KR101613951B1 - 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템 및 그 방법 - Google Patents

외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템에 관한 것으로, 유체가 이송되는 관로 또는 노지의 하천 및 하수 등의 농도를 측정하여 모니터링 할 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 농도측정장치(100)와 상기 농도측정장치(100)와 연동되는 초음파송신센서(200) 및 초음파수신센서(300)로 구성되는 시스템에 적용된다.
이때, 상기 농도측정장치(100)는 전압가변부(10), 변압부(20), 믹싱부(30), 제어부(40)로 구성되며, 디지털/아날로그 컨버터(50), 아날로그/디지털 컨버터(60) 및 아날로그 저역통과 필터(70)를 더 포함하여 구성된다.

Description

외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템 및 그 방법{ULTRASONIC MEASURE SYSTEM FOR CONCENTRATION TO BE ATTACHED ON THE WALL AND METHOD IT}
본 발명은 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 제로가 이송되는 관로 또는 노지의 하천 및 하수 등의 농도를 측정하여 모니터링 할 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적인, 초음파 농도측정장치는 배관내에 액체와 함께 유동하는 각종 슬러지의 농도를 실시간으로 측정하는 계측기이다.
즉, 초음파 발신부에서 방사된 초음파는 유체(시료수)를 통과하면서 유체에 포함된 불순물, 이물질, 부유물질 등에 의한 산란, 흡수 등에 의해 감쇠현상을 거친 상태로 초음파 수신부에서 수신되고, 수신된 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하게 된다.
그러나, 종래의 초음파 농도측정장치는 초음파 발신부 및 초음파 수신부의 송수신센서의 고정 또는 감도 저하 등으로 인하여 센서를 분리하여야 할 경우 농도측정장치의 전후단에 설치된 밸브를 잠그고 바이패스밸브를 열어 유체를 농도측정장치를 우회하여 흐르도록 한 후 교체해야만 하였다. 이에 따라 추가적으로 농도측정장치 이외에도 바이패스 배관과 밸브 등도 함께 설치하여야 하기 때문에 설치비용이 많이 소요될 뿐만아니라 설치 공간에도 제약이 있는 문제가 있다.
또한, 초음파 발신부 및 초음파 수신부의 전면이 내부를 흐르는 유체에 직접접촉하게 되어 장기간 음속이 아주 느린 경우나 농도가 아주 높을 경우 전면표면에 슬러지가 부착되는 현상이 발생되어 센서의 효율이 감소되어 이에 대한 세정이 필요하였다.
이에 초음파 농도측정 장치의 농도 측정에 정확도를 높이기 위한 선행기술자료로서, 일본 공개특허공보 2003-202327호의 초음파식 오니 농도 측정 장치에서는 2 종류의 주파수(예를 들면, 1MHz와 3MHz)의 초음파를 피측정 오니(또는 슬러지)에 전반시키고 있다. 그리고, 각 주파수의 초음파의 감쇠량에 기초하여 피측정 오니에 포함되는 기포에 의한 감쇠량을 보정해서 피측정 오니의 농도를 산출하고 있다.
그런데, 하수도 시설이 정상적으로 운전되는 경우에 오니 농도는 3% 정도에서 11% 정도의 농도로 되지만, 하수도 시설의 처리가 비정상적인 경우에 오니 농도가 예를 들면 3% 이하로 되는 경우가 있다. 오니 농도가 3% 이하로 되면, 1MHz의 초음파에서는 감쇠가 거의 일어나지 않게 되고, 종래의 오니 농도 측정장치에서는 정확한 오니 농도를 측정할 수 없게 되는 문제점이 있다. 또한 하수도 시설의 이상 발생시에는, 오니 농도가 높아지는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우, 3MHz의 초음파는 오니 중의 이물질에서 확실히 반사하도록 되어 오니 농도에 따른 감쇠량이 포화해 버리기 때문에 오니 농도를 정확하게 측정할 수 없게 되는 문제점도 있다.
한편, 본 발명의 출원인의 대한민국등록특허 10-1142899호에는 초음파 감쇠 방식을 이용하여 농도를 측정하는 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템 및 그 방법을 제시한 바 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템의 송신 신호와 수신 신호의 차이를 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1의 초음파 송신 센서 및 초음파 수신 센서와 배관 사이에 도포되는 커플란트를 설명하는 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템 및 그 방법은 초음파 송신 센서(200)에서 방사된 초음파가 유체(시료수)를 통과하면서 유체에 포함된 불순물, 이물질, 부유물질 등에 의한 산란, 흡수 등으로 인해 감쇠를 거친 상태로 초음파 수신 센서(300)에서 수신되고, 수신된 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하게 된다.
그러나 종래의 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템 및 그 방법,은 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 송신 센서(200) 및 초음파 수신 센서(300)와 배관 사이에 도포해 놓은 초음파젤(커플란트)이 여러가지 영향에 의해 건조 또는 변형되에 따라 초음파 수신 센서(300)에서 수신되는 초음파의 세기에 영향을 미치게 되고, 이는 농도 측정의 오차로 이어지게 되는 문제점이 있다.
또한, 배관(400) 내의 불규칙적인 기포의 발생도 초음파 수신 센서(300)에서 수신되는 초음파의 세기에 영향을 미치게 되므로, 결국 농도 측정의 오차를 발생시키는 문제점이 있었다.
일본 공개특허공보 제2003-202327호 " 초음파식 오니 농도 측정 장치 " 한국등록특허 제10-1142899호 " 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템 및 그 방법 "
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 본 발명은 유체에 포함되는 슬러지 등의 이물질에 상관없이 보다 정밀하게 농도를 측정하고, 이를 모니터링할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 배관의 외벽에 부착된 초음파 센서에 의해 농도를 측정하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템은 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변시키는 전압 가변 신호가 입력되면, 상기 전압 가변 신호에 따른 제어 전압값에 해당하는 제1 주파수 신호를 출력하는 전압 가변부; 상기 제1 주파수 신호를 증폭하여 상기 초음파 송신 센서를 발진시키는 변압부; 상기 초음파 수신 센서를 통해 수신된 제2 주파수의 신호를 상기 제1 주파수 신호와 혼합하여 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호의 차이를 이용한 비트 주파수 신호를 출력하는 믹싱부; 및 상기 비트 주파수 신호를 입력받아 상기 비트 주파수 신호를 사용한 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법을 적용하여 주파수 정밀 분석을 통해 음속 계산 및 농도 환산을 수행하여 농도 모니터링 기능을 제공하고, 상기 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템을 제공하게 된다.
또한, 상기 전압 가변 신호에 대한 디지털/아날로그 변환 기능을 수행하여 상기 제어 전압값을 상기 전압 가변 모듈로 출력하는 디지털/아날로그 컨버터; 및 상기 차 주파수 신호에 대한 아날로그/디지털 변환 기능을 수행하는 아날로그/디지털 컨버터를 더 포함하고, 상기 믹싱부의 후단에는 상기 차주파수 신호에서 고주파 성분을 제거하는 아날로그 저역통과 필터가 설치되도록 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 비트 주파수 신호를 사용하여 1차 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 검출하는 1차 변환 모듈; 상기 거시적인 주파수 성분을 주파수 변조값만큼 주파수 변조하여 기저대역으로 이동시켜 주파수 변조 신호(fmod)를 출력하는 주파수 변조 모듈; 상기 주파수 변조 신호를 n차 데시메이션을 수행하는 데시메이션 모듈; 상기 n차 데시메이션을 수행한 신호(fde)에서 감소된 데이터 수만큼 '0'을 삽입시키는 제로패딩 모듈; 및 상기 제로패딩 모듈에서 출력되는 신호(fz)를 2차 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 분석 주파수를 산출하는 2차 변환 모듈을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 주파수 변조 모듈은 주파수 변조 과정에서 발생되는 고주파 성분의 이미지 주파수(fi)를 제거하는 디지털 저역 통과 필터를 포함하며, 상기 제어부는 상기 비트 주파수를 하기 수학식 1에 의해 구하고, 음속을 하기 수학식 2에 의해 구하되, 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 t는 초음파 송신 신호가 수신되기까지의 시간이고, R은 배관의 외경이며, C는 음속인 수학식을 적용하게 된다.
수학식 1.
Figure 112015085391736-pat00001
수학식 2.
Figure 112015085391736-pat00002
또한, 상기 제어부는 하기 수학식 3의 음속-농도 관계식 및 수학식 2을 이용하여 음속을 농도로 환산하되, 측정되는 유체의 매질이 동일할 경우 D는 매질의 농도이며, a는 복수개의 측정에 따른 기울기값이며, b는 매질의 최초농도값인 수학식을 이용하여 적용된다.
수학식 3.
Figure 112015085391736-pat00003
상기와 같은 시스템은 아날로그 신호를 디지털화하여 12비트의 디지털 값으로 변환하기 위해 초음파송신센서로부터 출력되는 신호인 제1주파수(f1)와 초음파수신센서에 입력되는 신호인 제2주파수(f2)의 차를 믹싱부를 통해 추출한 차주파수신호(fLPF)를 아날로그 저역통과필터를 거쳐 12비트의 디지털 값으로 변환하여 제어부에 입력하는 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10); 상기 아날로그 저역통과 필터를 통과한 차주파수신호(fLPF)를 정밀분석하기 위해 Zoom FFT기법을 사용하기 위해 12비트 디지털화 된 차주파수 신호로 1차 고속 푸리에 변환을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 찾아내는 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20); 상기 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 정밀분석하기 위해 기저대역(Baseband)으로 주파수를 이동할 때, 이동된 주파수가 0Hz이하로 이동되는 것을 방지하기 위해 주파수 변조 신호(fmod)를 성생하는 주파수 변조 단계(S30); 상기 주파수 변조 신호(fmod)에 포함되어 있는 고주파 성분을 지닌 이미지 주파수(fi)를 디지털 저역통과 필터를 통하여 제거하는 디지털 저역통과 필터링 단계(S40); 상기 저역통과 필터를 거친 변조신호를 설정된 횟수인 N차로 주파수를 획득하기 위해 데시메이션을 반복시행하는 N차 데시메이션 단계(S50); 상기 N차 데시메이션을 거치면서 줄어든 데이터의 수 만큼 '0'을 삽입시켜 제로패딩 단계(S60); 상기 제로패딩이 완료된 신호(fz)를 고속푸리에 변환하여 최종주파수(FFTsecond)를 획득하는 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70); 및 상기 최종주파수(FFTsecond)를 분석하는 최종 주파수 분석 단계(S80)로 구성되는 초음파 센서의 농도 모니터링 방법에 의해 농도를 측정하게 되며, 상기 주파수 변조 신호(fmod)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)과 실제 주파수 성분(FFTfactor)의 차이값인 것을 특징으로 하여 농도 모니터링을 시행하게 되는 것이다.
본 발명의 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템 및 그 방법을 제공함으로써, 유체에 포함되는 슬러지 등의 이물질에 상관없이 보다 정밀하게 농도를 측정하고, 이를 모니터링할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 외벽 부착형 초음파 농도 측정 시스템의 송신 신호와 수신 신호의 차이를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 초음파 송신 센서 및 초음파 수신 센서와 배관 사이에 도포되는 커플란트를 설명하는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어부(40)의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 모니터링 방법에 대한 순서도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하에서 본 발명의 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템을 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하여 상세하게 설명하면, 본 발명의 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템은 농도측정장치(100)와 상기 농도측정장치(100)와 연동되는 초음파송신센서(200) 및 초음파수신센서(300)로 구성되는 시스템에 적용된다.
이때, 상기 농도측정장치(100)는 전압가변부(10), 변압부(20), 믹싱부(30), 제어부(40)로 구성되며, 디지털/아날로그 컨버터(50), 아날로그/디지털 컨버터(60) 및 아날로그 저역통과 필터(70)를 더 포함하여 구성된다.
상기 전압가변부(10)는 농도를 측정하기 위해 설정된 시간동안의 주파수를 가변시켜 주파수 신호를 출력하는 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변시키는 전압 가변 신호가 입력되면, 상기 전압 가변 신호에 따른 제어 전압값에 해당하는 제1 주파수 신호를 출력하게 되는 것이다.
상기 변압부(20)는 전압가변부(10)에서 출력되는 제1 주파수 신호를 증폭하여 초음파송신센서(200)를 발진시키는 것이다.
상기 믹싱부(30)는 초음파수신센서(300)를 통해 수신된 제 2주파수의 신호를 상기 제 1주파수 신호와 혼합하여 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호의 차이를 이용한 비트 주파수 신호를 출력하는 것이다.
여기서, 상기 제 1주파수는 초음파송신센서(200)로부터 발신되는 신호주파수를 말하는 것이고, 제 2주파수는 초음파수신센서(300)로 수신되는 신호주파수를 말하는 것이다.
이는 연속된 신호주파수를 발신하고 유체 등의 대상매질을 거쳐 수신되기 때문에 신호가 송신되고 수신되는 과정에서의 주파수 차이 즉, 차주파수를 도출하기 하기 위한 것이다.
상기 제어부(40)는 비트 주파수 신호를 입력받아 상기 비트 주파수 신호를 사용한 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법을 적용하여 주파수 정밀 분석을 통해 음속 계산 및 농도 환산을 수행하여 농도 모니터링 기능을 제공하고, 상기 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력하는 것이다.
또한, 상기 디지털/아날로그 컨버터(50)는 전압 가변 신호에 대한 디지털/아날로그 변환 기능을 수행하여 상기 제어 전압값을 상기 전압 가변 모듈로 출력하며, 상기 아날로그/디지털 컨버터(60)는 차주파수 신호에 대한 아날로그/디지털 변환 기능을 수행하는 것이다.
또한, 상기 아날로그 저역통과 필터(70)는 믹싱부(30)의 후단에 구비되어 상기 차주파수 신호에서 고주파 성분을 제거하는 것이다.
이는 신호처리에 필요한 저주파 성분만을 분리하여 신뢰도를 향상시키기 위한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어부(40)의 구성도이다.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 제어부(40)를 상세하게 설명하면, 상기 제어부(40)는 비트 주파수 신호를 사용하여 1차 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 검출하는 1차변환모듈(41), 상기 거시적인 주파수 성분을 주파수 변조값만큼 주파수 변조하여 기저대역으로 이동시켜 주파수 변조 신호(fmod)를 출력하는 주파수변조모듈(42), 상기 주파수 변조 신호를 n차 데시메이션을 수행하는 데시메이션모듈(43), 상기 n차 데시메이션을 수행한 신호(fde)에서 감소된 데이터 수만큼 '0'을 삽입시키는 제로패팅모듈(44), 제로패딩 모듈에서 출력되는 신호(fz)를 2차 고속 푸리에 변환 과정을 수행하여 분석 주파수를 산출하는 2차변환모듈(45)로 구성된다.
또한, 상기 주파수변조모듈(42)은 주파수 변조 과정에서 발생되는 고주파 성분의 이미지 주파수(fi)를 제거하는 디지털 저역 통과 필터를 더 포함하게 된다.
여기서, 상기 제어부(40)는 상기 비트 주파수를 하기 수학식 1에 의해 구하고,
음속을 하기 수학식 2에 의해 구하게 된다.
이때, 하기 수학식 1 및 수학식 2에서 t는 초음파 송신 신호가 수신되기까지의 시간이고, R은 배관의 외경이며, C는 음속을 말하는 것이다.
수학식 1.
Figure 112015085391736-pat00004
수학식 2.
Figure 112015085391736-pat00005
또한 상기 제어부는 하기 수학식 3의 음속-농도 관계식을 이용하여 농도를 유추하게 되는 것이다.
수학식 3.
Figure 112015085391736-pat00006
여기서, 상기와 같은 수학식 3은 센서에 의해 측정되는 매질이 동일한 종류일 경우에 해당한다.
D는 매질의 농도를 말하는 것이며, a는 복수개의 측정에 따른 기울기값을 말하며, b는 매질의 최초농도값을 말하는 것이다.
상기와 같은 수학식 3의 음속-농도 관계식에 의해 유체의 농도변화를 감지할 수 있는 것이며, 상기 음속-농도 관계식을 이용하여 상기 수학식 2를 통해 구한 음속을 농도로 환산하게 되는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 시스템 Zoom FFT 기법을 활용하여 유체의 농도를 구할 수 있다.
이와 같은 Zoom FFT 기법은 설계 초기에 결정되는 신호처리부의 샘플링 주파수와 샘플링 수를 변경시키지 않고도 원하는 주파수 분해능을 얻을 수 있다. 또한, FFT 알고리즘이 가지는 특성상 입력신호수가 증가할수록 주파수 측정 오차가 줄어드는 특성이 있기 때문에, 입력신호의 FFT point 수를 늘이기 위해 추가적인 데이터 샘플링 없이 스플라인(Spline) 보간법을 적용함으로써 측정오차를 개선할 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 모니터링 방법에 도 5의 본 발명에 따른 모니터링 방법에 대한 순서도를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 외벽 부착형 초음파 센서의 농도 모니터링 방법은 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10), 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20), 주파수 변조 단계(S30), 디지털 저역통과 필터링 단계(S40), N차 데시메이션 단계(S50), 제로패딩 단계(S60), 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70), 최종 주파수 분석 단계(S80)로 구성되는 초음파 센서의 농도 모니터링 방법에 의해 농도를 측정하게 된다.
상기 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10)는 아날로그 신호를 디지털화 하여 12비트의 디지털 값으로 변환하는 것으로, 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변 즉, 증폭시키고 이를 이용하는 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 디지털/아날로그 컨버터(50)를 통하여 전압가변을 실시하고, 디지털/아날로그 컨버터(50)에 의해 제어되는 전압값은 전압가변부(10)로 입력되고, 입력 전압값에 해당하는 주파수의 신호인 제 1주파수신호(f1)를 출력한다.
상기와 같이 제 1주파수신호(f1)를 출력한 후 변압부(20)를 통해 제 1주파수신호(f1)를 증폭시켜 초음파송신센서(200)를 발진시키며, 발진된 초음파 신호는 배관 등의 내부에 위치하는 유체를 통과한 뒤 초음파수신센서(300)를 통해 수신된다.
여기서, 상기 변압부(20)는 통상의 복수개의 권선비를 유지하는 변압기를 적용하게 되는데, 이를 한정하는 것은 아니다.
상기와 같이 초음파수신센서(300)를 통하여 수신된 신호인 제 2주파수신호(f2)는 믹싱부(30)를 통하여 제 1주파수신호(f1)와 믹싱되어 차주파수신호(fLPF)를 출력하게 된다.
여기서 상기 차주파수신호(fLPF)는 제 1주파수신호(f1)와 제 2주파수신호(f2)의 차이 값이다.(fLPF = f1 - f2)
이와 같이 출력된 차주파수신호(fLPF)는 신호처리에 필요한 저주파 성분과 불필요한 고주파 성분으로 나뉘게 되는데 불필요한 고주파 성분을 아날로그 저역통과 필터(70)를 거치게 되고 12비트의 디지털 값으로 변환되어 제어부(40)에 입력되는 과정을 거쳐 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10)를 실행하게 된다.
상기 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20)는 아날로그 저역통과 필터(70)를 통과한 차주파수신호(fLPF)를 정밀분석하기 위해 Zoom FFT기법을 사용하기 위해 12비트 디지털화 된 차주파수신호(fLPF)로 1차 고속 푸리에 변환을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 찾아내는 것이다.
상기 주파수 변조 단계(S30)는 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20)를 거쳐 획득된 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 정밀분석 하기 위해서는 기저대역(Baseband)으로 주파수 이동해야 하는데, 이때 이동된 주파수가 0Hz 이하로 이동되는 것을 방지하기 위하여 주파수를 변조하여 주파수 변조 신호(fmod)를 생성하게 된다.
여기서 상기 주파수 변조 신호(fmod)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)과 실제 주파수 성분(FFTfactor)의 차이값을 말하는 것이다.
상기 디지털 저역통과 필터링 단계(S40)는 주파수 변조 단계(S30)에서 획득된 주파수 변조 신호(fmod)에 포함되어 있는 고주파 성분을 지닌 이미지 주파수(fi)를 디지털 저역통과 필터를 통하여 제거하게 되는 것이다.
상기 N차 데시메이션 단계(S50)는 디지털 저역통과 필터링 단계(S40)를 거친 디지털 저역통과를 거친 변조신호를 이용하여 N차 데시메이션을 수행한다.
여기서 상기 N차는 설정된 횟수로 최적화된 주파수를 획득하기 위해 반복시행 되는 것을 말하는 것이다.
상기 제로패딩 단계(S60)는 N차 데시메이션 단계(S50)를 거치면서 줄어든 데이터의 수 만큼 '0'를 삽입시켜 제로패딩을 수행하게 된다.
상기 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70)는 제로패딩 단계(S60)에서 제로패딩이 완료된 신호(fz)를 고속푸리에 변환 하여, 최종주파수(FFTsecond)를 획득하게 된다.
상기 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70)에서 획득된 최종주파수(FFTsecond)를 최종 주파수 분석 단계(S80)를 통해 분석하는 일련의 과정을 거치게 된다.
상기와 같은 일련의 과정을 거쳐 본 발명에 따른 모니터링 방법 또한 제공하게 되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 전압가변부 20 : 변압부
30 : 믹싱부 40 : 제어부
50 : 디지털/아날로그 컨버터 60 : 아날로그/디지털 컨버터
70 : 저역통과 필터 100 : 농도측정장치
200 : 초음파송신센서 300 : 초음파수신센서

Claims (9)

  1. 배관의 외벽에 부착된 초음파 센서에 의해 농도를 측정하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템에 있어서,
    기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변시키는 전압 가변 신호가 입력되면, 상기 전압 가변 신호에 따른 제어 전압값에 해당하는 제1 주파수 신호를 출력하는 전압 가변부;
    상기 제1 주파수 신호를 증폭하여 초음파 송신 센서를 발진시키는 변압부;
    초음파 수신 센서를 통해 수신된 제2 주파수의 신호를 상기 제1 주파수 신호와 혼합하여 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호의 차이를 이용한 비트 주파수 신호를 출력하는 믹싱부; 및
    상기 비트 주파수 신호를 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법으로 음속과 농도를 환산하고, 상기 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 비트 주파수 신호를 사용하여 1차 FFT 과정을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 검출하는 1차 변환 모듈과, 상기 거시적인 주파수 성분을 주파수 변조값만큼 주파수 변조하여 기저대역으로 이동시켜 주파수 변조 신호(fmod)를 출력하는 주파수 변조 모듈과, 상기 주파수 변조 신호를 n차 데시메이션을 수행하는 데시메이션 모듈과 상기 n차 데시메이션을 수행한 신호(fde)에서 감소된 데이터 수만큼 '0'을 삽입시키는 제로패딩 모듈과 상기 제로패딩 모듈에서 출력되는 신호(fz)를 2차 FFT 과정을 수행하여 분석 주파수를 산출하는 2차 변환 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 가변 신호에 대한 디지털/아날로그 변환 기능을 수행하여 상기 제어 전압값을 상기 전압 가변 모듈로 출력하는 디지털/아날로그 컨버터; 및
    상기 차 주파수 신호에 대한 아날로그/디지털 변환 기능을 수행하는 아날로그/디지털 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 믹싱부의 후단에는 상기 차주파수 신호에서 고주파 성분을 제거하는 아날로그 저역통과 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 변조 모듈은 주파수 변조 과정에서 발생되는 고주파 성분의 이미지 주파수(fi)를 제거하는 디지털 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 비트 주파수를 하기 수학식 1에 의해 구하고,
    음속을 하기 수학식 2에 의해 구하되, 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 t는 초음파 송신 신호가 수신되기까지의 시간이고, R은 배관의 외경이며, C는 음속인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.
    수학식 1.
    Figure 112015085391736-pat00007

    수학식 2.
    Figure 112015085391736-pat00008

  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 하기 수학식 3의 음속-농도 관계식 및 수학식 2을 이용하여 음속을 농도로 환산하되, 측정되는 유체의 매질이 동일할 경우 D는 매질의 농도이며, a는 복수개의 측정에 따른 기울기값이며, b는 매질의 최초농도값인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 시스템.

    수학식 3.
    Figure 112015085391736-pat00009
  8. 배관의 외벽에 부착된 초음파 센서에 의해 농도를 측정하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 방법에 있어서,
    아날로그 신호를 디지털화하여 12비트의 디지털 값으로 변환하기 위해 초음파송신센서로부터 출력되는 신호인 제1주파수(f1)와 초음파수신센서에 입력되는 신호인 제2주파수(f2)의 차를 믹싱부를 통해 추출한 차주파수신호(fLPF)를 아날로그 저역통과필터를 거쳐 12비트의 디지털 값으로 변환하여 제어부에 입력하는 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10);
    상기 아날로그 저역통과 필터를 통과한 차주파수신호(fLPF)를 정밀분석하기 위해 Zoom FFT기법을 사용하기 위해 12비트 디지털화 된 차주파수 신호로 1차 고속 푸리에 변환을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 찾아내는 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20);
    상기 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 정밀분석하기 위해 기저대역(Baseband)으로 주파수를 이동할 때, 이동된 주파수가 0Hz이하로 이동되는 것을 방지하기 위해 주파수 변조 신호(fmod)를 성생하는 주파수 변조 단계(S30);
    상기 주파수 변조 신호(fmod)에 포함되어 있는 고주파 성분을 지닌 이미지 주파수(fi)를 디지털 저역통과 필터를 통하여 제거하는 디지털 저역통과 필터링 단계(S40);
    상기 저역통과 필터를 거친 변조신호를 설정된 횟수인 N차로 주파수를 획득하기 위해 데시메이션을 반복시행하는 N차 데시메이션 단계(S50);
    상기 N차 데시메이션을 거치면서 줄어든 데이터의 수 만큼 '0'을 삽입시켜 제로패딩 단계(S60);
    상기 제로패딩이 완료된 신호(fz)를 고속푸리에 변환하여 최종주파수(FFTsecond)를 획득하는 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70); 및
    상기 최종주파수(FFTsecond)를 분석하는 최종 주파수 분석 단계(S80)로 구성되는 초음파 센서의 농도 모니터링 방법에 의해 농도를 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 주파수 변조 신호(fmod)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)과 실제 주파수 성분(FFTfactor)의 차이값인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 외벽 부착형 농도 모니터링 방법.
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