KR101984530B1 - 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치는, 마이크로웨이브 신호를 발생하는 신호발생기와 상기 마이크로웨이브 신호를 수신하는 신호수신기를 포함하는 제어기; 및 상기 마이크로웨이브 신호를 송수신하는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고, 유전 특성에 의해 특정 주파수의 감쇠를 야기하는 물질을 포함하는 측정 대상에 대한 측정이 수행되는 측정기;를 포함하고, 상기 측정기는, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면; 및 상기 제1면과 함께 측정 대상을 수용할 수 있는 수용부를 형성하고, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치{MATERIAL ANALYZER USING MICROWAVE SIGNAL}
본 발명은 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 주변의 간섭을 최소화하고, 신호를 증폭하여 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치에 관한 것이다.
어떠한 물체가 어떠한 구성으로 이루어져 있는 지는 다양한 산업에서 매우 중요한 문제에 해당한다.
예를 들어, 어떠한 물체가 어느 정도 양의 수분을 함유하고 있는 여부인 함수율(含水率)의 측정은 토목건설, 농업, 환경문제 등과 관련된다.
물체를 분석하기 위해서는 측정하고자 하는 물질에 따라 다양한 방법들이 이용되고 있다. 물질 분석에 있어서는 다음과 같은 것들이 요구된다.
첫째, 측정 데이터의 신뢰성의 향상이 필요하다. 물질 분석은 단순히 물질의 유무(有無)만을 확인하는 것이 아니라, 해당 물질이 어느정도의 양으로 포함되어 있는지를 확인할 수 있어야 한다. 나아가, 이와 같은 함량을 측정할 수 있는 분해능(Resolution)이 향상되어야 보다 정밀하게 물체의 분석이 가능하다.
둘째, 측정에 소요되는 시간을 최소화하여야 한다. 연구실에서는 시간이 오래 걸리더라도 보다 정확한 분석이 필요하나, 연구실과 달리 실제 산업에서는 즉각적인 분석 데이터 확보가 필요하다. 전술한 측정 데이터의 신뢰성과 측정 시간은 일반적으로 트레이드-오프(Trade-Off) 관계에 있으나, 이를 모두 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.
셋째, 측정 대상의 손상을 최소화하여야 한다. 예를 들어 어떠한 물체에 포함된 함수율을 측정하는 경우, 매 측정시 마다 측정 대상이 손상된다면, 표본 측정이 불가피하다. 이와 같은 표본 측정은 측정 결과의 신뢰성이 떨어지게 된다. 더욱이 측정 대상으로 이용된 물체는 상품성이 없어져 손해로 직결될 수 밖에 없다. 따라서, 측정 대상을 손상을 최소화, 나아가 손상이 없는 측정 방법을 이용하여야 한다.
넷째, 측정 장소의 제약이 적어야 한다. 위의 조건들을 만족하더라도 측정 장치의 부피나 유해성으로 인해 특정 위치에서만 측정이 가능한 경우가 있다. 이와 같은 경우, 측정 대상의 운송 또는 측정 장치의 설치 시공비 등 경제적 문제를 수반할 수 밖에 없다. 나아가, 유체 내부에서 측정이 이루어지는 등 특수한 환경의 경우에는 측정이 불가능할 수 밖에 없다. 따라서, 측정 장소의 제약이 적은 측정 방안이 필요하다.
위 조건들을 종합해보면, 실제 산업에 적용될 수 있는 물질 분석 장치는 신뢰성, 측정 시간 및 경제성, 비파괴성 등의 다양한 요건을 동시에 만족할 필요가 있으며, 이에 대한 지속적인 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정 장소에 구애 받지 않으며, 측정 대상을 파괴하거나 변형시키지 않으면서도, 동시에 높은 측정 신뢰성을 가지는 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치는, 마이크로웨이브 신호를 발생하는 신호발생기와 상기 마이크로웨이브 신호를 수신하는 신호수신기를 포함하는 제어기; 및 상기 마이크로웨이브 신호를 송수신하는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고, 유전 특성에 의해 특정 주파수의 감쇠를 야기하는 물질을 포함하는 측정 대상에 대한 측정이 수행되는 측정기;를 포함하고, 상기 측정기는, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면; 및 상기 제1면과 함께 측정 대상을 수용할 수 있는 수용부를 형성하고, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1면과 상기 제2면 사이에는 링 형태의 연결면이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 신호발생기는 1 내지 3 GHz의 주파수 대역의 신호를 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 측정기는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 합금을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나는 상기 측정 대상을 수용하는 상기 수용부를 사이에 두도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1면으로부터 돌출되어 상기 수용부의 입구를 형성하는 제1 가이드부; 및 상기 제2면으로부터 돌출되어 상기 수용부의 출구를 형성하는 제2 가이드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용부를 관통하는 측정 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 측정 튜브는, 측정관; 및 상기 측정관보다 작은 단면을 가지며, 상기 측정관의 양 단부에 각각 연결되는 제1관 및 제2관;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1관에 상기 측정관으로 유입되는 유체의 양을 일정하게 하기 위한 유량 조절 장치가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1관에는 상기 측정관으로 유입되는 유체의 온도을 일정하게 하기 위한 항온 장치가 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치는, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면 및 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면 이 서로 결합된 형상을 가지는 측정기를 이용함으로써 외부 환경에 의한 간섭(interference)을 최소화 할 수 있으며, 나아가 측정기 내의 측정 신호를 고르게 분산시킴으로써 측정 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용함으로써, 흐르는 유체, 즉 하천 등에 포함되는 고형분의 함량을 실시간으로 측정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용함으로써 수질 오염(예를 들어, 공사 중 토사 방류량 측정 또는 녹조 발생 측정) 여부를 감지하는 것에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용하여 구성된 수분 측정 시스템의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치의 투시 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 I-I`에 따른 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 신호 발생기에서 발생된 마이크로웨이브 신호에 따른 측정기 내부의 마이크로웨이브 신호의 강도를 나타낸 것으로, 음영이 진한 부분이 강한 신호를, 음영이 흐린 부분이 약한 신호를 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용하여 하천에 포함되는 고형분 함량을 실시간으로 측정하는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 측정기의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용하여 하천에 포함되는 고형분 함량을 실시간으로 측정함에 있어서, 측정 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있도록 항온장치 및 유량조절장치를 더 포함하는 것을 개략적으로 도시한것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용하여 수분을 측정하기 위하여, 순수한 수분만을 대상으로 주파수를 변화시키며 수신되는 마이크로웨이브 신호의 강도를 측정한 것이다.
도 9는 도 8의 실험으로부터 도출된 주파수(P)에서 고형분의 함량을 변화시키며 수신되는 신호의 강도를 측정한 것이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용하여 구성된 수분 측정 시스템의 사시도를 개략적으로 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치의 투시 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 I-I`에 따른 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치를 이용하여 구성된 수분 측정 시스템은 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10), 디스플레이 장치(20) 및 입력 장치(30)를 포함하여 구성된다.
도 1에서는 각 장치들이 유선 케이블로 연결되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 각 장치들은 블루투스(Bluetooth), Wi-Fi 등의 무선 송수신장치를 이용하여 서로 연결될 수 있다.
한편, 입력 장치(30)는 디스플레이 장치(20)가 터치 스크린인 경우에는 생략될 수 있다.
나아가 디스플레이 장치(20) 및 입력 장치(30)는 스마트 기기(예를 들어, 스마트 폰, 패드 등)에 의해 대체될 수 있다. 스마트 기기를 이용하는 경우에는 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)를 제어하고, 측정 데이터를 수신할 수 있는 전용 어플리케이션을 이용할 수 있다.
마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)는 케이스(11)와 케이스(11)의 내측에 배치되는 측정기(100) 및 제어기(200)를 포함한다.
제어기(200)에는 신호발생기와 신호수신기를 포함한다. 신호발생기는 1 내지 3 GHz의 주파수 대역을 가지는 마이크로웨이브 신호를 발생시킬 수 있으며, 신호수신기는 수신된 신호의 세기 분포를 분석하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 신호수신기는 스펙트럼 분석기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 이용되는 신호발생기는 1 내지 3 GHz의 주파수 대역의 신호를 발생함으로써, 보다 정확하게 신호 감쇠가 가장 크게 일어나는 주파수 대역을 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 1 내지 3 GHz의 주파수 대역의 신호를 발생할 수 있는 신호발생기를 이용함으로써, 수분 외에 당분과 같은 다른 물질에 대해서도 본 발명의 일 실시예에 따른 물질 분석 장치(10)를 이용을 도모해 볼 수 있다.
신호발생기에서 발생된 마이크로웨이브 신호는 송신 케이블(141)을 통해 송신 안테나(143)으로 전달되고, 송신 안테나(143)에서 방사된 신호는 측정 대상을 거쳐 수신 안테나(144)로 수신된 후에, 수신 케이블(142)을 통해 신호수신기로 전달된다. 이와 같은 측정의 신뢰성 향상을 위해, 송신 안테나(143) 및 수신 안테나(144)는 측정 대상을 수용하는 수용부를 사이에 두도록 배치될 수 있다. 한편, 신호발생기와 신호수신기가 네트워크 분석기(Network Anaylzer)를 구성한다.
전술한 발명의 효과를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)는 아래에서 설명하는 측정기(100)를 포함한다.
설명의 명확성을 위해 수분을 예로 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)에 대해 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 측정 대상이 수분에만 한정되는 것은 아니며, 마이크로웨이브 신호를 이용하여 유전 특성(dielectric characteristic)에 의해 특정 주파수의 감쇠를 야기할 수 있는 물질에 적용이 가능하다.
어떤 물질의 포함된 수분의 함량 측정은 직접적인 수분 함량의 측정하는 것도 가능하며, 이외에 측정 대상의 전체 질량을 이용하여 해당 물질의 수분 외의 고형분과 같은 다른 물질의 함량을 간접적으로 알 수 있다.
종래에는 함수율(含水率)을 측정하기 위해 노건법, 전기전도도 측정 및 마이크로웨이브 신호를 이용하는 방법 등 다양한 방법들이 이용되고 있다.
노건법은 현재 가장 널리 사용되고 있는 수분 측정 또는 유체 내의 고형물의 양을 측정하는 방법이다. 구체적으로 살펴보면, 샘플링한 측정 대상을 적외선(IR),마이크로웨이브, 또는 열선 등으로 가열(약 105 ℃)하여 수분을 제거한 후에 남는 고형분과 수분 제거 전의 샘플링한 측정 대상의 무게를 비교하여 수분 또는 고형분의 함량을 산출하는 방법이다.
노건법의 경우, 가열기구 및 저울 등 간단한 장치만 있으면 측정이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 노건법의 경우, 작은 부피 또는 수 그램(g)의 작은 무게의 측정 대상에 대해서만 측정이 가능하여 측정 결과의 대표성에 문제가 있으며, 측정에 장시간이 소요되는 문제가 있다. 특히, 측정을 수행하기 위해서 열을 가하는 등, 필연적으로 측정 대상의 파괴 내지 변형을 수반한다는 문제점이 있다.
노건법 외에 측정 대상의 전도도 차이를 이용하여 수분 측정 또는 유체 내의 고형물의 양을 측정하는 방법 이용되고 있다. 구체적으로 살펴보면, 전도도 차이를 이용하는 방법은 측정 대상에 전류를 흘려줄 수 있는 전극 한쌍을 삽입하고, 이 전극 사이에 흐르는 전류에 대한 전기 전도도를 측정하여 수분 측정 또는 유체 내의 고형물의 양을 산출하는 방법이다.
전도도 차이를 이용하는 방법은 간단하고 간이하게 측정을 수행할 수 있다는 장점이 있으나, 전극이 삽입되는 위치나 토양이나 유체의 성분 등에 의해 측정치에 차이가 커 신뢰성에 문제가 있다. 노건법과 마찬가지로, 전도도 차이를 이용하는 방법은 측정 대상에 전극을 삽입함에 따라 측정 대상의 전극 삽입부의 파괴를 수반할 수 밖에 없다는 문제가 있다.
측정 대상의 파괴 내지 변형을 최소화할 수 있는 방법으로는 마이크로웨이브 신호를 이용하는 방법이 있다. 마이크로웨이브 신호를 이용하는 방법은 물과 같은 물질이 일정 신호 대역의 전기장 안에 위치하게 되면, 특정 주파수의 신호를 흡수하여 해당 주파수의 강도(intensity)가 낮아지게 되는 원리를 이용하는 것이다. 이와 같은 원리를 이용하여, 소스(source) 측에 특정 주파수의 에너지를 인가하고, 인가된 에너지의 흡수비(인가량/측정량)를 판단하여 수분의 양을 측정할 수 있다.
종래의 마이크로웨이브 신호를 이용하는 방법은 측정 대상에 인가되는 신호의 분산으로 인해 정밀한 측정이 어렵고, 외부 전자기기의 간섭 등으로 인해 측정 장소의 제약이 심하다는 문제가 있다.
결론적으로 종래 수분 측정 방법은 측정 대상의 파괴를 수반하거나, 측정 장소의 제약이 있거나, 측정 결과의 신뢰성이 현저히 낮다는 문제가 있다. 나아가, 측정 시간 및 경제성에 문제가 있었다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)와 같이, 특정 형상을 가지는 측정기(100)를 이용하여 상술한 종래의 물질 분석 방법이 가지는 문제를 해결하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)에 포함되는 측정기(100)는 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면(111) 및 환형으로 형성되어 일방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면(112)으로 구성되는 신호분산부를 포함한다.
한편, 제1면(111) 및 제2면(112)은 서로 결합되어 내측에 수용부(150)를 형성한다. 수용부(150)는 제1면(111) 및 제2면(112)의 중앙부에 위치하며, 제1면(111)으로부터 제2면(112)까지 연장되는 원통형의 공간을 의미할 수 있다.
수용부(150)에는 측정하고자 하는 물체인 측정 대상(S)이 배치된다. 도 1에서는 사과를 일 예로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이, 마이크로웨이브 신호를 이용하여 유전 특성(dielectric characteristic)에 의해 특정 주파수의 감쇠를 야기할 수 있는 물질을 포함하는 물체를 측정 대상(S)으로 이용할수도 있다.
수용부(150)는 특별한 하우징이 없거나, 인가되는 신호에 영향이 없는 PE 또는 PVC로 이루어진 원통형의 하우징(미도시)을 포함할 수 있다. 수용부는 적어도 일단이 개방되어 있을 수 있다. 예를 들어, 고정된 물체에 대한 측정을 수행하는 경우에는 일 단부만을 개방할 수 있으며, 유동하는 물체에 대한 측정을 수행하는 경우에는 양 단부를 모두 개방할 수 있다.
신호분산부는 송신안테나(143)에서 인가된 신호가 수용부(150)에 고르게 분산되는 역할을 수행하게 된다.
제1면(111) 또는 제2면(112)의 외측 단부의 지름(d1)과 제1면(111) 또는 제2면(112)의 내측 단부의 지름(d2)의 비(d2/d1)는 2.3 내지 2.5 일 수 있다. 여기서 제1면(111) 또는 제2면(112)의 외측 단부는 지름이 가장 작은 부분을 의미하며, 내측 단부는 지름이 가장 큰 부분을 의미한다. d2/d1가 2.3 미만이거나, 2.5 초과인 경우에는 수용부(150)에 인가되는 마이크로웨이브 신호의 강도가 균일하지 않아 측정 데이터의 신뢰성이 감소하는 문제가 있다.
한편, 측정기(100)의 높이는 0.4·d2 내지 0.6·d2 일 수 있다. 측정기(100)의 높이가 0.4·d2 미만이거나, 0.6·d2 초과인 경우에는 신호분산부의 형상에 변형이 발생하거나, 수용부(150)에 인가되는 마이크로웨이브 신호의 강도가 균일하지 않아 측정 데이터의 신뢰성이 감소하는 문제가 있다.
도 4는 신호 발생기에서 발생된 마이크로웨이브 신호에 따른 측정기 내부의 마이크로웨이브 신호의 강도를 나타낸 것으로, 음영이 진한 부분이 강한 신호를, 음영이 흐린 부분이 약한 신호를 의미한다.
도 4를 참조하면, 신호분산부의 중앙부, 즉 수용부(150)에서 마이크로웨이브 신호가 일정한 강도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 신호분산부의 제1면(111) 및 제2면(112)이 송신안테나(143)에서 송출된 신호를 수용부(150)로 고르게 분산시킴으로써 수용부(150) 내의 신호 강도를 균일하게 만들어 줄 수 있는 것이다.
한편, 제1면(111)으로부터 돌출되어 수용부(150)의 입구를 형성하는 제1 가이드부(131) 및 제2면(112)으로부터 돌출되어 수용부(150)의 출구를 형성하는 제2 가이드부(132)를 더 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제1 및 제2 가이드부(131, 132)를 더 포함함으로써, 제1면(111) 및 제2면(112)에 의해 구성되는 신호분산부 전체의 신호 강도가 균일한 것을 알 수 있다. 만일 제1 및 제2 가이드부(131, 132)가 없다면, 제1면(111) 및 제2면(112)이 직접 수용부(150)의 입구 및 출구를 형성하게 되고, 이때 수용부(150)의 입구 및 출구에서 신호 강도의 분산이 발생하여 신호분산부의 전체의 신호 강도가 균일하게 될 수 없다.
제1면(111) 및 제2면(112)은 연결면(120)을 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 연결면(120)은 제1면(111)과 제2면(112) 사이에 배치될 수 있다. 연결면(120)은 제1면(111) 및 제2면(112)에 대응하는 지름을 가지는 링 형상일 수 있다.
연결면(120)의 폭, 즉 제1면(111) 및 제2면(112)의 하면 사이의 간격은 연결면(120)의 지름(d2)의 0.2 배 이하, 바람직하게는 0.1배 이하일 수 있다. 연결면(120)의 폭이 연결면(120)의 지름(d2)의 0.2 배를 초과하는 경우에는 측정기(100) 내부에서 신호가 고르게 분산되지 않아 물질 분석 장치의 신뢰성이 감소하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10)에 포함되는 측정기(100)는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 합금일 수 있다.
측정기(100)는 신호분산부에 의해 수용부(150)에 균일한 마이크로웨이브 신호를 인가하는 것 외에 외부의 전자기파에 의해 물질 분석 과정에 간섭(interference) 현상이 발생하는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')를 이용하여 하천에 포함되는 고형분 함량을 실시간으로 측정하는 것을 개략적으로 도시한 것이며, 도 6는 도 5의 측정기(100')의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 동일한 구성에 대해서는 설명의 명확성을 위해 설명을 생략하도록 한다.
먼저 도 5에 도시한 바와 같이, 유체 흐름 방향으로 흘러가는 하천이 있다고 가정하도록 한다. 이때, 수용부(150)의 길이 방향과 유체 흐름 방향이 일치하도록 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')를 배치한다.
흐르는 유체, 즉 하천 내에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')가 배치되기 때문에, 케이스(11')는 방수가 가능하도록 형성될 수 있다.
흐르는 유체에 대한 측정을 수행하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')는 수용부를 관통하는 측정 튜브를 더 포함한다. 측정 튜브는 원통의 관일 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다.
측정 튜브는 측정관(170)과 측정관(170)보다 작은 단면을 가지며, 측정관(170)의 양 단부에 연결되는 제1관(171) 및 제2관(172)을 포함할 수 있다. 이때, 측정관(170)은 측정기(100')를 관통하도록 충분히 길게 형성될 수 있다.
하천과 같이 흐르는 유체는 유속이 일정하지 않으므로, 어떠한 조치 없이 측정을 수행하면 유속에 의해 측정결과가 달라지는 문제가 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')는 측정 튜브를 측정관(170)과 측정관(170)보다 작은 단면을 가지며, 측정관(170)의 양 단부에 연결되는 제1관(171) 및 제2관(172)으로 구성함으로써, 측정관(170)에 유입되는 유체의 양을 일정하게 유지할 수 있다.
특히, 도 7과 같이, 제1관(171)에 측정관(170)으로 유입되는 유체의 양을 일정하게 하기 위한 유량조절장치(181)를 더 포함할 수 있다. 유량조절장치(181)는 외부 동력을 이용하는 펌프(pump)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 보다 정밀한 측정을 위해서는 유입되는 유체의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 항온 장치(182)를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')를 이용하여, 실제 흐르는 유체에 대한 물질 분석을 수행하였다.
본 실험에서 이용된 유체는 물이며, 고형분으로는 1 mm 메쉬(mesh)로 거른 황토흙을 이용하였다. 실험을 위해, 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치(10')의 신호발생기와 수신기는 각각 미국의 Signal Hound 사의 USB-TG124B(tracking generato) 및 USB-SA124B(Spectrum analyzer)를 이용하였다. 즉, 두 장비를 동기화하여 각각 PC에 연결하였고, 분석 모드는 스칼라 네트워크 분석(scalar network analysis) 모드를 이용하였다. 유체의 흐름을 만들기 위하여, 유량조절장치(181)로 Sprksun 사의 소형 펌프(시간당 350 gallon)를 이용하였으며, 유체의 온도는 20 ℃로 유지하였다.
먼저, 순수한 유체, 즉 순수한 물을 순환시켜 측정에 이용할 주파수를 설정하였다. 주파수를 1 내지 3 GHz로, 밴드폭(Bandwidth)은 10 MHz로, 레퍼런스 레벨(Reference Level)은 -20 dB이 되도록 하여 순수한 물에 대한 측정을 수행하였다.
도 8을 참조하면, P 부분(1.0575 GHz)에서 물에 의한 신호 감쇠가 가장 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인가된 마이크로웨이브 신호가 1.0575 GHz일 때, 물에 유전 특성에 의한 신호 강도가 가장 크게 감소하며, 물에 다른 고형분이 포함되면 이와 같은 신호 감쇠가 적어질 것을 추단할 수 있다.
다음으로, P부분에 해당하는 1.0575 GHz의 마이크웨이브 신호를 이용하여, 고형분의 함량을 변화시켜가며 실험을 진행하였다.
즉, 물을 순환시키면서 황토흙을 100 g 투입하여 측정을 10분간 수행(샘플 1)하고, 황토흙을 추가로 200 g 투입하여 300 g의 황토흙을 포함하는 물을 순환시켜 측정을 10분간 수행(샘플 2)하고, 다시 황토흙을 추가로 200 g 투입하여 500 g의 황토흙을 포함하는 물을 순환시켜 측정을 10분간 수행(샘플 3)하였다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 최초 순수한 물의 경우, P 부분의 신호 강도가 약 - 32 dB이였으나, 샘플 1의 경우에는 약 -28 dB, 샘플 2의 경우에는 약 -24.5 dB, 샘플 3의 경우에는 약 -17 dB 인 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용하는 물질 분석 장치를 이용함으로써, 흐르는 유체에 대해서도 물질 분석을 수행할 수 있음을 알 수 있었다.
결론적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 신호를 이용하는 물질 분석 장치는 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면 및 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면 이 서로 결합된 형상을 가지는 측정기를 이용함으로써 외부 환경에 의한 간섭(interference)을 최소화 할 수 있으며, 나아가 측정기 내의 측정 신호를 고르게 분산시킴으로써 측정 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 흐르는 유체, 즉 하천 등에 포함되는 고형분의 함량을 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10, 10': 마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치
11, 11': 케이스 20: 디스플레이 장치
30: 입력 장치
100, 100': 측정기
111: 제1면 112: 제2면
120: 연결면
131: 제1 가이드부 132: 제2 가이드부
141: 송신 케이블 142: 수신 케이블
143: 송신 안테나 144: 수신 안테나
150: 수용부 170: 측정관
171: 제1관 172: 제2관
181: 유량조절장치 182: 항온 장치

Claims (10)

  1. 마이크로웨이브 신호를 발생하는 신호발생기와 상기 마이크로웨이브 신호를 수신하는 신호수신기를 포함하는 제어기; 및
    상기 마이크로웨이브 신호를 송수신하는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고, 유전 특성에 의해 특정 주파수의 감쇠를 야기하는 물질을 포함하는 측정 대상에 대한 측정이 수행되는 측정기;를 포함하고,
    상기 측정기는,
    환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 증가되는 제1면;
    상기 제1면과 함께 측정 대상을 수용할 수 있는 수용부를 형성하고, 환형으로 형성되어 일 방향으로 갈수록 직경이 감소되는 제2면; 및
    상기 제1면과 상기 제2면 사이에 배치되는 링 형태의 연결면;을 포함하며,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나는 상기 연결면에 상기 수용부를 사이에 두도록 배치되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1면 또는 상기 제2면의 외측 단부의 지름(d1)과 상기 제1면 또는 상기 제2면의 내측 단부의 지름(d2)의 비(d2/d1)는 2.3 내지 2.5이며,
    상기 제1면의 외측 단부로부터 상기 제2면의 외측 단부까지의 거리는 0.4·d2 내지 0.6·d2 이고,
    상기 연결면의 폭은 상기 연결면의 지름(d2)의 0.2 배 이하인 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호발생기는 1 내지 3 GHz의 주파수 대역의 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정기는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 합금을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1면으로부터 돌출되어 상기 수용부의 입구를 형성하는 제1 가이드부; 및
    상기 제2면으로부터 돌출되어 상기 수용부의 출구를 형성하는 제2 가이드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수용부를 관통하는 측정 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 측정 튜브는,
    측정관; 및
    상기 측정관보다 작은 단면을 가지며, 상기 측정관의 양 단부에 각각 연결되는 제1관 및 제2관;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1관에 상기 측정관으로 유입되는 유체의 양을 일정하게 하기 위한 유량 조절 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1관에는 상기 측정관으로 유입되는 유체의 온도을 일정하게 하기 위한 항온 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 신호를 이용한 물질 분석 장치.
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JP2009535647A (ja) * 2006-05-01 2009-10-01 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー フィルタ負荷判定のためのマイクロ波検出
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