KR101557878B1 - 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

파이프 내부에서 이루어지는 유체 유동의 스루풋을 최소의 기술적 및 특히 장치적인 비용으로 매우 정확하게 결정하기 위하여, 본 발명은 유체 유동의 스루풋을 결정하기 위한 방법 및 장치를 제안하며, 본 발명에 따른 방법에서 유체는 광학 가열-빔에 의해서 가열되고, 가열 장소는 광학 검출-빔에 의해서 조사(照射)되며, 이때 가열-빔 및 검출-빔의 광학 축들은 적어도 가열 장소에서 일치하고, 검출-빔은 검출기-어레이에 의해서 기록되며, 본 발명에 따른 장치에서 유체의 제한된 한 내부 영역을 가열하기 위한 장치 및 레이저 빔을 가이드 하는 광학 장치는 측정 빔이 가열된 영역을 자신의 절대적인 가열 장소에서 조사하도록 배치되어 있다.

Description

유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE THROUGHPUT OF A FLOWING FLUID}
본 발명은 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법 및 장치와 관련이 있다.
종래의 방법 및 장치들은 다양한 실시 예들로 공지되어 있다.
따라서, 유체의 속도를 추론하기 위하여 유체의 - 다른 폭으로 - 가열된 구역을 통과하는 - 폭이 좁은 - 레이저 빔의 편향을 측정하는 방식이 공지되어 있다.
대안적으로는, 경우에 따라 광학적인 검출기 장치를 사용해서 경우에 따라 마찬가지로 광학적으로 발생되는 가열 장소의 흐름 방향 아래쪽에서, 가열 장소로부터 측정 장소까지 단시간 동안 가열된 영역의 통과 시간을 통해 유체의 유동 속도를 측정하는 방식도 공지되어 있다.
상기 방식에서의 단점은, 공간적으로 분리된 두 가지 작업 장소 및 작업 장치가 한 편으로는 가열을 위해서 그리고 다른 한 편으로는 가열을 검출하기 위해서 반드시 필요하다는 것이다.
본 발명의 과제는, 전술된 단점들을 피하면서 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 개선된 방법 및 개선된 장치를 제공하는 것이다.
방법과 관련된 상기 과제는 본 발명에 따라, 유체가 광학 가열-빔에 의해서 가열되고, 가열 장소가 광학 검출-빔에 의해서 조사(照射)되며, 이때 가열-빔 및 검출-빔의 광학 축들은 적어도 가열 장소에서 일치하고, 검출-빔이 검출기-어레이에 의해서 기록됨으로써 해결된다.
장치와 관련된 상기 과제는 본 발명에 따라, 측정 빔이 가열된 영역을 자신의 절대적인 가열 장소에서 조사하도록, 유체의 제한된 한 내부 영역의 내부 영역을 가열하기 위한 장치 및 레이저 빔을 가이드 하는 광학 장치가 배치됨으로써 해결된다.
스루풋은 처리율, 처리 속도, 용적 처리량 등과 같은 특징적인 변수를 지시한다. 레이저 빔과 같은 광학 빔이 유체 내에서, 특히 물속에서 부분적으로 흡수됨으로써 - 파장이 970 nm일 때 상기 광학 빔의 흡수 계수는 0.46 m-1임 - 가열된 영역에서는 열에 의해 렌즈가 유도되었다. 렌즈 그리고 특히 유동을 유도하는 상기 렌즈의 특성들은 유동 속도를 결정하기 위해서 측정된다. 상기 측정이 동일 레이저 빔의 흡수되지 않은 광에 의해서 이루어짐으로써, 결과적으로 여기 빔과 측정 빔은 일치하게 된다. 이 방법은 가열된 유체의 광학적인 특성들의 열에 의해서 유도되는 변형들을 비침입성으로(noninvasive), 무접촉 방식으로 열적으로 측정하는 방법이다. 측정은 가열과 동일한 절대적인 장소에서 이루어진다: 다시 말해 가열 장소와 측정 장소는 공간적으로 일치하거나 또는 공간적으로 중첩된다. 레이저 빔의 검출은 다수의(적어도 두 개의) 개별 검출기를 구비한 검출기-어레이에 의해서 이루어지며, 이 경우에는 입사되는 광 빔의 광을 다수의 개별 검출기들이 동시에 검출한다. 상기 레이저 빔은 유체 내에서 열에 의해 유도되는 열적인 렌즈에 의한 분산 외에 추가로 파이프 외부에서 검출기-어레이 앞에 배치된 광학 렌즈 또는 광학 렌즈 그룹에 의해서 확장될 수 있다. 그럼으로써, 가열 영역의 다양한 특성들 및 상기 가열 영역의 오프셋(이동)뿐만 아니라, 상기 가열 영역의 변형, 즉 유동 동작에 의해서 야기되는 가열된 영역에서의 형태 변형도 검출될 수 있다. 다시 말해, 본 발명에 따르면 유도된 열적 렌즈의 굴절 지수가 광 빔의 편향에 의해서 광역적으로 결정될 뿐만 아니라, 더 넓은 범위에 걸친 폭넓은 측정 그리고 상기 렌즈의 유동에 의해서 유도되는 특성들, 특히 변형들도 이루어진다. 유체는 광학적인 빔에 의해서 (무접촉 방식으로) 가열되며, 이 경우 특히 유체를 가열하는 빔은 상기 유체를 통과한 상기 빔의 광에 의해서 검출된다.
바람직한 실시 예들에 따르면, 가열-빔 및 검출기-빔이 동일한 방사선원으로부터 방사되거나 또는 가열-빔 및 검출기-빔이 다양한 방사선원들로부터 방사된다. 가열-빔 및 검출기-빔이 다양한 방사선원들로부터 방사되는 경우에는 방사선원이 동일한 또는 상이한 주파수 범위를 가질 수 있다. 광원에 의해서 가열-빔 및 검출-빔을 형성하는 방식은 빔을 분할함으로써, 상이한 광학 필터를 통해 필터링 함으로써 그리고/또는 상이한 투영 렌즈들을 통해 상이하게 확대함으로써 이루어진다.
상기 내용에 따르면, 유체의 한 영역을 가열하기 위한 장치는 또한 측정 광원과 일치하는 레이저와 같은 방사선원 또는 광원일 수도 있으며, 이 경우 특히 빔 가이드는 가열-빔과 검출-빔이 동일한 빔이 되도록 이루어지는데, 다시 말하자면 방사선원 또는 광원의 빔들이 전혀 분할되지 않는다.
바람직한 개선 예에서는 검출-빔이 가열-빔보다 더 큰 평균 직경을 가질 수 있다.
광학 빔은 파이프 및 그와 더불어 유체 유동 내부에서 또는 파이프 외부에서도 포커싱 될 수 있거나 또는 평행 빔으로서 파이프를 통과할 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선 예에서는, 시간적으로 연속하는 측정들이 검출기-어레이에 의해서 실시될 수 있다. 바람직한 실시 예에서 제시된 바와 같이 광원이 변조된 혹은 펄스화 된 레이저인 경우에는, 시간적으로 연속하는 측정들이 레이저 펄스 내에서 실시될 수 있다. 그럼으로써, 유동 속도에 의해서 영향을 받은, 가열 영역 내에서 시간에 따라 이루어지는 가열 발생이 검출될 수 있다.
선형 검출기-어레이에 의해서 검출이 이루어지고, 이때 선형 검출기-어레이의 정렬이 유동 방향으로 이루어지는 기본적인 방식이 제시될 수 있는 한편, 한 바람직한 실시 예에서는 평평한(2차원적인) 검출기-어레이에 의해서 검출이 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 개선 예들에서는 수신된 광학 빔의 프로필로부터 스루풋이 결정되며, 이때 특히 평균값, 분산(Variance), 경사도 및/또는 첨도(Kurtosis) 그리고 유체의 유동 속도와 같은 수신된 신호의 통계적인 모멘트는 이 통계적인 모멘트의 하강을 결정함으로써 결정된다. 각각의 결정된 (통계적인) 모멘트는 빔 형태의 상이한 특징, 그와 더불어 열적 렌즈의 형태 및 그와 더불어 유동 속도와 연관이 있다. 시간에 걸친 통계적인 모멘트의 지수적 특성으로부터 얻어지는 유동값에 대하여 대안적으로, 레이저 여기 주파수가 주어진 경우에는 통계적인 모멘트의 위상 이동이 결정될 수 있다. 따라서, 광학 빔의 위치의 평균값의 이동은 스루풋을 위한 척도로서 결정될 수 있고 그리고/또는 광학 빔의 분산 감소는 스루풋에 의해서 결정될 수 있다. 본 발명의 다른 바람직한 개선 예에서는 광학 빔의 세기가 변조되고, 상기 변조의 위상 이동이 결정되며, 광학 빔이 다수의 주파수로 변조되며 그리고/또는 광학 빔이 확률론적으로 변조된다.
본 발명의 추가의 장점들 그리고 특징들은 청구항들로부터 그리고 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들이 상세하게 설명된 아래의 설명 부분으로부터 드러난다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 전체 개관도이며;
도 2.1 내지 도 2.7은 유동 유체를 조사하는 광학 가열-빔 및 검출-빔의 다양한 실시 예들을 일부는 평행 빔으로서 도시하고, 일부는 포커싱 된 상태로 도시한 개략도이고;
도 3.1, 3.2는 가열-빔 및 검출-빔을 위한 다양한 방사선원을 갖는 본 발명의 두 가지 실시 예로서, 이때 상기 빔들은 도 3.1에서는 평행 빔으로서 통과하고, 도 3.2에서는 유체 내부에 있는 영역에 포커싱 되며;
도 4는 측정-빔과 가열-빔이 일치하지 않는 경우에 상기 빔들의 횡단면 상태를 도시한 도면이고;
도 5는 다양한 시간에 걸쳐서 유동 방향으로 분포된 측정-빔의 분포 곡선의 진행 상태를 도시한 도면이며;
도 6.1은 다양한 처리율에 대한 평균값을 ml/min으로 도시한 도면이고;
도 6.2는 다양한 유동 동작에 대한 표준 편차를 도시한 도면이며; 그리고
도 7은 출발 변조와 수신된 광학 빔 간의 위상 관계의 변동을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 장치(1)는 광학 장치(2), 이 광학 장치 앞에 배치된 레이저 전자 장치(3), 증폭기 장치(4), 전자식 평가 장치(5) 그리고 인터페이스 장치(6)를 포함한다. 또한, 개별 전기 및 전자 부품들에 전압을 공급하는 전압 공급부(7)도 제공되었다.
적어도 측정 영역에 측정-빔(2.3)을 투과시키는 벽(2.1.1.), 예를 들어 유리로 이루어진 벽을 갖고 유체(8)를 가이드 하는 파이프(2.1)가 광학 장치(2)를 통과한다.
상기 광학 장치는 레이저(2.2)를 광학 광원으로서 가지며, 상기 레이저는 예를 들어 970 ± 15 nm의 파장으로 그리고 100 mW의 파워로 작동된다. 광학 빔(2.3) 또는 레이저 빔은 제 1 렌즈(2.4)에 의해서 평행하게 되고, 파이프(2.1)를 조사하며, 다수의 개별 검출기를 구비한 검출기-어레이(2.5)에 투사된다. 검출기-어레이(2.5)는 전자식 증폭기(4.1)에 연결되어 있다.
레이저 제어 장치(3)는 변조기(3.1) 그리고 레이저(2.2)를 제어하기 위한 레이저 구동 장치(3.2)를 포함한다.
증폭기(4.1) 뒤에서 평가 장치(5) 안에는 아날로그-디지털 변환기(5.1) 그리고 컴퓨터 또는 바람직하게 디지털 프로세서의 형태로 된 프로세서(5.2)가 배치되어 있다. 인터페이스는 산출된 데이터를 디스플레이, 저장 매체 및/또는 프린터 상에 출력하기 위해서 이용되며, 레이저 제어 장치 그리고 평가 제어 장치를 튜닝하기 위하여 그리고 경우에 따라서는 레이저 동작을 피드백하거나 또는 조절하기 위하여 제어 라인(9.1, 9.2)이 제공되었다.
도 2.1에 도시된 광학 장치는 도 1의 광학 장치에 상응하고, 광학 빔을 평행하게 하기 위한 렌즈(2.2)를 포함하며, 상기 광학 빔은 평행 빔으로서 파이프(2.1)를 조사하고, 그와 더불어 상기 파이프를 통과하는 유체(8)를 조사한다. 유체의 유동 방향은 상황 S에 의해서 지시되었다.
도 2.2의 실시 예에서는 파이프(2.1) 앞에 추가의 렌즈(2.6)가 제공되어 있고, 상기 렌즈는 빔(2.2)을 유체(8) 내부에 포커싱 하며, 이때 상기 빔은 유체로부터 발산 방식으로(divergent) 방사되어 검출기-어레이(2.5)에 투사된다.
도 2.3의 실시 예에서는 두 개의 렌즈(2.4 및 2.6)에 추가로 레이저(2.2)로부터 다른 쪽을 향하는 파이프(2.1)의 측에 빔(2.2)을 더욱 확장시키는 추가의 렌즈(2.7)가 제공된다.
도 2.4의 실시 예는 광 빔의 포커싱이 렌즈(2.6)에 의해 레이저 측 파이프(2.1) 앞에서 이루어진다는 점에서 도 2.2 및 도 2.3의 실시 예들과 상이하다.
도 2.5의 실시 예를 그에 상응하며, 이때 이 실시 예에서도 재차 레이저(2.2)로부터 다른 쪽을 향하는 파이프(2.1)의 측에서는 렌즈(2.7)에 의해 확장이 이루어진다.
도 2.2. 및 도 2.3의 실시 예들에서는 포커스가 유체 내부에 있으나, 레이저(2.2)로부터 다른 쪽을 향하는 측에서는 대칭 축에 대하여 상대적으로 놓여 있는 한편, 도 2.6의 실시 예에서는 상기 포커스가 대칭 축으로부터 볼 때 레이저로부터 다른 쪽을 향하는 그리고 포토-어레이(2.7) 쪽을 향하는 측에서 유체 내부에 놓여 있다.
도 2.7의 실시 예는 재차 도 2.1의 실시 예와 마찬가지로 평행 빔을 갖지만, 상기 평행 빔은 도 2.5 및 도 2.6의 실시 예들에 상응하게 렌즈(2.7)에 의해 레이저로부터 다른 쪽을 향하는 측의 검출기-어레이(2.5) 앞에서 확장된다.
도면에 도시된 도 1 및 도 2.1 내지 도 2.7의 실시 예들에서는 광학 빔 또는 레이저 빔이 방사되며, 상기 광학 빔 또는 레이저 빔은 파이프(2.1) 내부를 흐르는 유체(8)를 가열시킬 뿐만 아니라 이 가열에 의해서 형성되는 광학 렌즈 및 상기 유동에 의해서 영향을 받는 렌즈의 형상까지도 검출하는데, 다시 말하자면 상기 광학 빔 또는 레이저 빔은 가열 빔으로서 이용될 뿐만 아니라 측정 빔으로서도 이용된다.
도 3.1 및 도 3.2는 검출 빔(2.3) 및 가열 빔(2.10)을 위한 두 개의 상이한 방사선원 또는 광원(2.2, 2.8)을 갖는, 도 2.1 내지 도 2.7의 실시 예들에 대안적인 실시 예들을 보여주고 있다. 검출 빔(2.3)의 배열 및 구조가 각각 도 2.1 및 도 2.2의 도 3.1, 도 3.2의 실시 예들에 상응함으로써, 결과적으로 설명을 위해서는 기본적으로 이와 같은 실시 예들이 참조될 수 있다. 동일한 부품들은 동일한 도면 부호로 표기된다. 검출 빔(2.3)을 위한 방사선원(2.2)이 제공되었다. 방사 방향으로 상기 방사선원 뒤에는 수집 렌즈가 배치되어 있으며, 상기 수집 렌즈는 도 3.1, 도 3.2의 두 가지 실시 예들에서는 검출 빔(2.3)을 평행하게 한다. 도 2.1, 도 2.2의 실시 예들과 달리 그리고 이 실시 예들을 보완하기 위하여, 상기 검출 빔은 이 검출 빔이 파이프(2.1) 및 이 파이프를 통해 흐르는 유체(8)를 통과하기 전에 빔 방향에 대하여 45˚로 설정된 부분 투과성 미러(2.11)를 연속으로 통과한다. 상기 검출 빔은 도 3.1의 실시 예에서는 평행 빔으로서 파이프(2.1) 및 이 파이프에 검출을 내는 유체(8)를 통과한 후에 이어서 검출기 어레이(2.5)에 입사된다.
도 3.2의 실시 예에서는 검출 빔(2.3)이 부분 투과성 미러(2.11)를 통과한 후에 수집 렌즈(2.6)에 의해서 파이프(2.1) 내부로 그리고 그와 더불어 이 파이프를 통해 흐르는 유체(8) 내부로 포커싱 되고, 발산성 빔으로서 검출기 어레이(2.5)에 입사된다.
검출 빔의 주파수 및 파워는 이 검출 빔이 유체(8)의 중요한 가열을 전혀 야기하지 않도록 선택되었다.
상기 목적을 위하여 가열 빔(2.10)을 방사하는 제 2 방사선원 또는 광원(2.8)이 제공되었다. 상기 가열 빔은 우선 수집 렌즈(2.9)를 통과하고, 빔(2.3)이 수집 렌즈(2.4)에 의해서 평행하게 되는 것과 유사하게 상기 수집 렌즈(2.9)에 의해서 평행하게 된다. 그 다음에 상기 가열 빔이 부분 투과성 미러(2.11)의 파이프(2.1) 쪽을 향하는 측에 입사되어 상기 미러에서 반사되고 90˚만큼 편향됨으로써, 결과적으로 미러링(mirroring) 후에는 상기 가열 빔의 광학 축이 검출 빔(2.3)의 축과 일치하게 된다. 가열 빔(2.10)은 도 3.2의 실시 예에서도 마찬가지로 수집 렌즈(2.6)를 통과하여 유체(8) 내부에 포커싱 되는 한편, 도 3.1의 실시 예에서 상기 가열 빔은 평행 빔으로서 상기 유체 내부로 입사된다.
도 3.1 및 도 3.2를 간략하게 하기 위하여 미러링 후에 빔(2.3 및 2.10)은 횡단면 치수 및 빔 가이드가 일치하도록 도시된 한편, 도 4에 도시되어 있고 이하에 설명된 바와 같이 상이할 수 있다.
더 나아가 경우에 따라서는 검출 빔을 평행 빔으로서 유체를 통과시키고 가열 빔(2.10)을 유체 내부로 포커싱 하는 것 또는 그 반대, 즉 가열 빔을 평행 빔으로서 유체를 통과시키고 검출 빔을 유체 내부로 또는 도 2.3 내지 도 2.6에 도시된 다른 방식으로 포커싱 하는 것도 가능하다. 이 경우에는 상황에 따라 부분 투과성 미러(2.11)가 수집 렌즈(2.6) 뒤에 배치되어 있고, 상기 수집 렌즈는 원하는 빔 포커싱에 따라 검출 빔(2.3)의 빔 경로 안에 있거나 또는 가열 빔(2.10)의 빔 경로 안에 있다. 더 나아가서는 도 2.3, 도 2.5 내지 도 2.7의 실시 예들도 가능한데, 다시 말하자면 검출 빔을 위한 분산 렌즈(2.7)는 검출 빔의 통과 후에 파이프(2.1)를 통과할 수 있고, 유체(8)는 실시 예에서 검출 빔(2.3) 및 가열 빔(2.8)을 위한 두 개의 상이한 방사선원을 통과할 수 있다.
도 4의 실시 예는 두 개의 빔 그리고 특히 측정 빔(2.3) 외에 별도의 가열 빔(2.3.1)을 제시한다. 중요한 사실은, 상기 별도의 가열 빔(2.3.1)이 측정 빔(2.3)의 직경보다 크지 않은, 다시 말해 같거나 작은 직경을 갖는다는 것이다. 도시된 실시 예에서 측정 빔(2.3) 및 가열 빔(2.3.1)은 동축으로 가이드 된다. 상기 빔들은 상이한 광원들로부터 유래하거나 또는 하나의 광원으로부터 유래할 수 있으며, 도시된 광 경로에 상응하는 방식으로 입사될 수 있다.
변조된 또는 펄스화 된 레이저가 레이저(2.2)로서 사용되기 때문에, 결국 레이저 빔은 변조된 또는 펄스화 된 레이저 빔(2.3)이 된다.
다수의 개별 검출기를 갖는 검출기-어레이(2.5)가 제공되며, 이 경우 검출기-어레이(2.5)는 선형 또는 평평한 검출기-어레이일 수 있고, 단지 렌즈에 의한 레이저 빔의 국부적인 편향만이 확인되는 것이 아니라, 이로써 다수의 개별 검출기에 의해서는 가열에 의해 형성되는 열 렌즈의 전체적인 특성들이 결정될 수 있다. 시간에 걸쳐서 다수 회의 측정이 - 레이저 펄스 안에서 - 실시됨으로써, 열 렌즈의 시간에 따른 진행 특성이 검출될 수 있고, 이와 같은 시간에 따른 진행 특성은 주로 유체의 유동 속도에 의해서 결정된다. 유동 특성을 더욱 정확하게 결정하기 위하여, 수신된 신호의 통계적인 평가들이 평가 장치(4)에 의해서 실시되는데, 특히 제 1 모멘트는 평균값으로서 결정되고, 제 2 모멘트는 분산으로서 결정되며, 제 3 모멘트는 통계적인 경사도로서 그리고 제 4 모멘트는 첨도 혹은 곡률로서 결정된다.
광 에너지, 특히 레이저 에너지를 유체(8) 내부에 조사함으로써 국부적인 온도 상승이 이루어지며, 이와 같은 국부적인 온도 상승은 레이저 세기와 직접적으로 연관되어 있고, 유체 내에서는 온도의 균일하지 않은 분포를 야기한다. 그럼으로써 열 렌즈의 효과가 유도되는데, 이와 같은 열 렌즈 효과는 광 빔에 영향을 미치고 그와 더불어 검출기 장치에 의해서 기록된 세기- 또는 파워 프로필을 변형시킨다. 유체 유동에 의해서는 온도 분포가 변경되고, 그에 따라 수신된 광 파워의 프로필도 변경된다. 이와 같은 변경은 레이저 제어와 더불어 유동 유체의 유동 특성들을 결정하기 위해서 이용된다.
유체가 흐르지 않는 경우에는 수신된 빔의 세기- 또는 파워 프로필이 대칭이고, 열 렌즈의 효과는 세기 프로필의 폭 축소에서 나타난다(하지만, 이 경우에는 시스템의 물리적인 구성 및 레이저 포커싱에 따라서도 레이저 빔의 확장이 이루어질 수 있다). 유체가 흐르는 경우에는 온도 프로필이 더 이상 대칭이 되지 않는다.
상기와 같은 내용으로부터 드러나는 사실은, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저의 세기 분포가 유체의 정지 상태에서의 위치로부터 벗어나서 대칭이 되지 않는다는 것이다. 이와 같은 편차는 본 발명에 따르면 처리율 또는 용적 흐름과 같은 유체 유동의 특징들 또는 특성들을 결정하기 위해서 이용되며, 이 경우 유속과 처리율은 파이프의 직경에 걸쳐서 서로 직접적으로 연관되어 있다.
레이저의 펄스 변조시에는 하나의 펄스 동안 다수 회의 측정들이 실시되고, 수신된 신호들이 처리된다. 상기 펄스들의 지속 시간 및 주파수는 바람직하게 시스템의 시간 상수에 맞추어 조절된다. 상기 시간 상수는 부품들 간의 거리와 같은 시스템의 물리적인 구성, 레이저 빔의 포커싱 그리고 결정될 흐름율의 범위에 의존한다. 레이저가 입사되면 온도가 상승하기 때문에, 레이저 빔의 수신된 파워 프로필 또는 세기 프로필은 시간에 따라 변경된다. 이와 같은 시간에 따른 변경은 시스템 내에서의 유체의 속도 그리고 처리율에 의존한다. 확인된 사실은, 레이저 세기 분포의 평균 위치 또는 위치-평균값의 변경 그리고 그 폭 변경(표준 편차)이 유동 속도와 관계가 있다는 것이다. 그에 따라, 유동 방향으로 연속하는 검출기-어레이의 개별 검출기 소자들에 의해 수신된 광 세기를 토대로 하여 통상적인 방식으로 상기 수신된 광 세기의 (국부적인) 평균값 및 표준 편차가 결정될 수 있다.
도 6.1 및 도 6.2로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 도면들은 지수적인 분해 그리고 그와 유사한 시간 특성을 보여주고 있다. 경사도 및 첨도와 같은 더 높은 차수의 모멘트들도 결정될 수 있고, 이와 같은 모멘트들은 또한 처리율과도 관련이 있다. 상기와 같은 값들은 수집된 데이터를 데이터-부분 공간(subspace)에 투영하는 한 가지 예를 형성하며, 이로써 신호들 안에 있는 상이한 부분 요소들이 분리될 수 있고, 이와 같은 방식에 의해서 처리율의 결정이 개선될 수 있다.
도면들이 보여주는 바와 같이, 평균값은 예를 들어 μ(t)
Figure 112010031899162-pct00001
α0 + α·e-t/τ의 형태로 된 또는 μ(t) = γ + Σβitanh(αit)의 형태로 된 모델에 의해서 근사될 수 있으며, 이 경우 후자의 모델은 개선된 분산을 갖고, 초기 조건들에 대한 감도는 지수적 모델에 대하여 줄어들었다.
모델 일반식들 안에 있는 파라미터들은 처리율에 맞추어 조절될 수 있으며, 이 경우에는 선형의 모델들 외에 비선형의 모델들도 이용될 수 있다.
레이저의 펄스화된 여기를 위해 개발된 알고리즘은 시스템의 지수적 응답을 암시한다. 필터 이론에서는 상기와 같은 응답이 제 1 차수의 자기회귀(auto-regressive) 모델에 상응한다. 확인된 사실은, 평균값-위치의 진행을 나타내는 지수적 모델의 시간 상수가 처리율에 대하여 밀접한 관계를 맺고 있다는 것이다. 시스템이 제 1 차수의 자기회귀 필터와 동일한 특성을 나타낸다고 가정하면, 응답 위상은 처리율에 따라서 변경된다. 그렇기 때문에 출발 레이저 파워가 코사인 함수에 따라 변경되고, 수신된 평균 레이저 파워-위치(또는 더 높은 차수의 모멘트)와 변조된 출발 신호 사이에서 위상 이동이 검출되면, 이로써 처리율도 얻어질 수 있다. 펌프에 의해 펌핑된 유체의 스루풋이 결정되고, 펌핑 주파수가 변조 주파수 가까이에 놓여 있으면, 문제점들이 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점들은 레이저가 두 가지 상이한 주파수로 변조되고, 상기 두 가지 주파수로부터 처리율이 결정됨으로써 극복될 수 있으며, 이 경우 수신된 신호는 대략 각각의 주파수만큼 필터링 된다. 다른 해결책은 장애를 일으키는 상호 작용을 검출하는 것 그리고 변조 주파수를 변경하는 것이다. 또한, 주요 성분 분석(Principle Component Analysis - PCA)에 의해서는 센서 내부에서 발생하는 다양한 모드의 진동들도 분리될 수 있다.
위상 이동이 속도에 따라 변경되는 특성은 도 7에 도시되어 있다.
다수의 변조 주파수를 레이저 변조의 목적으로 사용하는 것이 바람직함으로써, 모니터링 할 처리율 범위가 확대될 수 있다. 예를 들어 해상도는 예컨대 10 Hz의 낮은 변조 주파수에서보다 통상적으로 분당 0 내지 6 밀리리터(파이프 내부 직경이 4mm인 경우)의 적은 처리율에서 더 우수한 한편, 예를 들어 80 Hz의 더 높은 변조 주파수에 의해서는 측정 범위가 분당 25 밀리리터까지 확대될 수 있다.
레이저가 펄스화된 경우에는 수신된 신호의 시간적인 정보가 처리율을 결정할 목적으로 이용되는 한편, 레이저의 출발 세기를 변조하는 경우에는 시간적인 응답뿐만 아니라 주파수 응답도 선택된 주파수에서 이용된다. 전체 시간-주파수-범위를 이용하기 위해서는 잡음이 레이저를 제어할 목적으로 확률론적으로 이용될 수 있다(예를 들어 백색 잡음, 경우에 따라서는 필터링 됨). 그럼으로써 더 넓은 주파수 범위가 커버 될 수 있다. 시스템 응답 및 그와 더불어 전달 함수(transfer function)를 결정함으로써, 주파수 범위와 처리율 간에 관계가 만들어질 수 있다.
1: 장치
2: 광학 장치
2.1: 파이프
2.1.1: 벽
2.2: 레이저
2.3: 광학 빔
2.3.1: 가열 빔
2.4: 렌즈
2.5: 검출기-어레이
2.6: 렌즈
2.7: 렌즈
2.8: 방사선원 또는 광원
2.9: 수집 렌즈
2.10: 가열 빔
2.11: 미러
3: 레이저 전자 장치
3.1: 변조기
3.2: 레이저 구동 장치
4: 증폭기 장치
4.1: 증폭기
5: 평가 장치
5.1: 아날로그 디지털 변환기
5.2: 디지털 프로세서
6: 인터페이스 장치
7: 전압 공급부
8: 유체
9.1, 9.2: 제어 라인

Claims (31)

  1. 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법으로서,
    광학 가열 빔을 이용해서 유체를 가열하며,
    광학 검출 빔에 의해 가열 장소를 조사하는, 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    가열-빔의 광학 축과 검출-빔의 광학 축은 적어도 가열 장소에서는 일치하며, 그리고
    검출기-어레이를 이용해서 상기 검출-빔을 기록하며,
    적어도 분산의 통계적인 모멘트를 결정하고,
    상기 광학 빔을 세기 변조하고, 상기 변조 및 측정의 위상 이동을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유동 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동일한 방사선원으로부터 가열-빔 및 검출-빔을 방사하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다양한 방사선원으로부터 가열-빔 및 검출-빔을 방사하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출-빔은 가열-빔보다 더 큰 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 빔 또는 레이저 빔들을 유체 내부에 있는 영역에 포커싱 하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    유체를 통과하는 빔(들)은 평행 빔들인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔(들)은 변조된 광학 빔들인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기-어레이에 의해서 시간적으로 연속하는 다수 회의 측정들을 실시하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    시간적으로 연속하는 다수 회의 측정들을 광 펄스 동안에 실시함으로써, 유체 내부에서 나타나는 가열 영역의 굴절 지수의 시간 파형을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    선형의 검출기-어레이를 이용해서 검출을 실행하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    평평한(2차원의) 검출기-어레이를 이용해서 검출을 실행하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    광학 빔의 수신된 프로필로부터 스루풋을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    통계적인 모멘트의 하강을 결정함으로써 유체의 유속을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    평균값, 분산, 경사도 및/또는 첨도와 같은 수신된 신호의 통계적인 모멘트들을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    광학 빔의 위치의 평균값 이동을 스루풋을 위한 척도로서 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 스루풋에 의해서 광학 빔의 분산의 변형을 결정하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  17. 삭제
  18. 제 1항에 있어서,
    다수의 주파수로 광학 빔을 변조하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 빔을 확률론적으로 변조하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 방법.
  20. 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치로서,
    유체(8)에 의해서 관류되고, 측정 빔(2.3)에 대하여 적어도 부분적으로 투과적인 벽(2.1.1)을 갖는 파이프(2.1),
    유체(8) 내부에 있는 적어도 한 영역을 가열하기 위한 장치,
    측정 빔을 형성하기 위한 레이저(2.2) 그리고
    전자식 평가 장치(5)를 포함하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 가열하기 위한 장치와 레이저(2.2)의 빔(2.3)을 안내(guide)하는 광학장치(2.4,2.6)는 측정 빔(measuring beam)(2.3)이 절대적 가열위치의 가열영역(heated area)을 조사하도록 배치되며,
    상기 광학장치(2.4,2.6)는 상기 가열하기 위한 장치의 가열빔 및 상기 측정 빔(2.3)의 광축이 상기 가열위치에서 일치하도록 배치되고,
    측정 빔을 수신하기 위한 검출기-어레이(2.5)가 제공되어 있으며,
    평가 장치는 적어도 분산의 통계적인 모멘트를 결정할 목적으로 형성되고,
    상기 측정 빔 및 상기 가열 빔은 세기 변조되고, 상기 변조 및 측정의 위상 이동이 결정되는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    유동 유체를 가열하기 위한 장치가 레이저(2.2)인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 측정 빔(2.3)을 형성하는 레이저(2.2)가 유체를 가열하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 광학 장치(2.4, 2.6)는 상기 광학 빔(2.3)이 분할되지 않은 상태로 유체(8)에 의해서 정렬되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    레이저 빔을 유동 유체(8) 내부로 포커싱 하기 위한 포커싱 렌즈(2.6)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  25. 제 20 항에 있어서,
    평행 빔을 이용해서 상기 유체(8)를 평행하게 하고 그리고 상기 유체(8)를 조사하기 위한 렌즈(2.4)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 레이저(2.2)(들)가 변조된 레이저인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  27. 제 20 항에 있어서,
    시간적으로 연속하는 다수 회의 측정들을 실시하기 위해서 형성된 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    레이저 펄스 동안에 연속하는 다수 회의 측정들을 실시하기 위해서 형성된 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  29. 제 20 항에 있어서,
    상기 검출기-어레이(2.5)가 선형의 검출기-어레이인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 검출기-어레이(2.5)는 평평한/2차원인 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
  31. 제 20 항에 있어서,
    상기 평가 장치는 평균값, 분산, 통계적인 경사도 및/또는 첨도와 같은 수신된 신호의 통계적인 모멘트들을 결정하기 위하여 형성된 것을 특징으로 하는, 유체의 스루풋을 결정하기 위한 장치.
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