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KR100943874B1 - 초음파에 의해 기체의 농도 및 유량을 측정하는 장치 및방법 - Google Patents

초음파에 의해 기체의 농도 및 유량을 측정하는 장치 및방법 Download PDF

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KR100943874B1
KR100943874B1 KR1020027012306A KR20027012306A KR100943874B1 KR 100943874 B1 KR100943874 B1 KR 100943874B1 KR 1020027012306 A KR1020027012306 A KR 1020027012306A KR 20027012306 A KR20027012306 A KR 20027012306A KR 100943874 B1 KR100943874 B1 KR 100943874B1
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후지모또나오또시
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데이진 가부시키가이샤
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Abstract

농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로 (102) 와, 상기 관로내에 고정된 초음파 송수신자 (118) 와, 상기 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 반사판 (122) 과, 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 송신모드와, 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기 (124) 를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치 (100) 가, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 관로로 공급하는 교정용 기체원 (114) 과, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서 (116, 120) 와, 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 시간을 연산하는 전파시간 연산수단 (126) 과, 상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 초음파 송수신자와 상기 반사판 사이의 기준거리를 교정하는 교정수단 (126) 을 구비한다.
초음파식 기체농도 측정장치, 초음파 송수신자, 연산수단, 교정용 기체

Description

초음파에 의해 기체의 농도 및 유량을 측정하는 장치 및 방법{EQUIPMENT AND METHOD FOR MEASURING CONCENTRATION AND FLOW RATE OF GAS ULTRASONICALLY}
본 발명은 예컨대 의료목적으로 사용되는 산소농축기로부터 송출된 시료기체중의 산소농도 및 이 시료기체의 유량을 초음파에 의해 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
시료기체중을 전파하는 초음파의 전파속도는 시료기체의 농도, 온도의 함수로 표시되는 것이 널리 알려져 있다. 시료기체의 평균분자량을 M, 온도를 T(K) 로 하면 시료기체중의 초음파 전파속도 (C(m/sec)) 는 다음 식 (1) 로 표시된다.
C = (κRT / M)1/2 …(1)
여기에서,
κ: 정적 몰비열과 정압 몰비열의 비
R : 기체상수
이다.
즉, 시료기체중의 초음파 전파속도 (C(m/sec)) 와 시료기체의 온도 (T(K)) 를 측정하면 시료기체의 평균분자량 (M) 을 연산에 의해 구할 수 있다. 예컨대 산소와 질소의 혼합비가 P : (1-P) (0≤P≤1) 의 혼합기체로 이루어지는 시료기체의 평균분자량 (M) 은 산소의 분자량을 MO2, 질소의 분자량을 MN2 로 하면, M = MO2P + MN2(1-P) 가 되므로, 측정된 평균분자량 (M) 으로부터 산소농도 (P) 를 연산에 의해 구할 수 있다. 여기에서, 이 시료기체가 산소와 질소의 혼합기체이면 산소와 질소의 혼합비가 넓은 범위에 걸쳐 대강 κ= 1.4 로 어림잡을 수 있다.
또, 시료기체중의 초음파 전파속도가 C(m/sec), 시료기체의 유속이 V(m/sec) 인 경우, 시료기체의 흐름에 대해 순방향으로 초음파를 송신했을 때에 측정되는 초음파 전파속도 (V1(m/sec)) 는, V1 = C+V, 역방향으로 초음파를 송신했을 때에 측정되는 초음파 전파속도 (V2(m/sec)) 는 V2 = C-V 가 되므로, 시료기체의 유속 (V(m/sec)) 은 이하의 식 (2) 로부터 구할 수 있다.
V = (V1 - V2) / 2 …(2)
이것에 시료기체가 유통하고 있는 관로의 단면적 (㎡) 을 곱함으로써 시료기체의 유량 (㎥/sec) 을 구할 수 있다.
이 원리를 이용하여 시료기체중을 전파하는 초음파의 전파속도 또는 전파시간으로부터 시료기체중의 특정 기체의 농도나, 시료기체의 유량을 측정하는 방법 및 장치가 제안되어 있다. 예컨대, 일본 공개특허공보 평6-213877호에는 시료기체가 지나는 관로중에 2 개의 초음파 트랜스듀서를 대향시켜 배치하고, 이 초음파트랜스듀서 사이를 전파하는 초음파의 전파시간을 계측함으로써 시료기체의 농도 및 유량을 측정하는 장치가 기재되어 있다. 또, 일본 공개특허공보 평7-209265호나 일본 공개특허공보 평8-233718호에는 하나의 초음파 트랜스듀서와, 이 초음파 트랜스듀서에 대향설치된 반사판을 사용한 음파반사방식으로 검사체적내를 전파하는 초음파의 전파속도 또는 전파시간을 측정함으로써 시료기체중의 특정 기체의 농도를 측정하는 장치가 기재되어 있다.
이와 같은 초음파의 전파속도 등을 이용하여 시료기체의 농도나 유량을 측정하는 방법 및 장치에서는, 초음파 트랜스듀서 사이 또는 초음파 트랜스듀서와 반사판 사이의 거리 즉 초음파의 전파거리나 관로 내경이 정확하게 결정되어 있어야 하는데, 초음파의 전파거리나 관로 내경은 시료기체의 온도변화에 따른 관로 치수의 온도변화의 영향을 받는다. 또, 초음파의 전파거리 및 관로 내경은 관로를 작성할 때의 공작정밀도나 장착정밀도, 초음파 트랜스듀서나 반사판의 장착정밀도, 초음파 트랜스듀서 자체의 가공정밀도의 영향을 받는다. 그로 인해, 초음파의 전파거리 및 관로 내경을 정확하게 파악하기가 곤란하여 측정정밀도를 저하시키는 원인이 되고 있다.
전술한 일본 공개특허공보 평6-213877호나 일본 공개특허공보 평8-233718호에는 각종 요인에 기인하는 농도측정결과의 온도특성을 개선하기 위해 온도보정계수를 도입하는 방법이 기재되어 있다. 또, 온도와 초음파 전파속도와 농도의 관계를 테이블로 하여 미리 메모리중에 저장해 두는 방법도 있다. 그러나, 이들 온도보정계수나 테이블 자체를 구하기 위해서는 시료기체를 다른 다수의 온도로 설정하여 장치에 공급하고, 장치의 온도특성을 미리 구하는 방법이 채용되고 있어 장치의 교정에 다대한 노력이 필요해진다.
또, 측정결과의 온도특성을 제거 또는 최소화시키는 방법으로서, 장치 자체를 온도컨트롤하에 놓고 항상 일정온도로 유지하여 측정하는 방법도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 온도컨트롤을 실시하기 위한 장치가 별도 필요로 되며, 추가로 장치 특히 시료기체를 유통시키는 관로의 온도를 정확하게 컨트롤하기가 어렵다는 문제가 있다.
발명의 개시
본 발명은 간편한 방법으로 장치의 교정이 가능하며, 시료기체의 온도에 관계없이 시료기체중의 특정 기체의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 초음파식 농도측정장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또한, 본 발명은 간편한 방법으로 장치의 교정이 가능하며, 시료기체의 온도에 관계없이 시료기체의 유량을 정확하게 측정할 수 있는 초음파식 농도측정장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 초음파 송수신자와, 상기 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 반사판과, 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과, 상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 이 초음파 송수신자가 상기 반사판에 의해 반사된 초음파를 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 시간을 연산하는 전파시간 연산수단과, 상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 초음파 송수신자와 상기 반사판 사이의 기준거리를 교정하는 교정수단을 구비한 초음파식 기체농도 측정장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 초음파 송수신자와, 상기 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 반사판과, 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 의해 측정대상 기체의 농도를 측정하는 방법에서, 상기 측정대상 기체의 농도측정 프로세스의 개시에 앞서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와, 상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와, 상기 초음파 송신자로부터 초음파를 송출하는 단계와, 송수신전환기에 의해 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드로부터 초음파를 수신하는 수신모드로 전환하고, 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 초음파 송수신자가 상기 반사판에 의해 반사된 상기 초음파를 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 시간을 연산하는 단계와, 상기 연산결과로 부터 상기 초음파 송수신자와 상기 반사판 사이의 기준거리를 교정하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파식 기체농도 측정방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내의 직선부분에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내의 직선부분에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과, 상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 전파시간 연산수단과, 상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리를 교정하는 교정수단을 구비한 초음파식 기체농도 측정장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 의해 측정대상 기체의 농도를 측정하는 방법에서, 상기 측정대상 기체의 농도측정 프로세스의 개시에 앞서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와, 상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와, 상기 제 1 초음파 송수신자로부터 초음파를 송출하고, 상기 제 2 초음파 송수신자에 의해 상기 초음파를 수신하는 단계와, 송수신전환기에 의해 상기 제 1 초음파 송수신자의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환함과 동시에, 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 수신모드로부터 송신모드로 전환하는 단계와, 상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 단계와, 상기 연산결과로부터 상기 제 1 초음파 송수신자와 상기 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리를 교정하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파식 기체농도 측정방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체유량 측정장치에서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과, 상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 전파시간 연산수단과, 상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리 및 관로 내경을 교정하는 교정수단을 구비한 초음파식 기체유량측정장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 의해 측정대상 기체의 유량을 측정하는 방법에서, 상기 측정대상 기체의 유량측정 프로세스의 개시에 앞서, 성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와, 상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와, 상기 제 1 초음파 송수신자로부터 초음파를 송출하고, 상기 제 2 초음파 송수신자에 의해 상기 초음파를 수신하는 단계와, 송수신전환기에 의해 상기 제 1 초음파 송수신자의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환함과 동시에, 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 수신모드로부터 송신모드로 전환하는 단계와, 상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 단계와, 상기 연산결과로부터 상기 제 1 초음파 송수신자와 상기 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리 및 관로 내경을 교정하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파식 기체유량 측정방법이 제공된다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 장치의 개략 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 장치의 개략 블록도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 양태
이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 이하에 설명하는 실시 형태에서는 산소와 질소의 혼합기체로 이루어지는 시료기체중의 산소농도를 측정하는 경우를 일례로서 나타내지만, 본 발명에 의해 측정할 수 있는 시료기체는 산소와 질소로 이루어지는 시료기체에만 한정되는 것은 아니며, 다른 기체를 함유하는 혼합기체에 대해서도 적용가능하다.
도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 초음파식 기체농도 측정장치 (100) 의 개략도를 나타낸다. 장치 (100) 는 시료기체 또는 교정용 기체를 유통시키는 관로 (102) 를 구비하고 있고, 관로 (102) 는 직선부분 (108) 과 이 직선부분의 양 단부에 연결된 수직부분 (104, 106) 을 갖고 있다. 직선부분 (108) 내부의 일방의 단부에는 초음파 송수신자로서 초음파 트랜스듀서 (118) 가 고정되어 있고, 동 직선부분 (108) 내부의 타방의 단부에는 반사판 (122) 이 초음파 트랜스듀서 (118) 에 대향되도록 고정되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 초음파 트랜스듀서 (118) 와 반사판 (122) 사이의 거리를 검사거리로 정의한다.
초음파 트랜스듀서 (118) 에는 송수신전환기 (124) 가 접속되어 있고, 송수신전환기 (124) 는 초음파 트랜스듀서 (118) 의 동작모드를 초음파 트랜스듀서 (118) 가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파 트랜스듀서 (118) 가 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환한다. 송수신전환기 (124) 는 마이크로컴퓨터 (126) 에 접속되어 있고, 송수신전환기 (124) 의 전환동작은 마이크로컴퓨터 (126) 에 의해 제어된다.
관로 (102) 내를 유통하는 기체의 흐름방향의 상류측 수직부분 (104) 은 입구포트 (104a) 를 갖고 있고, 이 입구포트 (104a) 에는 공급관로 (110) 를 통하여 시료기체원 (112) 과, 교정용 기체원 (114) 이 접속되어 있다. 시료기체원 (112) 에는 농도를 측정하기 위해 기체를 함유한 혼합기체, 즉 시료기체를 저장하는 용기 (도시생략) 나, 이 용기와 공급관로 (110) 사이에 설치되는 감압밸브 등을 포함하고 있다.
교정용 기체원 (114) 은 성분 및 구성비가 미리 정확하게 알려져 있는 교정용 기체, 예컨대 20% 의 산소와 80% 의 질소를 함유하는 혼합기체를 저장한 용기 (도시생략), 이 용기와 공급관로 (110) 사이에 형성된 감압밸브 (도시생략) 등을 포함할 수 있다. 교정용 기체원 (114) 은 또 장치 (100), 특히 관로 (102) 의 온도를 변경하는 수단으로 온도조절장치 (113) 를 구비할 수 있다. 도 1 의 예에서는 온도조절장치 (113) 는 전열선 (113a) 과 전열선 (113a) 에 전력을 공급하는 전원장치 (113b) 를 포함하고 있다.
관로 (102) 내를 유통하는 기체의 흐름방향의 하류측 수직부분 (106) 은 출구포트 (106a) 를 갖고 있고, 농도측정 또는 교정에 사용된 시료기체 또는 교정용 기체는 출구포트 (106a) 로부터 외기로 배기된다. 이들 기체가 외기로 직접 배기되는 데에 적합하지 않은 경우에는 출구포트 (106a) 의 하류에 기체처리장치 (도시생략) 를 적당하게 설치할 수 있다.
관로 (102) 내를 유통하는 시료기체 또는 교정용 기체의 온도를 측정하기 위한 온도센서 (116, 120) 가 직선부분 (108) 내의 흐름을 어지럽히지 않도록, 바람직하게는 수직부분 (104, 106) 에 설치되어 있다. 온도센서 (116, 120) 는 마이크로컴퓨터 (126) 에 접속되어 있다. 또한, 시료기체의 온도변화가 크지 않 은 경우에는 온도센서 (116, 120) 는 어느 한쪽이어도 된다.
또, 마이크로컴퓨터 (126) 에는 초음파 트랜스듀서 (118) 를 구동시키기 위한 드라이버 (128), 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터의 신호를 A/D 변환하는 리시버 (130), 장치 (100) 의 동작상태나 측정결과 등을 표시하는 표시장치 (134), 마이크로컴퓨터 (126) 의 오퍼레이션시스템이나 다양한 파라미터 등을 저장하기 위한 비휘발성 메모리장치나 디스크장치로 이루어지는 메모리 (132) 가 접속되어 있다.
이하, 제 1 실시형태의 작용을 설명한다.
우선, 시료기체중의 특정 기체의 농도측정을 위한 통상적인 측정 프로세스를 개시하기 전에, 이하에 설명하는 순서에 따라 초음파 송수신자 (118) 와 반사판 (122) 사이의 검사거리를 교정하여 기준거리 (L0) 를 미리 구한다.
교정용 기체원 (114) 에서 성분 및 구성비가 이미 알려진 교정용 기체로서 예컨대, 산소와 질소의 혼합비가 P : (1-P) (0≤P≤1) 인 혼합기체가 관로 (102) 에 공급된다. 이 때, 2 개의 온도센서 (116, 120) 에 의해 측정된 교정용 기체의 온도의 평균값을 기준온도 (T0(K)) 로서 메모리 (132) 에 저장한다. 기준온도 (T0(K)) 는 장치의 사용온도범위를 일탈하지 않으면 몇 도 (K) 여도 된다.
교정용 기체를 공급하고 있는 동안 마이크로컴퓨터 (126) 로부터 초음파생성용 펄스가 드라이버 (128) 에 송출되고, 드라이버 (128) 로부터 송수신전환기 (124) 를 통하여 초음파 트랜스듀서 (118) 에 펄스전압이 인가된다. 초음파 트랜스듀서 (118) 는 이 펄스전압에 대응한 초음파를 송출한다. 초음파 트랜스듀 서 (118) 로부터 송출된 초음파는, 관로 (102) 의 직선부분 (108) 내를 유통하는 시료기체중을 전파하여 반사판 (122) 으로 반사되고, 다시 초음파 트랜스듀서 (118) 로 귀환한다. 이 귀환된 초음파를 초음파 트랜스듀서 (118) 로 수신할 수 있도록 송수신전환기 (124) 는 초음파 트랜스듀서 (118) 에 펄스전압을 인가한 직후에, 이 초음파 트랜스듀서 (118) 의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환한다. 초음파 트랜스듀서 (118) 는 수신한 초음파에 대응한 전기신호를 송수신전환기 (124), 리시버 (130) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (126) 에 송출한다. 마이크로컴퓨터 (126) 는 최초로 송신펄스를 제 1 트랜스듀서 (118) 로 송출한 시각과, 이어서 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터의 전기신호를 수신한 시각으로부터, 전파시간 (t0(sec)) 을 연산한다.
여기에서, 온도 (T0(K)) 에서의 이 교정용 기체중의 초음파 전파속도 (CO(m/sec)) 는 전술한 식 (1) 내지 이하의 식 (3) 에 의해 표시된다.
CO = ((κRT0) / (M02P + MN2(1-P)))1/2 …(3)
한편,
C0 = 2L0 / t0 …(4)
이므로,
L0 = ((κRT0) / (M02P + MN2(1-P)))1/2 ×t0 /2 …(5)
가 얻어진다.
또한, 제 1 실시형태에서는 정지한 교정용 기체 또는 시료기체중의 초음파 전파속도가 C(m/sec) 이면 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터 반사판 (122) 을 향하는 방향으로의 시료기체의 유속이 V(m/sec) 일 때, 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터 반사판 (122) 을 향하는 초음파 전파속도는 C+V 가 되고, 반사판 (122) 으로 반사된 초음파가 초음파 트랜스듀서 (118) 로 복귀하는 방향으로의 초음파 전파속도는 C-V 가 된다. 이와 같이 제 1 실시형태에 의한 장치 (100) 로 측정되는 초음파의 전파속도는 왕복하는 초음파의 평균속도가 되므로, 시료기체의 유속 (V) 은 소거되어 정지한 시료기체중에서의 초음파 전파속도 (C) 가 측정되게 된다.
이들 연산은 마이크로컴퓨터 (126) 에서 실시된다. 이렇게 연산된 기준온도 (T0) 에서의 검사거리 (L0(m)) 는 기준거리로서 메모리 (132) 에 저장된다.
이상의 방법에 의해, 이미 알려진 성분 및 구성비의 교정용 기체를 장치 (100) 에 공급하여 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터 송출된 초음파의 전파시간 (t0(sec)) 을 측정함으로써, 온도 (T0(K)) 에서의 초음파 트랜스듀서 (118) 와 반사판 (122) 사이의 기준거리 (L0(m)) 가 교정된다. 이 방법은 간단한 조작, 예컨대 장치 (100) 에 교정용 기체를 공급하는 동안에, 장치 (100) 에 형성되는 버튼 (도시생략) 을 1 회 누르는 것만으로 마이크로컴퓨터 (126) 에 의해 자동적으로 교정처리를 완료시킬 수 있다. 또, 연산 자체도 간편하므로 순식간에 처리를 완료시킬 수 있다. 또, 장치 (100) 의 시간이 경과함에 따른 변화 등에 의해 초 음파 트랜스듀서 (118) 와 반사판 (122) 의 위치관계가 변하게 되어 초음파의 전파거리가 변화하게 된 경우 등에서도, 간편하게 장치를 다시 교정하여 메모리 (132) 에 저장되어 있는 기준온도 및 기준거리를 갱신할 수 있다.
이어서, 아직 알려지지 않은 농도의 산소와 질소를 함유한 시료기체 중의 산소농도를 측정하는 방법을 설명한다.
우선, 관로 (102) 재료의 선팽창계수 (α(1/K)) 가 이미 알려진 경우에 대해 설명한다.
시료기체 측정시의 온도 (TS(K)) 에서의 검사거리 (LS(m)) 는 메모리 (132) 에 저장해 둔 기준거리 (L0(m)) 와, 기준온도 (T0(K)) 를 판독하고, 다음 식 (6) 에 기초하여 기준거리 (L0) 를 보정함으로써 구할 수 있다. 여기에서 측정온도 (TS(K)) 는 2 개의 온도센서 (116, 120) 에 의한 측정값의 평균값으로 할 수 있다.
LS = L0(1 + α(TS-T0)) …(6)
장치 (100) 의 검사거리를 교정하는 것과 마찬가지로, 시료기체를 장치 (100) 에 공급하는 동안, 우선 초음파 트랜스듀서 (118) 가 송신모드로 설정된다. 그 후, 마이크로컴퓨터 (126) 로부터 초음파의 송신펄스가 드라이버 (128) 로 송출되고, 송수신전환기 (124) 를 통하여 초음파 트랜스듀서 (118) 에 펄스전압이 인가된다. 이로써, 마이크로컴퓨터 (126) 로부터의 송신펄스에 대응한 초음파가 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터 송출된다. 그 직후에 초음파 트랜스듀서 (118) 는 송수신전환기 (124) 에 의해 수신모드로 작용하고, 수신된 초음파에 대응한 전기신호를 송수신전환기 (124), 리시버 (130) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (126) 로 송출한다. 마이크로컴퓨터 (126) 는 최초로 송신펄스를 드라이버 (128) 에 송출한 시각과, 초음파 트랜스듀서 (118) 로부터의 전기신호를 수신한 시각으로부터 전파시간 (tS(sec)) 을 연산한다. 이 때, 시료기체중의 초음파 전파속도 (CS(m/sec)) 는 이하의 식 (7) 에 의해 구할 수 있다.
CS = 2LS / tS …(7)
또, 산소농도 (PS) 는 식 (3) 내지 다음 식 (8) 에 의해 구해진다.
PS = (κRTS/CS 2 - MN2) / (M02 - M N2) …(8)
또한, 시료기체의 산소농도는 시료기체중의 초음파 전파속도와, 산소 100%, 질소 100% 의 기체중의 초음파 전파속도의 비로 구할 수도 있다. 즉, 식 (1) 을 사용하면 온도 (TS(K)) 에서의 산소 100% 중의 초음파 전파속도 (C02(m/sec)), 질소 100% 중의 초음파 전파속도 (CN2(m/sec)) 는 용이하게 구할 수 있고, 시료기체중의 초음파 전파속도 (Cs(m/sec)) 를 사용하여 이하 식 (9) 에 의해서도 Ps 를 연산할 수 있다.
PS = (1/CS 2 - 1/CN2 2) / (1/C02 2 - 1/CN2 2) …(9)
이러한 연산은 마이크로컴퓨터 (126) 에서 실시되고, 농도측정결과는 표시장 치 (134) 에 표시된다.
이어서, 관로 (102) 의 정확한 선팽창계수 (α(1/K)) 가 아직 알려지지 않은 경우에 대해 설명한다. 이러한 경우에는 본 장치 (100) 를 사용하여 선팽창계수 (α) 를 정확하게 구할 수 있다.
온도조절장치 (113) 에 의해 교정용 기체를 제 1 온도 (T1(K)) 로 설정하여 장치 (100) 에 공급하고, 상기 서술한 기준거리의 교정방법과 동일한 방법에 의해 초음파 송수신자 (118) 와 반사판 (122) 사이의 검사거리 (L1(m)) 를 측정한다. 또한, 교정용 기체를 온도 (T2(K)) (T2≠T1) 로 설정하여 동일하게 검사거리 (L2(m)) 를 측정한다. 이 경우, 정밀도있게 선팽창계수 (α) 를 특정하기 위해서는 T1, T2 의 온도차는 클수록 좋다. 예컨대, 장치의 사용온도범위로 설정하고 있는 온도의 최소값, 최대값 근방에서 측정하는 것이 바람직하다.
T1, L1, T2, L2 가 구해지면, 관로 (102) 재료의 선팽창계수 (α(1/K)) 는 다음 식 (10) 에 의해 구할 수 있다.
α= (L1 - L2) / L1(T1 - T2) …(10)
상기 연산은 마이크로컴퓨터 (126) 에서 실시되고, 여기에서 구한 선팽창계수 (α(1/K)) 는 메모리 (132) 에 저장된다.
상기 방법에 의해 1 종류의 교정용 기체를 다른 2 개의 온도에서 장치 (100) 에 공급함으로써 관로 (102) 재료의 선팽창계수 (α) 를 정확하게 구할 수 있다. 이 방법은 간단한 측정과 연산만으로 실현할 수 있는 것으로, 관로 (102) 재료의 시간이 경과함에 따른 변화 등에 의해 관로 (102) 재료의 선팽창계수가 변화하게 된 경우에도 간단하게 정확한 선팽창계수를 다시 측정하여 메모리 (132) 에 저장되는 선팽창계수를 갱신할 수 있다.
상기 서술한 설명에서는, 장치 (100) 특히 관로 (102) 의 온도를 변경하는 수단으로 온도조절장치 (113) 에 의해 관로 (102) 로 공급하는 교정용 기체의 온도를 조절하는 예를 설명하였다. 그러나, 이 구성은 관로 (102) 를 유통하는 교정용 기체의 온도와 관로 (102) 의 온도 사이에는 일정한 상관관계가 있는 것을 전제로, 교정용 기체의 온도를 변경하는 것을 통하여 장치, 특히 관로 (102) 의 온도를 변경하기 위한 수단의 일례로서 나타내고 있고 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예컨대 장치 (100) 의 제조단계에서 장치 (100) 를 항온실내에 배치하고, 장치 전체 및 장치 (100) 에 공급하는 기체의 온도를 소정 온도로 설정하여 선팽창계수 (α) 를 구하도록 해도 된다.
이어서, 도 2 를 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 제 2 실시형태는 제 1 실시형태에서의 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 가 제 1 초음파 송수신자로서의 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 에 대향설치된 제 2 초음파 송수신자로서의 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 에 의해 치환되어 있는 점을 제외하고 제 1 실시형태와 대략 동일하게 구성되어 있다.
제 2 실시형태에 의한 초음파식 기체농도유량 측정장치 (200) 는 시료기체 또는 교정용 기체를 유통시키는 관로 (202) 를 구비하고 있고, 관로 (202) 는 직선부분 (208) 과 이 직선부분의 양 단부에 연결된 수직부분 (204, 206) 을 갖고 있다. 직선부분 (208) 은 본 실시형태에서는 특히 길이방향으로 내경이 변화하지 않는 단면 원형의 관부재로 이루어지고, 그 내부의 상류측 단부에는 제 1 초음파 송수신자로서 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 가 고정되어 있고, 동 직선부분 (208) 내부의 하류측 단부에는 제 2 초음파 송수신자로서 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 가 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 에 대향되도록 고정되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 와 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 사이의 거리를 검사거리로 정의한다.
제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 는 송수신전환기 (224) 에 접속되어 있고, 송수신전환기 (224) 는 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 의 동작모드를 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 가 초음파를 송출하는 송신모드와, 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 가 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 각각 독립적으로 전환한다. 송수신전환기 (224) 는 마이크로컴퓨터 (226) 에 접속되어 있고, 송수신전환기 (224) 의 전환동작은 마이크로컴퓨터 (226) 에 의해 제어된다.
관로 (202) 의 상류측 수직부분 (204) 은 입구포트 (204a) 를 갖고 있고, 이 입구포트 (204a) 에는 공급관로 (210) 를 통하여 시료기체원 (212) 과, 교정용 기체원 (214) 이 접속되어 있다. 시료기체원 (212) 에는 농도를 측정해야 하는 기체를 함유한 혼합기체, 즉 시료기체를 저장하는 용기 (도시생략) 나, 이 용기와 공급관로 (210) 사이에 설치되는 감압밸브 (도시생략) 및 이 교정용 기체원 (214) 으로부터 유출되는 교정용 기체의 유량을 조절하는 유량조절밸브 (도시생략) 등을 포함하고 있다.
교정용 기체원 (214) 은 성분 및 구성비를 정확하게 알고 있는 교정용 기체를 저장한 용기 (도시생략), 이 용기와 공급관로 (210) 사이에 형성된 감압밸브 (도시생략) 등을 포함할 수 있다. 교정용 기체원 (214) 은 또 장치 (200), 특히 관로 (202) 의 온도를 변경하는 수단으로서 온도조절장치 (213) 를 구비할 수 있다. 도 2 의 예에서는 온도조절장치 (213) 는 전열선 (213a) 과 전열선 (213a) 에 전력을 공급하는 전원장치 (213b) 를 포함하고 있다.
관로 (202) 의 하류측 수직부분 (206) 은 출구포트 (206a) 를 갖고 있고, 농도측정 또는 교정에 사용된 시료기체 또는 교정용 기체는 출구포트 (206a) 로부터 외기로 배기된다. 이들 기체가 외기로 직접 배기되는 데에 적합하지 않은 경우에는 출구포트 (206a) 의 하류에 기체처리장치 (도시생략) 를 적당하게 설치할 수 있는 것은 제 1 실시형태와 동일하다.
관로 (202) 내를 유통하는 시료기체 또는 교정용 기체의 온도를 측정하기 위한 온도센서 (216, 220) 가 직선부분 (208) 내의 흐름을 어지럽히지 않도록, 바람직하게는 수직부분 (204, 206) 에 설치되어 있다. 온도센서 (216, 220) 는 마이크로컴퓨터 (226) 에 접속되어 있다. 또한, 시료기체의 온도변화가 크지 않은 경우에는 온도센서 (216, 220) 는 어느 한쪽이어도 된다.
또, 마이크로컴퓨터 (226) 에는 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 를 구동시키기 위한 드라이버 (228), 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 로부터의 신호를 A/D 변환 하는 리시버 (230), 장치 (200) 의 동작상태나 측정결과 등을 표시하는 표시장치 (234), 마이크로컴퓨터 (226) 의 오퍼레이션시스템이나 다양한 파라미터 등을 저장하기 위한 비휘발성 메모리장치나 디스크장치로 이루어지는 메모리 (232) 가 접속되어 있다.
이하, 제 2 실시형태의 작용을 설명한다.
우선, 시료기체중의 특정 기체의 농도측정을 위한 통상적인 측정 프로세스를 개시하기 전에, 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 사이의 검사거리 및 관로 (202) 의 직선부분 (208) 의 내경 (D) 을 교정하여 기준거리 (L0) 및 기준직경 (D0) 을 미리 구한다.
본 실시형태에서는 특히 교정용 기체원 (214) 의 상기 유량조정밸브에 의해 소정 유량 (Q0) 으로, 제 1 실시형태와 동일한 교정용 기체가 교정용 기체원 (214) 로부터 관로 (202) 로 공급된다. 이 때, 2 개의 온도센서 (216, 220) 에 의해 측정된 교정용 기체의 온도의 평균값이 기준온도 (T0(K)) 로서 메모리 (232) 에 저장된다.
교정용 기체를 공급하고 있는 동안, 초음파생성용 펄스가 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 드라이버 (228) 에 송출되고, 송수신전환기 (224) 를 통하여 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 에 펄스전압이 인가된다. 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 는 이 펄스전압에 대응한 초음파를 송출한다. 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 로부터 송출된 초음파는, 관로 (202) 의 직선부분 (208) 내를 유통하는 시료 기체중을 전파하여 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 에 의해 수신된다. 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 는 수신한 초음파에 대응한 전기신호를 송수신전환기 (224), 리시버 (230) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 송출한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 최초로 송신펄스를 드라이버 (228) 에 송출한 시각과, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 로부터의 전기신호를 수신한 시각으로부터, 순방향 전파시간 (t1(sec)) 을 연산한다.
송수신전환기 (224) 는 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 로부터의 전기신호를 수신한 직후에, 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환함과 동시에, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 의 동작모드를 수신모드로부터 송신모드로 전환한다. 그 후, 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 초음파생성용 펄스가 드라이버 (228) 에 송출되고, 송수신전환기 (224) 를 통하여 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 에 펄스전압이 인가된다. 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 는 이 펄스전압에 대응한 초음파를 송출하고, 이 초음파는 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 에 의해 수신된다. 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 는 수신한 초음파에 대응한 전기신호를 송수신전환기 (224), 리시버 (230) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 송출한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 최초로 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 로 송신펄스를 송출한 시각과, 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 로부터의 전기신호를 수신한 시각으로부터, 역방향 전파시간 (t2(sec)) 을 연산한다.
여기에서, t1 과 t2 의 평균값을 구함으로써, 관로 (202) 내의 교정용 기체의 흐름의 영향을 제거할 수 있고, 초음파의 전파시간 (t0) 을 이하의 식 (11) 에 의해 정의한다.
t0 = (t1 + t2) / 2 …(11)
또, 온도 (T0(K)) 의 기체중의 초음파 전파속도 (C0(m/sec)) 는 전술한 식 (3) 에 의해 구할 수 있다.
한편,
C0 = L0 / t0 …(12)
이므로,
L0 = ((κRT0) / (M02P + MN2(1-P)))1/2 ×t0 …(13)
이 얻어진다.
이들 연산은 마이크로컴퓨터 (226) 에서 실시된다. 이렇게 연산된 기준온도 (T0) 에서의 검사거리 (L0(m)) 는 기준거리로서 메모리 (232) 에 저장된다.
또한, 이 기준거리 (L0) 를 이용하여 교정용 기체의 흐름에 대해 순방향 전파속도 (V01(m/sec)) 와, 역방향 전파속도 (V02(m/sec)) 는 각각 V01=L 0/t1, V02=L0/t2 에 의해 표시되므로, 관로 (202) 중을 흐르는 교정용 기체의 유속 (V0(m/sec)) 은 전술한 식 (2) 를 이용하여, 이하의 식 (14) 에 의해 구할 수 있다.
V0 = (V01 - V02) / 2 …(14)
유속 (m/sec) 을 유량 (㎥/sec) 으로 환산할 때는 유속 (V) 에 관로 (202) 의 직선부분 (208) 의 중심축선에 수직인 평면으로 절단했을 때의 직선부분 (208) 의 단면적 (㎡) 을 곱하면 된다. 즉, 기준온도 (T0(K)) 에서의 직선부분 (208) 의 기준내경을 D0(m) 으로 하면 이하의 관계가 성립된다.
V0π(D0/2)2 = Q0 …(15)
즉, 기준온도 (T0(K)) 에서의 기준내경 (D0(m)) 은, 이하의 식 (16) 에 의해 구할 수 있다.
D0 = 2(Q0 / (πV0))1/2 …(16)
상기 연산은 마이크로컴퓨터 (226) 에서 실시되고, 여기에서 구한 기준내경 (Do(m)) 은 메모리 (232) 에 저장된다.
이상의 방법에 의해 이미 알려진 성분, 농도의 교정용 기체를 장치 (200) 에 공급하여 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 로부터, 교정용 기체의 흐름에 대해 순방향 및 역방향 전파시간 (t1, t2) 을 측정함으로써, 온도 (T0(K)) 에서의 제 1 과 제 2 초음파 트랜스듀서 (218, 222) 사이의 기준거리 (L0(m)) 가 교정된다. 특히, 본 실시형태와 같이 교정용 기체를 소정 유량으로 장치 (200) 에 공 급함으로써 기준내경 (Do(m)) 을 동시에 교정할 수 있게 된다.
이어서, 아직 알려지지 않은 농도의 산소와 질소를 함유한 시료기체의 산소농도와 유량을 측정하는 방법에 대해 서술한다.
우선, 관로 (202) 재료의 선팽창계수 (α(1/K)) 가 이미 알려진 경우에 대해 설명한다.
시료기체 측정시의 온도 (Ts(K)) 에서의 검사거리 (Ls(m)) 는 메모리 (232) 에 저장해 둔 기준거리 (Lo(m)) 와, 기준온도 (T0(K)) 를 판독하고, 이미 서술한 식 (6) 에 기초하여 구할 수 있다. 여기에서 (Ts(K)) 는 전술한 바와 같이, 2 개의 온도센서 (216, 220) 에 의해 측정값의 평균값으로 할 수 있다.
장치 (200) 의 검사거리를 교정하는 것과 마찬가지로, 시료기체를 공급하는 동안, 우선 송수신전환기 (224) 에 의해 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 가 송신모드로 설정되고, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 가 수신모드에 설정된다. 그 후, 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 초음파의 송신펄스가 드라이버 (228) 로 송출되고, 송수신전환기 (224) 를 통하여 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 에 펄스전압이 인가된다. 이로써, 마이크로컴퓨터 (226) 로부터 송출된 송신펄스에 대응한 초음파가 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 로부터 송신되고, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 에 의해 수신된다. 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 는 수신된 초음파에 대응한 전기신호를 송수신전환기 (224), 리시버 (230) 를 통하여 마이크로컴퓨터 (226) 에 송출한다. 마이크로컴퓨터 (226) 는 최초로 송신펄스를 드라이버 (228) 에 송출한 시각과, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 로부터의 전기신호를 수신한 시각으로부터 순방향 전파시간 (TS1(sec)) 을 연산한다.
순방향 전파시간 (TS1(sec)) 이 측정된 후, 송수신전환기 (224) 에 의해 제 1 초음파 트랜스듀서 (218) 를 송신모드로부터 수신모드로 전환하고, 제 2 초음파 트랜스듀서 (222) 를 수신모드로부터 송신모드로 전환한다. 이 상태에서 시료기체의 흐름과 역방향으로 초음파의 송신을 실시하고, 순방향 전파시간 (tS1) 의 경우와 동일한 프로세스에 의해 역방향 전파시간 (tS2(sec)) 을 구한다. 순방향 전파시간 (tS1) 과 역방향 전파시간 (tS2) 의 평균값을 구함으로써, 흐름의 영향을 제거한 전파시간 (tS0=(tS1+tS2)/(2(sec)) 이 구해진다. 이 결과로부터, 시료기체중의 초음파 전파속도 (CS(m/sec)) 는 이하의 식 (17) 에 의해 구할 수 있다.
CS = LS / tS0 …(17)
산소농도 (PS) 는 이미 서술한 식 (8) 에 의해 구할 수 있다.
제 1 실시형태와 마찬가지로, 시료기체의 산소농도는 시료기체중의 초음파 전파속도와, 산소 100%, 질소 100% 의 기체중의 초음파 전파속도의 비로 구할 수도 있다. 즉, 온도 (TS(K)) 에서의 산소 100% 중의 초음파 전파속도 (C02(m/sec)), 질소 100% 중의 초음파 전파속도 (CN2(m/sec)) 로 하여 식 (9) 에 의해 구하는 것이다.
상기 연산은 마이크로컴퓨터 (226) 에서 실시되고, 농도측정결과는 표시장치 (234) 에 표시된다.
이어서, 유량측정방법에 대해 설명한다.
유량을 측정하기 위해서는 앞에 구한 LS 와, 측정된 시료기체의 흐름에 대해 순방향, 역방향에서의 전파시간 (tS1, tS2) 을 사용하고, 시료기체의 흐름에 대해 순방향으로 초음파를 송신했을 때에 측정되는 초음파 전파속도 (VS1(m/sec)) 와, 역방향으로 초음파를 송신했을 때에 측정되는 초음파 전파속도 (VS2(m/sec)) 는 각각 이하의 식 (18), (19) 에 의해 구할 수 있다.
VS1 = LS / tS1 …(18)
VS2 = LS / tS2 …(19)
식 (18), (19) 및 이미 서술한 식 (13) 에 의해 시료기체의 유속 (VS(m/sec)) 은 다음 식 (20) 에 의해 구할 수 있다.
V0 = (V01 - V02) / 2 …(20)
유속 (VS(m/sec)) 을 유량 (QS(㎥/sec)) 으로 환산할 때는 관로 (202) 의 직선부분 (208) 의 단면적을 구할 필요가 있다. 직선부분 (208) 의 단면적 (SS(㎡)) 은 메모리 (232) 에 저장해 둔 기준내경 (D0(m)), 기준온도 (T0(K)) 을 판독하여 관로 (202) 재료의 선팽창계수 (α(1/K)) 로부터 다음 식 (21) 에 의해 구할 수 있다.
SS = π((D0(1 + α(TS-T0))/2)2 …(21)
여기에서의 온도 (TS(K)) 는 농도측정시의 TS 와 동일한 것이다. 즉, 시료기체의 유량 (QS(㎥/sec)) 은 다음 식 (22) 에 의해 연산할 수 있다.
QS = VSSS …(22)
상기 연산은 마이크로컴퓨터 (226) 에서 실시되고, 유량측정결과는 표시장치 (234) 에 표시된다.
이어서, 관로 (202) 의 정확한 선팽창계수 (α(1/K)) 가 아직 알려지지 않은 경우에 대해 설명한다. 이러한 경우에는 본 장치 (200) 를 사용하여 선팽창계수 (α) 를 정확하게 구할 수 있다.
제 1 실시형태와 마찬가지로, 온도조절장치 (213) 에 의해 교정용 기체를 제 1 온도 (T1(K)) 로 설정하여 장치 (200) 에 공급하고, 상기 서술한 기준거리의 교정방법과 동일한 방법에 의해 제 1 과 제 2 초음파 송수신자 (218, 222) 사이의 검사거리 (L1(m)) 를 측정한다. 또한, 교정용 기체를 온도 (T2(K)) (T2≠T 1) 로 설정하여 동일하게 검사거리 (L2(m)) 를 측정한다. 이 경우, 정밀도있게 선팽창계수 (α) 를 특정하기 위해서는 T1, T2 의 온도차는 큰 편이 좋다.
T1, L1, T2, L2 가 구해지면, 관로 (202) 재료의 선팽창계수 (α(1/K)) 는 이 미 서술한 식 (10) 에 의해 구할 수 있다.
상기 연산은 마이크로컴퓨터 (226) 에서 실시되고, 여기에서 구한 선팽창계수 (α(1/K)) 는 메모리 (232) 에 저장된다.
상기 방법에 의해 1 종류의 교정용 기체를 다른 2 개의 온도에서 장치 (200) 에 공급함으로써 관로 (202) 재료의 선팽창계수 (α) 를 정확하게 구할 수 있다.
상기 서술한 설명에서는, 장치 (200) 특히 관로 (202) 의 온도를 변경하는 수단으로 온도조절장치 (213) 에 의해 관로 (202) 로 공급하는 교정용 기체의 온도를 조절하는 예를 설명하였다. 그러나, 이 구성은 관로 (202) 를 유통하는 교정용 기체의 온도와 관로 (202) 의 온도 사이에는 일정한 상관관계가 있는 것을 전제로, 교정용 기체의 온도를 변경하는 것을 통하여 장치, 특히 관로 (202) 의 온도를 변경하기 위한 수단의 일례로서 나타내고 있고 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예컨대 장치 (200) 의 제조단계에서 장치 (200) 를 항온실내에 배치하고, 장치 전체 및 장치 (200) 에 공급하는 기체의 온도를 소정 온도로 설정하여 선팽창계수 (α) 를 구하도록 해도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면 특별한 교정용 장치 등을 사용하지 않고 측정장치 자체와 교정용 기체 1 종류만을 준비하면 장치의 교정이 가능하다.
또, 장치가 시간이 경과함에 따라 변화한 경우에도 장치를 간편하게 다시 교정할 수 있게 되고, 게다가 시료기체의 온도에 관계없이 정확한 농도 및, 유량을 측정할 수 있게 된다.

Claims (18)

  1. 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 초음파 송수신자와, 상기 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 반사판과, 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 있어서,
    성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과,
    상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 이 초음파 송수신자가 상기 반사판에 의해 반사된 초음파를 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 시간을 연산하는 전파시간 연산수단과,
    상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 초음파 송수신자와 상기 반사판 사이의 기준거리를 교정하는 교정수단을 구비하고,
    상기 초음파식 기체농도 측정장치는, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 온도조절수단과,
    상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 선팽창계수 연산수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체농도 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치는 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체농도 측정장치.
  3. 삭제
  4. 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 초음파 송수신자와, 상기 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 반사판과, 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 의해 측정대상 기체의 농도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 측정대상 기체의 농도측정 프로세스의 개시에 앞서,
    성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와,
    상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 초음파 송수신자로부터 초음파를 송출하는 단계와,
    송수신전환기에 의해 상기 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드로부터 초음파를 수신하는 수신모드로 전환하고,
    상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 초음파 송수신자가 상기 반사판에 의해 반사된 상기 초음파를 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 시간을 연산하는 단계와,
    상기 연산결과로부터 상기 초음파 송수신자와 상기 반사판 사이의 기준거리를 교정하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 초음파식 기체농도 측정장치가, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이 추가로, 상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 단계와,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와,
    이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체농도 측정방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치가, 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이, 농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체농도 측정방법.
  6. 삭제
  7. 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에있어서,
    성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과,
    상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송 수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 전파시간 연산수단과,
    상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리를 교정하는 교정수단을 구비한 초음파식 기체농도 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치는, 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체농도 측정장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치는, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 온도조절수단과,
    상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 선팽창계수 연산수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서 에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체농도 측정장치.
  10. 농도를 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체농도 측정장치에 의해 측정대상 기체의 농도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 측정대상 기체의 농도측정 프로세스의 개시에 앞서,
    성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와,
    상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 제 1 초음파 송수신자로부터 초음파를 송출하고, 상기 제 2 초음파 송수신자에 의해 상기 초음파를 수신하는 단계와,
    송수신전환기에 의해 상기 제 1 초음파 송수신자의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환함과 동시에, 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 수신모드로부터 송신모드로 전환하는 단계와,
    상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 단계와,
    상기 연산결과로부터 상기 제 1 초음파 송수신자와 상기 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리를 교정하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파식 기체농도 측정방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치가, 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이, 농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체농도 측정방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치가, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이, 추가로 상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 단계와,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와,
    이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리를 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체농도 측정방법.
  13. 유량을 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 상기 초음파 송수신자가 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체유량 측정장치에있어서,
    성분, 구성 및 유량이 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 교정용 기체원과,
    상기 관로내에 설치되고, 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 전파 시간 연산수단과,
    상기 전파시간 연산수단에 의한 연산결과로부터 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리 및 관로 내경을 교정하는 교정수단을 구비한 초음파식 기체유량 측정장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 초음파식 기체유량 측정장치는, 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리 및 관로 내경을 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체유량 측정장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 초음파식 기체유량 측정장치는, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 수단과,
    상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 선팽창계수 연산수단과,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하고, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리 및 관로 내경을 보정, 연산하는 보정수단을 추가로 구비한 초음파식 기체유량 측정장치.
  16. 유량을 측정해야 하는 측정대상 기체를 유통시키는 관로와, 상기 관로내에 고정된 제 1 초음파 송수신자와, 상기 제 1 초음파 송수신자에 대향시켜 상기 관로내에 고정된 제 2 초음파 송수신자와, 상기 제 1 과 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 초음파를 송출하는 송신모드와, 초음파를 수신하는 수신모드 사이에서 전환하는 송수신전환기를 구비한 초음파식 기체유량 측정장치에 의해 측정대상 기체의 유량을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 측정대상 기체의 유량측정 프로세스의 개시에 앞서,
    성분 및 구성비가 이미 알려져 있는 교정용 기체를 상기 관로로 공급하는 단계와,
    상기 관로내에 설치된 온도센서에 의해 상기 관로를 유통하는 교정용 기체의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 제 1 초음파 송수신자로부터 초음파를 송출하고, 상기 제 2 초음파 송수신자에 의해 상기 초음파를 수신하는 단계와,
    송수신전환기에 의해 상기 제 1 초음파 송수신자의 동작모드를 송신모드로부터 수신모드로 전환함과 동시에, 제 2 초음파 송수신자의 동작모드를 수신모드로부터 송신모드로 전환하는 단계와,
    상기 제 1 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 2 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체중을 전파하는 제 1 전파시간을 연산하고, 상기 제 2 초음파 송수신자가 초음파를 송출한 시각과, 상기 제 1 초음파 송수신자가 수신한 시각으로부터, 상기 초음파가 상기 관로내의 교정용 기체 중을 반대방향으로 전파하는 제 2 전파시간을 연산하는 단계와,
    상기 연산결과로부터 상기 제 1 초음파 송수신자와 상기 제 2 초음파 송수신자 사이의 기준거리 및 관로 내경을 교정하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파식 기체유량 측정방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 초음파식 기체유량 측정장치가, 추가로 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 기억하는 선팽창계수 기억수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이, 농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와, 이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리 및 관로 내경을 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체유량 측정방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 초음파식 기체농도 측정장치가, 추가로 상기 관로의 온도를 조절하는 수단을 구비하고 있고,
    상기 방법이, 추가로 상기 관로의 온도를 변화시켰을 때의 상기 기준거리의 변화로부터 상기 관로를 형성하는 재료의 선팽창계수를 연산하는 단계와,
    농도측정을 위해 상기 관로내에 유통시킨 시료기체의 온도를 상기 온도센서에 의해 측정하는 단계와,
    이 측정온도와 상기 선팽창계수로부터 상기 교정된 기준거리 및 관로 내경을 보정, 연산하는 단계를 추가로 포함하고 있는 초음파식 기체유량 측정방법.
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