기 때문에, 본질적으로, 자족적(self-contained) 검출기 및 구동기이다.
압전 효과에 의해, 석영 수정 발진기(210)의 동작이 석영 수정 발진기(210)의 공진 주파수 대역에서 전압을 발생시킨다. 그 후, 구동 회로(212)는, 석영 수정 공진기(202)의 주파수 대역에서 발생된 신호가 구동 회로(212)의 출력을 지배하도록, 석영 수정 발진기(210)에 의해 발생된 신호를 증폭시킨다. 석영 수정 필터의 좁은 공진 대역은 모든 원하지 않는 주파수를 필터링하고, 그 후, 구동 회로(212)는 기준 공진 주파수(f)에서 석영 수정 발진기(210)를 구동한다. 석영 수정 발진기(210)가 특정한 공진 주파수에서 안정화되면, 방법은 단계 554로 진행한다.
단계 554: 석영 수정 발진기의 공진 주파수 측정
공진 주파수(f)는 하우징(202) 내에 환경 조건에 따라 좌우된다. 본 실시예에서, 공진 주파수의 변화(Δf)는, 양호한 근사치까지, 하우징(202)의 내부(206)에서 가스 밀도의 변화에 대해 크기가 비례하고 밀도가 증가하면 감소할 것이다.
측정을 하기 위해서는, 석영 수정 발진기(210)의 주파수가 대략적으로 1초의 기간 동안 측정된다. 이는 판독이 안정화될 수 있게 하고, 정확한 측정을 결정하도록 충분한 진동이 계수되게 한다. 주파수의 측정은 프로세서(230)에서 수행된다. 프로세서(230)는 측정이 시작되었던 시간(T1)을 기록(log)할 수 있다.
주파수가 측정되었으면, 방법은 단계 556으로 진행한다.
단계 556: 가스의 온도 측정
단계 556에서, 온도 센서(214)는 하우징(202) 내에 가스의 온도를 측정한다. 이 측정은 단계 554에서 측정된 주파수 변화로부터 분자량의 계산의 정확도를 개선시키도록 수행된다.
온도 측정은 특히 정확하게 되도록 요구되지 않는다. 예컨대, 온도 센서(214)가 0.5 ℃까지 정확하면, 이는 나중의 단게에서 분자량의 계산을 위해 요구되는 절대 온도값에 관해 (정상적인 대기 온도를 가정하면) 단지 대략적으로 600 분의 1의 오류에 대응한다.
대안으로서, 이 단계는 단순히 프로세서(230)에 대해 입력되는 고정된 온도값을 포함할 수 있다. 이는, 예컨대, 알려진 온도 환경이 이용되는 상황에서 일어날 수 있다. 이 경우에, 온도 센서(214)는 요구되지 않는다.
단계 558: 가스의 압력 결정
일단 석영 수정 발진기(210)의 주파수가 단계 554에서 만족스러운 것으로 측정되고 단계 556에서 온도가 측정되면, 프로세서(230)는 하우징(202)의 내부(206) 내에 가스의 압력을 결정한다.
이는 하우징(202) 내에서 측정된 압력에 비례하는 전기 신호를 제공하는 압력 센서(320; 제공된다면)로부터의 입력값에 의해 행해질 수 있다. 이는 제2 및 제4 실시예에 적용된다.
별법으로서, 압력값은 압력이 적당한 정도로 알려지면 프로세스(230)에 대해 수동으로 또는 자동적으로 입력될 수 있다. 이는 (제1 실시예에서와 같이) 고정된 압력 레귤레이터의 출력에 대응할 수 있거나 (제3 실시예에서와 같이) 대기압에 대응할 수 있다.
단계 560: 가스의 분자량 결정
이는 가스의 밀도(ρ), 압력(P) 및 온도(T)가 공지된 상기 수학식 8을 이용하여 행해진다. 따라서, 단계 554에서 측정된 공진 주파수, 단계 556에서 측정된 하우징(202) 내에 가스의 공지된 온도(T) 및 단계(558)에서 결정된 가스의 공지된 압력을 알면, 분자량(또는 가스들의 균질한 혼합물의 평균 분자량)의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 이어서, 방법은 단계 562로 진행한다.
단계 562: 결과의 전달 및 저장
가스의 분자량은 다수의 방식으로 디스플레이될 수 있다. 예컨대, 하우징(202) 또는 레귤레이터(150, 250)에 부착된 스크린(도시 생략)이 가스의 분자량(또는 평균 분자량)을 디스플레이할 수 있다. 변경예에서, 압력 측정은 후술되는 바와 같이 원격으로 기지국에 또는 인접한 피팅 상에 배치된 계기에 전달될 수 있다.
분자량 계기(200, 300, 400, 500)가 나중에 회수를 위한 것이면, 또 다른 변경예로서, 시간(T1)에 가스의 압력은 타임 로그를 발생시키도록 상기 프로세서(230)에 대한 로컬 메모리에 저장될 수 있다.
이어서, 방법은 단계 564로 진행한다.
단계 564: 센서 조립체의 파워 다운
분자량 계기(200, 300, 400, 500)를 항상 작동 상태로 유지할 필요는 없다. 이와 달리, 사용하지 않을 때에 분자량 계기(200, 300, 400, 500)를 스위치 오프함으로써 전력 소비를 절감하는 것이 유리하다. 이는 배터리(216)의 수명을 연장시킨다.
구동 회로(212)의 구성은 석영 수정 발진기(210)가 하우징(202) 내의 압력에 상관없이 재시작되게 할 수 있다. 따라서, 분자량 계기(200, 300, 400, 500)는 배터리 전력을 절약하기 위해 필요할 때에 정지될 수 있다.
본 발명에 따른 분자량 계기의 다른 용례는 피드백 타입 가스 혼합기이다. 그러한 장치에서, 2종의 유사하지 않은 가스가 정확한 농도와 비율로 혼합되는 것이 요구된다. 이는 예컨대 아르곤과 이산화탄소의 혼합물이 요구되는 용접 용례와 같은 상황에서 요구될 수 있는데, 이산화탄소의 비율이 잘 정의되어 있다. 또한, 의료 용례에서, 특정한 타입의 가스의 상대적 비율이 높은 정밀도로 알게 되는 것이 요구될 수 있다.
본 발명의 제5 실시예가 도 15에 도시되어 있다. 도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 혼합기(600)와 분자량 계기(650)를 도시한다.
가스 혼합기(600)는 제1 가스 소스(602)와 제2 가스 소스(604)를 포함한다. 본 실시예에서, 가스 소스(620, 604)는 고압 하에 영구적 가스를 저장하도록 배치된다. 각 실린더는 제1 실시예에 도시된 밸브(104)와 유사할 수 있는 밸브(도시 생략)를 포함한다.
각 가스 실린더 내에 수용된 가스는 유사하지 않고 필요한 용도에 따라 선택된다. 예컨대, 용접 용례에서는, 아르곤과 이산화탄소의 혼합물이 사용된다. 별법으로서, 의료 용례에서는, 산소와 질소의 혼합물이 요구될 수 있다.
제1 가스 소스(602)와 제2 가스 소스(604)는 제1 및 제2 공급 라인(606, 608)에 각각 연결된다. 가스 소스(602, 604)를 향한 가스들의 역류를 방지하기 위하여 각각의 제1 및 제2 가스 소스(602, 604)의 각 하류측의 제1 및 제2 공급 라인에 역류 방지 밸브(610, 612)가 배치된다.
또한, 메인 밸브(614)가 역류 방지 밸브(610)의 하류측의 제1 공급 라인(606)에 배치된다. 메인 밸브(614)는 수동으로 작동될 수 있고 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 메인 밸브(614)는 간단한 온/오프 밸브의 형태를 취할 수 있거나, 조정 가능한 유동 밸브, VIPR 또는 레귤레이터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 메인 밸브(614)는 가스 혼합기(600)로부터 떨어져 있는 유저에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. (후술되는) 가스들의 혼합물의 전체 유량은 메인 밸브(614)에 의해 설정된다.
역류 방지 밸브(612)의 하류측의 제2 공급 라인(608)에는 솔레노이드 밸브(616)가 배치된다. 솔레노이드 밸브(616)는 솔레노이드 밸브(616)의 본체에 배치된 코일 세트(도시 생략)를 통해 전류에 응답하여 이동될 수 있는 전기자를 포함한다. 전기자는 솔레노이드 밸브(616)를 개방 또는 폐쇄하도록 이동될 수 있어 가스가 솔레노이드 밸브(616)를 지나서 그 하류측의 구성요소로 유동하게 할 수 있다.
솔레노이드 밸브(616)는 보통은 개방된 상태로 있을 수 있다. 바꿔 말해서, 솔레노이드 밸브(616)를 통과하는 전류가 없으면, 전기자는 솔레노이드 밸브(616)가 개방되도록, 즉 솔레노이드 밸브(616)로부터의 가스가 솔레노이드 밸브를 통과하여 솔레노이드 밸브(616)의 하류측의 구성요소로 유동하게 할 수 있도록 후퇴 위치에 있다. 솔레노이드 밸브(616)에 전류가 인가되면, 전기자는 후퇴하고 솔레노이드 밸브(616)는 가스가 통과하지 못하도록 폐쇄되게 된다. 본 실시예에서, 솔레노이드 밸브(616)는 선형 방향으로 연속적으로 변동될 수 있다.
당업자라면 본 발명에 사용될 수 있는 상이한 타입의 솔레노이드 밸브을 쉽게 알 것이다. 예컨대, 전기자는 선택가능하게 작동할 수 있는 유동 제한으로서 직접 작용할 수 있다. 대안적으로, 전기자는 다이어프램에 직접 작용할 수 있다. 다른 변경예로서, 전기자는 다이어프램의 이동을 조절하도록 솔레노이드 밸브(616)의 하류측의 공급 라인(608)과 연통하는 좁은 도관을 통한 유동을 제어할 수 있다. 그러한 장치는 다이어프램 파일럿 밸브로서 공지되어 있다. 솔레노이드 밸브(616)는 후술되는 바와 같이 분자량 계기(650)에 의해 제어된다.
제1 및 제2 공급 라인(606, 608)은 모두 혼합기 유닛(618)에 연결된다. 혼합기 유닛(618)은 제1 및 제2 공급 라인(606, 608)으로부터 2개의 유동을 결합하고 결합된 유동을 제3 공급 라인(620)으로 나아가게 하도록 작동될 수 있다. 혼합기 유닛(618)은 단순히 2개의 유동을 결합하도록 작용하고 각 유동에서 가스 또는 압력의 비율을 변경하지 않는다.
혼합기 유닛(618)의 하류측의 제3 공급 라인(620)에는 고정된 압력 레귤레이터(622)가 배치된다. 압력 레귤레이터(622)는 제1 실시예를 참조하여 설명된 고정된 압력 레귤레이터(150)와 실질적으로 유사하므로, 여기서 더 설명하지 않는다. 고정된 압력 레귤레이터(622)는 혼합기 유닛(618)으로부터 수신된 가스의 압력을 조절하고 고정된 압력 레귤레이터(622)의 하류측의 제3 공급 라인(620)의 일부에 가스를 일정한 압력으로 제공하도록 배치된다. 이 압력은 예컨대 5 bar일 수 있다.
제5 실시예는 분자량 계기(650)를 포함한다. 분자량 계기(650)의 구성요소는 제1 실시예의 분자량 계기(200)의 구성요소와 실질적으로 유사하므로 여기서 더 설명되지 않는다. 그러나, 분자량 계기(650)는 솔레노이드 밸브(616)에 그리고 분자량 계기(650)의 센서 조립체(204)에 연결되는 전자 솔레노이드 구동부(652)를 더 포함한다.
솔레노이드 구동부(652)는 센서 조립체(204)로부터의 신호를 수신하고 이 신호에 응답하여 솔레노이드 밸브(616)를 제어하도록 배치된다. 따라서, 분자량 계기(650)는 솔레노이드 밸브(616)를 통한 가스의 유동을 제어하도록 작동될 수 있다. 바꿔 말해서, 분자량 계기(650)와 솔레노이드 밸브(616)는 혼합기(618)에 대해 제2 공급 라인(608)을 따른 가스 유동의 정확한 원격 압력 조절을 허용하는 피드백 루프를 형성한다. 따라서, 혼합기 유닛(618)에서 혼합된 가스들의 비율은 후술되는 바와 같이 정확하게 제어될 수 있다.
솔레노이드 구동부(652)는 솔레노이드 밸브(616)를 제어하는 임의의 적절한 구동 회로를 포함할 수 있다. 한가지 적절한 회로는 센서 조립체(204)로부터 작동 증폭기의 음극 단자로의 입력을 갖는 작동 증폭기 장치일 수 있다. 따라서, 가변적 레지스터가 양극 단자에 부착될 수 있다. 가변적 레지스터는 일정한 기준 레벨을 제공하고 비교기로서 작용하도록 배치될 수 있다. 기준 레벨은 자동적으로 또는 수동으로 변동될 수 있다.
센서 조립체(204)로부터 솔레노이드 구동부(652)로의 입력은 솔레노이드 밸브(616)의 작동을 유발하게 된다. 예컨대, 센서 조립체(204)[또는, 대안적으로 프로세서(230)]로부터의 입력 신호가 특정한 문턱값을 초과하면, 솔레노이드 구동부(652)가 솔레노이드 밸브(616)를 도통시킬 수 있다. 솔레노이드 밸브(616)는 DC 전압이 최대값과 최소값 사이에서 변동되는 디지털 방식(즉, 온 또는 오프)으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 솔레노이드 구동부(652)로부터의 DC 전압은 솔레노이드 밸브(616)를 통해 유동 제한의 양을 정확하게 조정하도록 연속적으로 변동될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 솔레노이드 구동부(652)는 AC 성분을 포함하는 DC 출력에 의해 솔레노이드 밸브(616)를 제어할 수 있다. 솔레노이드 밸브(616)로부터의 전기자의 연장은 인가된 전류에 대략 비례하기 때문에, 이는 솔레노이드 밸브(616)의 전기자가 진동하게 한다. 그러한 진동은 전기자의 정지 마찰을 완화하고, 즉 전기자가 고착되거나 재밍되는 것을 방지하는 데에 일조한다.
별법으로서, FET, 프로세서 또는 ASIC 등의 다른 제어 장치가 솔레노이드 밸브(616)의 작동을 제어하는 데에 적절한 것으로 사용될 수 있다. 또한, 솔레노이드 밸브(616)는 전기자 또는 유사물의 정확한 이동을 가능하게 하도록 디지털(즉, 온/오프) 또는 아날로그(즉, 연속적으로 변동 가능한) 모드로 작동할 수 있다.
도 15에서, 분자량 계기(650)의 메인 구성요소는 솔레노이드 밸브(616)로부터 별개로 도시되어 있다. 그러한 상황에서, 솔레노이드 밸브(616)는 센서 조립체(204)와 솔레노이드 밸브(616) 사이의 무선 통신에 의해 원격 제어될 수 있다.
상기 실시예는 분자량 계기(650)와 고정된 압력 레귤레이터(622)를 참조하여 설명되었지만, 다른 변경예가 사용될 수 있다. 예컨대, 고정된 압력 레귤레이터(622)가 생략되거나 도 3에 도시된 레귤레이터(250)와 같은 가변적 압력 레귤레이터로 대체될 수 있다. 이 변경예에서, 분자량 계기(650)는 제2 실시예의 분자량 계기(300)의 압력 센서(302) 등의 압력 센서를 필요로 한다.
대안적으로, 고정된 압력 레귤레이터(622)가 생략될 수 있고 분자량 계기(650)는 제3 실시예의 분자량 계기(300)에서 설정된 바와 같이 대기에 연결된 도관을 가질 수 있다. 이 상황에서, 분자량 계기(650)의 하우징(202) 내의 압력이 항상 대기압이 되기 때문에 압력 게이지는 필요하지 않다.
이하, 가스 혼합기(600)의 작동을 설명한다. 전술한 바와 같이, 분자량 계기(650)는 가스의 분자량, 또는 가스 혼합물의 평균 분자량을 결정할 수 있다. 2개의 가스가 상이한 비율로 혼합될 때에, 가스 혼합물의 평균 분자량은 각 가스의 상대적 비율에 따라 변동하게 된다. 따라서, 혼합물의 평균 분자량을 측정함으로써, 그리고 각 개별적인 가스의 분자량을 인지함으로써, 혼합물에서 각 가스의 비율이 결정될 수 있다.
제1 가스 소스(602)로부터 가스의 메인 유량은 전술한 바와 같이 유저가 작동할 수 있는 메인 밸브(614)에 의해 설정된다. 메인 유량이 설정되면, 분자량 계기(650)는 제2 가스 소스(604)로부터 정확한 양의 가스를 분배하여 원하는 비율의 가스 혼합물을 달성하도록 솔레노이드 밸브(616)를 제어할 수 있다.
따라서, 제2 가스 소스(604)로부터의 가스의 비율이 너무 높으면, 분자량 계기(650)는 솔레노이드 구동부(652)를 통해 제2 가스 소스(604)로부터의 가스의 유동을 제한하도록 솔레노이드 밸브(616)를 폐쇄하거나 부분적으로 폐쇄한다. 부수적으로, 제2 가스 소스(604)로부터의 가스의 비율이 너무 느리면, 분자량 계기(650)는 솔레노이드 구동부(652)를 통해 제2 가스 소스(604)로부터의 가스의 유동을 증가시키도록 솔레노이드 밸브(616)를 개방하거나 부분적으로 개방한다.
상기 실시예는 혼합물 내의 각 가스의 비율이 신뢰성 있고 정확하게 결정 및 유지될 수 있는 가스 혼합물을 제공하는 저비용의 신뢰성 있는 확고한 방법을 제공한다.
상기 실시예들의 변경예가 당업자에게 명백할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소들의 정확한 구성은 상이할 수 있으나 여전히 본 발명의 범위 내에 속한다. 당업자라면 이용될 수 있는 대안적 구성들을 쉽게 알아낼 것이다.
예컨대, 전술한 실시예들은 기본 주파수가 32.768 kHz인 석영 수정 발진기를 활용한다. 그러나, 대안적인 주파수에서 작동하는 수정이 이용될 수 있다. 예컨대, 60 kHz 및 100 kHz에서 작동하는 석영 수정 발진기들이 전술한 실시예들에 사용될 수 있다. 도 16에는 여러 수정들을 위한 밀도와 함께 주파수 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 다른 예로서, 1.8 MHz의 주파수에서 작동하는 수정 발진기가 이용될 수 있다.
더 높은 주파수 작동은 주어진 횟수의 사이클을 샘플링하는 데에 더 짧은 시간이 요구되기 때문에, 압력이 더 빈번하게 모니터링되게 할 수 있다. 또한, 더 높은 주파수의 수정은 수정의 "슬립(sleep)" 모드에서 더 작은 듀티 사이클(duty cycle)이 이용되게 할 수 있다. 설명으로서, 대부분의 경우에, 수정 및 구동 회로는 스위치 오프된 상태로 대부분의 시간을 소비하고, 단지 잠시 동안만 또는 측정이 요구될 때에만 스위치 온된다. 이것은, 예컨대, 분 당 한번 일어날 수 있다. 더 높은 주파수의 수정이 이용되면, 압력이 더 빨리 측정될 수 있다. 그러므로, 수정이 작동 상태에 있는 시간이 감소될 수 있다. 이것은 전력 소비를 절감하고 부수적으로 배터리 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예들은 석영 수정 발진기의 절대 주파수를 측정하는 것에 의해 설명되었다. 그러나, 가스 실린더 관련 레귤레이터에 통합된 자족적 전자 기기에서는, 그 주파수를 진공 또는 압력 패키지 속에 들어 있지만 동일한 유형의 기준 수정과 비교함으로써 센서의 주파수의 변위를 측정하는 것이 유리할 수 있다. 압력 패키지는 선택된 밀도의 가스, 대기 조건 하에 있는 가스를 포함할 수 있거나 또는 가스 실린더 외부의 대기로 개방될 수 있다.
적합한 센서 조립체(700)가 도 17에 도시되어 있다. 센서 조립체(700)는 제1 석영 수정 발진기(702) 및 제2 석영 수정 발진기(704)를 포함한다. 제1 석영 수정 발진기(702)는 진공의 밀봉된 컨테이너(706) 내에 배치되는 기준 수정이다. 제1 석영 수정 발진기(702)는 구동 회로(708)에 의해 구동된다.
제2 석영 수정 발진기(704)는 이전의 실시예들에서 설명된 수정(210)과 유사한 수정이다. 제2 석영 수정 발진기(704)는 하우징(202) 내의 가스 환경에 노출된다. 제2 석영 수정 발진기(704)는 구동 회로(710)에 의해 구동된다.
이 비교는 2개의 주파수 신호를 조합하고 2개의 수정들 사이의 차이에 동등한 주파수에서 출력을 생성하는 전자 혼합기 회로(714)를 이용하여 수행될 수 있다. 이 구조는, 예컨대, 온도로 인한 작은 변화가 무효가 되게 할 수 있다.
또한, 주파수 차이만 측정될 것이 요구되기 때문에, 센서 조립체(204)에서 이용되는 회로가 단순화될 수 있다. 또한, 이 접근 방안은, 수정 주파수를 직접적으로 측정하는 것이 곤란할 수 있는 곳에서, 고 주파수(MHz) 수정 발진기에 사용하는 데에 특히 적합하다.
또한, 밀도, 질량 또는 질량 유동을 측정하고 표시하기 위해 요구되는 모든 전자 기기는 가스 실린더 상에 또는 내부에 장착될 필요가 없다. 예컨대, 실린더 상에 영구적으로 장착된 유닛과, 고객의 사용 위치에 따라 장착되거나 종래의 유량계에 대해 보통 이용되는 위치와 같은 실린더의 출구 상에 또는 일시적으로 장착되는 유닛 간에, 전자 기능들이 분할될 수 있다.
도 11을 참조하면, 이 장치의 한 예가 도시되어 있다. 장치는, 가스 실린더(800), 레귤레이터(802) 및 분자량 계기(804)를 포함하는 가스 실린더 조립체(80)를 포함한다. 가스 실린더(800), 레귤레이터(802) 및 분자량 계기(804)는, 실질적으로 이전 실시예들을 참조하여 이미 설명된 가스 실린더(100), 조절기(150) 및 분자량 계기(200, 300, 400, 500)와 사실상 유사하다.
본 실시예에서, 분자량 계기(804)는 이전 실시예들의 석영 수정 발진기(212) 및 구동 회로(212)와 유사한 석영 수정 발진기 및 구동 회로(도시 생략)를 포함한다. 예컨대, 임의의 적절한 원격 통신 프로토콜, 블루투스, 적외선(IR) 또는 RFID를 통한 통신을 위해 안테나(806)가 제공된다. 대안적으로, 단선 통신(one-wire communication)이 활용될 수 있다.
다른 대안으로서, 음향 통신 방법이 이용될 수 있다. 그러한 방법의 이점은 외부 안테나에 대한 요구 없이 원격 통신이 실시될 수 있다는 것이다.
연결 파이프(808)가 가스 실린더(800)의 출구에 연결된다. 연결 파이프는 신속 접속 연결부(quick connect connection)(810)에 의해 종결된다. 신속 접속 연결부(810)는 접속용 배관 또는 구성요소들이 가스 실린더(800)와 용이하고 신속하게 접속 및 접속 해제될 수 있게 한다.
가스 실린더(800)에 대한 연결을 위해 신속 접속 유닛(850)이 제공된다. 커넥터(808)에 대한 연결을 위해, 상보적인 신속 접속 커넥터(812)가 제공된다. 또한, 신속 접속 유닛(850)에는 데이터 유닛(852)이 제공된다. 데이터 유닛(552)은 가스 실린더 조립체(80)의 안테나(804)와 통신하기 위한 안테나(556) 및 디스플레이(554)를 포함한다. 디스플레이(554)는, 전력 소비를 최소화하고 디스플레이의 가시도를 최대화하기 위해, 예컨대, LCD, LED 또는 일광 판독 가능한 디스플레이를 포함할 수 있다.
데이터 유닛(852)은 가스 실린더 조립체(80)의 센서 조립체(802)에 의해 측정된 바와 같은 다양한 파라미터들을 기록할 수 있다. 예컨대, 데이터 유닛(652)은 분자량 대 시간을 기록할 수 있다. 그러한 기록은, 예컨대, 중요한 구성요소들에 대한 장기간의 가스 용접 절차 동안 가스 유동이 있었고 올바른 것이었는지를 점검하기를 원하거나, 또는 회사 데이터를 특정한 고객의 이용에 공급하기를 원하는 용접 계약자들에게 유용할 수 있다.
또한, 데이터 유닛(850)은 다음의 기능들, 즉, 가스의 타입이 변하면 청각 또는 시각 경보(alarm)를 제공하고; 가스의 타입에 관한 데이터를 수용하고 디스플레이하며; 다중 모드 작동, 예컨대 공급자/충전자 모드 및 고객 모드를 제공하고; 데이터의 입력을 허용하며; 실린더 번호, 가스의 타입, 분석 증명서, 고객 이력(누가 어떤 날에 실린더를 가졌는지), 안전 데이터 및 실린더에서 요약된 형태로 수행될 수 있는 작동 팁을 제공하도록 배치될 수 있을 것이다.
대안적으로, 위의 모든 예는, 분자량 계기(200, 350)의 관점에서 논의된 바와 같이, 가스 실린더(800) 또는 하우징(202) 상에(또는 내에) 전체적으로 배치된 시스템으로부터 선택적으로, 처리, 저장 또는 얻어질 수 있다.
상기 실시예들이 석영 수정 발진기의 이용을 참조하여 기술되었지만, 당업자는 이용될 수 있는 대안적인 압전 재료들을 쉽게 인식할 것이다. 예컨대, 대략적인 목록은: 리튬 탄탈레이트, 리튬 니오베이트, 리튬 보레이트, 베를리나이트, 갈륨 비화물, 리튬 테트라보레이트, 인산 알루미늄, 비스무스 게르마늄 산화물, 다결정 지르코늄 티타네이트 세라믹스, 고 알루미나 세라믹스(high-alumina ceramics), 실리콘-아연 산화물 합성물, 또는 디포타슘 타르타르산염을 포함하는 수정 발진기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 예시된 예에 대한 특정한 참조로 기술되었다. 특정한 예가 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었지만, 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 기술된 특정한 형태로 한정하려는 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명의 범위 내에서 설명된 예에 대해 변화 및 수정이 이루어질 수 있을 것임을 알 것이다.

Claims (18)

  1. 가스와 접촉하는 고주파수의 면형 단일 압전 수정 발진기를 이용하여 가스의 분자량을 측정하는 방법으로서,
    a) 상기 단일 압전 수정 발진기가 단일 공진 주파수로 공진하도록 구동 회로를 이용하여 압전 수정 발진기를 구동시키고, 상기 압전 수정의 단일 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 결정함으로써, 상기 압전 수정 발진기를 이용하여 가스의 밀도를 측정하는 단계; 및
    b) 밀도 변화에 선형적으로 비례하는 주파수 변화를 기초로 하여, 상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터, 가스의 분자량을 결정하는 단계
    를 포함하는 가스의 분자량 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스의 압력을 측정하는 단계를 더 포함하는 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스의 압력은 전자 압력 센서를 이용하여 측정되는 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스의 예정된 압력은 상기 발진기의 상류측에 배치된 가스 레귤레이터의 고정된 출력 압력인 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스의 예정된 압력은 대기압인 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 온도 센서를 이용하여 가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 수정 발진기는 적어도 2개의 면형 분기부를 포함하는 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 압전 수정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는 것인 가스의 분자량 측정 방법.
  9. 가스의 분자량을 측정하는 계기로서,
    입구와 측정 대상 가스를 수용하는 내부를 갖는 하우징, 및
    사용시에 압전 수정 발진기가 가스와 접촉하도록 상기 하우징 내에 배치되는 고주파수의 면형 단일 압전 수정 발진기를 구비하는 센서 조립체
    를 포함하고, 상기 센서 조립체는,
    압전 수정 발진기가 단일 공진 주파수로 공진하도록 압전 수정 발진기를 구동시키고,
    상기 압전 수정 발진기의 단일 공진 주파수를 측정하여 가스의 밀도를 측정하며,
    밀도 변화에 선형적으로 비례하는 주파수 변화를 기초로 하여, 상기 밀도, 가스의 결정된 또는 예정된 압력 및 가스의 결정된 또는 예정된 온도로부터 가스의 분자량을 결정하도록 배치되는 것인 계기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 센서 조립체는 공통의 이미터 증폭기로부터 피드백 형태로 배치된 달링턴 페어(Darling pair)를 구비하는 구동 회로를 포함하는 것인 계기.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 가스의 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함하는 것인 계기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 압력 센서는 전자 압력 센서인 것인 계기.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 계기는 고정된 압력 레귤레이터의 하류측에 배치되고, 상기 가스의 압력은 상기 고정된 압력 레귤레이터의 출력을 기초로 하여 예정된 값을 갖는 것인 계기.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 입구의 상류측에 있는 제한된 오리피스와 상기 입구의 하류측 대기를 향한 출구를 더 포함하고, 상기 가스의 예정된 압력은 대기압인 것인 계기.
  15. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 센서 조립체는 온도 센서를 더 포함하는 것인 계기.
  16. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 단일 압전 수정 발진기는 적어도 2개의 면형 분기부를 포함하는 것인 계기.
  17. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 단일 압전 수정 발진기는 32 kHz 이상의 공진 주파수를 갖는 것인 계기.
  18. 프로그램 가능한 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 단계를 수행하기 위한 하나 이상의 소프트웨어 부분을 포함하는 것인 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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