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초음파 트랜스듀서를 이용한 가압된 바이너리 가스의 성분 측정

초록/요약

초음파 센서는 주로 거리측정에 이용되고 있다. 또한 초음파는 매질을 통과할 때 야기되는 신호의 감쇠나 위상변화 시간차와 같은 특성 등을 이용하여 매질의 농도를 측정할 수 있다. 고산지대나 높은 고도를 다니는 비행기안에서도 산소농도 측정이 가능한 휴대용 초음파 센서 의료기기를 이용하고 있는데, 농도 측정에 이용하는 초음파 센서는 압력변화에 따라 측정 정확성이 떨어진다. 그래서 별도로 압력을 측정하고, 측정농도를 보정해야 한다. 본 연구에서는 추가적인 부품 없이 기존에 가스 농도 측정용 초음파 센서를 사용하여 농도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 가스 농도 센서 어셈블리는 이전 연구에서 사용된 바와 같이 한 쌍의 트랜스듀서 및 온도센서이다. 송수신 파형에서 가스의 농도와 압력을 추정하기 위해 2개의 정보가 취득된다. 첫 번째 정보는 음속(Sound velocity)의 차이에 따른 위상 변화(Phase shift)이며, 위상변화는 압력보다는 가스조성에 더 민감한 것으로 나타났다. 두 번째 정보는 파고이며, 가스의 조성보다는 압력에 더 민감한 것으로 나타났다. 제안된 방법은 0.5bar~2.0bar의 압력하에서 0.75~0.95의 산소비율 범위의 산소와 질소의 혼합가스가 선택된다. 특히 제안된 방법은 압력이 변하는 환경에서도 기존의 초음파 센서보다 농도의 측정 정확도 측면에서 개선을 보인다. 결과는 가스압력이 고려된 때의 산소농도 정밀도가 측정범위 내에서 약 0.5~3% 정도 개선되는 것을 보여주고 있다. 이러한 결과는 비행기 산업이나 고산지역에서 휴대용 의료기기를 사용하는 사람들에게 도움을 줄 수 있을 것이다.

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