KR0183398B1

KR0183398B1 - 가스의 열 전도율 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR0183398B1
Application number: KR1019900001519A
Authority: KR
Inventors: 레이날드해세이; 다니엘레이머리; 잭퀴스마코트
Original assignee: 알칸인터내쇼날리미티드
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1999-05-15
Also published as: AU631176B2; EP0382414B1; MY105178A; JP2928306B2; AU4915990A; MX172280B; EP0382414A2; ATE117083T1; NO900569D0; ES2069678T3; NO302320B1; CA2009260C; EP0382414A3; JPH0361843A; DE69015838T2; DE69015838D1; BR9000506A; US5081869A; NO900569L; CA2009260A1

Abstract

내용없음.

Description

가스의 열 전도율 측정 방법 및 장치

제1도는 본 발명의 제1실시예 회로의 개략도.

제2도는 카사로미터 소자의 리드선의 온도를 안정화시키도록 등온 방열판을 사용사는 카사로미터를 도시한 투시도.

제3도는 용융 금속의 가스 함량을 측정하기 위한 장치를 개략 도시한 도면.

제4a, b도는 카사로미터 본체내에 서미스터 소자와 피가열 필라멘트가 장착된 것을 각각 도시하는 도면.

제5도는 상시한 주위 온도에서 서미스터에 대한 인자 B를 나타내는 그래프.

제6도는 시험 가스의 수소 함량을 변경시키기 위한 본 발명의 회로 응답을 도시하는 그래프.

제7도 및 제8도는 제2 및 제3실시예 회로의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 서미스터 12 : 카사로미터 봉합체

14 : 가스 입구 16 : 가스 출구

18 : 고정값 저항기 20 : 분압기 접합부

22 : 전원 24, 26 : 고정값 저항기

28 : 분압기 접합부 30, 34 : 차동 증폭기 입력 단자

32 : 차동 증폭기 38 : 기동부하 저항기

본 발명은 가스의 열 전도율을 측정하기 위한 신규한 방법 및 그 장치에 관한 것으로 구체적으로 말하자면, 용융 금속의 가스 함량을 측정하는데 사용된 가스 혼합물의 열 전도율을 측정함으로써 가스 혼합물의 함량을 측정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

가스의 열 전도율에 대한 측정이 상업적으로 가장 중요하게 적용되는 것은 용융 금속 특히, 알루미늄 및 그 합금 자체중의 가스 특히, 수소의 양을 결정하는 데에 있다. 가스중의 수소량이 소정의 일정치를 초과하면(예컨대, 100g의 금속에 0.1~0.15 ml의 수소량) 금속의 특성에 나쁜 영향을 미치는 바 그 수소 함량을 상기 소정값 이하로 보장하도록 정확한 측정을 할 필요가 있다.

실제로, 적합한 다공의 프로브(probe)가 용융 금속내에 침지되고, 니트로겐 같은 운반체 가스가 프로브와 카사로미터(katharometer) 사이의 폐쇄 루프에서 순환되는데, 상기 프로브는 1988년 12월 21일자 공개의 유럽 특허 공개 제A1 0295 798호에 개시되어 있다.

금속중에 용해된 가스는 금속내의 그 농도의 비율로 운반체 가스로 비말동반(飛末同伴: entrainment)되며 그 비말동반된 가스와 운반체 가스의 열 전도율이 크게 상이하면, 기준 가스를 구성하는 운반체 가스 그 자체에 대한 파라미터와 시험 가스를 구성하는 제조된 가스 혼합물에 대한 파라미터를 카사로미터로 측정함으로써 금속중에 용해된 가스의 농도를 결정할 수 있다.

지금까지 통상적으로 사용된 카사로미터 장치의 타입중 하나는 저항 브리지의 두 개의 대향 암(arm)으로서 전기 접속된 두 개의 셀을 사용하여, 그 셀중 한쪽 셀은 기준 가스를 수용 즉, 포함하여 기준 셀을 구성하는 반면, 다른쪽 셀은 측정될 시험 가스의 스트림을 수용하여 측정 셀을 구성한다. 각 셀은 온도에 따라서 저항이 변하는 가느다란 피가열 백금 와이어를 내장하고 있으며, 셀을 통과하는 가스의 이동에 의한 와이어의 냉각량은 그 가스의 열 전도율에 좌우되며, 열 전도율은 상이한 가스에 대해서는 상이한 값을 갖기 때문에 일반적으로 가스의 조성물에 따라 변화한다. 이는 결과적으로, 측정 셀의 저항에 있어서의 변화는 브리지를 불평형시키며, 결과적인 시험 가스의 불평형 전압값은 열 전도율과 함수 관계를 갖는다.

일정한 결과를 제공하기 위한 카사로미터 장치의 제조 및 동작은 여러 가지로 어려움이 수반된다. 1차적으로는 정적 및 동적 정정 회로 소자를 갖지 않고서도 평형이 될 수 있는 브리지를 제공하도록 충분히 그와 유사한 정적 및 동적 특성을 가지는 두 개의 상업용 카사로미터 셀을 생산하는 것이 어렵고, 2차적으로는 이러한 두 개의 카사로미터 셀은 가능한한 서로 거의 동일한 온도를 유지하여야 하는 데도 측정셀의 필라멘트 온도가 변화하는 경우에 필요한 평형을 이루는 것이 어렵다는 것이다. 따라서, 어떤 기준 온도로 이러한 두 개의 셀을 유지시키서 응답을 가능한한 서로 가깝게 일치시키려고 하는 것이 일반적이다. 용융 알루미늄중의 수소 가스 농도의 전형적인 범위는 0.1~0.3 mlH₂/100g 이고, 이는 운반체 가스에 대해 부피를 기준으로 1%~9%에 해당하며 25%까지 가능한데, 이러한 형태의 카사로미터가 0.4 이상의 값을 측정할 수 없는지에 대해서는 알 수 없으므로, 이러한 높은 값을 정확히 측정하기는 불가능하다.

단일 셀을 사용하는 카사로미터로서 상기와 같은 문제를 해결해 보기 위한 시도가 있어 왔다. 미국 특허 제4,685,325호는 단일 셀을 사용하는 카사로미터를 개시하고 있는데, 상기 셀은 그 필라멘트를 가열시키기 위해 정전류원으로부터 전류를 공급받는다. 평형 회로는 이러한 정전류원에 대하여 전류를 평형시키도록 셀의 양단에 접속되는데, 그 출력 전압은 운반체 가스만이 셀을 통과하는 경우에 제로가 되며, 필라멘트에서 발생하는 전압 변화는 운반체 가스중의 수소 비율에 대해서 함수 관계를 갖는다.

따라서, 본 발명의 주목적은 카사로미터를 사용하여 가스 열 전도율을 측정하기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 측정을 위해 단일 온도 감응성 카사로미터 소자를 채용할 신규한 카사로미터 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따라, 온도/저항 특성을 갖는 단일 카사로미터 소자를 구비하는 카사로미터를 사용하여 가수의 열 전도율을 측정하는 방법에 있어서, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 카사로미터 소자를 가열시키기 위해 전원으로부터 상기 카사로미터 소자에 전력을 공급하는 단계와, 열 전도율이 측정될 시험 가스를 카사로미터 소자로 이송하여 상기 소정의 온도값으로부터 상기 소자의 온도를 변경시키고 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변경시키는 단계와, 상기 소자의 저항 변경에 응답하여 소자에 공급되는 전력을 변경하여 상기 온도를 소정의 온도값으로 복원하고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 복원하는 단계와, 상기 시험 가스의 열 전도율을 구하기 위해 상기 소정의 온도값으로 복원된 온도에서 상기 시험 가스 존재하에 상기 소자에 공급된 전력량을 측정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따라, 시험 가스의 열 전도율을 측정하는 장치에 있어서, 온도/저항 특성을 갖는 단일의 카사로미터 소자를 사용한 카사로미터와, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 상기 카사로키터 소자를 가열시키기 위해 카사로미터 소자에 전력을 공급하는 전원 수단과, 상기 단일 카사로미터 소자에 시험 가스를 공급하여 상기 소정의 온도값으로부터 소자의 온도를 변경시키고, 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변경시키는 수단과, 상기 저항 변경에 응답하여 상기 카사로미터 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 유지시키고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 유지시키기 위해 소자에 공급되는 전력량을 변경시키는 제어 수단과, 상기 시험 가스의 존재 하에 상기 카사로미터 소자를 상기 소정의 온도로 유지하는데 필요한 전력량을 측정하여 상기 시험 가스의 열 전도율을 나타내는 측정치를 제공하는 수단을 구비하는 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 운반체 가스중에 비말동반된 시험 가스의 비율을 구하도록 카사로미터를 동작시키는 방법에 있어서, 제1기간 동안 상기 카사로미터에 운반체 가스와 시험 가스의 혼합물을 이송하여 제1측정을 행하는 단계와, 상기 카사로미터를 상기 운반체 가스로 정화하고 상기 제1측정 후의 제2기간 내에 제2측정을 행하는 단계와, 상기 제1 측정치와 제2측정치를 비교하여 결정치를 구하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따라, 시험 가스의 열 전도율을 측정하는 방법에 있어서, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 서미스터 소자를 가열시키기 위해 전원으로부터 상기 서미스터 소자에 전력을 공급하는 단계와, 카사로미터 봉합체 내에서 열 전도율이 측정될 시험 가스를 서미스터 소자로 이송하여 상기 소정의 온도값으로부터 상기 서미스터 소자의 온도를 변경시키고 상기 대응 저항값으로터 상기 소자의 저항을 변경시키는 단계와, 상기 서미스터 소자의 저항 변경에 응답하여 상기 서미스터 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 복원시키고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 복원시키기 위해 상기 소자에 공급되는 전력량을 변경시키는 단계와, 상기 소정의 온도값으로 복원된 서미스터 소자의 온도에서 상기 시험 가스의 존재하에 상기 서미스터 소자에 공급된 전력량을 측정하여 가스 열 전도율을 결정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따라, 그 내부에 입구 및 출구를 가진 봉합체를 제공하는 카사로미터 본체를 구비하고 가스의 열 전도율을 측정하는 장치에 있어서, 봉합체내에 장착되고 온도 및 저항 특성을 가진 서미스터 카사로미터 소자와, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 서미스터 소자를 가열시키기 위해 서미스터 소자에 전력을 공급하는 전원 수단과, 열 전도율이 측정될 가스를 봉합체의 내부에 제공하여 상기 소정의 온도값으로부터 서미스터 소자의 온도를 변경시키고, 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변경시키는 수단과, 상기 서미스터 소자의 저항 변경에 응답하여 상기 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 유지시키고 상기 저항을 대응 저항값으로 유지시키기 위해 서미스터 소자에 공급되는 전력량을 변경시키는 제어 수단과, 가스의 열 전도율을 나타내는 측정값을 제공하도록 시험 가스 존재하에서 서미스터 소자를 상기 소정의 온도값으로 유지하는데 필요한 전력량을 측정하는 수단을 구비하는 장치가 제공된다.

본 발명에 따라, 시험 가스의 열 전도율을 측정하기 위해 온도 저항 특성을 갖는 카사로미터 소자를 포함하는 카사로미터 전기 회로를 동작시키는 방법에 있어서, 저항기를 상기 회로의 기준점에 상기 카사로미터 소자와 함께 직렬로 접속하는 단계와, 상기 저항기 및 카사로미터 소자에 동일 전원으로부터 전류를 공급하여 그들 양단에서 그들 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키며 상기 전압들중 하나는 상기 기준점에서 측정 가능한 단계와, 상기 저항기와 카사로미터 소자중 상기 기준점에 직접 접속되지 않는 적어도 다른 하나에 걸리는 전압을 상기 기준점에 접속된 다른 회로 소자에 전달하는 단계와, 상기 기준점을 공통으로 갖는 전압을 비교하고, 상기 비교에 따라 상기 저항기 및 카사로미터 소자에 공급되는 전류를 상기 회로에 의해 제어하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따라, 온도 및 저항 특성을 갖는 카사로미터 소자와, 상기 카사로미터 소자에 전력을 공급하는 전원 수단을 사용한 카사로미터를 구비하고 시험 가스의 열 전도율을 측정하는 장치에 있어서, 상기 카시로미터 소자와 직렬로 접속된 저항을 구비하고, 상기 전원 수단은 직렬로 접속된 카사로미터 소자와 저항에 전열을 공급하여 그들 양단에 그들 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키며, 상기 전압들중 적어도 하나를 다른 전압과의 회로의 공통기준점에 제1전달 전압으로서 전달하기 위해 제공된 제어 수단과, 상기 공통 기준점을 가진 두 개의 전압을 비교하고 그 비교 결과에 따라 직렬로 접속된 카사로미터 소자와 저항에 대한 전력 공급을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.

이하 본 발명의 특정 실시예를 첨부 도면과 관련하여 설명한다.

특히 본 명세서에 기술한 본 발명의 장치는 온도 감응성 카사로미터 소자로서 서미스터(10)를 사용하는데, 이 서미스터의 전기 저항은 절대 온도에 따라서 변화하며, 상기 저항의 절대값은 소정의 온도값에 대해서 충분히 일정하다. 예시한 실시예에 있어서, 서미스터 가스 입구(14)와 가스 출구(16)를 가지고 있는 비교적 중금속 카사로미터 봉합체(12)에 장착되고, 시험 가스 및 기준 가스의 각 스트림이 봉합체 내부를 통과할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 카사로미터 소자는 저항 R을 갖는 고정값 저항기(18)와 직렬로 접속되어 전압V₁이 나타나는 접합부(20)를 갖는 제1분압기를 제공하여, 이 분압기는 전원(22)으로부터 전력을 공급받는다.

R₁과 R₂의 저항을 각각 갖는 두 개의 직렬 접속 고정값 저항기(24,26)는 제2기준 분압기를 구성하며 또한 전원(22)으로부터 전력을 공급받으며, 차동 증폭기(32)에 기준 전압 V₂를 인가하도록 증폭기의 한쪽 입력 단자(30)에 접속된 접합부(28)를 갖는다. 접합부(20)는 증폭기 다른쪽 입력 단자(34)에 접속된다. 이 증폭기는 단자(36)로부터 전력을 공급받으며, 기동(start-up) 부하 저항기(38)는 전원(22)과 상기 회로 사이에 접속되어 셀에 인가되는 기동 전압(양 또는 음)을 설정한다.

서미스터(10)는 그들 통과하는 전류에 의해서 가열되며, 그 온도가 증가함에 따라서 저항은 감소하고, 그에 따라 V₁이 감소한다. 전압 V₁과 V₂가 동일하지 않은 경우에 증폭기(32)는 상기 전압차에 비례하여 서미스터(10)를 더욱 가열시키는 출력 전압의 변화를 발생하며, 전압의 평형이 달성될 때까지 즉, 상기 서미스터가 정상 온도값과 그에 대응하여 정상 저항값을 갖는 지점까지 그 저항은 더욱 감소한다. 이러한 정상 상태에 있어서, 정전압 V₀는 차동 증폭기의 출력 단자(40)에서 발생되며, 접지와 출력 단자(42) 사이에서 측정될 수 있다. 높은 열 전도율을 갖는 가스의 스트림이 카사로미터에 유입된 경우에, 서미스터(10)는 냉각되어 그 전기 저항이 증가되게 되어 V₁이 감소하며, 그 결과 전압 V₀가 증가하고, 서미스터와 저항기(18)를 통하는 전류가 증가하게 되어 서미스터의 온도와 저항이 소정의 값으로 복원될 때까지 서미스터에 인가되는 전력(초당 에너지)을 증가시킨다. 전압 V₀의 새로운 값은 상기 스트림중의 가스 혼합물의 가스 열 전도율과 다음의 관계식을 갖는다.

여기서, R은 저항기(18)의 저항값이고, R₁은 저항기(26)의 저항값이고, R₂는 저항기(24)의 저항값이고, G는 카사로미터 셀의 형상과 서미스터의 형상 및 그 셀의 배치에 따른 형상 상수이며, T_t는 서미스터(10)의 온도로서 가능한 일정해야 하며, T_b는 켈빈 온도로 측정된 카사로미터 본체의 주위 온도이며, K_L은 서미스터의 전기 리드선에 의한 열 누설에 대응하는 등가의 가스 열 전도율로서 가능한한 작고 일정한 값으로 유지되어야 하며, K_i은 서미스터(10)의 열 전도 저항에 대응하는 등가의 가스 열 전도율로서 항상 일정하며, K_m은 측정될 시험 가스의 열 전도율로서 변수이다.

상기 방정식은 상술한 카사로미터 회로의 동작을 설명하는 열적 모델을 포함하며, 3부분으로 간주될 수 있다. 저항값과 관련된 좌측항은 상기 회로 구성의 전기적 의존성을 기술하며, 온도값을 포함하고 있는 중간항은 T_t값이 상수라는 중요한 사실을 기술하는 것으로서, 이는 서미스터와 같은 자율적 측정 장치를 사용하여 T_b를 정확히 측정해야 한다거나, 좁은 간격으로 행해진 측정의 측정치의 비율이 사용되는 것을 의미하는데, 이 때 T_b는 어느 경우에도 사실상 불변이며, 이러한 인수는 최종의 결과로부터 삭제될 수 있다. 방정식의 우측항은 특히 간단하지만, 카사로미터 동작의 정확한 열적 모델을 충분히 기술하고 있다. 상기 파라미터중 비공지의 값 K_m은 측정되어야 하며, 따라서 K_i과 K_L에 대한 적합한 값을 얻을 필요가 있으며, 이러한 것은 임의의 3가지 공지된 가스, 더 양호하게는 소정의 온도에서 제조된 니트로겐, 아르곤 및 헬륨(또는 수소)을 측정함으로써 얻을 수 있으며 상기 값은 최종 V₀값의 비율로부터 구할 수 있다.

상기 관계식의 좌측항은 카사로미터의 특정 전기 회로에 따라 다르기 때문에, 그 좌측항은 상기 관계식이 다른 형태의 카사로미터에 적용할 수 있는 이하의 보다 일반적인 형식을 갖는 경우에 회로 상수로서 간주될 수 있다.

서미스터(10)에 가해진 전체 전력은 다음의 관계식으로부터 구할 수 있다.

상기 전력은 그 온도를 유지하는 서미스터(10)에 공급되는 전력량(초당 에너지)이기 때문에, 전압 또는 전류중 어느 하나를 측정하여 가스의 열 전도율을 표시하는 측정값을 구할 수 있으며, 상기 회로내의 모든 저항은 공지값으로서 항상 일정하기 때문에, 통상 전압을 양호하게 측정할 수 있다.

K_L의 값은 제2도에 도시한 바와 같은 장치에 의해 사실상 일정한 값으로 유지될 수 있으며, 서미스터쪽의 리드선(44a, 44b)은 가능한한 짧게 유지되며 각각의 등온 방열판(46a, 46b)과 무관하게 용접되며, 상기 방열판은 구리판으로 구성되며, 그러한 구리판은 봉합체(12)에 부착된 지지 블록(48)에 고정되고 봉합체 및 그 서로로부터 절연된다.

V₀가 양 또는 음의 값을 갖는지는 중요하지 않으며, 이 V₀는 K_m의 측정에 영향을 미치지 않는데, 이는 방정식 (1)에서 V₀ ²이란 항이 있기 때문이다. 특정 실시예에 있어서, 25℃에서 8kΩ의 내부저항을 가지고 있는 서미스터(10)는 Gow-Mac Corporation 사의 것을 사용할 수 있다. R의 값은 1K이며 R₁과 R₂의 값은 모두 10K이고 ±50ppm/℃의 열계수를 가지며 1%의 공차를 갖는 금속 필름의 것이 사용된다. 저항기(38)의 값은 22K이며, 차동 증폭기는 LT1013AM 타입으로서 V+와 V-의 값은 각각 +15V와 -15V이다.

용융 알루미늄 중의 수소의 %를 측정하기 위해 카사로미터를 사용하는 경우에, 상술한 바와 같은 다공의 프로브를 가지는 폐쇄 순환로에 접속된다. 제3도를 참조하면 프로브 소자(74)가 도시되어 있는데, 프로브 소자는 가스 침투성의 일체형 본체로서, 액상-금속-침투 방지성 물질이며, 용융 알루미늄이거나, 그 합금인 용융 금속체(76)내에 침지된다. 용융 금속체(76)는 쇳물독으로부터 획득되거나 실험 샘플일 때는 정지한 물체이고 또한 주조 노로부터 도출에 의한 운반으로 획득될 때는 금속 스트림이 될 수도 있다. 작은 구경의 튜브(78)는 프로브 소자 본체내의 가스 입구로부터 비-복귀성 밸브(82)를 통해서 재순환 펄프(80)로 연장한 다음 또 하나의 비-복귀성 밸브(84)를 통해서 카사로미터의 가스 출구(16)로 연장한다. 다른 작은 구경의 튜브(86)는 본체(74)의 가스 출구로부터 카사로미터쪽의 가스 입구(14)로 연장하여 프로브 소자, 펌프 및 셀을 포함하는 폐쇄 순환로를 형성한다. 튜브(30 : 도시되지 않음)는 가스 순환로를 제어 가능한 세정 밸브(86)에 접속시키는 T형-접합부를 포함하며, 상기 세정 밸브는 개방시에 압축 가스용 실린더와 같은 적절한 소스로부터 통상 니트로겐 등의 운반체 가스를 순환로에 유입시킨다. 카사로미터 셀은 제어 컴퓨터(92)에 접속된 그 제어 회로(90)에 접속된다. 열전쌍(94)은 프로브 소자에 기계적으로 접속되어 용융 금속(76)내에 함께 침지되어서 요구된 금속 온도의 측정을 행할 수 있다. 열전쌍(94), 펌프(80) 및 세정 밸브(88)는 제어 컴퓨터(92)에 또한 접속되는데, 이 컴퓨터는 각각의 농도 결정 동작 사이클 동안 상기 장치를 자동으로 제어하고, 하나 이상의 디스플레이 및/또는 레코딩 장치에 상기 사이클의 결과를 제공하도록 배열되어 있는데, 상기 디스플레이 및 /또는 레코딩 장치는 당업계에 공지되어 있다.

통상의 측정 사이클에서, 먼저 세정 밸브(88)를 제어기(92)에 의해 개방시키고 건식 니트로겐을 압력으로 프로브 가스 입구 및 출구로 유입하고 프로브 소자의 다공의 본체를 통해 유출하여 전체 순환로를 순환시킨다. 이러한 순환은 니트로겐만이 상기 순환로내에 잔존할 때까지 충분히 지속된다. 세정 동작은 세정 밸브(88)가 폐쇄되어 순환로내의 니트로겐의 압력이 신속하게 정상치에 도달할 때 프로브가 용융 금속 내로 내려 갈때까지 지속된다. 펌프 모터(80)가 동작함으로써 순환로 내의 운반체 가스량이 순환로 내에서 계속적으로 재순환된다. V₀에 대한 제 1판독은 건식 니트로겐이 순환하는 동안 취해진다. 가스가 프로브와 카사로미터 사이에서 연속적으로 순환되는 경우에, 알루미늄으로부터의 수소는 각 부분 압력에 기초하여 평형 상태에 도달할 때까지 니트로겐 운반체 가스내에 축적되는데, 이는 통상적으로 약 10분 정도 소요된다. V₀에 대한 제2판독은 가스의 열 전도율이 구해진 후에 행해진다. 이러한 동작은 종래 기술의 동작 절차와 동일하다. 상기와 같은 비교적 긴기간 동안, 블록(48) 및 봉합체(12)의 온도는 몇 도 정도 변할 수 있는데, 이것은 제1판독에서 더 이상 제로 값을 얻지 못한다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 방법에 있어서, 제1판독은 비말동반된 수소와의 평형이 달성될 때까지 운반 니트로겐이 순환된 후에 행해지며 이러한 판독 직후, 밸브(88)를 개방함으로써 순수 니트로겐을 순환로 내에 주입하여 가스 혼합물이 잔존하는 카사로미터 셀을 정화시킨다. 제2판독도 제1판독이 행해진 후에 약 10-30초, 양호하게는 15-20초 내에 행해진다. 카사로미터 본체(12)는 비교적 대형의 방열판이기 때문에 온도 변화가 매우 서서히 발생하여 이러한 변화의 영향도 최소화된다. 수소 농도는 밀접한 시간에 얻어진 2개의 열 전도율 판독값으로부터 계산에 의해 결정되는데, 상기 온도가 최소화되기 때문에 측정의 정밀도가 증가한다.

따라서, 본 발명의 장치는 단일 열 소자를 사용하여 카사로미터의 주위 온도가 10℃ 내지 60℃의 비교적 넓은 범위로 변화하여도 정밀도를 유지할 수 있다. 그러한 넓은 범위의 온도 변화는 산업적인 동작 환경 예를 들면, 가열 노나 금속 운반 탕도(湯道) 가까이에서 본 발명의 장치가 사용되어야 하는 알루미늄 용융 설비에서 볼 수 있다. 이러한 정밀도는 카사로미터 본체의 온도가 0.01℃ 이내이거나, 밀접한 시간에서의 판독이 전술한 바와 같이 비교되는 경우에 한 번의 측정으로써 얻을 수 있다. 특히, 서미스터(10)의 온도 제어는 단지 서미스터의 전기적 저항을 제어하는 것만으로 가능하며, 그러한 장치는 그 정상 온도 범위에서 가스 온도 이상의 어떠한 온도에서도 동작할 수 있으며 상기 온도에서 일정하게 유지될 것만을 요구한다는 점에서 간단하다고 할 수 있다.

낮은 열 전도율 값은 ±0.03% 이내의 절대 정밀도로 측정될 수 있다. 수소/니트로겐 가스 혼합물내에서 수소 비율의 대응하는 정밀도는 1% 수소 혼합물과 관련하여 약 1%이다. 획득할 수 있는 신호 레벨은 부품 특히, 서미스터(10)의 저항값에 따라서 좌우되며, 그 저항/온도 특성과는 무관하다. 적당한 동적 신호 범위로서 그 관련 증폭기를 포화시키는 일이 없이 더 높은 값(100%의 수소까지)의 열 전도율을 측정하는 것이 가능하다. 종래 기술의 장치로서는 측정시마다 반드시 일정치 않은 온도에서 측정이 행해지고 모든 가스의 열 전도율은 온도에 따라서 변하기 때문에 측정의 정밀도가 저하되었으나, 본 발명의 방법 및 장치는 동일한 온도에서 효과적인 비율을 갖는 측정이 행해져서 상기와 같은 차이는 소멸되는 바 전동작 범위에 걸쳐서 실질적으로 측정이 온도에 영향을 받지 않게 된다.

알루미늄중의 수소 함량을 구하는 데에 사용되는 산업용 시험 설비에 대해 요구되는 성능 특성은 10℃~60℃로 주위 온도가 변화하는 산업 현장 조건하에서 60℃의 니트로겐 운반체 가스 중의 1% 수소 농도에 비례하여 1%로 상기 수소 함량을 측정할 수 있어야 한다는 것이다. 그러한 정밀도는 실험 조건에서만 얻을 수 있었지만 본 발명의 방법 및 장치로서 실제의 산업 현장에서도 얻을 수 있다.

세라믹재의 작은 비드(bead)로 구성된 고체 상태 온도 감응성 장치인 서미스터는 카사로미터의 온도 감응성 소자로서 의외로 유용하게 사용되어왔다. 일반적으로, 서미스터의 저항은 그 대응 동작 온도와 정확하고도 균일한 상관 관계에 있으며, 그러한 서미스터는 온도/저항 특성의 넓은 범위에서 상업적으로 이용 가능한 부품이어서 10℃~60℃의 넓은 범위의 필연적인 동작 온도에 적용할 수 있다. 이러한 서미스터들은 지금까지 사용되어온 가열 필라멘트 카사로미터 소자의 (+)특성과는 대조적으로 소망의 동작 범위에 걸쳐서 (-)인 온도/저항 특성(즉, 온도 증가에 따라서 저항이 증가하는 특성)을 갖는 바 쉽게 활용이 가능하며, 이에 따라서 부수되는 전자회로의 설계를 간소화할 수 있다. 더욱이 이러한 서미스터는 피가열 필라멘트보다 물리적으로 더욱 간소하다.

비드형 서미스터는 제4a도 및 제4b에 도시한 바와 같이, 그 구조로부터 카사로미터내에서 다음과 같은 특별한 열적 장점을 갖는다. 제4a도 및 제4b도는 각각 일반적인 서미스터 장착 모습과 카사로미터 본체내의 피가열 필라멘트를 도시한다. 물리적으로 소형인 비드형 서미스터 본체(10)는 두 개의 비교적 두꺼운 일반적으로 1.25mm(0.05인치)의 직경을 가지는 터미날 로드(terminal rod)(44a,44b) 사이에서 상기 로드에 납땜된 약 0.025mm(0.001인치) 직경의 비교적 가느다란 두 개의 터미날 와이어(50)에 의해 장착된다. 따라서 서미스터에서 전류에 의해 발생된 열은 카사로미터를 통해 흐르는 가스에 대한 누설 경로에 비해 비교적 높은 저항값의 와이어(50)를 통하는 누설 경로를 갖는다. 방정식(1)을 살펴보면, X_L의 값은 Km과 Ki에 비해서 작으며 반면에, Km은 서미스터의 경우에 K_L보다 상당히 크고 Ki보다 작기 때문에, 결과적으로 전체 열 전도율의 변화는 커지며 그에 따라 전체 전압에 있어서도 큰 변화를 갖는다. 상기 피가열 필라멘트는 소형의 열류 드로틀 와이어와 같은 것을 구비하지는 않지만 발생된 열이 외부로 용이하게 방출되도록 중형 터미날 로드(44a,44)에 납땜된다. 따라서, 누설값 K_L은 높으며, 실제에 있어서 Km 값의 수 배가 된다. 필라멘트는 일반적으로 금속으로 구성되며, 그에 따라 Ki는 매우 높으며, 이러한 결과 발생되는 열의 대부분은 순환 가스에 의해서 제거됨이 없이 터미날 로드를 통해서 외부로 배출되게 된다. 가스의 변화에 의한 Km의 변화는 전체 열 전도율에서 작은 변화만을 발생시키기 때문에 출력 전압에 있어서도 단지 작은 변화만 발생한다. 이것은 증폭기의 이득을 증가시킴으로써 보상되며, 상기의 변화는 필요한 열감수성을 부여하도록 증폭기의 만족할 만한 동작에 필요한 입력 오프셋 전압 이하로 될 수도 있다.

방정식(1)에 있어서 T_t값(서미스터 온도)은 일정하므로, 그 저항값도 또한 일정하며, 최대의 출력 전압 V₀를 구하기 위해서 서미스터 저항은 가능한한 높아야 한다. 대부분의 상업적으로 구입할 수 있는 서미스터의 온도/저항 특성은 임의의 임계 온도 이상에서 역전하며, 그 역전의 시작은 동작 온도가 증가할 때 빠르게 된다는 점의 제한이 따른다. 따라서 서미스터는 60℃인 임계 온도에서 그 온도에서의 최대 저항값을 제공하도록 선택되며, 이 서미스터는 다른 낮은 동작 온도에서의 저항이 낮아지는 것을 수용한다. 제5도는 서미스터의 저항값 R_t에 대하여 평활화된 값 B에 대해 상이한 주위 온도에서의 일련의 커브를 도시하는 것으로, 여기서 B는 방정식(1)로부터 다음식으로 유도된다.

서미스터는 상기 주위 온도 60℃에서 이 온도에서의 최대값 B를 제공하도록 선택되며, 그러한 서미스터는 다른 낮은 주위 온도에서의 값이 높게 되는 것을 수용한다.

이러한 특정예에 있어서, 60℃에서의 임계값 R_Th는 B=231에서 960Ω이며, 낮은주위 온도 15℃에서 B의 값은 373.8이며 이러한 값은 방정식(1)의 다음항의 최대 및 최소값이며, 소정의 값 R_t(주위온도)의 경우에 본 발명의 방법 및 장치로부터 구할 수 있는데, 그 값은 상수로서 방정식(1)에서 다음의 최종식으로 표현된다.

상기 값은 회로에서 볼 수 있는 바와 같이 전체 열 전도율을 산출하여 변수로 되지만, K_L이 서미스터를 사용함으로써 무시할 수 있는 값으로 유지될 때, 수소 함량에 대한 상기 표현식의 결과값 분포도는 제6도에 도시한 바와 같이 높은 선형성을 가지는데, 제6도의 세로 좌표는 상기 최종 표현식의 특정 수치값을 표시한다. 이러한 커브는 수소 이외의 다른 가스 즉, 구경 측정용으로 사용되는 아르곤가스로 얻어진 값을 표시할 수 있도록 제로 이하로 취해지는데, 상기 가스는 -13%H₂와 동일한 값을 제공한다. 낮은 수소 농도에서, K_L의 값은 K_m과 동일한 크기를 가지며, 경사는 더욱 커지는데, 그래프의 중간부분에서는 사실상 선형적이며, 반면에 K_m의 값이 높을 경우에는 K_m의 값은 거의 K_i정도로 높아지는데, 이 값은 상수로서 선형성이 지속된다. 또한 그래프는 최대 100% 까지의 전체 수소 범위에 걸쳐서 사실상 양의 경사를 유지하여 수소의 고농도의 측정이 제약받지 않는다.

상기 회로의 감도는 제6도 그래프에서 기울기로 나타나며, 이러한 특정 장치의 경우에, 측정에 있어서 요구된 1%의 정밀도를 제공하기 위한 V₀의 변화는 약 227μV이며 그러한 값은 많은 저가의 연산 증폭기 성능내의 범위에 있다. 이러한 저가의 연산 증폭기는 전체 전압이 30V이며 약 10mA의 출력 전류를 가지는 서미스터를 사용하는 카사로미터가 요구하는 최적의 전력 요구량과 부합할 수 있다.

이러한 서미스터 소자를 사용하는 본 발명의 카사로미터는 안정하고 간단하게 동작 및 조정되어서 소망하는 1% 정밀도의 동작을 제공하여 동작 범위를 스위치할 필요가 없이 시험 가스중 100%까지의 수소 함량을 측정할 수 있는 동시에, 10℃~60℃범위의 소망 주위 온도에서 동작할 수 있는 바람직한 특성을 갖는다. 서미스터를 사용하는 장치는 휴대용 장치의 축전지에 의해 용이하게 공급될 수 있는 100mW의 전력 이하에서 동작할 수 있다.

제7도의 회로에 있어서, 동일하다거나 유사한 소자에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하였다. 서미스터 카사로미터 소자(10)는 저항기(18)와 직렬 접속되며, 서미스터 소자 단자에서 V₁및 V₂의 입력 전위를 갖는 구동기 소자(52)의 입력에 병렬 접속되며, 구동기 소자의 출력은 V₂/V₁으로서 연산 증폭기(54)에 공급된다.

저항기(8)의 값은 상기 서미스터 소자의 소정의 동작 온도 및 저항에서의 비율로 소정의 값(예컨대, 2)을 부여하도록 설정되며, 증폭기(54)의 전력 출력은 그 값에서 안정한 비율을 유지하기에 충분하다. 서미스터(10)가 냉각되어서 그 저항이 감소하고, 상기 비율의 값이 감소하면, 상기 서미스터 소자를 가열시키고, 상기 저항을 그 최초의 평형 상태값으로 복원시키도록 증폭기(54)의 출력은 증가한다. V₀의 값은 증폭기(54)의 출력에서 측정된다.

제8도는 본 발명 제3실시예를 도시한 것으로, 회로의 정확도 및 감도가 전술한 두 개의 회로 소자 즉, 증폭기와 기준 저항기(18)상의 주위 온도 영향을 제거함으로써 개선되어 온도계수가 제로가 되는 대신에 상당히 낮은 (예컨대 50ppm/℃)온도계수 값을 갖는 저항기를 사용할 수 있거나 다른 결과적인 낮은 감도를 수용할 수 있다. 증폭기(32)는 직렬로 된 서미스터(10)와 기준 저항기(18)에 동작 전류를 공급하기 때문에 이들 소자에는 동일한 전류가 제공되어, 그들 각각의 저항과 동일한 전압이 걸리게 되며, 따라서 상기 회로는 서미스터의 R_Th값을 평형 상태의 저항기(18)의 값과 동일하게 되도록 제어하기 위해 마련되며, 이때 이들 전압은 동일하거나, 바람직한 소정의 비율로 된다. 저항기와 서미스터를 직렬 접속시킴으로써 그들 전압의 비교가 어려워지게 되는데, 이것은 이들이 접지점(56)과 같은 공통 기준점에 직접적으로 관련을 갖지 않기 때문이다. 이러한 어려움은 홀딩 커패시터(58)에 저항기(18)에 걸리는 전압을 전달하고, 홀딩 커패시터(60)에 서미스터(10)에 걸리는 전압을 전달함으로써 본 발명에 따른 회로에 의해서 극복될 수 있다. 이러한 두 개의 홀딩 커패시터는 동일한 접지 기준점(56)과 증폭기(32)에 대한 각각의 입력 사이에 접속되며, 따라서 두 개의 전압이 동일하거나, 소정의 비율과 동일한 출력을 보다 정확하게 생성할 수 있다. 그러한 회로는 고정밀도(예컨대 , 약 2ppm)로 전압값의 비율을 제어할 수 있다. 커패시터는 정밀할 필요가 없으며, 상기 증폭기의 동작은 주위 온도와 무관하다. 회로의 감도는 1차적으로 증폭기의 입력 감도에 의해서 결정되며, 그 전체의 정밀도는 등가의 브리지 회로보다 더욱 바람직하고 안정하다. 두 저항 R과 R_Th사이의 비율은 작게 유지되어야 하지만, 그 값이 정확히 1이 아니기 때문에 단점이 될 수 없으며, 서미스터의 동작 범위에 아주 가까운 값의 저항을 선택하는 것이 비교적 용이하다.

이러한 회로에 있어서, 두 개의 각 스위치 블록(64a,64b)을 제공하는 상업적 입수 가능한 이중 스위칭 모듈(62)에 의해서 전압 전달이 행해지며, 각각의 스위치 블록내에는 한쌍의 인스위치(66a,66b)와 한쌍의 아웃스위치(68a,68b)가 포함된다. 블록(64a)은 전달 커패시터(70a)를 통해서 저항기(18)로부터 커패시터(58)로 전달되는 전압을 제어하는 반면, 블록(64b)은 전달 캐피시터(70b)를 통해서 서미스터(10)로부터 캐피시터(60)로 전달되는 전압을 제어한다. 2개의 각 인 스위치는 폐쇄되고 각각의 아웃 스위치가 개방되는 경우 및 그 반대의 경우에, 그 스위치들은 내부 오실레이터의 제어하에 두 방향에서 개방 및 폐쇄 순서를 동기화시키기 전에 브레이크시키도록 동작된다. 스위치 블록에 대한 적합한 범위의 동작 주파수는 100Hz 내지 1KHz 로서 그러한 주파수는 외부 조정 가능 커패시터(72)에 의해 제어된다.

각각의 스위치 블록은 차동 전압 변환기로서 동작하는데, 블록(64b)으로 도시한 회로내에서 이론적으로 서미스터(10)의 전달 능력이 필수적이지는 않은바, 이것은 서미스터가 이미 기준점(56)에 접속되지 않기 때문이다. 실제에 있어서 이러한 특정 회로에서 증폭기의 각 입력에는 캐피시터가 있을 필요가 있으며, 각 입력에서의 바이어스 전류는 양 커패시터에서 동일한 전압 변화를 제공하며, 평활한 출력이 얻어진다.

각각의 전달 커패시터는 그 각각의 저항소자에 병렬 접속되며, 그 전압이 상기 소자에 걸리는 전압과 동일할 때까지 충,방전되며, 그 후에 접속이 해제되어 그 각각의 홀딩 커패시터에 접속되며, 그들의 전압과 동일해질때까지 충,방전된다. 이러한 스위칭 시퀀스는 반복되며, 실질적으로 저항 소자와 전달 커패시터 및 홀딩 커패시터에는 걸리는 전압은 요구된 고정확도와 동등하다. 본 발명의 전달 시스템은 또한 서미스터 이외의 온도 감응성 소자를 사용하는 카사로미터에 활용할 수 있다.

Claims

온도/저항 특성을 갖는 단일 카사로미터 소자를 구비하는 카사로미터를 사용하여 가스의 열 전도율을 측정하는 방법에 있어서, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 카사로미터 소자(10)를 가열시키기 위해 전원으로부터 상기 카사로미터 소자(10)에 전력을 공급하는 단계와, 열 전도율이 측정될 시험 가스를 카사로미터 소자(10)로 이송하여 상기 소정의 온도값으로부터 상기 소자(10)의 온도를 변형시키고 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자(10)의 저항을 변경시키는 단계와, 상기 카사로미터 소자(10)의 저항 변경에 응답하여 소자(10)에 공급되는 전력을 변경하여 상기 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 복원하고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 복원하는 단계와, 상기 시험 가스의 열 전도율을 구하기 위해 상기 소정의 온도값으로 복원된 온도에서 상기 시험 가스의 존재하에 상기 소자(10)에 공급된 전력량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 카사로미터 소자(10)는 저항기(18)에 직렬 접속되어, 제 1접합부(20)를 갖는 제1분압기를 제공하며, 상기 제1접합부(20)에서의 전위(V₁)는 전원으로부터 전력을 공급받는 제2접합부(28)에서의 전위(V₂)와 비교되며, 상기 비교의 결과는 카사로미터 소자(10)에 공급되는 전력을 변경하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 분압기의 제1 및 제2접합부(20,28)에서의 전위는 차동 증폭기(32)에 의해 비교되며, 상기 차동 증폭기의 출력은 카사로미터 소자(10)로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제3항에 있어서, 상기 차동 증폭기(32)의 출력에서의 전압(Vo)은 가스의 열 전도율을 구하기 위해 측정되는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 시험 가스는 운반체 가스에 비말동반시켜서 용융 금속으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제5항에 있어서, 상기 시험 가스는 수소이며, 상기 용융 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 시험 가스가 비말동반된 운반체 가스의 가스 혼합물을 카사로미터를 통과시킨 후 제1측정을 행하는 단계와, 상기 카사로미터를 상기 운반체 가스로 정화하여 상기 가스 혼합물을 제거하고, 상기 제1측정 후의 단기간 내에 제2측정을 행하는 단계와, 상기 제1측정치와 제2측정치를 비교하여 결정치를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 방법.
온도/저항 특성을 갖는 단일의 카사로미터 소자(10)를 사용한 카사로미터와, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 상기 카사로미터 소자(10)를 가열시키기 위해 카사로미터 소자(10)에 전력을 공급하는 전원 수단(22)과, 상기 단일 카사로미터 소자(10)에 시험 가스를 공급하여 상기 소정의 온도 값으로부터 소자(10)의 온도를 변경시키고, 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변경시키는 수단(80)과, 상기 저항 변경에 응답하여 상기 카사로미터 소자(10)의 온도를 상기 소정의 온도값으로 유지시키고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 유지시키기 위해 소자에 공급되는 전력량을 변경시키는 제어수단(90)과, 상기 시험 가스의 존재하에 상기 카사로미터 소자(10)를 상기 소정의 온도로 유지하는데 필요한 전력량을 측정하여 상기 시험 가스의 열 전도율을 나타내는 측정치를 제공하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제8항에 있어서, 상기 제어 수단(90)은, 카사로미터 소자(10)와 직렬 접속되어 제1접합부(20)를 갖는 제1분압기를 구성하는 저항기(18)와, 제2접합부(28)를 가지며 상기 전원 수단(22)으로부터 전력을 공급받는 제2분압기(R1, R2)와, 상기 각 접합부(20,28)로부터 제공되는 두 개의 입력을 갖는 차동 증폭기(32)를 구비하며, 상기 차동 증폭기(32)의 출력은 카사로미터 소자(10)에 접속되어 공급된 전력량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제9항에 있어서, 증폭기(32) 출력에서 측정된 전압에 의해 시험 가스의 열 전도율을 표시하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제8항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 카사로미터 소자(10)는 전원으로의 접속을 위한 전기 리드선(44a,44b)을 가지며, 상기 리드선으로부터의 열 누설은 상기 시험 가스의 열 전도율에 있어서 동일한 변화의 효과를 가져오며, 상기 리드선은 각각의 등온 방열판(46a,46b)상에 장착되어 누설 열저항을 알정화시키는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
운반체 가스중에 비말동반된 시험 가스의 비율을 구하도록 카사로미터를 동작시키는 방법에 있어서, 제1기간 동안 상기 카사로미터에 운반체 가스와 시험 가스의 혼합물을 이송하여 제1측정을 행하는 단계와, 상기 카사로미터를 상기 운반체 가스로 정화하고 상기 제1측정 후의 제2기간 내에 제2측정을 행하는 단계와, 상기 제1측정치와 제2측정치를 비교하여 결정치를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1기간은 약 10~15분이며, 제2기간은 10~30초인 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 소자에 전력을 공급하기 위한 전기 리드선(44a,44b)이 전원에 접속되어 있고, 상기 리드선으로부터의 열 누설이 카사로미터의 측정 감도에 영향을 미치는 카사로미터 소자(10)를 구비한 카사로미터를 동작시키는 것이고, 상기 리드선을 상기 각각의 등온 방열판(46a,46b)상에 장착하여 누설 열저항을 안정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제14항에 있어서, 상기 등온 방열판(46a,46b)은 금속판인 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
가스의 열 전도율 K_m을 얻기 위해 온도/저항 특성을 갖고 상기 가스의 냉각 영향을 받는 카사로미터 소자(10)를 채용한 카사로미터를 동작시키는 방법에 있어서, 상기 카사로미터 소자(10)를 소정의 온도로 유지하는데 필요한 전력을 측정하여 다음 식에 의해 K_m값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법 :

상기 식에서, G는 카사로미터 셀의 형상 상수, T_t는 카사로미터 소자(10)의 온도이며, T_b는 카사로미터 본체의 온도이며, K_L은 카사로미터 소자(10)의 전기 리드선(44a,44b)에 의한 열 누설에 대응하는 등가의 가스 열 전도율이며, K_i은 카사로미터 소자(10)의 열 전도 저항에 대응하는 등가의 가스 열 전도율이며, K_m은 측정될 가스의 열 전도율이다.
제16항에 있어서, T_b값은 독립적인 측정으로 획득되며, K_m값은 단일의 측정으로 획득되는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 T_b값을 상수화시키기 위해 2번의 측정이 밀접한 시간에 행해지며, K_m값을 구할 때 변수 T_b대신에 상기 2번의 측정치를 사용하는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제16항에 있어서, 상기 카사로미터 소자(10)는 전력을 공급받기 위해 전원에 접속되는 전기 리드선(44a,44b)을 가지며, 상기 리드선으로부터의 열 누설은 상기 시험 가스의 열 전도율에 있어서 동일한 변화의 효과를 가져오며, 상기 리드선은 각각의 등온 방열판(46a,46b)상에 장착되어 누설 열저항을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
제19항에 있어서, 상기 등온 방열판(46a,46b)은 금속판인 것을 특징으로 하는 카사로미터 동작 방법.
소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 서미스터 소자(10)를 가열시키기 위해 전원으로부터 상기 서미스터 소자(10)에 전력을 공급하는 단계와, 카사로미터 봉합체(12)내에서 열 전도율이 측정될 시험 가스를 서미스터 소자(10)로 이송하여 상기 소정의 온도값으로부터 상기 서미스터 소자(10)의 온도를 변경시키고 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변형시키는 단계와, 상기 서미스터 소자(10)의 저항 변경에 응답하여 상기 서미스터 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 복원시키고 상기 저항을 상기 대응 저항값으로 복원시키기 위해 상기 소자에 공급되는 전력량을 변경시키는 단계와, 상기 소정의 온도값으로 복원된 서미스터 소자의 온도에서 상기 시험 가스의 존재하에 상기 서미스터 소자(10)에 공급된 전력량을 측정하여 가스 열 전도율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제21항에 있어서, 상기 서미스터 소자(10)는 저항기(18)와 직렬로 접속되어, 각 제1접합부(20)를 갖는 제1분압기를 제공하고, 상기 제1접합부(20)에서의 전위(V₁)는 전원으로부터 전력을 공급받는 제2분압기(R₁,R₂)의 접합부에서의 전위(V₂)와 비교되고, 상기 비교의 결과는 서미스터 소자(10)에 공급되는 전력을 변경시키기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2접합부(20,28)의 전위는 차동 증폭기(32)에 의해서 비교되며, 상기 증폭기의 출력은 서미스터 소자(10)로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제23항에 있어서, 상기 차동 증폭기(32)의 출력 전압(V0)은 가스의 열 전도율을 결정하기 위해 측정되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제21항에 있어서, 상기 열 전도율이 측정될 시험 가스는 운반체 가스에 의해 비말동반됨으로써 용융 금속으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제25항에 있어서, 상기 열 전도율이 측정될 가스는 수소이며, 상기 용융 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정방법.
제21항 내지 제26항중 어느 한 항에 있어서, 제1기간 동안 카사로미터 봉합체(12)를 통하여 비말동반된 시험 가스를 함유한 운반체 가스의 가스 혼합물을 통과시킨 후에 제1측정을 행하는 단계와, 상기 카사로미터를 상기 운반체 가스로 정화하여 상기 가스 혼합물을 제거하고, 상기 제1측정후의 단기간 내에 제2측정을 행하는 단계와, 상기 제1측정치와 제2측정치를 비교하여 결정치를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제21항에 있어서, 상기 카사로미터 전기회로의 저항기(18)는 회로의 기준점에 서미스터 소자(10)와 함께 직렬로 접속되고, 상기 저항기(18)와 서미스터 소자(10)는 동일 전원으로부터 전류를 공급받아 그들 양단에서 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키고, 상기 전압들중 하나의 전압은 상기 기준점에서 측정 가능하고, 상기 저항기(18)와 서미스터 소자(10)중 상기 기준점에 직접 접속되지 않은 적어도 다른 하나에 걸리는 전압은 상기 기준점에 접속된 다른 회로 소자(10)로 전달되고, 상기 기준점을 공통으로 갖는 전압이 비교되고, 그 비교 결과에 따라 상기 저항기(18) 및 서미스터 소자(10)에 공급되는 전류가 제어되어 그들 저항이 소정의 비율로 유지되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제28항에 있어서, 상기 저항기(18) 또는 서미스터 소자(10)에 걸리는 전압은 전달 커패시터(70a 또는 70b)에 첫번째로 전달되고, 이후에 기준점에 접속된 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 전달되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제28항에 있어서, 상기 저항기(18) 및 서미스터 소자(10)에 걸리는 양 전압은 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)에 첫번째로 전달되고, 이후에 기준점에 접속된 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 전달되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
제30항에 있어서, 상기 직렬로 접속된 저항기(18) 및 서미스터 소자(10)에 공급된 전류는 두 개의 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 걸리는 전압을 입력으로 갖는 차동 증폭기(32)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 방법.
그 내부에 입구 및 출구를 가진 봉합체(12)를 제공하는 카사로미터 본체를 구비하고 가스의 열 전도율을 측정하는 장치에 있어서, 봉합체(12)내에 장착되고 온도 및 저항 특성을 가진 서미스터 카사로미터 소자(10)와, 소정의 온도값과 그 대응 저항값을 갖도록 서미스터 소자를 가열시키기 위해 서미스터 소자(10)에 전력을 공급하는 전원 수단(22)과, 열 전도율이 측정될 가스를 봉합체(12)의 내부에 제공하여 상기 소정의 온도값으로부터 서미스터 소자(10)의 온도를 변경시키고, 상기 대응 저항값으로부터 상기 소자의 저항을 변경시키는 수단과, 상기 서미스터 소자(10)의 저항 변경에 응답하여 상기 소자의 온도를 상기 소정의 온도값으로 유지시키고 상기 저항을 대응 저항값으로 유지시키기 위해 서미스터 소자(10)에 공급되는 전력량을 변경시키는 제어 수단(90)과, 가스의 열 전도율을 나타내는 측정치를 제공하기 위해 시험 가스 존재하에 서미스터 소자(10)를 상기 소정의 온도값으로 유지하는데 필요한 전력량을 측정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제32항에 있어서, 상기 제어 수단(90)은, 카사로미터 소자(10)와 직렬 접속되어 제1접합부(20)를 갖는 제1분압기를 구성하는 저항기(18)와, 제2접합부(28)를 가지며 상기 전원 수단(22)으로부터 전력을 공급받는 제2분압기(R₁,R₂)와, 상기 각 접합부(20,28)로부터 제공되는 두 개의 입력을 갖는 차동 증폭기(32)를 구비하며, 상기 차동 증폭기(32)의 출력은 서미스터 소자(10)에 접속되어 소자(10)에 공급되는 전력량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정장치.
제33항에 있어서, 상기 증폭기(32)의 출력에서 측정된 전압은 가스의 열 전도율을 표시하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정장치.
제32항 내지 제34항중 어느 한 항에 있어서, 상기 서미스터 소자(10)는 전력을 공급받기 위해 전원에 접속되는 전기 리드선(44a,44b)을 가지며, 상기 전기 리드선으로부터의 열 누설은 시험 가스의 열 전도율에 있어서 동일한 효과를 가져오며, 상기 전기 리드선은 각각의 등온 방열판(46a,46b)상에 장착되어 누설 열저항을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제32항에 있어서, 상기 제어 수단(90)은, 서미스터 소자(10)와 직렬로 접속된 저항과, 상기 직렬로 접속된 서미스터 소자(10)와 저항에 전력을 공급하여 그들 양단에서 그들 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키는 수단과, 상기 전압들중 적어도 하나를 다른 전압과의 회로 공통 기준점에 제1전달 전압으로서 전달하는 수단(64a,64b)과, 공통 기준점을 가진 두 개의 전압을 비교하여 그 비교 결과에 따라 직렬로 접속된 서미스터 소자(10)와 저항으로의 전력 공급을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제36항에 있어서, 상기 제어 수단(90)은 상기 두 개의 전압중 다른 전압을 상기 공통 기준점에 제2전달 전압으로서 전달하는 수단을 포함하며, 상기 비교 수단은 상기 제1 및 제2전달 전압을 비교하여 그 비교에 따라 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제36항 또는 제37항에 있어서, 상기 저항 또는 서미스터 소자(10)용 전달 수단은, 커패시터(70a 또는 70b)와, 상기 공통 기준점에 접속된 홀딩 커패시터(58 또는 60)와, 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 주기적으로 상기 저항 또는 서미스터 소자(10)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키고, 이후에 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키는 스위치 수단(64a, 64b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제36항에 있어서, 상기 전달 수단은 저항 및 서미스터 소자(10)용으로서, 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)와, 공통 기준점에 접속된 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)와, 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 주기적으로 저항 및 서미스터 소자(10)에 각각 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키고, 이후에 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키는 스위치 수단(64a,64b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
제39항에 있어서, 상기 비교 수단은 두 개의 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 걸리는 양 전압을 입력으로 하는 차동 증폭기(32)인 것을 특징으로 하는 가스의 열 전도율 측정 장치.
시험 가스의 열 전도율을 측정하기 위해 온도 저항 특성을 갖는 카사로미터 소자(10)를 포함하는 카사로미터 전기 회로를 동작시키는 방법에 있어서, 저항기(18)를 상기 회로의 기준점에 상기 카사로미터 소자(10)와 함께 직렬로 접속하는 단계와, 상기 저항기(18) 및 카사로미터 소자(10)에 동일 전원으로부터 전류를 공급하여 그들 양단에서 그들 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키며 상기 전압들중 하나는 상기 기준점에서 측정 가능한 단계와, 상기 저항기(18)와 카사로미터 소자(10)중 상기 기준점에 직접 접속되지 않은 적어도 다른 하나에 걸리는 전압을 상기 기준점에 접속된 다른 회로 소자(10)에 전달하는 단계와, 상기 기준점을 공통으로 갖는 전압을 비교하고, 상기 비교에 따라 상기 저항기(18) 및 카사로미터 소자(10)에 공급되는 전류를 상기 회로에 의해 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카사로미터 전기 회로 동작 방법.
제41항에 있어서, 상기 저항기(18) 또는 카사로미터 소자(10)에 걸리는 전압은 첫번째로 전달 커패시터(70a 또는 70b)에 전달되며, 이후에 기준점에 접속된 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 전달되는 것을 특징으로 하는 카사로미터 전기 회로 동작 방법.
제41항에 있어서, 상기 저항기(18) 및 상기 카사로미터 소자(10)에 걸리는 각 전압은 첫번째로 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)에 전달되며, 이후에 기준점에 접속된 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 전달되는 것을 특징으로 하는 카사로미터 전기 회로 동작 방법.
제42항에 있어서, 상기 직렬로 접속된 저항기(18)와 카사로미터 소자(10)에 공급된 전류는 두 개의 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 걸리는 전압을 입력으로 갖는 차동 증폭기(32)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 카사로미터 전기 회로 동작 방법.
제41항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카사로미터 소자(10)는 서미스터인 것을 특징으로 하는 카시로미터 전기 회로 동작 방법.
온도 및 저항 특성을 갖는 카사로미터 소자(10)와, 상기 카사로미터 소자에 전력을 공급하는 전원 수단(22)을 사용한 카사로미터를 구비하고 시험 가스의 열 전도율을 측정하는 장치에 있어서, 상기 카사로미터 소자(10)와 직렬로 접속된 저항을 구비하고, 상기 전원 수단(22)은 직렬로 접속된 카사로미터 소자와 저항에 전력을 공급하여 그들 양단에서 그들 각각의 저항에 대응하는 전압을 발생시키며, 상기 전압들중 적어도 하나를 다른 전압과의 회로의 공통 기준점에 제1전달 전압으로서 전달하기 위해 제공된 제어 수단(90)과, 상기 공통 기준점을 가진 두 개의 전압을 비교하고 그 비교 결과에 따라 직렬로 접속된 카사로미터 소자와 저항에 대한 전력 공급을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제46항에 있어서, 상기 제어 수단(90)은 상기 두 개의 전압중 다른 전압을 상기 공통 기준점에 제2전달 전압으로서 전달하는 수단을 포함하며, 상기 비교 수단은 상기 제1 및 제2전달 전압을 비교하여 그 비교 결과에 따라 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제46항에 있어서, 상기 전달 수단은 저항 또는 카사로미터 소자(10)용으로서, 전달 커패시터(70a 또는 70b)와, 공통 기준점에 접속된 홀딩 커패시터(58 또는 60)와, 전달 커패시터 (70a 또는 70b)를 주기적으로 저항 또는 서미스터 소자(10)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키고, 이후에 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키는 스위치 수단(64a,64b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제46항에 있어서, 상기 전달 수단은, 저항 및 카사로미터 소자(10)용으로서, 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)와, 공통 기준점에 접속된 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)와, 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 주기적으로 저항 및 서미스터 소자(10)에 각각 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키고, 이후에 각 전달 커패시터(70a 또는 70b)를 각 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 병렬로 접속하여 충전 또는 방전시키는 스위치 수단(64a,64b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.
제49항에 있어서, 상기 비교 수단은 입력으로서 상기 두 개의 홀딩 커패시터(58 또는 60)에 걸리는 전압을 갖는 차동 증폭기(32)인 것을 특징으로 하는 시험 가스의 열 전도율 측정 장치.