KR101055863B1 - 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서 - Google Patents

액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 3오메가(3ω) 열분석법을 열센서에 적용하여 구현하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서는, 시료의 가열과 온도 측정을 동시에 수행하는 박막 열선, 상기 박막 열선에 연결되어 교류 전류의 가열 각주파수를 공급하는 신호발생기, 상기 박막 열선의 온도 신호를 측정하는 록인 증폭기, 및 상기 록인 증폭기에 연결되어 상호 연동되는 제어부를 포함한다.
박막 열선, 신호발생기, 록인 증폭기, 점, 연속

Description

액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서 {SENSOR FOR MEASURING LEVEL AND COMPOSITION RATIO OF LIQUID COMPOUND}
본 발명은 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3오메가(3ω) 교류 열분석 기술을 이용하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정하고 동시에 성분비를 측정하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것이다.
산업 현장 또는 실험실 수준의 연구에서 저장 용기 내의 액체 혼합물 시료의 레벨과 액체 혼합물 시료의 성분비를 측정하는 경우가 있다. 이를 위하여, 여러 가지 물리량에 기반한 많은 종류의 센서들이 있다.
예를 들면, 부표형(float type), 차압형(differential pressure type), 축전형(capacitive type), 광학형(optical type), 음파형(acoustic type) 및 열센서형(thermal type) 등이 있다. 실제의 작동 환경에 따라 이상의 서로 다른 특성을 가진 여러 방법들 중에서 적절한 방법이 선택될 수 있다.
열센서형 레벨 센서는 액체 혼합물 시료의 열물성에 기반하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정한다. 열센서형 레벨 센서의 작동 원리를 설명하면, 열센서에서 발생한 열은 액체 혼합물 시료로 전달되며, 이때 열센서의 온도는 액체 혼합물 시료의 열물성에 의해 결정된다.
즉 액체 혼합물 시료의 열전도율이 크면 열센서에서 발생한 열이 액체 혼합물 시료로 잘 전달되어 열센서의 온도가 낮아지고, 반대로 액체 혼합물 시료의 열전도율이 작으면 열센서에서 발생한 열이 액체 혼합물 시료로 잘 전달되지 못하여 열센서의 온도가 높아진다.
액체 혼합물 시료의 레벨 측정이란, 액체와 기체 계면의 위치를 측정하는 것이다. 액체와 기체는 열전도율에서 큰 차이를 가지기 때문에 열센서는 온도 응답을 이용하여, 액체 혼합물 시료의 존재 여부, 즉 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정할 수 있다.
따라서 열센서형 레벨 센서는 열을 가하는 가열부(열선)와 온도를 측정하는 측정부(센서)를 포함하는 간단한 구조로 이루어지며, 마이크로전자기계 시스템(MEMS; Microelectromechanical Systems) 기술을 이용하여 초소형으로 제작될 수 있다. 또한, 열센서형 레벨 센서는 순수한 열분석법에 의한 기술이므로 외부의 진동이나 전기적 노이즈 등에 영향을 크게 받지 않는다.
공지의 열센서형 레벨 센서는 직류 가열법과 교류 가열법을 포함한다. 직류 가열법은 직류 전류로 열선을 가열하고 센서의 평형 온도를 측정한다. 교류 가열법은 교류 전류로 열선을 가열한 후, 온도 및 진동의 진폭을 측정한다.
직류 가열법은 교류 가열법에 비하여 간단한 구조를 가지지만 센서가 평형 온도에 이르는 시간이 길어지기 때문에 반응 속도가 느리며, 외부 온도에 의해 영 향을 받는 오프셋 온도에 의하여 측정 오차가 발생하는 단점을 가진다.
교류 가열법은 센서가 준평형 온도에 이르는 시간이 매우 짧기 때문에 반응 속도가 빠르며, 외부 온도에 의한 오프셋 온도가 제거될 수 있으며, 또한 열선에서 발생한 열이 액체 혼합물 시료에 미치는 범위인 열침투 깊이(α f / 2ω) 1/2 가 줄어 들고, 진동이나 액체 혼합물 시료의 유동에 의한 영향이 최소화되는 장점을 가진다. 여기서, α f 는 액체 혼합물 시료의 열확산도이고, ω는 가열 각주파수이다.
한편, 3오메가(3ω) 열분석법은 대표적인 교류 열분석법이다. 3오메가(3ω) 열분석법은 MEMS 기술로 제작된 초소형 박막 열센서를 이용하여, 고체 시료 또는 액체 혼합물 시료의 열물성(예를 들면, 열전도율, 체적열용량)을 측정하는 방법이다.
ω각주파수를 가지는 전류로 박막 열선을 가열하면, 박막 열선의 온도 변화는 3ω각주파수를 가지는 전압 신호를 통하여 측정 가능하다. 이러한 이유로 인하여, 3오메가 열분석법이라 한다.
3오메가(3ω) 열분석법은 시료의 온도를 1-2K 정도밖에 상승시키지 않으면서 열침투 깊이도 짧기 때문에 온도 변화에 따른 시료의 열물성 변화를 최소화할 수 있으며, 뛰어난 민감도를 가진다.
따라서 3오메가 열분석법은 박막이나 마이크로/나노 리터 용량의 미소 액체 혼합물 시료의 열물성을 측정하는데 사용되어 왔다.
본 발명의 일 실시예는 3오메가(3ω) 열분석법을 열센서에 적용하여 구현하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 박막 열선과 록인 증폭기(lock-in amplifer)를 이용하여, 액체 혼합물 시료의 레벨을 실시간으로 측정하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 3오메가(3ω) 열분석법에 기반한 열물성 측정 기술을 이용하여, 액체 혼합물 시료의 레벨 측정과 동시에 성분비를 측정하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서는, 시료의 가열과 온도 측정을 동시에 수행하는 박막 열선, 상기 박막 열선에 연결되어 교류 전류의 가열 각주파수를 공급하는 신호발생기, 상기 박막 열선의 온도 신호를 측정하는 록인 증폭기, 및 상기 록인 증폭기에 연결되어 상호 연동되는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서는, 상기 박막 열선과 상기 록인 증폭기 사이에 연결되어 상기 온도 신호를 증폭하는 차동 증폭기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서는, 상기 신호발생기와 함께 상기 박막 열선에 직렬로 연결되는 가변저항을 더 포 함할 수 있다.
상기 박막 열선은, 가열부를 형성하는 열선과, 상기 열선이 온도 측정부를 형성하도록 상기 열선에 연결되어 상기 록인 증폭기에 연결되는 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극은, 교류 전류를 공급하는 2개의 교류 공급 전극과, 상기 열선의 전압 신호를 측정하는 2개의 전압 측정 전극을 포함할 수 있다.
상기 박막 열선은, 한 지점에서 액체 시료의 존재 유무를 측정하는 점 측정형 박막 열선을 포함하며, 상기 점 측정형 박막 열선은, 상기 한 지점에서 상기 액체 시료의 레벨 변화에 따른 상기 열선의 전압 신호를 측정하여, 상기 열선의 온도 변화를 감지할 수 있다.
상기 박막 열선은, 한 범위에서 액체 시료의 레벨을 연속적으로 측정하는 연속 측정형 박막 열선을 포함하며, 상기 연속 측정형 박막 열선은, 상기 액체 시료의 깊이 방향으로 길게 배치되어, 상기 열선의 길이 내에서 상기 액체 시료의 레벨 변화에 따른 상기 열선의 전압 신호를 측정하여, 상기 열선의 온도 변화를 감지할 수 있다.
상기 록인 증폭기는, ω각주파수의 상기 교류 전류에 의해 가열된 상기 박막 열선의 3ω각주파수의 전압 신호를 측정할 수 있다.
상기 가변저항과 상기 차동증폭기는, 저항값과 이득값을 각각 조정하여 상기 박막 열선의 ω각주파수의 전압 신호를 제거할 수 있다. 상기 차동증폭기는, 외부 노이즈 신호를 제거할 수 있다.
상기 신호발생기가 상기 박막 열선에 공급하는 교류 전류는 ω각주파수를 가질 수 있다. 상기 신호발생기는 상기 박막 열선의 온도 상승이 방지되도록 상기 교류 전류의 진폭을 제어할 수 있다.
상기 박막 열선은 액체와 기체의 계면이 존재하는 부분에 설치될 수 있다.
상기 박막 열선은, 상기 액체와 상기 기체의 계면 주위에 하나 또는 복수로 설치되며, 고정 또는 이동 구조로 설치될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3오메가(3ω) 열분석법을 열센서에 적용하므로 액체 혼합물 시료의 레벨과 성분비를 동시에 측정하는 효과가 있다.
즉, 박막 열선을 하나로 형성하여 액체 혼합물 시료를 가열하는 가열부 역할과 온도를 측정하는 측정부 역할을 동시에 수행하므로, 전체적인 구조를 단순하고 사이즈를 초소형으로 구현하는 효과가 있다.
가변저항과 차동 증폭기를 이용하여 교류 전류의 가열 각주파수를 제어하므로 열침투 깊이를 제어하는 효과가 있고, 이에 따라 열침투 깊이를 짧게 제어하여 액체 혼합물 시료의 유동에 따른 영향을 줄이는 효과가 있다.
록인(Lock-in) 증폭기를 이용하여 박막 열선의 전압 신호를 측정하여, 박막 열선의 온도 변화를 감지하므로 기존의 교류 가열법에 비하여, 신뢰성을 향상시키고, 분석이 용이한 신호 처리를 가능하게 하는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서의 구성도이다. 도1을 참조하면, 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서(1)는 박막 열선(10), 신호발생기(20), 록인(lock-in) 증폭기(30), 가변저항(40), 차동 증폭기(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
먼저, 박막 열선(10)에 대하여 설명하면, 박막 열선(10)은 액체 혼합물 시료를 가열하는 가열부 역할과 온도를 측정하는 측정부 역할을 동시에 수행하도록 구성된다.
신호 발생기(20)에 의하여, 박막 열선(10)에 ω각주파수를 가진 교류 전류가 인가되면, 박막 열선(10)은 주울(Joule) 가열에 의하여, 2ω각주파수를 가지는 온도와 저항 변화를 발생시킨다. 따라서 박막 열선(10)에서 측정되는 전압은 저항 변화와 가해진 전류의 곱에 의해 결정되므로 3ω각주파수 성분을 가지게 된다.
박막 열선(10)에 닿아 있는 액체 혼합물 시료의 두께가 박막 열선(10)에서 발생한 열의 침투 깊이보다 크므로(전도에 의한 열전달에 비하여 극히 작은 대류 열전달은 무시한다) 박막 열선(10)의 온도 변화는 수학식 1 및 수학식 2와 같다.
Figure 112008069395329-pat00001
Figure 112008069395329-pat00002
여기서
Figure 112008069395329-pat00003
는 박막 열선(10)의 복소 온도 변화이고, P는 가열 파워이며, l은 박막 열선(10)의 길이이다.
Figure 112008069395329-pat00004
는 적분 변수이고, b는 박막 열선(10) 폭의 1/2인 길이이며, k l 와 k s 는 각각 액체 혼합물 시료와 기판에 관한 복소 파수이다.
복소 파수는 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112008069395329-pat00005
는 교류 가열 각주파수이고, C는 체적열용량이며,
Figure 112008069395329-pat00006
과
Figure 112008069395329-pat00007
는 각각 액체 혼합물 시료와 기판의 열전도율이다.
수학식 1 및 수학식 2와 같이, 박막 열선(10)의 온도 변화는 액체 혼합물 시료와 기판의 열물성에 의해 결정된다. 액체 혼합물 시료에서, 레벨 측정은 혼합물인 액체와 기체 계면의 위치를 측정하는 것이다. 액체와 기체는 열전도율에서 큰 차이를 가진다. 따라서 박막 열선(10)은 온도 응답을 이용하여, 액체 혼합물 시료의 존재 여부, 즉 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정하게 된다.
박막 열선(10)은 액체 혼합물 시료의 레벨 측정 방법에 따라 크게 두 가지 형태로 제작될 수 있으며, 한 지점에서 액체 혼합물 시료의 존재 유무를 측정하는 점 측정형과 한 범위의 레벨을 연속적으로 측정하는 연속 측정형으로 제작될 수 있다.
도2는 도1에 적용되는 점 측정형 박막 열선의 개략도이다. 도2를 참조하면, 점 측정형 박막 열선(110)은 가열부와 측정부를 동시에 형성하는 열선(111) 및 열선(111)에 연결되는 4개의 전극(112)을 포함한다. 4개의 전극(112)은 교류 전류를 공급하는 2개의 전류 공급 전극(I112)과, 전압 신호를 측정하는 2개의 전압 측정 전극(V112)을 포함한다.
점 측정형 박막 열선(110)은, 전류 공급 전극(I112)으로 교류 전류가 공급되고, 한 지점에서 액체 혼합물 시료(Liquid)의 레벨이 변함에((a) 상태에서 (b) 상태로) 따라 열선(111)의 온도가 변화하는 것을, 전압 측정 전극(V112)을 통한 전압 신호를 측정함으로써, 감지한다.
도3은 도2의 점 측정형 박막 열선의 실제 형상이다. 도3을 참조하여 일례로서 설명하면, 점 측정형 박막 열선(110)은 Au/Cr 박막으로 형성될 수 있다. 전극(112)을 제외한, 열선(111)은 길이 1 mm, 폭 20㎛로 형성된다. 도3의 점 측정형 박막 열선(110)은 일 실시예이며, 필요에 따라 열선(111)과 전극(112)을 다양한 크기, 재질 및 모양으로 형성할 수 있다.
도4는 도1에 적용되는 연속 측정형 박막 열선의 개략도이다. 도4를 참조하면, 연속 측정형 박막 열선(210)은 가열부와 측정부를 동시에 형성하는 열선(211) 및 열선(211)에 연결되는 4개의 전극(212)을 포함한다. 4개의 전극(212)은 교류 전류 를 공급하는 2개의 전류 공급 전극(I212)과, 전압 신호를 측정하는 2개의 전압 측정 전극(V212)을 포함한다.
연속 측정형 박막 열선(210)은 액체 혼합물 시료(Liquid)의 깊이 방향으로 길게 배치되어, 열선(211)의 길이 범위 내에서 액체 혼합물 시료(Liquid)의 레벨 변화를 연속적으로 측정할 수 있도록 형성된다.
점 측정형과 마찬가지로 연속 측정형 박막 열선(210)은, 전류 공급 전극(I212)으로 교류 전류가 공급되고, 열선(211)의 길이 범위 내에서 열선(211)의 온도가 변화하는 것을, 전압 측정 전극(V212)을 통하여 전압 신호를 측정함으로써, 감지한다.
도5는 도4의 연속 측정형 박막 열선의 사진이다. 도5를 참조하여 일례로서 설명하면, 연속 측정형 박막 열선(210)은 Au/Cr 박막으로 형성될 수 있다. 전극(212)을 제외한 열선(211)은 길이 50 mm, 폭 20㎛로 형성된다. 도5의 연속 측정형 박막 열선(210)은 일 실시예이며, 필요에 따라 열선(211)과 전극(212)을 다양한 크기, 재질 및 모양으로 형성할 수 있다.
다시 도1을 참조하면, 신호발생기(20)는 박막 열선(10)에 연결되어, 박막 열선(10)에 ω각주파수의 교류 전류를 공급한다. 록인(lock-in) 증폭기(30)는 신호발생기(20)와 박막 열선(10)에 연결되어, 박막 열선(10)에서 변화되는 온도 신호를 측정한다. 물론, 박막 열선(10)의 전압 신호를 측정하는 것으로 온도 신호를 측정한다. 즉 록인 증폭기(30)는 신호발생기(20)의 ω각주파수의 교류 전류에 의해 가열된 박막 열선(10)의 3ω각주파수인 전압 신호를 측정한다.
이때, 박막 열선(10)에서 측정되는 3ω각주파수의 전압 신호는 ω각주파수의 전압 신호보다 대략 1000배 정도 작다. 따라서 록인 증폭기(30)의 신호 선택성을 향상시키기 위하여, ω각주파수의 전압 신호를 제거해줄 필요가 있다.
이를 위하여, 박막 열선(10)에 가변전항(40)과 차동 증폭기(50)가 직렬로 연결된다. 가변저항(40)의 저항값과 차동 증폭기(50)의 이득값을 조정함으로써, 박막 열선(10)의 ω각주파수의 전압 신호가 제거된다.
이때, 차동 증폭기(50)는 외부 노이즈 신호를 제거해주는 역할을 더 수행한다. 따라서 최종적으로, ω각주파수의 전압 신호 없이, 3ω각주파수의 전압 신호가 록인 증폭기(30)에 의해 측정된다. 록인 증폭기(30)는 제어부(60)에 연결되어 제어부(60)에 의하여 제어되며, 제어부(60)는 록인 증폭기(30)가 측정한 결과값을 기록 저장한다.
도6은 도3의 점 측정형 박막 열선을 이용하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정한 실험 결과의 그래프이다. 도6을 참조하면, 실험시, 증류수(L1), 에탄올(L2), 에틸렌 글리콜(L3)이 액체 혼합물 시료로 사용되고, 점 측정형 박막 열선(110)이 박막 열선(10)으로 사용되었다.
신호발생기(20)는 주파수(=ω/2π) 1 kHz와 진폭 25 mA의 교류 전류를 점 측정형 박막 열선(110)에 인가한다. 점 측정형 박막 열선(110)이 각 액체 혼합물 시료에 들어갔다가 나오(삽입/인출)는 시간 동안(T) 록인 증폭기(30)는 점 측정형 박막 열선(110)으로부터 전압 신호의 진폭 변화를 읽어 들인다. 전압 신호 및 온도 신호의 진폭 변화는 도6과 같다.
액체에 비하여 열전도율이 상대적으로 작은 공기 중에 점 측정형 박막 열선(110)이 놓여 있을 때, 열선(111)에서 공기로의 열전달이 억제되어 열선(111)의 온도가 올라간다. 열선(111)의 온도 상승에 따라 전기적인 저항이 상승하게 되어, 록인 증폭기(30)에서 측정되는 전압 신호가 커지게 된다.
하지만 상대적으로 열전도율이 높은 액체 혼합물 시료 속에 열선(111)이 담기게 되면 액체 혼합물 시료로의 열전달이 향상되어 전압 신호가 작아지게 된다. 액체 혼합물 시료의 열전도율이 공기에 비해 크면 클수록 전압 신호의 최대/최소 비가 커져서, 록인 증폭기(30)의 전압 측정에 유리해짐을 확인할 수 있다.
도7은 도3의 점 측정형 박막 열선을 이용하여 증류수의 레벨 측정을 반복적으로 수행한 실험 결과(a) 및 이때 증류수의 유동 영향(b)의 그래프이다. 도7을 참조하면, 점 측정형 박막 열선(110)이 증류수에 들어갔다 나왔다(삽입/인출)를 반복적으로 수행하는 동안 록인 증폭기(30)는 열선(111)으로부터 전압 신호의 진폭 변화를 읽어 들인다. 전압 신호 및 온도 신호의 진폭 변화는 도7과 같다.
도7의 (a)에서 보는 바와 같이, 점 측정형 박막 열선(110)을 이용하여, 증류수의 레벨을 빠른 속도로 반복 측정할 수 있음을 알 수 있다. 도7의 (b)는 점 측정형 박막 열선(110)을 이용한 증류수의 레벨 측정을 반복적으로 수행할 때, 자기 교반기(미도시)를 회전시켜 인위적인 유동을 형성하여, 유동 영향을 같이 관찰한 실험 결과이다.
도7의 (b)에서 보는 바와 같이, 액체 혼합물 시료의 유동이 있을지라도 도7의 (a)에 비하여, 노이즈 레벨이 약간 상승하는 것 외에 결과값, 즉 전압 신호 및 온도 신호의 진폭에 변화가 없음을 확인할 수 있다. 따라서 교류 가열을 통하여 열침투 깊이를 줄임으로써 액체 혼합물 시료의 유동 영향을 거의 없앨 수 있음이 확인되었다.
다시 도4를 참조하면, 연속 측정형 박막 열선(210)은 액체 혼합물 시료의 깊이 방향으로 길게 배치되어 있으므로 액체 혼합물 시료에 닿아있는 부분과 공기에 닿아있는 부분, 즉 2부분으로 나누어진다.
이때, 액체 혼합물 시료의 열전도율과 공기의 열전도율이 서로 다르므로 수학식 1 및 수학식 2에 의하여, 액체 혼합물 시료에 닿아있는 부분(211L)의 온도 변화(ΔT liquid )와 공기에 닿아있는 부분(211A)의 온도 변화(ΔT air )는 서로 다르게 나타난다. 결국, 록인 증폭기(30)를 이용하여, 측정하는 전체 열선(211)의 평균 온도는 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112008069395329-pat00008
여기서, ΔT avg 는 전체 열선(211)의 평균 온도이며, x는 전체 열선(211) 중 액체 혼합물 시료에 닿아 있는 부분(211L)의 길이이며, L은 전체 열선(211)의 길이이다.
즉, 연속 측정형 박막 열선(210)은, 수학식 3과 같이 평균 온도(ΔT avg )와 열선(211) 중 액체 혼합물 시료에 닿아있는 부분(211L)의 길이(x) 사이의 선형적 상관 관계를 통하여, 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정할 수 있게 된다.
도8은 도5의 연속 측정형 박막 열선을 이용하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정한 실험 결과의 그래프이다. 도8을 참조하면, 실험시, 증류수가 액체 혼합물 시료로 사용되고, 연속 측정형 박막 열선(210)이 박막 열선(10)으로 사용되었다.
신호발생기(20)는 교류 전류의 가열 주파수(=ω/2π)를 8, 30, 107, 591, 5000Hz로 변화시키면서 연속 측정형 박막 열선(210)에 인가하며, 또한 최대 5cm의 증류수 레벨에서 록인 증폭기(30)는 연속 측정형 박막 열선(210)으로부터 전압 신호의 진폭 변화를 연속적으로 읽어 들인다.
도8에서 보는 바와 같이, 교류 전류의 가열 주파수에 상관없이 수학식 3과 같이 액체 혼합물 시료의 레벨과 연속 측정형 박막 열선(210)의 전압 신호 사이에 선형적인 관계가 있음이 확인되었다.
한편, 박막 열선(10)을 이용하여 수학식 1 및 수학식2를 계산하면 액체 혼합물 시료의 열물성을 결정할 수 있다. 특히 열침투깊이가 열선 폭의 1/2인 b보다 매우 크면서 열침투깊이가 시료와 기판의 두께보다 훨씬 작다면, 액체 혼합물 시료의 열전도율은 복소 온도 변화(
Figure 112008069395329-pat00009
)의 실수부와 ln ω 그래프의 기울기를 통하여 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
Figure 112008069395329-pat00010
액체 혼합물 시료의 체적열용량은 단변수 또는 다변수 맞춤 최적화를 통하여 구한다. 단변수 최적화와 다변수 최적화를 위해서 각각 2차 보간법과 파월(Powell)법 등이 사용될 수 있다.
단변수 맞춤 최적화에서는 수학식 4를 이용하여 열전도율을 우선 구한 후, 체적열용량을 단일 맞춤변수로 사용한다. 다변수 맞춤 최적화에서는 액체 혼합물 시료의 열전도율과 체적열용량이 맞춤변수로 사용된다. 수치 해석 온도 데이터와 실험 온도 데이터간의 차함수는 수학식 5와 같이 정의되며, 수치 해석 기법에 의해서 차함수를 최소화할 수 있는 열전도율과 체적열용량을 찾게 된다.
Figure 112008069395329-pat00011
도9는 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용할 때, 액체 혼합물 시료의 유동 영향을 확인하기 위하여, 센서(1) 신호를 측정한 실험 결과의 그래프이다. 도9를 참조하면, 점 측정형 박막 열선(110)이 박막 열선(10)으로 사용되고, 시료에 유동이 있는 경우와 없는 경우가 적용되었다.
점 측정형 박막 열선(110) 이용시, 시료의 유동 영향을 확인하기 위하여, 공 기, 증류수, 에탄올에 유동이 있는 경우와 없는 경우에서, 전압 신호의 진폭 변화 및 온도 신호의 진폭 변화를 측정하였다. 유동은 자기 교반기(미도시)를 이용하여 인공적인 유동을 형성하였다.
도9에서와 같이, 여러 가지 교류 전류의 가열 주파수에 따른 전압 신호의 진폭 변화를 비교해 볼 때, 유동의 영향 즉, 즉 전압 신호 및 온도 신호의 진폭에 변화가 없음을 확인할 수 있다. 따라서 교류 전류 가열을 통하여 열침투 깊이를 줄임으로써 액체 혼합물 시료의 유동의 영향을 거의 없앨 수 있음이 확인되었다.
도10은 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용하여, 증류수의 열물성을 측정하기 위하여, 센서의 온도 및 진동의 진폭을 측정한 실험 결과의 그래프이다. 도10을 참조하면, 점 측정형 박막 열선(110)이 박막 열선(10)으로 사용되고, 증류수가 시료로 사용되었다.
신호발생기(20)가 교류 전류의 가열 주파수(=ω/2π)를 1.5-5000Hz로 변화시키면서 점 측정형 박막 열선(110)에 인가하며, 록인 증폭기(30)는 가열 주파수 범위에서 점 측정형 박막 열선(100)의 온도 변화의 진폭을 측정한다.
점 측정형 박막 열선(110)을 이용하여 증류수의 열물성을 측정하기 위하여 온도 변화의 진폭은 실수부(in phase)와 허수부(out of phase)로 나누어질 수 있으며, 실험값과 수학식 1 및 수학식 2를 이용한 이론값이 일치함을 확인할 수 있다.
도10의 실험값으로부터 저주파수 구간에서 실수부 온도 변화의 진폭이 ln ω에 대하여 선형적인 관계를 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 저주파수 선형 구간으로부터 수학식 4를 이용하여 증류수의 열전도율을 구할 수 있다. 체적열용량은 수 학식 5와 같은 차함수와 단변수 또는 다변수 맞춤 최적화를 통하여 구할 수 있다.
도11은 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용하여, 여러 가지 액체 혼합물 시료들의 열물성 측정 값을 나타내는 그래프이다(a)(b). 도11을 참조하면, 실험시, 폐유, 신유, 메탄올, 에탄올, EG 및 물이 액체 혼합물 시료로 사용되고, 점 측정형 박막 열선(110)이 박막 열선(10)으로 사용되었다. 이를 이용하여, 액체 혼합물 시료들의 열전도율(a)과 체적열용량(b)을 측정한 값이 도11에 도시되어 있다.
이러한 열물성 측정 기술을 이용하면 액체 혼합물 시료의 성분비를 열물성의 변화를 통하여 측정할 수 있게 된다. 도11과 같이 실제 열물성 값을 측정하지 않더라도 도9와 같이 액체 혼합물 시료의 열물성이 반영되어 있는 전압 신호의 상대적인 크기를 이용해도 액체 혼합물 시료의 성분비를 구할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예는 3오메가 열분석법에 기반한 열물성 측정 기술을 이용하여, 액체 혼합물 시료의 레벨 측정과 동시에 액체 혼합물 시료의 성분비를 측정할 수 있다.
도12 내지 도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서의 설치 상태도이다. 도12 내지 도15를 참조하면, 일 실시예에 따른 박막 열선(10)은 액체와 기체의 계면이 존재하는 저장 용기(11), 유체를 다루는 각종 장치(미도시) 및 관(미도시) 내부에 여러 가지 방식으로 설치 및 적용될 수 있다.
예들을 들면, 도12에서, 점 측정형 또는 연속 측정형 박막 열선(10)은 1개로 형성되어, 저장 용기(11)의 내면에 고정 설치되어 있다. 도13에서, 점 측정형 또는 연속 측정형 열선(110)은 1개로 형성되어 저장 용기(11)의 내면에서 움직일 수 있도록 설치되어 있다. 도14에서, 점 측정형 또는 연속 측정형 박막 열선(10)은 2개 이상의 배열을 형성하여 저장 용기(11)의 내면에 고정 설치되어 있다. 도15에서, 점 측정형 또는 연속 측정형 박막 열선(10)은 2개 이상의 배열을 형성하여 저장 용기(11)의 내면에서 움직일 수 있도록 설치되어 있다.
점 측정형 또는 연속 측정형 박막 열선(10)은 당업자에 의하여 다양한 방법 및 구조에 의하여 저장 용기(11)의 내면에 고정 설치 및 움직일 수 있도록 설치될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
개략적으로 예를 들어 설명하면, 고정 구조는 박막 열선(10)을 저장 용기(11)의 내면에 접착제(미도시)를 사용하여 부착할 수 있고, 움직이는 구조는 저장 용기(11)의 내면에 수직 방향으로 가이드(12)를 설치하고, 가이드(12)에 박막 열선(10)을 슬라드 이동하여 스토퍼(미도시)로 정지시키는 구조로 장착할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서의 구성도이다.
도2는 도1에 적용되는 점 측정형 박막 열선의 개략도이다.
도3은 도2의 점 측정형 박막 열선의 실제 형상이다.
도4는 도1에 적용되는 연속 측정형 박막 열선의 개략도이다.
도5는 도4의 연속 측정형 박막 열선의 사진이다.
도6은 도3의 점 측정형 박막 열선을 이용하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정한 실험 결과의 그래프이다.
도7은 도3의 점 측정형 박막 열선을 이용하여 증류수의 레벨 측정을 반복적으로 수행한 실험 결과(a) 및 이때 증류수의 유동 영향(b)의 그래프이다.
도8은 도5의 연속 측정형 박막 열선을 이용하여 액체 혼합물 시료의 레벨을 측정한 실험 결과의 그래프이다.
도9는 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용할 때, 액체 혼합물 시료 유동의 영향을 확인하기 위하여, 센서 신호를 측정한 실험 결과의 그래프이다.
도10은 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용하여, 증류수의 열물성을 측정하기 위하여, 센서의 온도 및 진동의 진폭을 측정한 실험 결과의 그래프이다.
도11은 도3의 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서를 이용하여, 여러 가지 액체 혼합물 시료들의 열물성 측정 값을 나타내는 그래프이다(a)(b).
도12 내지 도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서의 설치 상태도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 액체 혼합물 시료의 레벨 및 성분비 측정 센서
10 : 박막 열선 110, 210 : 점, 연속 측정형 박막 열선
111, 211 : 열선 112, 212 : 전극
I112, I212 : 전류 공급 전극 V112, V212 : 전압 측정 전극
11 : 저장 용기 20 : 신호발생기
30 : 록인(lock-in) 증폭기 40 : 가변저항
50 : 차동 증폭기 60 : 제어부

Claims (14)

  1. 시료의 가열과 온도 측정을 동시에 수행하는 박막 열선;
    상기 박막 열선에 연결되어 교류 전류의 가열 각주파수를 공급하는 신호발생기;
    상기 박막 열선의 온도 신호를 측정하는 록인 증폭기; 및
    상기 록인 증폭기에 연결되어 상호 연동되는 제어부를 포함하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 박막 열선과 상기 록인 증폭기 사이에 연결되어 상기 온도 신호를 증폭하는 차동 증폭기를 더 포함하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 신호발생기와 함께 상기 박막 열선에 직렬로 연결되는 가변저항을 더 포함하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 박막 열선은,
    가열부를 형성하는 열선과
    상기 열선이 온도 측정부를 형성하도록 상기 열선에 연결되어 상기 록인 증폭기에 연결되는 전극을 포함하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전극은,
    교류 전류를 공급하는 2개의 교류 공급 전극과
    상기 열선의 전압 신호를 측정하는 2개의 전압 측정 전극을 포함하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 박막 열선은,
    한 지점에서 액체 시료의 존재 유무를 측정하는 점 측정형 박막 열선을 포함하며,
    상기 점 측정형 박막 열선은,
    상기 한 지점에서 상기 액체 시료의 레벨 변화에 따른 상기 열선의 전압 신호를 측정하여, 상기 열선의 온도 변화를 감지하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 박막 열선은,
    한 범위에서 액체 시료의 레벨을 연속적으로 측정하는 연속 측정형 박막 열선을 포함하며,
    상기 연속 측정형 박막 열선은,
    상기 액체 시료의 깊이 방향을 따라 신장되는 상태로 배치되어, 상기 열선의 길이 내에서 상기 액체 시료의 레벨 변화에 따른 상기 열선의 전압 신호를 측정하여, 상기 열선의 온도 변화를 감지하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 록인 증폭기는,
    ω각주파수의 상기 교류 전류에 의해 가열된 상기 박막 열선의 3ω각주파수의 전압 신호를 측정하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 가변저항과 상기 차동증폭기는,
    저항값과 이득값을 각각 조정하여 상기 박막 열선의 ω각주파수의 전압 신호를 제거하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 차동증폭기는,
    외부 노이즈 신호를 제거하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센 서.
  11. 제3 항에 있어서,
    상기 신호발생기가 상기 박막 열선에 공급하는 교류 전류는 ω각주파수를 가지는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  12. 제3 항에 있어서,
    상기 신호발생기는 상기 박막 열선의 온도 상승이 방지되도록 상기 교류 전류의 진폭을 제어하는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  13. 제3 항에 있어서,
    상기 박막 열선은 액체와 기체의 계면이 존재하는 부분에 설치되는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 박막 열선은,
    상기 액체와 상기 기체의 계면 주위에 하나 또는 복수로 설치되며,
    고정 또는 이동 구조로 설치되는 액체 혼합물 시료의 레벨 및 혼합비 측정 센서.
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