KR100671031B1 - 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템 - Google Patents

음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지는 평판매질, 특히 폴리에틸렌을 사용하여 유량의 레벨을 정확하게 측정하기 위한 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템에 관한 것으로, 길이 방향으로 형성되며 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지도록 형성된 평판매질(130)과, 상기 평판매질(130)의 상면 양단에 각각 형성된 압전세라믹스판(140)과, 상기 압전세라믹스판(140) 상면에 형성된 전극(150)으로 구성되어, 상기 평판매질(130)의 상면 양단에 각각 구동부(110)와 수신부(120)가 형성된 리미트 스위치(100)와; 상기 구동부(110)에 교류신호를 입력시키는 신호입력부와; 상기 신호입력부에 의해 입력된 신호가 구동부(110)에 입력된 후 대상매질을 통과하여 상기 수신부(120)로 입력된 신호를 측정하는 신호측정부와; 상기 수신부(120) 측에서 출력된 신호를 상기 구동부(110) 측으로 귀환시키는 발진회로부;를 포함하여 구성되어, 상기 대상매질과의 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 대상매질과의 음향임피던스가 동일한 평판매질을 사용하여, 리미트 스위치가 평판매질을 통해 직접 연결되어 있으므로 각도일치의 문제가 해결되며, 신호가 크므로 전자회로가 단순해져 제조가 편리하여 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 상기 평판매질로서 폴리에틸렌을 사용하므로서 대상매질과의 임피던스 매칭이 용이하여 유량 레벨 측정에 유리한 이점이 있다.
유량레벨측정 음향임피던스 리미트 스위치 압전세라믹스 평판매질

Description

음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템{fluid level measuring system using acoustic impedance matching}
도 1 - 본 발명에 따른 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템의 리미트 스위치에 대한 단면도.
도 2 - 공기 중에서의 리미트 스위치의 진동 모형을 나타낸 도.
도 3 - 수중에서의 리미트 스위치의 진동모형을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 발진회로부의 블럭도.
도 5 - 본 발명의 발진회로부의 히스테리시스 비교기를 나타낸 회로도.
도 6 - 공기중에서의 출력신호를 나타낸 도.
도 7 - 리미트 스위치가 수중에 잠겼을 때의 파형을 나타낸 도 (a)1[V/div](b)200[mV/div].
도 8 - 공기중에서와 수중에서 측정된 리미트 스위치의 크기그래프.
도 9 - 공기중에서 측정한 리미트 스위치의 위상그래프.
도 10 - 상태변수필터의 이득특성을 나타낸 도 (a)이득(b)위상.
도 11 - 발진회로의 이득특성(리미트 스위치 자체의 이득X대역통과필터의 이득).
도 12 - 리미트 스위치의 자기발진에 의한 공기중(a) 및 수중(b)에서의 파형 을 나타낸 도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
100 : 리미트 스위치 110 : 구동부
120 : 수신부 130 : 평판매질
140 : 압전세라믹스판 150 : 전극
본 발명은 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지는 평판매질, 특히 폴리에틸렌을 사용하여 유량의 레벨을 정확하게 측정하기 위한 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템에 관한 것이다.
일반적으로 리미트 스위치는 탱크 안의 기름 또는 물과 같은 유체의 액면을 식별해내는 레벨센서이다. 이 액면 리미트 스위치는 소규모의 저수 탱크에서부터 화학, 철강, 사료플렌트 등 대형호퍼의 계측제어 및 배관 또는 용기 내에서 액체나 분체유동의 진행 유무, 저장 또는 벌크재료의 액면을 검출하는데 사용된다.
상기 액면 리미트 스위치는 크게 기계식과 전기식으로 분류된다. 기계식은 플로트를 사용하는 것이 대부분이고, 전기식으로는 전기저항의 변화를 이용하는 전기저항방식과, 물질의 유전율의 차이를 이용하는 정전용량방식이 있으며, 공기 중과 액체 중에서 수신되는 초음파의 크기 차를 이용하는 초음파방식이 있다.
상기 초음파 방식의 리미트 스위치는 사용되는 압전 세라믹스의 유전율 및 밀도가 높아 매질이 공기 및 액체인 경우 음향임피던스 정합(matching)이 어렵다. 그러므로 이를 위해 정합층이 구성되어 있으며, 이들의 삽입손실로 인하여 출력이 감소되기 때문에 높은 출력전원이 필요하게 되고, 여러 층의 정합재료 조합에 따르는 제조공정의 어려움을 갖고 있다.
또한 공진자로 사용되는 PZT 세라믹스의 종방향 공진주파수가 매우 높기 때문에 사용주파수가 높아지고, 음향임피던스의 매칭이 잘 되지 않으므로 신호가 작아져 전자회로가 복잡해지게 된다. 또한 송신기와 수신기의 각도를 일치시켜야 하는 등의 문제점을 가지고 있으며, 가격이 비싼 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대상매질과의 음향임피던스가 동일한 평판매질을 사용하여, 리미트 스위치가 평판매질을 통해 직접 연결되어 있으므로 각도가 일치가 용이하고, 구조가 단순한 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
또한 상기 평판매질로서 폴리에틸렌을 사용하므로서 대상매질과의 임피던스 매칭이 용이하여 유량 레벨 측정에 유리한 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템의 제공을 또한 그 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 길이 방향으로 형성되며 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지도록 형성된 평판매질과, 상기 평판매질의 상면 양단에 각각 형성된 압전세라믹스판과, 상기 압전세라믹스판 상면에 형성된 전극으로 구성되어, 상기 평판매질의 상면 양단에 각각 구동부와 수신부가 형성된 리미트 스위치와; 상기 구동부에 교류신호를 입력시키는 신호입력부와; 상기 신호입력부에 의해 입력된 신호가 구동부에 입력된 후 대상매질을 통과하여 상기 수신부로 입력된 신호를 측정하는 신호측정부와; 상기 수신부 측에서 출력된 신호를 상기 구동부 측으로 귀환시키는 발진회로부;를 포함하여 구성되어, 상기 대상매질과의 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
여기에서 상기 평판매질은, 폴리에틸렌으로 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 대상매질과의 음향임피던스가 동일한 평판매질을 사용하여, 리미트 스위치가 평판매질을 통해 직접 연결되어 있으므로 각도일치의 문제가 해결되며, 신호가 크므로 전자회로가 단순해져 제조가 편리하여 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 상기 평판매질로서 폴리에틸렌을 사용하므로서 대상매질과의 임피던스 매칭이 용이하여 유량 레벨 측정에 유리한 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템의 리미트 스위치에 대한 단면도이고, 도 2는 공기 중에서의 리미트 스위치의 진동 모형을 나타낸 도이고, 도 3은 수중에서의 리미트 스위치)의 진동모형을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 발진회로부의 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 발진회로부의 히스테리시스 비교기를 나타낸 회로도이고, 도 6은 공기중에서의 출력신호를 나타낸 도이고, 도 7은 리미트 스위치가 수중에 잠겼을 때의 파형을 나타낸 도 (a)1[V/div](b)200[mV/div]이고, 도 8은 공기중에서와 수중에서 측정된 리미트 스위치의 크기그래프이고, 도 9는 공기중에서 측정한 리미트 스위치의 위상그래프이고, 도 10은 상태변수필터의 이득특성을 나타낸 도 (a)이득(b)위상이고, 도 11은 발진회로의 이득특성(리미트 스위치 자체의 이득X대역통과필터의 이득)이며, 도 12는 리미트 스위치의 자기발진에 의한 공기중(a) 및 수중(b)에서의 파형을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템은 리미트 스위치, 신호입력부, 신호측정부, 발진회로부로 크게 구성되어져 있다.
먼저 상기 리미트 스위치(100)에 대해 설명하고자 한다.
상기 리미트 스위치(100)는 길이 방향으로 형성되며 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지도록 형성된 평판매질(130)과, 상기 평판매질(130)의 상면 양단에 구동부(110)와 수신부(120)로 형성된 압전세라믹스판(140)과, 상기 압전세라믹스판(140) 상면에 각각 형성된 전극(150)으로 구성되어져 있다.
상기 리미트 스위치(100)에 사용되는 압전세라믹스판(140)은 두께 방향으로 분극시키기 위해 대향하는 압전세라믹스판(140) 양면에 전극(150)을 만든다. 여기에서 전극(150)은, 상기 압전세라믹스판(140) 상면은 은(silver) 등의 금속전극(150)이, 하면은 평판매질(130)이 그 역할을 하게 된다. 상기 리미트 스위치(100)의 표면에는 절연을 위해 유성페인트 등을 도포하게 된다.
여기에서 상기 평판매질(130)은 폴리에틸렌으로 형성되는 것이 바람직하다. 폴리에틸렌(1.6[106Rayl])은 진동전파 매질로 음향임피던스가 물(1.48[106Rayl])과 비슷하여, 상기 리미트 스위치(100)와 대상매질이 직접 접촉되는 역할을 하게 된다. 즉 리미트 스위치(100)가 평판에 의해 직접 연결되어 있으므로 음향임피던스 매칭에 대한 문제가 해결되게 된다.
상기 리미트 스위치(100)는 한 쪽면이 전계에 의해 신축되지 않는 평판매질(130)에 접착되어 있으므로 종진동을 하게 되며, 인가 전압이 교류신호이면 이 종진동이 되풀이 되게 된다.
상기 리미트 스위치(100)의 공진주파수는 압전세라믹스판, 평판매질의 재질, 형상으로 결정된다. 리미트 스위치(100)를 하나의 진동자로 생각할 경우의 등가직경 a, 등가두께 h, 등가 Young률 Y, 등가밀도 ρ, 등가 포아송비 σ라 하면, 공진주파수 fr은 다음 수학식 1과 같이 된다.
Figure 112004030390991-pat00001
여기서 αm은 m차 기준상수이다.
즉 공진주파수는 직경의 2승에 반비례하고, 두께에 비례한다. 따라서 공진주파수를 낮게 하려면 직경을 크게, 두께를 얇게 할 필요가 있고, 주파수를 높이려면 그 반대로 하면 된다.
이하에서는 음향 이론 및 특성 음향임피던스에 대해 설명하고자 한다.
일반적으로 매질 내에서 입자속도에 대한 음압의 비를 특성 음향임피던스(specific acoustic impedance)
Figure 112004030390991-pat00002
라 하며, 다음 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112004030390991-pat00003
특히 입사파를 평면파로 간주할 때 이 비는 다음 수학식 3과 같이 된다.
Figure 112004030390991-pat00004
여기서 ρ0는 매질의 등가밀도이고, c는 음파의 속도이다.
상기 수학식 3에서 부호는 음파의 전파방향에 의해 결정된다. 매질의 개개의 ρ0나 c 보다는 그들의 곱 ρ0c가 더 큰 음향학적인 의미를 가지며, ρ0c를 매질의 특성임피던스(characteristic impedance)라 한다.
매질의 임피던스가 진행하는 평면파에 대해 실수이지만, 정현파에 대해서는 그렇지 않다. 일반적으로
Figure 112004030390991-pat00005
는 복소수이며, 다음 수학식 4와 같이 나타낸다.
Figure 112004030390991-pat00006
r은 특정한 음파에 대한 음향의 저항성분(specific acoustic resistance)이고, x는 리액턴스(specific acoustic reactance) 성분이다.
음파에 대한 매질의 특성임피던스는 전자기파에 대한 유전체 매질의 파동임피던스
Figure 112004030390991-pat00007
와 전송선로의 특성임피던스 Zo와 유사하다.
진행하고 있는 음파가 한 매질에서 다른 매질과 만나게 되면, 반사파(reflected wave)와 투과파(transmitted wave)가 생성된다. 입사파(incident wave)에 대한 반사파와 투과파의 음압 진폭과 강도의 비는 특성 음향임피던스와 두 매질에서의 음파의 속도, 입사파와 계면이 이루는 각도에 의존한다. 입사파와 반사파가 진행하는 유체의 특성 음향임피던스는 r1=ρ1c1이 된다. ρ1은 유체의 등가밀도이고, c1은 유체 내에서의 소리의 속도이다. 또한 투과파가 진행하는 유체의 특성 음향임피던스는 r2=ρ2c2이 된다.
따라서 상기 리미트 스위치(100)의 음향특성을 살펴보면, 상기 폴리에틸렌 평판매질(130)의 양단에 압전세라믹스판(140)을 부착하고, 그 상면에 전극(150)이 형성되어져 있는 구조를 이룬다. 즉 상기 평판매질(130)의 양단에는 두개의 리미트 스위치(100)가 형성되어 있으며, 각각은 구동부(110)(구동측 리미트 스위치(100))와 수신부(120)(수신측 리미트 스위치(100))가 된다.
상기 구동부(110)에 교류전압을 가하면 리미트 스위치(100)가 종진동을 하게 되고, 이 진동이 평판매질(130)을 통해 횡파로 전파되며, 상기 수신부(120)에서 진동신호를 다시 전기신호로 변환시킨다.
공기중에서 리미트 스위치(100)의 진동 모형을 도 2에 나타내었다. 이 경우 폴리에틸렌 평판매질(130)과 공기의 음향 임피던스 차이에 의해 공기중으로 투과되는 음파가 매우 적어서 대부분의 진동에너지가 평판을 따라 진행하게 되어, 상기 수신부(120)에서 발생되는 전기신호가 커지게 된다.
그러나 리미트 스위치(100)가 수중에 잠기는 경우(도 3)에는, 평판의 특성 음향임피던스와 물의 특성 음향임피던스가 비슷하기 때문에, 음향임피던스 매칭이 좋게 되어, 대부분의 음파가 물로 투과되며, 이에 따라 상기 수신부(120)에 전파되는 진동폭이 작아지게 된다.
다음 상기 신호입력부는 상기 구동부(110)에 교류신호를 입력시키기 위한 것으로, 공지의 function generator/frequency counter를 사용하여, 정현파 신호를 입력시킨다.
상기 신호입력부에 의해 상기 구동부(110)에 입력된 신호는 대상매질(공기 또는 유체)을 통과한 후 상기 수신부(120)로 입력되게 되는데, 상기 수신부(120)에 의해 입력된 신호를 측정하는 것이 신호측정부이다.
상기 신호측정부는 정현파 입력신호를 가하여 리미트 스위치(100)의 공진주파수에서의 출력신호를 측정하고, 주파수에 따른 진폭 및 위상 특성을 관찰하기 위한 것이다. 상기 출력신호를 측정하기 위한 것으로 공지의 Tektronix TDS3014 디지털 오실로스코프와, 주파수에 따른 진폭 및 위상 특성을 측정하기 위한 것으로서 공지의 Lock-In Amplifier를 사용한다.
다음으로 상기 발진회로부는 상기 수신부(120) 측에서 출력된 신호를 상기 구동부(110) 측으로 귀환시키기 위한 것으로, 외부발진기를 사용하지 않고 대역통 과필터와 반전증폭기를 사용하여 자기발진회로를 구성하였다. 상기 대역통과필터는 공기중에서 공진주파수 이외의 주파수에서 발진되는 것을 방지하기 위하여 사용되었다. 상기 리미트 스위치(100)는 공진주파수 부근에서 -180도의 위상차를 가지므로, 발진조건을 만족시키기 위해 반전증폭기를 사용하여 입력과 출력이 동위상이 되도록 한다. 상기 구성에 의한 발진회로부의 블럭도를 도 4에 나타내었다.
여기에서 상기 대역통과필터로 KHN상태변수필터(state variable filter)를 사용하였다. 상태변수필터는 반전과 비반전, 두 회로를 사용할 수 있으며, 동시에 저역통과, 고역통과 및 대역통과의 세 개의 출력을 가지고 있다.
또한 유체의 수위가 리미트 스위치(100) 계면에서 출렁일 경우 채터링으로 인한 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서 히스테리시스 회로를 사용하여 high threshold 전압과 low threshold 전압을 설정함으로써 채터링을 저감시켰다. 히스테리시스회로는 출력의 일부를 비반전단자에 귀환을 걸어 준 것으로서, 도 5에 히스테리시스 비교기를 나타내었다.
상기 발진회로부는 상기 리미트 스위치(100)의 공진주파수가 모두 같지 않으며, 동일한 상태로 평판에 부착되기 어려워 제작되는 리미트 스위치(100)마다 서로 다른 공진주파수를 가지게 되는데, 외부발진기를 사용할 경우에 리미트 스위치(100)마다 인위적으로 발진주파수를 조절해 주어야 하는 번거로움을 해결하였다.
이하에서는 공진주파수에서의 측정한 출력신호에 대해 살펴보고자 한다. ±5[Vp-p]의 정현파 입력신호를 가하여 리미트 스위치(100)의 공진주파수에서 공기중 과 수중에서의 출력신호를 측정하였다.
도 6은 공기중에서 출력신호를 Tektronix TDS3014 디지털 오실로스코프로 1[V/div]에서 측정한 파형이다. 출력신호는 ±2.2[Vp-p]의 진폭을 나타내는 정현파이었으며, 이는 입력신호의 44[%]로 감쇠된 것이다. 이는 리미트 스위치(100)와 평판매질(130)의 계면에서 완전한 임피던스 정합이 이루어지지 않아 진동에너지의 일부가 손실되었기 때문이다.
도 7(a)는 리미트 스위치(100)가 수중에 잠겼을 때의 파형을 1[V/div]에서 나타낸 것이며, 도 7(b)는 200[mV/div]에서 측정한 파형이다. 물과 폴리에틸렌 평판매질(130)의 임피던스 매칭으로 인하여 출력신호가 약 ±60[mV]로 크게 감쇠하였으며, 이는 공기중의 2.7[%]이며, 입력신호의 1.2[%]에 불과함을 알 수 있다.
다음으로는 주파수에 따른 진폭 및 위상 특성에 대해 살펴보고자 한다.
기준 입력신호는 2[Vrms]의 정현파이며, 1~10[kHz]까지의 주파수 범위에서 공기중 및 수중에서의 출력신호의 크기와 위상을 측정하였다.
도 8은 공기중에서와 수중에서 측정된 리미트 스위치(100)의 크기그래프이다. 공기중에서는 5.9[kHz]에서 최대 출력을 나타내었고, 대역폭은 180, Q는 32.8이었다. 수중에서는 진폭이 공기중에 비해서 크게 감소되었다.
도 9는 공기중에서 측정한 리미트 스위치(100)의 위상그래프이다. 공진주파수 근처인 6.05[kHz]에서 약 -180도의 위상차를 나타내었다. 이것은 평판의 진동이 반파장이 되는 지점에서 최대 진폭이 되기 때문이다. 이 주파수에서의 위상을 전자 회로를 사용하여 0도로 만들어주면 외부발진기를 사용하지 않고도 자기 발진을 시킬 수 있다.
다음으로는 리미트 스위치(100)의 발진 특성에 대해 살펴보고자 한다.
리미트 스위치(100)를 구동시키기 위하여 외부발진기를 사용하지 않고 대역통과필터와 반전증폭기를 사용하여 자기발진회로를 구성하였다. 반전증폭기는 공진주파수에서의 위상차를 0도로 만드는 역할을 하며, 대역통과필터는 공진주파수 이외의 주파수에서 리미트 스위치(100)가 발진하는 것을 방지한다.
도 10(a)에 사용된 상태변수필터의 이득 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 중심주파수는 6.02[kHz]이며, 대역폭은 300, Q는 20이다. 도 10(b)는 상태변수필터의 위상 특성이며 중심주파수에서 위상천이가 0도 이므로 발진회로의 위상 특성에 영향을 미치지 않는다. 발진회로의 이득특성은 리미트 스위치(100) 자체의 이득과 대역통과필터의 이득을 곱한 것이며, 이 결과를 도 11에 나타내었다. 5.95[kHz]에서 최대출력이 나타나며, 대역폭은 190, Q는 33.3이다. 공진주파수 부근 이외에서 180도의 위상차를 나타내는 주파수는 모두 제거되었으며, 수중에서는 발진이 일어나지 않게 된다.
리미트 스위치(100)의 자기발진에 의한 공기중 및 수중에서의 파형을 도 12(a)(b)에 나타내었다. 공기중에서의 발진주파수는 6.21[kHz]로 약간 이동하였는데, 이는 사용한 상태변수필터의 위상이 공진점에서 정확히 0도가 아니기 때문이다. 수중에서는 발진이 일어나지 않으므로 도 12(b)에서 처럼 발진신호가 나타나지 않게 된다.
상기 구성에 의한 본 발명은, 대상매질과의 음향임피던스가 동일한 평판매질을 사용하여, 리미트 스위치가 평판매질을 통해 직접 연결되어 있으므로 각도일치의 문제가 해결되며, 신호가 크므로 전자회로가 단순해져 제조가 편리하여 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 상기 평판매질로서 폴리에틸렌을 사용하므로서 대상매질과의 임피던스 매칭이 용이하여 유량 레벨 측정에 유리한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 길이 방향으로 형성되며 대상매질과 음향임피던스 정합이 이루어지도록 형성된 평판매질(130)과, 상기 평판매질(130)의 상면 양단에 각각 형성된 압전세라믹스판(140)과, 상기 압전세라믹스판(140) 상면에 형성된 전극(150)으로 구성되어, 상기 평판매질(130)의 상면 양단에 각각 구동부(110)와 수신부(120)가 형성된 리미트 스위치(100)와;
    상기 구동부(110)에 교류신호를 입력시키는 신호입력부와;
    상기 신호입력부에 의해 입력된 신호가 구동부(110)에 입력된 후 대상매질을 통과하여 상기 수신부(120)로 입력된 신호를 측정하는 신호측정부와;
    상기 수신부(120) 측에서 출력된 신호를 상기 구동부(110) 측으로 귀환시키는 발진회로부;를 포함하여 구성되어, 상기 대상매질과의 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 평판매질(130)은,
    폴리에틸렌으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향임피던스 정합을 이용한 유량 레벨 측정시스템.
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