KR101815388B1 - 유체 속도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

유체 속도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

유체 속도 측정 장치가 개시된다. 유체 속도 측정 장치는 유체가 투입될 수 있는 유체 투입부; 상기 유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 이동 통로부; 및 상기 유체 이동 통로부가 관통되어 있고, 이동하는 상기 유체에 의하여 발생하는 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV)을 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 유체 속도 측정부를 포함하며, 유체 속도 측정 장치는 내부 튜브를 이동하는 유체에 의한 유체 유인 진동과 내부 튜브의 표면에 조사된 레이저에 의하여 생성되는 레이저 스페클 패턴 이미지를 활용하여 유체의 종류나 상(像)에 영향을 받지 않으면서도 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

유체 속도 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE FLOW VELOCITY}
본 발명은 유체 속도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV)을 활용한 레이저 스페클 대조(Laser speckle contrast, LSC)를 이용하여 일반적인 유체 또는 생체 유체(예를 들면, 소변 등)과 같은 다양한 유체의 속도를 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
배뇨는 생체 대사 부산물을 액체 형태로 신체 밖으로 배출하는 생리활동이다. 배뇨기능 이상은 전립선비대증, 신경인성방광, 괴민성방광, 요실금, 방광염, 요도협착, 소아 배뇨장애 등 다양한 배뇨질환 환자에게 관찰되는 증상이다. 배뇨기능 이상진단에는 문진, 신체검사, 잔뇨량 검사, 영상검사, 내시경검사, 요역동학검사 및 요류검사 등이 선별적으로 시행된다.
요역동학검사(Urodynamic study)는 요류검사, 충만기 방광내압측정, 배뇨기 압력요류검사, 요도단압검사, 괄약근 근전도 등의 세부항목으로 이루어진 검사를 통칭하는 이름으로서 배뇨기능장애와 요실금 환자들에 있어서 세부항목이 선택적으로 검사된다. 요역동학검사는 배뇨기능장애와 요실금 환자들의 진단과 치료방침을 결정하는데 가장 중요한 정보를 제공한다. 특히, 문진이나 신체검사, 방사선검사, 내시경검사 등으로 알 수 없는 하부요로의 생리학적 기능을 객관적으로 파악할 수 있으므로 다양한 배뇨기능 이상환자들에 있어서 꼭 필요한 검사이다.
그러나 이러한 요역동학검사는 검사과정 및 기법이 복잡하고 이를 시행하는 검사장비에는 다수의 검사모듈이 설치 및 연결되어 있어, 그 부피가 크고 무거운 편이다. 또한 정밀 검사에 속하므로 검사 시간이 오래 걸리고 도뇨관을 요도에 삽입하는 절차가 필요하여 감염의 위험성도 있어 선택적으로 시행되고 있다.
요류검사는 요역동학검사 중에서 가장 비침습적으로 행해지는 검사이기 때문에 가장 널리 행해진다. 환자는 변기모양의 요류검사 장치에 평소와 다름없이 소변을 보게 된다. 환자가 배출하는 소변 흐름은 중량 측정(Gravimetric), 회전 원판(Rotating disk) 등 몇 가지 원리에 의해 무게로 계산되어 개인용컴퓨터에 연속적으로 입력되며 최종적으로는 단위 부피/시간 단위로 그래프 형식으로 최종적으로 표현된다. 요류검사는 환자의 주관적인 배뇨패턴을 객관적으로 도식화하여 나타낼 수 있으므로 배뇨이상 환자에 있어서 진단적 검사의 가장 초기에 그리고 널리 이용된다. 또한 약물이나 수술적 치료 전후에 치료효과를 판정하는 데도 널리 사용된다. 환자의 배뇨 패턴은 배뇨량의 많고 적음, 검사에 앞선 환자의 긴장도, 전신적인 신체 컨디션 등에 따라 다소 변이가 있으므로 통상 2번 이상의 검사를 통해서 가장 잘 나온 배뇨패턴을 선택하게 된다. 따라서 신빙성 있는 대표적인 검사결과를 얻기 위해서는 한 환자에 있어서도 수회의 검사가 필요하다.
이러한 요류검사기기는 바닥에 고정되어 있어 이동이 힘들다는 문제가 있고, 검사 장소에 제한이 있어 환자가 반드시 병원에 와서 검사를 받아야 한다. 일반적으로, 병원에서는 검사장비를 구비한 요역동학검사실을 따로 마련하고 있으며, 검사실에서 환자가 검사를 받게 된다. 그러나, 배뇨 행동은 매우 개인적인 생리활동이고 심리적인 영향을 많이 받는 기본적인 생리활동이다. 환자는 검사의 프라이버시 등 특수성으로 인해 이러한 병원의 인위적인 환경에 대해 부담을 느낄 수밖에 없다.
따라서 요류검사장비가 기존 변기형 모양으로 고정되어 이동이 힘든 병원의 검사실뿐만 아니라 환자의 평소 배뇨패턴을 잘 대변할 수 있는 집이나 공중화장실 등에서 검사가 가능하도록 자유스런 이동이 가능한 휴대형 측정 장치의 필요성이 있고, 이를 위하여는 기존의 측정방식이 아닌 다른 원리의 측정방식이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 내부 튜브를 이동하는 유체에 의한 유체 유인 진동과 내부 튜브의 표면에 조사된 레이저에 의하여 생성되는 레이저 스페클 패턴 이미지를 활용하여 유체의 종류나 상(像)에 영향을 받지 않으면서도 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 유체 속도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치는 유체가 투입될 수 있는 유체 투입부; 상기 유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 이동 통로부; 및 상기 유체 이동 통로부가 관통되어 있고, 이동하는 상기 유체에 의하여 발생하는 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV)을 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 유체 속도 측정부를 포함할 수 있다.
일 예로 유체 속도 측정 장치는 특별히 비뇨기 진단을 위한 인체의 요류 측정에 적용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 유체의 속도를 측정하는데 적용될 수 있음은 자명하다.
하나의 실시예로 상기 유체 이동 통로부는, 상기 유체 이동 통로부 내부에 삽입되어 상기 유체가 통과하는 통로를 제공하고, 이동하는 상기 유체의 속도에 따라 진동하는 내부 튜브를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 내부 튜브는, 불투명하고 탄성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체 이동 통로부는, 투명한 재질로 이루어질 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체 속도 측정부는, 상기 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하는 레이저 광원; 상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 카메라; 및 상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체의 속도는 하기 수학식에 의하여 연산될 수 있다.
[수학식]
Figure 112016078172309-pat00001
여기서, (x, y)는 상기 패턴 이미지의 특정 픽셀의 위치이고, <I(x, y)>는 상기 패턴 이미지를 구성하는 전체 픽셀들의 세기의 평균이며, σ(x, y)는 (x, y) 좌표를 가지는 상기 특정 픽셀 주변 픽셀들의 세기의 표준편차이며, d(x, y)는 스페클 대조 값이고, 상기 스페클 대조 값은 0 내지 1의 값을 가짐.
하나의 실시예로 상기 유체 투입부는 컵 또는 호퍼 형상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치는 상기 유체 이동 통로부를 통과한 유체를 저장하는 저장부를 더 포함하고, 상기 저장부는 상기 유체가 배출되는 상기 유체 이동 통로부의 배출구에 탈부착이 가능할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체 속도 측정부는, 레이저를 발생하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원과 연결되고, 발생된 상기 레이저를 상기 내부 튜브 표면에 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하고, 상기 스페클 패턴을 전달하는 광섬유 커플러; 상기 광섬유 커플러와 연결되고, 상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 카메라; 및 상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체는 소변일 수 있다.
하나의 실시예로 외부의 광을 차단할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 방법은 유체가 이동하는 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하는 단계; 상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 단계; 및 상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 유체의 속도는 하기 수학식에 의하여 연산될 수 있다.
[수학식]
Figure 112016078172309-pat00002
여기서, (x, y)는 상기 패턴 이미지의 특정 픽셀의 위치이고, <I(x, y)>는 상기 패턴 이미지를 구성하는 전체 픽셀들의 세기의 평균이며, σ(x, y)는 (x, y) 좌표를 가지는 상기 특정 픽셀 주변 픽셀들의 세기의 표준편차이며, d(x, y)는 스페클 대조 값이고, 상기 스페클 대조 값은 0 내지 1의 값을 가짐.
상기와 같은 본 발명은, 내부 튜브를 이동하는 유체에 의한 유체 유인 진동에 따른 레이저 스페클 이미지를 이용하여 유체의 속도를 연산하기 때문에 유체의 종류나 상(像)에 영향을 받지 않으면서도 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명은 소형이면서도 가벼운 무게를 갖도록 제작될 수 있고 휴대가 용이하기 때문에 장소의 제약을 극복할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 유속에 따른 스페클 대조 이미지이다.
도 4는 유속에 대한 스페클 대조 값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정부를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 유속에 따른 스페클 대조 이미지이고, 도 4는 유속에 대한 스페클 대조 값을 나타낸 그래프이다.
도 1a 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치(1000)는 유체 투입부(100), 유체 이동 통로부(200), 유체 속도 측정부(300) 및 저장부(400)을 포함할 수 있다.
유체 투입부(100)로는 유체가 투입될 수 있고, 투입된 유체는 유체 투입부(100)과 연결되어 있는 유체 이동 통로부(200)를 통하여 이동할 수 있다. 일 예로 유체 투입부(100)는 컵(cup) 또는 호퍼(hopper) 형상일 수 있다.
유체 이동 통로부(200)는 유체 투입부(100)를 통하여 투입된 유체가 이동하는 통로를 제공한다. 일 예로 유체 이동 통로부(200)는 유체 이동 통로부(200) 내부에 삽입되어 유체가 통과하는 통로를 제공하고, 이동하는 유체의 속도에 따라 진동할 수 있는 내부 튜브(220)를 포함할 수 있다. 유체 이동 통로부(200)는 투명한 재질로 이루어질 수 있고, 내부 튜브(220)는 불투명하고 탄성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다. 유체 이동 통로부(200)는 투명한 재질로 이루어지기 때문에 레이저가 조사되는 경우 레이저 광이 거의 반사하지 않고 유체 이동 통로부(200) 내의 내부 튜브(220)로 조사될 수 있다. 내부 튜브(220)는 불투명한 재질로 이루어지기 때문에 조사된 레이저가 내부 튜브(200)의 표면에서 산란되어 스페클 패턴이 형성될 수 있다.
유체 속도 측정부(300)에는 유체 이동 통로부(200)가 관통되어 있고, 이동하는 유체에 의하여 발생하는 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV)을 이용하여 유체의 속도를 측정할 수 있다. 유체 이동 통로부(200) 내에 삽입되어 있는 내부 튜브(220)를 통하여 이동하는 유체는 선류와 후류의 압력 변화로 인한 와류 현상이 발생할 수 있고, 와류 현상에 의하여 내부 튜브(220)에는 진동이 발생하게 된다. 와류의 세기는 유체의 속도에 비례하고, 와류에 의하여 발생하는 내부 튜브(220)의 진동의 세기는 유체의 속도에 비례한다. 본 발명에서는 유체의 이동에 의하여 발생하는 진동인 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV) 현상을 이용하여 유체의 속도를 측정할 수 있고 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
유체 유인 진동 현상을 이용하기 위하여 본 발명은 내부 튜브(220)를 통하여 유체를 이동시키는 구조를 이용한다. 일 예로 스페클 현상을 소변과 같은 생체 유체에 직접 적용하는 경우에는 소변의 농도나 색깔 등의 광학적 특성의 변화로 인하여 일관성 있는 스페클 패턴을 측정하기 어렵다. 이를 극복하기 위하여 본 발명에서는 유체에 직접 레이저를 조사하여 스페클 패턴을 생성하는 것이 아니라 이동하는 유체에 의하여 진동하는 내부 튜브(220)의 표면에 레이저를 조사하여 스페클 패턴을 생성한다. 이러한 구조의 장점은 레이저가 유체가 아닌 내부 튜브(220) 표면의 광학적 특성에 따라 산란하게 되므로, 유체의 종류나 상(像)에 관계없이 내부 튜브(220)를 통하여 이동하는 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있다.
유체 유인 진동(FIV) 현상을 이용하여 유체의 속도를 측정하기 위하여, 유체 속도 측정부(300)는 레이저 광원(320), 카메라(340) 및 연산부(미도시)를 포함할 수 있다. 유체 속도 측정부(300)는 외부의 광을 차단할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 이는 레이저에 의하여 생성되는 스페클 패턴이 영향을 받지 않도록 하기 위함이다. 일 예로 유체 속도 측정부(300)는 암실과 같은 구조가 되도록 구성함으로써 외부의 광이 유체 속도 측정부(300) 내부에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
레이저 광원(320)은 내부 튜브(220) 표면에 레이저를 조사하여 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성할 수 있다. 내부 튜브(220)를 통과하는 유체에 의하여 내부 튜브(220)가 진동하게 되고, 레이저가 내부 튜브(220)의 표면에 조사되면 진동에 따른 스페클 패턴이 생성될 수 있다.
카메라(340)는 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득할 수 있다. 즉, 카메라(340)는 생성된 스페클 패턴을 촬영하여 패턴 이미지를 획득할 수 있다. 획득된 패턴 이미지는 연산부로 전달될 수 있다.
일 예로 레이저 광원(320)은 소형화된 장치로 구성될 수 있고, 카메라(340)은 칩형 카메라로 제작될 수 있다. 따라서 유체 속도 측정 장치(1000)는 현재 판매되고 있는 마우스와 같은 사이즈를 갖도록 휴대가 용이하도록 소형이면서도 가벼운 무게를 갖도록 제작될 수 있다.
연산부는 획득된 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 연산할 수 있다. 레이저에 의하여 생성된 스페클 현상에 따른 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 측정하는 방법에는 시간적 분포를 이용하는 방법과 공간적 분포를 이용하는 방법이 있다.
시간적 분포를 이용하는 방법은 시간에 따른 패턴 이미지들 각각의 특정한 위치에 대하여 시간에 따라 변하는 스페클 패턴의 변화를 분석해 유체의 속도를 연산하는 방법이다. 공간적 분포를 이용하는 방법은 한 장의 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 연산하는 방법이다. 시간적 분포를 이용하는 방법과 공간적 분포를 이용하는 방법 모두 본 발명에서 사용될 수 있지만, 공간적 분포를 이용하는 방법은 단일의 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 통하여서도 유체의 속도를 연산할 수 있고, 시간적 분포를 이용하는 방법보다 시간적인 분해능이 우수한 장점이 있어 공간적 분포를 이용하는 방법을 통하여 유체의 속도를 측정하는 것이 보다 바람직하다.
공간적 분포를 이용하는 방법을 통하여 유체의 속도를 연산하는 것은 아래의 [수학식]을 이용함으로써 연산될 수 있다.
[수학식]
Figure 112016078172309-pat00003
여기서, (x, y)는 상기 패턴 이미지의 특정 픽셀의 위치이고, <I(x, y)>는 상기 패턴 이미지를 구성하는 전체 픽셀들의 세기의 평균이며, σ(x, y)는 (x, y) 좌표를 가지는 상기 특정 픽셀 주변 픽셀들의 세기의 표준편차이며, d(x, y)는 스페클 대조 값(Laser speckle contrast, LSC)이다.
이러한 스페클 대조 값은 0 내지 1의 값을 가지며, 스페클 패턴에 흐려짐이 없는 경우, 즉 유체의 움직임이 없는 경우에는 스페클 대조 값은 1이고, 유체의 움직임이 너무 빨라 스페클 패턴이 전부 흐트러진 경우의 스페클 대조 값은 0이다.
유체의 속도에 따라 스페클 패턴이 변화되는 것은 도 4를 참조하면 확인할 수 있고, 도 4를 참조하면 유체의 속도가 증가할수록 스페클 대조 값이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 도 5를 참조하면, 유체의 속도가 증가할수록 스페클 대조 값이 줄어드는 것을 확인할 수 있고 유체의 속도는 위에서 설명한 공간적 방법을 이용하여 연산하였으며, 스페클 대조 값이 줄어듬에 따라 유체의 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 속도 측정부(300)를 확인할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 속도 측정부(300)는 레이저 광원(320), 카메라(340), 광섬유 커플러(360) 및 연산부(미도시)를 포함할 수 있다.
레이저 광원(320)은 레이저를 발생시킬 수 있다. 일 예로 레이저 광원으로는 Nd:YAG 레이저, 다이오드(diode) 레이저, Q-switched Nd:YAG 레이저, Long Pulseed Nd:YAG 레이저, CO2 Fractional 레이저 등의 다양한 레이저 광원이 사용될 수 있으며 종류에 제한을 두는 것은 아니다.
광섬유 커플러(360)는 레이저 광원(320)과 연결되고, 발생된 레이저를 내부 튜브(220) 표면에 조사하여 내부 튜브(220)의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성할 수 있다. 또한, 광섬유 커플러(360)는 생성된 스페클 패턴을 카메라(340)에 전달할 수 있고, 카메라(340)는 광섬유 커플러와 연결되고 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득할 수 있다.
연산부(미도시)는 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 연산할 수 있고, 이에 대하여는 위에서 설명한 것과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 장치(1000)는 유체 이동 통로부(200)를 통과한 유체를 저장하는 저장부(400)를 더 포함할 수 있다. 저장부(400)는 유체가 배출되는 유체 이동 통로부(200)의 배출구에 탈부착이 가능하다. 저장부(400)를 유체 이동 통로부(200)에 부착하여 배출되는 유체를 별도로 저장하거나 유체 이동 통로부(200)로부터 저장부(400)를 탈착하여 배출되는 유체가 그래로 버려지도록 함으로써 주변 상황에 따라 유체를 저장 여부를 조절할 수 있다. 일 예로 저장부(400)는 투명한 재질로 이루어질 수 있고, 유체가 소변인 경우에는 환자 또는 의사가 소변 상태를 눈으로 직접 확인할 수 있어 소변 상태에 따른 환자의 건강 상태의 판단이 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유체 속도 측정 방법은 유체가 이동하는 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하는 단계(S100), 상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 단계(S200) 및 상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
유체의 속도를 측정하기 위하여, 유체가 이동하는 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성한다(S100). 내부 튜브를 통하여 이동하는 유체는 예를 들면, 생체 유체인 소변일 수 있으나 유체의 종류에 제한이 있는 것은 아니다.
내부 튜브를 통하여 유체가 이동하는 경우 유체의 속도에 따라 내부 튜브가 진동하게 된다. 내부 튜브의 표면에 레이저를 조사하게 되면, 진동하는 내부 튜브 표면에 의한 스페클 패턴이 생성된다.
다음으로, 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득한다(S200). 일 예로 카메라를 통하여 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지가 획득될 수 있고, 획득된 패턴 이미지는 시간에 따라 저장될 수 있다.
다음으로, 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 연산한다(S300). 레이저에 의하여 생성된 스페클 현상에 따른 패턴 이미지를 이용하여 유체의 속도를 측정하는 방법에는 시간적 분포를 이용하는 방법과 공간적 분포를 이용하는 방법이 있으나 위에서 설명한 바와 같은 공간적 분포를 이용하는 방법을 사용한다. 그러나 공간적 분포를 이용하는 방법에만 한정되는 것은 아니며 시간적 분포를 이용하여 유체의 속도 측정이 가능함은 물론이다.
유체역학 분야에는 유속을 측정하는 여러 가지 방식이 제안되고 있으나 본 발명은 무게의 변화를 이용하여 유체의 속도를 측정하는 기존 방식과는 전혀 다른 방식으로 유체의 속도를 측정할 수 있고, 다양한 유체의 속도를 측정하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 유체가 이동함으로써 진동할 수 있는 내부 튜브의 표면에 레이저를 조사하여 생성되는 스페클 패턴을 이용함으로써 유체의 광학적 특성이나 유체의 상이 달라도 속도를 측정할 수 있어 범용성이 우수하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1000: 유체 속도 측정 장치 100: 유체 투입부
200: 유체 이동 통로부 220: 내부 튜브
300: 유체 속도 측정부 360: 광섬유 커플러
400: 저장부

Claims (13)

  1. 유체가 투입될 수 있는 유체 투입부;
    상기 유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 이동 통로부; 및
    상기 유체 이동 통로부가 관통되어 있고, 이동하는 상기 유체에 의하여 발생하는 유체 유인 진동(Flow-Induced Vibration, FIV)을 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 유체 속도 측정부를 포함하는, 유체 속도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 이동 통로부는,
    상기 유체 이동 통로부 내부에 삽입되어 상기 유체가 통과하는 통로를 제공하고, 이동하는 상기 유체의 속도에 따라 진동하는 내부 튜브를 포함하는, 유체 속도 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부 튜브는,
    불투명하고 탄성을 가지는 재질로 이루어진, 유체 속도 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유체 이동 통로부는,
    투명한 재질로 이루어진, 유체 속도 측정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유체 속도 측정부는,
    상기 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하는 레이저 광원;
    상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 카메라; 및
    상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 연산부를 포함하는, 유체 속도 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유체의 속도는 하기 수학식에 의하여 연산되는, 유체 속도 측정 장치.
    [수학식]
    Figure 112016078172309-pat00004

    여기서, (x, y)는 상기 패턴 이미지의 특정 픽셀의 위치이고, <I(x, y)>는 상기 패턴 이미지를 구성하는 전체 픽셀들의 세기의 평균이며, σ(x, y)는 (x, y) 좌표를 가지는 상기 특정 픽셀 주변 픽셀들의 세기의 표준편차이며, d(x, y)는 스페클 대조 값이고, 상기 스페클 대조 값은 0 내지 1의 값을 가짐.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 투입부는 컵 또는 호퍼 형상인, 유체 속도 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 이동 통로부를 통과한 유체를 저장하는 저장부를 더 포함하고,
    상기 저장부는 상기 유체가 배출되는 상기 유체 이동 통로부의 배출구에 탈부착이 가능한, 유체 속도 측정 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 유체 속도 측정부는,
    레이저를 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원과 연결되고, 발생된 상기 레이저를 상기 내부 튜브 표면에 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하고, 상기 스페클 패턴을 전달하는 광섬유 커플러;
    상기 광섬유 커플러와 연결되고, 상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 카메라; 및
    상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 연산부를 포함하는, 유체 속도 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 소변인, 유체 속도 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유체 속도 측정부는,
    외부의 광을 차단할 수 있도록 구성된, 유체 속도 측정 장치.
  12. 유체가 이동하는 내부 튜브 표면에 레이저를 조사하여 상기 내부 튜브의 진동에 따른 스페클 패턴을 생성하는 단계;
    상기 스페클 패턴에 대한 패턴 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 패턴 이미지를 이용하여 상기 유체의 속도를 연산하는 단계를 포함하는, 유체 속도 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유체의 속도는 하기 수학식에 의하여 연산되는, 유체 속도 측정 방법.
    [수학식]
    Figure 112016078172309-pat00005

    여기서, (x, y)는 상기 패턴 이미지의 특정 픽셀의 위치이고, <I(x, y)>는 상기 패턴 이미지를 구성하는 전체 픽셀들의 세기의 평균이며, σ(x, y)는 (x, y) 좌표를 가지는 상기 특정 픽셀 주변 픽셀들의 세기의 표준편차이며, d(x, y)는 스페클 대조 값이고, 상기 스페클 대조 값은 0 내지 1의 값을 가짐.
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