KR102086476B1 - 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서에 관한 것으로서, 이 센서는 광학적으로 투과성인 측정 셀(115), 광학 검출기 및 자기 검출기를 구비하고, 이 측정 셀을 통해서는 매질을 통과시키고 측정하기 위한 모세관(C)이 관통하며, 이 경우 측정 셀(115)은 실린더 형태이고, 이 측정 셀 내에서 모세관(C)이 동축으로 연장되며, 측정 셀의 중앙에는 검사 공간(K)이 배치되어 있고, 이 검사 공간에는 광원(110) 및 하나 이상의 광학 검출기(111)를 구비하는 광학 렌즈 시스템이 포커싱 되며, 측정 셀(115)의 샤프트 상에서는 동축의 교번 자기장을 발생시키고 검출하기 위한 차동 코일(116)이 자기 검출기를 형성하며, 이 차동 코일은 교번 자기장이 검사 공간(K) 내에서 상쇄되도록 제어된다. 본 발명은 또한 센서(1)의 신호를 평가하기 위한 방법 그리고 센서의 용도와도 관련이 있다.
Description
본 발명은 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서에 관한 것으로서, 이 센서는 광학적으로 투과성인 측정 셀, 광학 검출기 및 자기 검출기를 구비하고, 이 측정 셀을 통해서는 매질을 통과시키고 측정하기 위한 모세관이 관통한다.
입자를 식별하기 위하여 입자들은 자체 특유의 유형 및 재료 특성에 따라 구별된다. 입자로서는 국부적인 검출 영역(검사 공간) 안에 있는 모든 재료 성분이 규정되나, 입자가 그 내부에 포함되어 있는 매질을 나타내는 재료는 제외된다. 이때 입자는 고정된 액체 혹은 기체 형태로 또는 진공 형태로 매질 내에 포함될 수 있다. 매질은 검출시에 사용되는 준 정자기적(quasi magnetostatic) 혹은 전자기적 교번 자장을 통과시키기에 충분한 투명도를 갖는 균질의 재료로 이루어진다.
이때 관련 크기 범위 안에 있는 자기 활성 입자는, 검출 영역 안에 있는 이산 입자의 자기 특성을 식별하기 위하여 교번 자기장을 동시에 제공함으로써 뿐만 아니라 바람직하게 크기 및 형태를 명시하기 위한 광파 영역 안에 전자기 교번 자장을 제공함으로써도 식별된다. 이 목적을 위해서 필요한 교번 자기장은 코일에 의해서 발생 된다. 자기 활성 입자와 상호 작용을 하는 자기장의 검출은 예컨대 코일, 홀-효과-검출기 등과 같은 적합한 검출기에 의해서 실시된다. 정자기장(static magnetic field)의 제공도 기본적으로 가능하다. 하지만, 이 경우에는 이때 입자에 가해지는 지향성 파워에 의해서 입자가 검출 영역 내에 그대로 유지되어 전체 시스템의 장애를 유발시킬 수 있다는 단점이 있다. 또한, 상기와 같은 방법에 의해서는 다만 강자성 입자만이 검출될 수 있다. 비철 금속은, 이 금속이 정자기장에 노출되는 경우에 분석 가능한 신호 변수를 얻기 위하여 지나치게 적은 투과성을 갖는다. 그렇기 때문에, 비철 금속의 식별은 교류의 동적인 유도(dynamic induction) 그리고 이와 같은 유도에 의해서 야기되는, 교류를 야기하는 교번 자기장에 대한 역작용을 토대로 한다. 그렇기 때문에, 이와 같은 변형 예는 오히려 입자가 그 내부에 포함되어 있는 매질이 고정된 응집 상태(예컨대 무기질, 광석 등)를 갖는 적용 예를 위해서 고려된다.
실제로 생성되는 샘플의 대부분은 분석 장치의 불충분한 능력 때문에 측정될 수 없다. 그 이유는 항상 대체로 프리즘 형태로 형성된 검사 공간의 단순한 형상에 있다. 이 경우 사람들은 얇고 평탄한 "커튼 모양의" 횡단면과 칼럼 모양의 원형 또는 정방형의 횡단면으로 구별할 수 있다. 불충분한 검출 가능성에 대한 원인은 상대적으로 크고 대부분 측정 범위의 100%까지 포물선 모양인 특성 곡선 및 측정 용적의 유동 횡단면에 비해 큰 검사 공간이며, 이와 같은 원인은 특히 상대적으로 크기가 작은 입자의 입자 농도가 상승할 때에는 조기에 일치(coincidence)를 야기한다. 일치 현상은 하나 이상의 입자가 검사 공간 내에서 동시에 정체함으로써 신호 발생에 기여하는 경우에 존재한다. 이와 같은 현상에 대해서는, 선행 기술의 방법에 따라 가급적 낮고 공지된 입자 농도를 갖는 유체의 혼합에 의해, 센서가 재차 기능을 하는 영역에서 입자 농도가 감소하게 될 때까지, 검사할 현탁액을 희석시키는 방식으로 대처하였다. 이와 같은 방법은 매우 비용 소모적이고, 또한 단지 실험실 검사용으로만 적합하며, 기본적으로 고정 장착된 센서를 이용한 온라인-측정에는 적용될 수 없다.
상기와 같은 이유에서도, 현재로서는 예컨대 ISO4406 또는 ISO16232에서 지시된 바와 같은 입자 농도의 전체 범위를 커버하는 입자 센서는 제공되지 않는다.
특히 오랫동안 사용되고 있는 유체의 경우에는 오일 노화 제품의 비율이 점차 증가하고 있다. 그 결과, 유체 흐름이 더 이상 충분히 광학적으로 관통될 수 없어서 세기(intensity) 손실이 더 이상 보상될 수 없을 정도로 불투명도(opacity)가 증가할 수 있다. 이와 같은 상황은 특히 비네팅(vignetting)을 이용해서 그리고 그와 더불어 높은 광 손실을 감수하면서 검사 공간 모델링을 실행하는 센서에서는 단점으로 작용을 한다. 그밖에 추가적으로는 이와 같은 광 손실을 상대적으로 더 높은 추후 증폭에 의해서 보상할 필요도 있으며, 이와 같은 필요성은 재차 달성 가능한 신호-잡음 간격에 그리고 그와 더불어 입자 크기의 하부 검출 한계에 그리고 주파수 범위 안에 있는 대역 폭에 단점으로 작용을 한다. 주파수 대역 폭이 줄어듦에 따라 측정 용적 내에서 도달 가능한 유체의 유동 속도도 비례적으로 줄어들며, 이와 같은 유체 유동 속도의 감소는 부수적으로 막힘 현상이 발생하게 될 정도까지 오염에 대한 감도가 증가하는 형태로 단점으로 작용을 한다.
자체 재료 성질(예컨대 금속 및 비금속 또는 공기의 구별)과 관련해서 오염물을 전반적으로 분석하는 방식은 콤팩트하고 소형화되었으며 질량 적용을 위해 유용한 센서 형태에서는 이용될 수 없다. 실제로 종종 발생하는 경우와 같이, 자체 물질(예컨대 석영, 공기, 카본 블랙 및 첨가물)에 따라 이종의 입자 분포가 존재하는 경우에, 경보 한계는 무해 성분으로 구성된 설비의 존재에 의해서 초과 되거나, 그와 반대로 유해 입자가 존재하는 경우에는 각각 부정적인 결과로 인해 경보 한계에 도달되지 않는다.
한 편으로는 입자의 재료 조성의 구별이 부족하기 때문에 그리고 다른 한 편으로는 "경험적으로" 추론될 수 없는 SI-유닛에 대한 보정으로 인해, 특정 적용 예들에서는 치명적인 측정 오류가 나타난다. 설비 또는 기계 상에 존재하는 오염물에 대한 평가 오류로 인해 발생하는 단점적인 결과들 이외에, 규칙적이거나 연속적인 사용을 위한 센서의 자격에 대해서도 중대한 의구심이 존재한다.
설비를 작동 기술적으로 감독하는 경우에는, 예컨대 전류 분배기, 유량 조절기, 체크 밸브, 종종 불확실한 작용 방식을 갖는 공기 용해 구간과 같은 추가의 기능 요소를 이용해서 센서를 위한 유체 파라미터의 상응하는 컨디셔닝(conditioning)을 만들 필연성이 자주 존재한다. 이와 같은 설비의 정확한 기능 방식은 모든 작동 조건 하에서 보증될 수는 없으며, 이러한 사실은 허위의 결과 혹은 측정 오류를 야기하고, 최악의 경우에는 그러한 허위의 결과 혹은 측정 오류가 즉각적으로 검출되지 않아서 모니터링할 설비에 대하여 상응하는 부정적인 결과를 야기하게 된다.
고압 연결부에서 작동되어야만 하는 분석 장치의 경우에는, 장치의 유체 출력이 탱크 라인에 연결되어야만 하거나, 탱크 라인이 존재하지 않는 경우에는 배출되는 유체가 수집된 후에 배출되어야만 한다. 유체 순환계 내에서의 직접적인 피드백은 유압식 내부 소자들의 압력 안정성 부족으로 인해 이루어지지 않는 경우가 많다.
센서 내부에 있는 큰 사적(dead volume)은 다양한 문제들을 야기한다:
- 통상적인 센서 및 장치의 유체 내에 있는 기포를 해결하기 위한 유압식 연결부 또는 증류액 라인의 큰 용적은 오염에 의해서 그리고 지시를 지연시키는 각각 선행하는 샘플과의 느린 혼합에 의해서 측정 결과를 위조한다.
- 다른 한 편으로는 그곳에서 "오염물 네스트(nest)"가 형성되며, 이 오염물 네스트는 압력 서지(pressure surge)와 같은 작동 조건이 변경될 때에 또는 용적 흐름이 변동될 때에 갑자기 센서의 유체 흐름 내부로 유입되고, 허위 측정 값에 의해 유령 경고(phantom alarm)를 발생시킬 수 있다.
- 큰 용적은 안정적인 측정값을 얻기 위하여 다량의 샘플 및 다수의 중간 세척 과정을 요구한다.
국제 특허 출원서 WO 2007/121879 A1호에는 오일 용적 내에 있는 입자 개수를 검출하기 위한 방법 및 센서 장치가 기술되어 있으며, 이 경우 하나의 측정 셀 내에는 하나의 광학 센서, 하나의 자기 센서 및 하나의 유전 센서가 배치되어 있다. 상기 광학 센서는 투과 광이 수량화(quantifying) 되는 단순한 광 배리어이다.
특허 출원서 US 2010/0297780 A1호에는 오염된 매질 내에 있는 입자를 측정하기 위한 센서가 공지되어 있으며, 이와 같은 센서의 경우에는 하나의 광학 센서 및/또는 하나의 자기 센서가 사용될 수 있다. 이들 센서의 구체적인 형상은 지시되어 있지 않다. 입자에 영향을 미치기 위한 자기 차동-교번 자장은 제공되지 않았다.
특허 출원서 US 2010/0033158 A1호에는 매질 내에 있는 자기 입자의 응집(clumping)을 검출하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이 경우에도 자기 센서들이 사용될 수 있다. 이들 센서의 구체적인 형상은 지시되어 있지 않다. 입자에 영향을 미치기 위한 자기 차동-교번 자장은 제공되지 않았다.
공지된 선행 기술은, 개별 감도가 동시에 동일 장소에서 자체 최고치에 도달하도록 합동이 되지 않거나 서로 중첩되지 않는 검사 공간을 갖는 센서들만을 기술하고 있다. 그렇기 때문에, 하나의 이산 입자에 검출 가능한 모든 특성을 각각 할당하는 것은 불가능하다.
센서 내부에 통합된 밀봉부 및 유체에 의해서 습윤 된 추가의 재료들은 사용된 모든 유체에 대하여 안정적이지 않다. 이와 같은 사실은 고객 및 제조자로 하여금 동일하게 타입 변형의 다양화를 강요하고, 필요한 창고를 갖춘 상응하는 프로세스 관리 및 그에 상응하는 자본 결합의 다양화를 강요한다.
가장 중요한 유체 파라미터를 측정하기 위해서는, (하나의 센서마다 각각의 측정 변수를 위해) 다수의 이산형 개별 센서가 필요하며, 이들 센서는 유체 기술적으로 컨디셔닝 되어 상호 접속된 상태에서 유압 블록에 연결되어야만 할 뿐만 아니라 추가로는 전기적으로 그리고 소프트웨어 방식으로 상호 결합 되어야만 한다. 이를 위해서는 전자 장치의 영역에도 추가의 소자 및 소프트웨어가 필요하다. 유체 기술적으로 컨디셔닝 된 다양한 유형의 센서를 사용하는 경우에는, 상호 결합으로 인해 고액의 투자가 필요하다. 따라서, 이미 공지된 측정 적용 예들을 위해서는, 예컨대
- 중간 및 낮은 가격 등급의 플라스틱 사출 성형 기계,
- 이동식 유압 장치 및 해양 적용 예들을 위한 디젤 엔진,
- 상용차 및 고가의 승용차를 위한 자동 기어,
- 펌프, 비례 제어 밸브, 실린더 등과 같은 유압 부품,
- 가스 터빈용으로 시장에서 제공되는 센서들이 지나치게 비싸다.
측정 수단으로서 요구되는 센서들의 규칙적인 보정이 사용자에게는 큰 문제가 된다:
- 센서의 보정은 SI-유닛에 대하여 추론할 수 없다.
- 관련 보정 방법은 매우 비싸고, 부정확하며, 시간 소비적이다(분해 및 재설치 그리고 운송과 관련해서 7시간까지 소요됨).
- 보정 장치는 복잡한 설비이며, 고도로 숙련된 전문가에 의한 지속적인 관리 및 감독을 필요로 한다.
정해진 시간 간격을 두고서 이루어질 것이 요구되는 센서의 재보정은 까다롭고도 시간 소비적이어서 또한 측정 기술의 보급에도 방해가 된다. 고객은 기본적으로 보정을 스스로 실행할 수 없다. 적은 기능 범위는 사용자로 하여금 다수의 공급자로부터 부분적으로 제공되는 다양한 소자들의 통합을 강요한다. 이때 사용자에게는, 상호 화합되지 않는 문제점이 발생하는 경우에 시스템 책임의 문제가 발생할 뿐만 아니라 그로부터 결과적으로 책임의 인계 문제까지도 발생한다.
본 발명의 과제는, 전술된 선행 기술의 단점들을 피하는, 매질 내 입자를 측정하기 위한 장치 및 방법을 개시하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 장치에 의해서 그리고 청구항 18에 따른 방법에 의해서 해결된다.
본 발명의 바람직한 실시 예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.
오염된 매질 내 입자를 측정하기 위한 본 발명에 따른 센서는 광학적으로 투과성인 측정 셀을 구비하며, 매질을 관통시키고 측정하기 위한 모세관이 상기 측정 셀을 통과한다. 하나 이상의 광학 검출기 및 하나의 자기 검출기가 측정 셀에 배치되어 있다. 이 경우 측정 셀은 실린더 모양이고, 모세관은 측정 셀 내에서 동축으로 연장된다. 모세관 중앙에는 검사 공간이 있으며, 하나의 광원 및 하나 이상의 광학 검출기를 구비하는 광학 렌즈 시스템이 상기 검사 공간에 포커싱 되어 있다. 측정 셀의 샤프트 상에는 동축의 교번 자기장을 발생시키고 검출하기 위한 차동 코일이 있으며, 이 차동 코일이 자기 검출기를 형성한다. 차동 코일은 교번 자기장이 검사 공간의 중심에서 상쇄되도록 제어된다.
측정 셀은 압력 안정적으로 구현되었으며, 바람직하게는 유리로 이루어진다. 바람직하게 유동 기술적으로 형성된 모세관 용적은 검사 공간 앞에서 그리고 둘레 영역에서는, 방해받지 않은 층류(laminar) 및 다만 수 mm3에 불과한 최소 용적과 관련해서 소자들 간의 접합부에 횡단면 도약이 없는 원형의 횡단면을 갖는다. 그럼으로써, 센서의 높은 용적 흐름 및 높은 응답 속도에 도달하게 된다. 이때 동축의 모세관은 그 내부에 통상적으로 1 내지 2mm에 달하는 원형의 횡단면을 갖지만, - 적용 예에 따라서는 - 더 크게 또는 더 작게 설계될 수도 있다. 이로써, 검사 공간도 이와 같은 최대 크기를 갖는다.
측정 셀은 원통형의 하우징 내부에 동축으로 설치되어 있으며, 매질은 전면의 개구를 통해 모세관 내부로 유입되고, 모세관 단부에서 하우징의 실린더 벽에 대하여 수직으로 채널을 통해 배출된다. 하우징은 바람직하게 유압 장치의 표준 보어(bore) 내부로 삽입될 수 있도록 구현되었다.
고유의 센서 요소가 아무런 문제 없이 하우징과의 동축 정렬을 가능케 하거나 심지어 이와 같은 정렬을 요구하기 때문에, 예컨대 압력 센서 또는 온도 센서와 같은 다수의 센서를 위해서는 기본적으로 상기와 같은 구조적 형상이 제안되는 한편, 선행 기술에 상응하는 상기 실시 예의 해결책들에는 원칙적으로 대립이 되는데, 그 이유는 하우징의 주축과 동축으로 놓여야만 하는 유체 축(x-축)이 상대적으로 긴 광학 축(z-축)과 교차하기 때문이다. 이로써, 광학 축의 길이는 전자 및 기계 소자 그리고 충분히 압력 안정적인 하우징 벽을 위해서 필요한 설치 공간과 관련하여 최소로 도달할 수 있는 직경을 위한 제1 요소가 되고, 이때 상기 하우징 벽의 절대적인 두께는 총 직경이 증가함에 따라 마찬가지로 증가한다. 한 가지 추가의 제한적인 요소는, 유체 압력이 높은 경우에는 반드시 상응하게 압력 안정적이고 그와 더불어 두껍고 투명한 모세관을 압력에 대하여 불안정한 센서 소자들로부터 분리시켜야만 한다는 필연성이다.
밀봉부에 의해서 유체의 유입 영역 및 배출 영역이 분리되는 원통 형상은 동심으로 배치된 유입구에 마주 놓인 단부에 고정을 위해서 이용되는 외부 나사(수나사)를 가지며, 이 외부 나사에는 설치 공간 내부에 나사 결합 될 때에 스토퍼(stopper) 및 깊이 제한부로서 이용되는, 주축에 대하여 서있는 평면이 연결된다. 상기 정지면 영역에는, 센서가 장착된 설치 공간을 외부로 밀봉시키는 쓰레드 언더컷(thread undercut)이 설치되어 있다. 바람직한 추가의 일 실시 예에서는, 정지면 내부에 환상 홈이 동심으로 형성되어 있으며, 이 홈은 상응하는 밀봉부를 수용하기 위해서 이용된다. 추가의 일 실시 예에서는, 에지가 날카로운 꼭지점 형상의 환상 융기부가 정지면에 제공되었고, 이 융기부는 센서 설치시에 밀봉 요소 없이도 설치 공간의 평평한 대응면 상에서 직접 신뢰할만한 밀봉 효과를 야기하는 고리 모양의 절단 날을 형성한다.
정지면 다음에는 구동 요소가 후속하며, 이 구동 요소에 의해서는 설치 공간 내부에서 센서의 강제 결합 방식의 조립이 이루어진다. 본 발명에 따른 해결책의 바람직한 일 실시 예에서, 상기 구동 요소는 규칙적인 다각형의, 바람직하게는 6각형의 횡단면을 갖는다.
특히 공간 절약적인 치수 설계가 이루어지는 추가의 바람직한 일 실시 예에서, 구동 장치는 실린더 케이스 형태의 표면에 축 방향으로 삽입된 톱니 형상으로 형성되었다. 이로써, 톱니 깊이가 적음에도 불구하고, 축 방향으로 삽입될 수 있는 그리고 상응하는 대응 프로파일이 제공된 공구에 의해서 높은 토크가 강제 결합 방식의 그리고 형상 결합 방식의 조립을 위해 전달될 수 있다.
센서의 최외곽 단부에서 구동 장치 뒤에는 고정 연결된 케이블 형태의 전기 단자가 있으며, 이 전기 단자는 바람직하게 공지된 제안에 따라서 또는 해체 가능한 연결부의 형태로, 바람직하게는 플러그로서 구현되었다.
선택적으로 광학 지시 장치가 제공되었으며, 이 광학 지시 장치는 바람직한 일 실시 예에서는 도파관으로서 구현되었는데, 이 도파관은 통상적으로 한 가지 또는 여러 가지 색상의 LED로부터 방출되는 광선을 비구면 렌즈를 이용해서 축과 평행하게 정렬시키고, 상기 도파관의 다른 단부에서는 광 출구가 회전 대칭의 원뿔 모양 프리즘에 의해 측면에서 편향된다.
기능적이고 유체 기술적인 구성 부품들의 내부 접속은 보어를 통해 삽입된 오일 채널에 의해서 이루어지고, 이 오일 채널은 본 발명에 따라 외부로 개방된 측이 폐쇄되도록 형성되었으며, 이로써 자신의 헤드에 중단되지 않은 고리 모양의 절단 에지를 갖는 바람직하게 금속으로 이루어진(하지만, 다른 재료로도 이루어질 수 있는) 마개가 나사 보어 내부로 삽입되어 나사 결합 되며, 상기 나사 보어는 상응하는 내부 나사를 구비하고, 외부면 쪽을 향하는 영역에는 원뿔 모양의 함몰부가 형성되어 있으며, 이 함몰부는 상기 마개의 원추형 헤드보다 큰 예각을 갖는다.
대안적인 일 실시 예에서는, 나사 보어도 원뿔 함몰부와 나사 사이에 있는 천이 영역에서 원통형으로 천공될 수 있으며, 이때에는 상기 나사 보어의 직경이 나사 직경에 상응하는 최소 직경을 가짐으로써, 결과적으로는 또한 충돌 용적도 제거되고, 이전과 동일한 원리에 따라 기밀 방식의 밀봉 효과를 야기하는 고리 모양의 절단 날이 생성된다.
마개를 완전히 돌림으로써, 환상 절단 에지가 자신의 전체 둘레에서 보어 함몰부의 내부 원뿔과 접촉하게 되고, 토크가 측정 가능한 최댓값으로 증가한 후에는 마개 헤드와 원뿔 함몰부 간에 기밀 방식의 금속 연결부가 생성되며, 이로써 보어가 견고하게 폐쇄된다. 바람직한 일 실시 예에서, 마개 구동 장치는 보어로 이루어지고, 이 보어 내부에는 내부 6각형, 다수 톱니 프로파일 등이 형성되어 있으며, 이와 같은 상황은 마개가 동일 높이에서 조립되게끔 한다. 바람직한 추가의 일 실시 예에서는, 점차 좁아지는 핀을 갖는 구동 몸체가 원뿔 모양의 나사 헤드에 연결되고, 이 구동 몸체는 재료 특유의 전단 강도와 관련된 치수 설계에 의해서 사전에 설정될 수 있는 최대 토크에 도달하는 경우에 전단 되어 상기 연결부를 해체 불가능하게 하는 부재로부터 제조된다. 이와 같은 기술 상태(DE 8137093호)에 따른 밀봉 마개의 해결책은 볼트 나사가 마개의 원뿔 바로 앞에서 또는 그 내부에서 뻗어 나옴으로써 재료 충돌이 야기되도록 구현되었으며, 이와 같은 재료 충돌은 제시된 최대 토크에 도달했음에도 불구하고 확실한 밀봉 효과를 방해하게 되고, 이런 이유로 상기 마개는 밀봉 재료 또는 접착제에 의해서 추가로 밀봉되고 고정되어야만 한다. 하지만, 이러한 접착제는 기밀 방식이 아니며, 또한 노화 및 다양한 매질에 대한 불안정성에 노출되기 때문에, 결국 상기와 같은 문제점들은 본 발명에 따른 해결책에 의해서 제거되었다.
매질 상태를 검출하기 위하여 모세관 내부에 있는 매질의 압력 및 온도도 평가된다. 이 목적을 위하여 압력 측정 장치가 제공되었으며, 이 압력 측정 장치는 보어를 통해 모세관에 연결되어 있고, 모세관 내부에 있는 매질의 압력을 측정한다. 압력 측정 장치는 팽창 측정 스트립 등으로 구성될 수 있다. 온도 측정 장치는 입자 측정 장치 내부에 통합되어 있다.
본 발명에 따른 장치에서는 광원에 의해서 전자기파가 발생 된다. 이때 상기 전자기파의 파장은 이산 입자의 크기의 하부 검출 한계를 결정한다. 본 발명에 따라 확실하게 상기 파장 아래에 있는 입자를 적용하기 위하여, 검출기들은 이 검출기들에 의해서 발생 되는 레일리(Rayleigh)-방사선의 개별적인 검출에 상응하는, 광원의 광학 주축에 대한 각으로 배치된다. 바람직한 일 실시 예에서, 상기와 같은 배열 상태는 개별 센서가 바람직하게 반도체 칩 상에 일렬로(1D) 또는 다수 개의 열로(2D) 평평하게 배치된 소위 센서 어레이에 의해서 성취된다. 검출기들은 바람직하게 예컨대 포토 다이오드와 같은 광전자 반도체로 이루어지며, 이들의 감도는 광원의 감도와 동일한 파장 범위 안에 놓여 있다. 이 광원도 마찬가지로 바람직하게는 예컨대 광 방출 반도체 다이오드와 같은 광전자 반도체로 언급된다. 상기 광원은 인코히어런트(incoherent) 광뿐만 아니라 코히어런트 광도 방출할 수 있다.
광원의 광 방출 면적의 초과 영역은 상응하게 형성된 스크린에 의해서 커버된다. 이 스크린은 상기 파장을 위해 광원 쪽으로 반사 작용을 하도록 형성되었으며, 이로써 반도체 내에서의 광 밀도가 증가하게 된다. 그럼으로써, 광자의 단 일부분만이 흡수되어 결과적으로 스크린 출구에서 광 밀도의 증가를 야기한다. 스크린의 바람직한 일 실시 예에서, 스크린은 직접 반도체 상에 제공되고, 추가로 다른 측에서는 산란광을 줄이기 위하여 광을 흡수하는 층으로 피복된다.
본 발명의 토대가 되는 광학 빔 형성은 이상적인 경우에는 단 하나의 파장의 선 형태의 횡단면으로부터, 다시 말하자면 예컨대 1㎛ 폭의 선으로부터 출발한다. 이때 상기 선 폭보다 작은 입자에 대해서는 최대 신호 높이 S = ad2를위한 방정식이 적용된다. 더 큰 입자에 대해서는 선형의 1차 관계가 적용된다.
그 결과, 1㎛ 직경의 최소 입자로 가정하자면, 오로지 선형의 특성 곡선 영역을 활용함으로써만 적어도 60dB의 측정 범위가 나타나게 된다. 그에 따라 측정 범위는 종래 센서의 30배 이상인 1-1.000㎛가 된다.
그와 동시에, 선 형태의 검사 공간 컨투어는 이 검사 공간 용적의 최소화를 야기하며, 이와 같은 상황은 이산적으로 평가될 수 있는 입자 밀도를 현저하게 증가시킨다.
다른 일 실시 예에서, 검사 공간은 선명도 깊이(depth of sharpness)를 줄이기 위하여 광학 축의 방향으로 좁아졌고, 이미지 평면에서는 일치 밀도를 개선하기 위하여 좌표 0점의 영역에서 y-축의 방향으로 좁아졌으며, 바람직하게는 쌍곡선 형태로 좁아졌다.
추가의 일 실시 예에서, 검사 공간 횡단면은 최소 폭을 갖는 직사각형으로 형성되었다. 이와 같은 횡단면은, 이 횡단면이 유동 방향에 대하여 수직으로 모세관을 광범위하게 채우고 유동 방향으로는 최대한 좁은 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 횡단면은 일정한 광 세기의 영역이 더 이상 우세하지 않고 오히려 단지 에지 효과만 존재할 정도로, 다시 말해 불균일한 자장만 존재할 정도로 좁혀져야만 한다. 이와 같은 사실이 의미하는 것은, 특성 곡선이 포물선 영역으로부터 선형 영역으로 조기에 넘어간다는 것이다. 이와 같은 상황은 본 발명에 따라, 검사 공간 내에 있는 광원의 이미지가 깊이 면에서 유동 방향으로 선명하고, 바람직하게는 관련 파장의 최대 람다 폭을 가짐으로써 달성된다.
검사 공간은 송신기 및/또는 수신 광학 장치의 선명도 깊이를 의도한 바대로 활용함으로써 세그먼트로 분할될 수 있고, 이때 세그먼트 분할 스크린들은 각각 동일한 광학 축 상에 배치되어 있다. 이로써 평가 밀도는 더욱 증가하게 된다.
이때 검사 공간은 여전히 선 형태로 조명되고, 수신 광학 장치의 광학 축은 수직으로 (다시 말해 유동 방향으로) 정렬된다. 이 목적을 위하여 바람직하게 이미지의 확대는 검사 공간 깊이의 축소에 의해서 이루어지고, 스크린에 의해서는 검사 공간 깊이가 조절된다(큰 스크린 개구 = 적은 검사 공간 깊이). 물체 평면(세그먼트)에 있는 개별 물체 영역에는 광학 장치의 이미지 측에 검출기 요소가 할당된다.
투영에 의해서 생성되는 음영의 총 면적은 이후에 이루어지는 신호 형태의 적분에 의해서 쉽게 산출될 수 있으며, 이 경우에 시간 축은 상응하게 스케일링(scaling) 되어야만 한다. 이 목적을 위하여, 적합한 방법으로 그리고/또는 적합한 장치에 의해서 단위 시간당 유량이 검출되고, 이로부터 입자의 속도가 산출되며, 그 결과를 참조하여 요구되는 시간과 길이의 상관 관계가 만들어질 수 있다.
측정 범위를 확연하게 개선하기 위하여 더 추가되는 사실은, 적분에 의해서는 측정 신호가 실제로 무제한으로 긴, 다시 말하자면 섬유 형태의 입자를 검출하여 디스플레이할 수 있다는 것이다. 그럼으로써, 측정 범위 다이내믹은 사전에 설정된 등가 직경에 대하여 더욱 상승 된다.
센서 신호의 평가는 스캐닝-고정 부재를 이용한 신호 안정화를 위해 적분기를 구비한다. 이로써, 입자가 검사 공간을 통과하지 않는 경우에만 조절을 위한 실제 값이 측정된다. 이와 같은 측정 방식은 간단한 적분기를 통한 통상적인 조절 실시에서 광 세기의 전역적인(global) 상승 및 그와 더불어 입자 밀도가 큰 경우에는 신호 높이의 위조를 피하게 하는데, 그렇지 않으면 이러한 신호 높이의 위조가 일반적인 신호 상승 및 그와 더불어 측정 범위의 이동을 야기할 수 있다.
보정은 추론 가능한 표준을 이용해서 이루어지며, 이 표준은 사용되는 광학 빔뿐만 아니라 교번 자기장까지도 투과시킬 수 있는 캐리어 상에 마이크로 구조물이 리소그래피(lithography) 방식으로 제공되도록 구성되었으며, 이 마이크로 구조물은 크기 범위 및 형태에 있어서 검출할 입자 및 비교 크기(동일 면적의 비교 원, 동일 용적의 비교 구)에 상응하며, 이 경우에는 또한 정렬의 목적으로 검사 공간 내부에서 특징적인 자장 파라미터를 검출할 수 있는 소수의 검사 구조물도 제공된다. 원래의 보정은 보정 표준이 자체 구조물에 의해서 검사 공간을 통해 병진 운동 및/또는 회전 운동함으로써 이루어지며, 이 경우에는 이로 인해 발생 되는 전기 센서 신호의 보정을 가능케 하는 정확하게 규정된 상호 작용이 나타난다.
이미지 센서가 통합된 추가의 일 실시 예에서는, 표준의 기판상에 1행 또는 다수 행의 이미지 센서 구조물이 제공되었고, 이 구조물에 의해서는 검사 공간이 광 세기의 분포와 관련해서 측정된다. 나노 위치 설정에 의해서는 픽셀 크기보다 훨씬 아래에 놓인 해상 단계들이 도달된다. 특히 이 경우에는, 이웃하는 픽셀의 차동 신호가 평가됨으로써, 픽셀들 간 천이부의 경계 영역이 완전하게 이용된다.
보정 표준의 피크에는 선택적으로 일 기계 요소가 설치되어 있으며, 이 기계 요소는 모세관을 형상 결합 방식으로 탄력적으로 밀봉하고, 자체 전진 이동에 의해서 모세관 내부에 그리고 특히 검사 공간 내에 존재하는 확정되지 않은 매질을 밀어준다. 선택적으로, 보정 장치에 의해서는 고순도의 매질이 보정된다. 이로써, 보정 과정은 임의로 존재하는 입자에 의해서 방해를 받거나 위조되지 않는다.
보정을 위해 보정 스테이션이 제공되었고, 이 보정 스테이션 내부로 센서가 삽입된다. 상기 보정 스테이션 내부에서는 보정 표준이 규정된 높이에서 모세관 내부로 삽입된다. 이 목적을 위해 바람직하게는 압전 모터(piezo motor)가 이용된다.
본 발명을 설명하기 위하여 실시 예들이 도면에 도시되어 있다. 도면 설명:
도 1은 센서를 도시한 개략도이고;
도 2는 센서의 개략적인 횡단면도이며;
도 3은 센서의 외부면을 도시한 개략도이고;
도 4는 단순한 일 센서의 횡단면도이며;
도 5는 확장된 일 센서의 횡단면도이고;
도 6은 검사 공간 내에서의 광 세기를 도시한 다이어그램이며;
도 7은 광학 검출기에서의 평가 전압을 도시한 다이어그램이고;
도 8은 검사- 및 측정 시스템의 개략적인 회로도이며;
도 9는 검사- 및 측정 시스템 내부의 오염도를 도시한 다이어그램이고;
도 10은 유압유-세척 시스템의 개략적인 회로도이며;
도 11은 유압유-세척 시스템에 대한 다이어그램이고;
도 12는 입자의 직경 및 농도에 의존하는 경고 범위에 대한 다이어그램이며; 그리고
도 13은 보정 표준을 도시한 도면이다.
도 1은 센서를 도시한 개략도이고;
도 2는 센서의 개략적인 횡단면도이며;
도 3은 센서의 외부면을 도시한 개략도이고;
도 4는 단순한 일 센서의 횡단면도이며;
도 5는 확장된 일 센서의 횡단면도이고;
도 6은 검사 공간 내에서의 광 세기를 도시한 다이어그램이며;
도 7은 광학 검출기에서의 평가 전압을 도시한 다이어그램이고;
도 8은 검사- 및 측정 시스템의 개략적인 회로도이며;
도 9는 검사- 및 측정 시스템 내부의 오염도를 도시한 다이어그램이고;
도 10은 유압유-세척 시스템의 개략적인 회로도이며;
도 11은 유압유-세척 시스템에 대한 다이어그램이고;
도 12는 입자의 직경 및 농도에 의존하는 경고 범위에 대한 다이어그램이며; 그리고
도 13은 보정 표준을 도시한 도면이다.
도 1에는 센서의 기본적인 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 광학 부분 센서를 위해, 특히 바람직한 일 실시 예에서 선 형태로 형성된 광원(110)이 대물 렌즈(113)에 의해 이미지 평면에 투영되며, 이 이미지 평면은 광학 축(z)의 방향으로 모세관의 종축과 교차한다. 이때 선 형태 광원(110)의 종축(y)은 이미지 평면의 y-축에 대해서는 평행하게 정렬되었고, 모세관의 종축에 대해서는 수직으로 정렬되었다. 광학 검출기(111)의 광학 시스템에는 광원(110)의 광학 시스템과 동일한 소자, 즉 스크린(118) 및 렌즈(117)가 설치되어 있다.
자기 검출기는 측정 실린더(115) 상에 동축으로 제공된 2개의 차동 코일(116)로 구성된다. 이들은 각각 환상 코어(114)를 통해 외부로 차폐된다. 차동 코일(116)은 교번 자기장을 발생시키며, 자화 가능한 또는 전기 전도성 입자가 검사 공간(K)을 통과함으로써 상기 교번 자기장의 변경이 평가된다.
도 2에는 2개의 산란광 검출기(211)를 구비하는 측정 실린더의 횡단면이 도시되어 있다. 산란광 검출기(211)의 광학 시스템에는 광원(110)의 광학 시스템과 동일한 소자, 즉 스크린(212) 및 렌즈(213)가 설치되어 있다. 산란광 센서를 통해 매질 내에 있는 입자 및 기포의 반사 표면이 검출 및 평가된다.
도 3은 원통형의 센서 몸체(11)를 구비하는 센서(1)의 외부면을 보여준다. 상기 센서 몸체에는 매질을 위한 유입구(12)가 아래에 동축으로 일체로 설치되어 있다. 매질을 위한 배출구(13)는 측면에 배치되어 있다. 센서(1)는 나사 나선(16)에 의해 구동 장치(17)에 의해서 설비의 표준 보어 내부로 삽입되어 나사 결합되고, 밀봉부(14 및 15)를 통해서 밀봉된다. 센서(1)의 외측 단부에는 자체 전기 단자가 존재한다.
도 4 및 도 5에는 센서(1)의 단면이 각각 하나씩 도시되어 있다. 밀봉부(14)에 의해서 밀봉된 센서 몸체(11) 내부에는 측정 실린더(115)가 동축으로 설치되어 있으며, 상기 측정 실린더 내부에는 모세관(C)이 존재한다. 상기 모세관 내부로 유입구(12)를 통해 매질이 검사 공간(K) 내부로 가이드 된다.
도 4에는 검사 공간(K)을 통과하는 광학 축(Z)의 주광 방향이 도시되어 있다. 일 측에는 발산 렌즈(120) 및 수렴 렌즈(121)를 갖춘 광원(110)이 배치되어 있다. 동일한 렌즈 어레이를 갖는 제1 광학 검출기(111)가 그 맞은 편에 놓여 있다. 광원(110)은 광 제어판(130)을 통해서 가동되고, 제1 광학 검출기(111)는 광 평가판(140)을 통해서 가동된다.
도 5에는 하나의 산란광 검출기(211)로 가이드 되는 광학 축(Y)의 산란광 방향이 도시되어 있다. 이 산란광 검출기는 발산 렌즈(12) 및 수렴 렌즈(121)를 갖춘, 광원과 동일한 렌즈 어레이를 갖는다.
실린더 모양으로 형성된 센서(1)의 구조적 형상의 소형화를 위한 주요 특징은 검사 공간 중심(K)에 있는 조명 최대치(이미지 평면)와 광원(110)(대상 평면)의 간격이 단축되었다는 것인데, 그 이유는 이와 같은 전체 크기가 실린더 모양 센서(1)의 대칭 축에 대하여 직경상으로 정렬되어 있어서 직경을 직접 결정하기 때문이다. 이미지에 대한 대상의 간격(투영 간격)은 실제 이미지로 이미징 처리하는 시스템의 경우에 부분 간격들로 구성되는데, 다시 말하자면 대물 렌즈의 주 평면(H)에 대한 대상의 간격(대상 폭) 및 주 평면(H)에 대한 이미지의 간격(이미지 폭)으로 구성되며, 이 경우 이들 간격은 이미징 척도에 대하여 상반된(reciprocal) 특성을 보인다. 1/g+1/b=1/f, 이 경우 β=B/G (1)이다. 이미지 폭이 주로 모세관(C) 쪽으로 압력에 안정적인 측정 실린더(115)의 벽 두께에 의해서 결정되고 센서를 작동시키는 사전에 제공된 최대 압력에 의해서 결정됨으로써 제한이 주어진다. 광학적으로 투명해야만 하고, 적용되는 적외선 내지 자외선 파장 범위 안에 있는 광을 위한 측정 실린더(115) 벽의 일 실시 예는 상기 실린더 벽이 열적으로 또는 화학적으로 압축 응력을 받은 유리로부터 제조됨으로써 얻어진다. 구조가 대칭으로 유지되도록 하기 위하여 그리고 적은 제조 비용에 도달하기 위해 가급적 많은 동일 부분이 생성되도록 하기 위하여, 대상 평면과 이미지 평면이 교체됨으로써, 광원(110)의 투영 시스템이 검출기(111)를 위한 이미징 시스템으로서 사용된다. 소형화를 위해서 필요한 간격 단축에 도달하기 위하여, 이미지 평면의 방향으로 주 평면의 중대한 변위를 야기하는 새로운 유형의 대물 렌즈 구조가 선택된다. 이와 같은 상황은 우선 발산 렌즈(120)에 의해 직립의 가상의 중간 이미지가 발생 됨으로써 달성되며, 이 가상의 중간 이미지는 z-방향으로 대상/물체 앞에 놓여 있어서 더 가깝지만, 물체보다는 훨씬 더 작게 주 평면으로부터 떨어져 있다. 상기 가상의 중간 이미지는 하나 이상의 수렴 렌즈(121)를 통해서 반대로 이미지 평면에 투영되며, 이 경우 이미징 방정식(1)은 가상의 중간 이미지를 위한 대상 폭으로 처리된다.
제안된 해결책의 특히 바람직한 일 실시 예에서는 검사 공간(K) 내에서 광원의 이미징을 축소하려는 노력이 강구되고 있는데, 그 이유는 그로 인해 바람직하게 발광 반도체 구조물인 광원의 광학적으로 활성인 면이 확대될 수 있고, 이로써 전체적으로 더 높은 광속(light flux)이 발생 될 수 있기 때문이며, 이 광속은 반도체 결정 내에서 유동 밀도가 그대로 유지되는 경우에는 기본적으로 제한되고 추가로 상기 반도체 결정의 수명에 결정적인 역할을 한다. 추가로, 부피가 큰 반도체 구조물들은 더 간단히 제조될 수 있고, 높은 수율을 발생시키며, 이로써 낮은 부품 비용을 유도한다.
렌즈 시스템은 광원(110)의 렌즈 및 광학 검출기(11)의 렌즈로 이루어진다. 일 실시 예에서, 광원(110)의 반도체 칩은 발산 렌즈(121)의 제1 면과 광학적으로 응집되어 있으며, 이와 같은 상황은 상기 제1 면이 평평하게 구현될 것을 요구한다. 매우 상이한 굴절률을 갖는 광학 재료들의 2개의 천이부가 피해지고 이와 연관해서 반사에 의한 광 손실이 피해지며, 굴절률이 높은 반도체 재료로부터 굴절률이 낮은 매질(GAS, 진공)로의 광 천이에 의한 광 농도의 감소가 피해진다는 사실뿐만 아니라, 반도체 표면이 동시에 밀폐식으로 커버 된다는 것 그리고 그와 연관된 추가 비용이 절감된다는 사실도 장점이다. 이와 같은 사실은 일 실시 예에서 3보다 큰 굴절률을 갖는 베이스 재료인 갈륨-비소화물로 이루어진 후속 재료로 광원의 재료를 변경하기 위해서 특히 중요하다. 가급적 짧은 광학적인 전체 길이에 도달하기 위한 한 가지 중요한 추가 영향 요소는 광학 시스템의 초점 거리가 짧은 동시에 MTF(Modulation Transfer Function; 변조 전달 함수)가 높다는 것인데, 이 MTF는 전체 이미지 높이에 걸쳐서 바람직하게는 순전히 회절 제한적이다.
바람직한 일 실시 예에서, 상기와 같은 상황은 직립의 가상의 중간 이미지로부터 반대의 실제 이미지를 발생시키는 발산 렌즈(120) 뒤에서 하나 이상의 수렴 렌즈(121)를 사용함으로써 달성된다.
제안된 해결책의 추가의 바람직한 일 실시 예에서, 대물 렌즈의 마지막 수렴 렌즈(121)의 광학적으로 작용을 하는 마지막 면은 측정 실린더(115)의 튜브 모양 벽의 실린더 면 앞에서 평평하게 구현되고, 상기 면 및 튜브 모양 벽에 대한 중간 공간은 광학적으로 투명한 재료로 완전히 채워지며, 이 투명한 재료는 튜브 벽을 구성하는 재료와 동일하거나 거의 동일한 굴절률을 가지며, 바람직한 재료는 광 및/또는 열 작용하에서 경화되는 폴리머이다. 충전 재료의 굴절률이 균형 맞추어짐으로써, 폴리머와 튜브 모양 벽의 경계면에서는 굴절이 전혀 이루어지지 않거나 중대한 굴절이 이루어지지 않게 된다. 이와 같은 실시 예의 한 가지 추가의 장점은 공기로부터 상대적으로 더 높은 굴절률을 갖는 재료(예컨대 유리)로 변환되는 2개의 광학 천이부가 피해진다는 것이며, 이와 같은 장점에 의해서는 반사 손실이 더욱 줄어들게 된다. 적어도 각각 하나의 발산 렌즈(120) 및 적어도 각각 하나의 수렴 렌즈(121)로 이루어진 본 발명에 따른 광학 투영 시스템에서 공기/유리 간 천이부의 개수는 단지 2개에 불과하다.
제안된 해결책의 바람직한 추가의 일 실시 예에서, 광원은 단지 광학 축(Z)의 영역에서만 회절 제한되었다 - 다시 말하자면 최고로 가능한 MTF로 - 이미징 처리되고 xy-방향으로 광학 축(z)에 대한 간격이 증가함에 따라 MTF는 연속으로 감소하면서 이미징 처리되며, 이 경우 z-방향으로 최고 MTF의 개별 구역은 항상 이미지 평면 내에서 유지되는데, 다시 말하자면 이미지 평면은 구부러지지 않았다. 이와 같은 상황은 바람직하게 - 평평한 면을 제외한 - 모든 광학 표면이 비구면으로 형성됨으로써 달성되며, 이 비구면은 추가의 일 실시 예에서는 프레넬-표면으로서 또는 GRIN-재료로 또는 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다. MTF의 제어된 감소의 결과로서, 모든 크기의 입자가 검사 공간을 통해 정확하게 x-축을 따라 유체와 함께 이동하는 경우에만, 상기 모든 크기의 입자는 자체 최대 음영 및 그와 더불어 자체 개별 최대 신호 높이에 도달하게 된다.
상기 광학 구조의 바람직한 일 실시 예에서, 이미지 평면에서의 MTF의 감소는 함수 1/root(a24r2+1)을 따르며, 이 경우 r은 이미지 평면에서 광학 축(z)으로부터의 간격이고, a는 광원(110)의 광의 파장(λ)보다 크거나 같다. 예컨대 반도체 결정에서의 경우와 같이 선 형태의 램버트 방사체를 광원으로서 사용하는 경우에는, 이미지 평면에서의 광 농도에 대하여 쌍곡선-가우스 형태의 방사선 분포가 나타나며, 이 경우 이미지 평면은 z-축을 통과하는 0점을 갖는 직교 좌표계(cartesian coordinate system)의 xy-평면에 의해서 규정되었다.
이 경우 x-축에 대하여 평행하게, 하지만 x-축을 벗어나서 검사 공간(K)을 통과하는 입자들은 약한 신호를 발생시키게 되는데, 그 이유는 이들 입자의 운동 트랙이 x-축에 대하여 동축으로 진행하는 경우에 이들 입자가 발생시키는 최대 신호에 대하여, 상기 입자들이 광 농도가 상대적으로 낮은 구역을 통과하기 때문이다. 광 농도가 변동됨에도 불구하고, 직경이 a보다 큰 입자에 대하여 x=0, y=0 그리고 z=0인 장소에서는 입자 크기와 최대 신호 높이 간에 선형의 1차 관계가 생성된다.
본 발명에 따른 제안의 바람직한 추가의 일 실시 예에서는, 단지 그 크기가 선형의 특성 곡선 범위 안에 있고, 바람직하게 런 타임에 대한 최대 신호 높이 비율의 25%에 놓인 한계값들 사이에 있는 피크 값의 50%에서 측정된 런 타임에 대한 최대 신호 높이의 비율이 설정 가능한 특정 하부 한계에 미달되지 않는 그러한 입자들만 계수(counting)를 위해 고려된다. 이때에는 짧은 신호 동안에 일정한 유체 및 그와 더불어 검사 공간(K) 내 입자의 유동 속도가 가정된다.
검사 공간 내에서 광 세기(i) 분포는 도 6에 도시되어 있으며, 이 경우 검사 공간의 중앙은 점 x=0.0 및 y=0.0에 있다. 상기 광 세기(i) 분포는 아래의 공식
에 따라 xy-평면 내에서 쌍곡선-가우스 세기 분포를 따르며, 상기 공식에서 a는 쌍곡선의 접선 방향으로의 최소 간격이고, b는 쌍곡선의 점근선(asymptote)의 기울기이다.
도 7은 입자(p)가 검사 공간을 통과할 때에 광학 검출기에서의 평가 전압(U)을 시간(t)에 걸쳐서 보여준다. 곡선(U1)은 제1 광학 검출기의 신호를 보여준다. 입자(p)는 음영 및 그와 더불어 감소하다가 재차 증가하는 곡선(U1)을 야기한다.
곡선(U2)은 산란광 검출기의 출력 신호를 보여준다. 입자(p)에서는 이 입자(p)의 표면에 따라 신호가 최대 높이까지 발생 된다. 기포(l)가 매질 내에 있으면, 훨씬 더 높은 분산 신호가 발생 된다. 이로써, 입자(p)와 기포(l)가 상호 구별된다.
입자를 더욱 특징적으로 보여주기 위하여, 도 5에 따른 센서 실시 예에서는 압력 측정 장치(150) - 경우에 따라서는 온도 측정 센서와 조합됨 - 및 습기 측정 장치(170)가 더 설치되어 있다. 습기 측정 장치(170)는 마이크로파 흡수 작용에 의해서 매질의 물 함량을 평가한다.
도 8에는 테스트 순환계(PKL) 및 측정 순환계(MKL)의 개략도가 도시되어 있으며, 이들 순환계에는 센서(1)가 설치되어 있다. 테스트 샘플(DUT)은 매질, 통상적으로는 유압유를 갖는 테스트 펌프(PP)에 의해서 관류 될 수 있다. 이때 센서(1)는 테스트 펌프(PP)에 대한 보조 연결부 내부에 배치되어 있고, 테스트 샘플(DUT)을 관류하는 오일의 오염 상태를 분석한다. 밸브를 상응하게 조절함으로써, 매질은 전달 펌프(UP)에 의해 테스트 순환계(PKL)로부터 측정 순환계(MKL) 내부로 옮겨질 수 있다. 그 다음에 측정 순환계 내에서 오일은 측정 펌프(MP)를 이용하여 가로 흐름 필터(CF)를 통과하도록 가압 될 수 있으며, 이때 이와 같은 방식으로 순환하고 오일 및 테스트 순환계로부터 유래하는 입자로 이루어진 현탁액은 연속으로 농축된다. 이 경우에도 센서(1)는 측정 펌프(MP)에 대한 보조 연결부 내부에 배치되어 있고, 상기와 같은 방식으로 순환하는 현탁액을 검사할 수 있다. 측정 순환계 내에서의 입자 농도가 순환하는 유체 용적과 관련해서 테스트 샘플(DUT)의 오염도에 상응하는 외삽 가능한 특정 한계 값에 도달한 후에는, 측정 사이클이 종료된다. 그 후에 현탁액은 밸브의 상응하는 방향 전환에 의해서 절대 필터(AF)를 통과하여 순환계로부터 완전히 제거된다. 매질이 테스트-멤브레인(TM)을 통과하도록 가압하는 것도 가능하다. 이때 그곳에서는 모든 입자가 필터(TM) 상에 남아 있고, 외부에서 문서로 작성될 수 있다. 필터 내에서는 입자가 유압유로부터 얻어지는 한편, 오염은 그에 상응하게 감소한다. 그 다음에, 세척된 유압유는 밸브를 상응하게 조절한 후에 CF-필터를 통해 재차 테스트 순환계(PKL) 내부로 역으로 가압 될 수 있다. 모든 펌프는 순환계 내에서 차단 동작이 실행될 때에 정압 밸브(UV)에 의해서 보호된다. 테스트 샘플(DUT)은 측정 종료 후에 밸브를 상응하게 조절할 때에 공기(L)에 의해 살포될 수도 있다. 이 목적을 위해 공기(L)는 공기 필터(F)를 거쳐서 테스트 샘플(DUT)을 통과하게 된다. 이때 기존의 잔류 유압유는 탱크 내부로 방출된다.
테스트 순환계(PKL) 및 측정 순환계(MKL) 내에서 시간(t)에 걸친 오염도(G)의 파형은 도 9에 도시되어 있다. 테스트 순환계(PKL) 내에서 처음에는 오염도(G)의 높은 출발 값(g0)이 존재하는데, 이와 같은 높은 출발 값은 테스트 샘플의 오염에 의해서 형성된다. 이때 매질이 테스트 순환계로부터 측정 순환계 내부로 전달되어 CF-필터로부터 세척된 매질로 대체되면, 테스트 순환계(PKL) 내부에서의 오염도(G)는 감소한다. 그와 병행하여, 측정 순환계(MKL) 내에서의 오염도(G)는 처음에는 낮은 값(g0)에 있다가 점차 증가한다. 시간에 따른 파형의 외삽에 의해 테스트 순환계 내에서의 최대 오염도가 충분히 정확하게 검출된 후에는, 측정이 종료되고, 밸브는 측정 순환계(MKL) 내에서의 오염도(G)가 감소하도록 필터(Af 또는 TM)를 통해 방향 전환된다. 이와 같은 교체는 계속해서 이루어진다. 진행 과정들을 더욱 잘 보여주기 위하여, 상기 교체는 비-선형의 시간 축을 갖는 디스플레이 상에 도시될 수 있다.
도 10에는 센서(1)를 세척 장치에 적용한 예가 도시되어 있다. 매질이 세척되어 재차 탱크 내부로 가이드 되도록 하기 위하여, 매질은 탱크(T)로부터 측정 펌프(MP)를 거쳐서 필터(F)를 통과하도록 가압 된다. 측정 펌프(MP) 및 필터(F)에 대한 보조 연결부 내부에는 순환계 내에서의 오염도(G)를 검사하는 센서(1)가 배치되어 있다. 이 오염도(G)에 따라 조절기(PID)를 통해서 측정 펌프(MP)의 모터가 제어된다. 이 경우에도 측정 펌프(MP)는 정압 밸브(UV)에 의해서 보호되었다. 세척된 매질은 인출 라인(E)을 통해서 탱크(T)로부터 빼내질 수 있다.
도 11에는 세척 장치 내에서 측정 펌프(MP)에 의해 나타나는 용적 흐름(Q)이 오염도(G)에 대하여 도시되어 있다. 처음에 높은 오염도(G)는 사전에 결정된 비-임계적인 값까지 감소한다. 그 다음에 조절기를 통해서 상기 값은 일정하게 유지된다. 용적 흐름이 오염을 줄이기에 충분하지 않으면, 오염도는 재차 상승한다. 센서에 의해서 지시되는 상기 상태에 도달하면, 필터 교체가 실행되어야만 한다.
도 12는 센서 신호의 평가 과정을 상세하게 도시하기 위한 다이어그램을 보여준다. 바람직하게는 센서 신호가 증폭되어 스피커에 의해서 음향적으로 감지할 수 있게끔 된다. 이때 센서 신호는 변환에 의해서 청취 가능한 주파수 범위에 적응될 수 있다. 입자의 직경(D) 및 관련 농도에 따라 언제 경보가 출력될지를 지시하는 경고 범위(W)가 기재되어 있다. 입자 농도는 상응하는 입자 직경(D)을 갖는 입자의 개수 또는 상기 직경(D)으로 측정된 입자의 용적(V)을 참조해서 결정될 수 있다. 그러나 입자의 총 직경 및 총 면적과 같은 다른 파라미터도 이용될 수 있다. 본 다이어그램에서는, 직경(D)이 작은 경우에는 개수(n)가 더 많거나 용적(V)이 더 큰 경우에 비로소 경고 범위가 응답하는 한편, 입자의 직경이 더 큰 경우에는 조기에 응답이 이루어진다는 내용이 가정되었는데, 그 이유는 장치 차단이라는 더 큰 위험이 존재하기 때문이다. 이때 경고 범위(W)는 중립으로 유지되거나, 임의의 그러나 결정된 함수를 따라 특정 설비를 위해 필요하면서도 유지되어야만 할 오염 한계와 관련된 상기 특정 설비의 요구 조건들을 충족시킨다.
도 13은 규정된 높이에 상이한 마킹을 갖는 투명한 보정 표준(20)을 보여준다. 이때 보정 표준이 규정된 높이에서 센서의 검사 공간 내부로 삽입되면, 센서가 어떻게 응답하는지를 확인할 수 있다. 따라서, 상이한 크기의 광학 마킹(MA)이 보정 표준 상에 식각(etching) 될 수 있다. 규정에 따라 반사 작용을 하는 금속 마킹(M)도 유용한데, 그 이유는 이 금속 마킹에 의해서 산란광 검출기가 확인될 수 있기 때문이다.
1: 센서 11: 센서 몸체
12: 유입구 13: 배출구
14: 내부 밀봉부 15: 외부 밀봉부
16: 나사 결합 스크루 17: 구동 장치
18: 전기 단자 20: 보정 표준
110: 광원, LED 111: 광학 검출기
112: 스크린 113: 광원의 렌즈
114: 환상 코어 115: 측정 실린더
116: 차동 코일 117: 광학 검출기의 렌즈
118: 광학 검출기의 스크린 120: 발산 렌즈
121: 수렴 렌즈 130: 광 제어판
140: 광 평가판 150: 압력 측정 장치
151: 압력 평가판 160: 압력 조절기
170: 유전성 습기 측정 장치
211: 산란광 검출기 212: 산란광 검출기의 스크린
213: 산란광 검출기의 렌즈
AF: 절대-필터 C: 모세관
CF: CF-필터 D: 직경
DUT: 테스트 샘플 E: 인출 라인
F: 필터 G: 오염도
K: 검사 공간 L: 공기
LF: 공기 필터 M: 금속 마킹
MA: 식각 된 마킹 MP: 측정 펌프
MKL: 측정 순환계 PID: 조절기
PKL: 테스트 순환계 PP: 테스트 펌프
Q: 용적 흐름 PID: 조절기
T: 탱크 UP: 전달 펌프
UV: 정압 밸브 V: 용적
W: 경고 범위 X: 모세관의 종축
Y: 산란광 축 Z: 광축
g0: 오염의 출발 값 i: 광 세기
l: 기포 n: 개수
p: 입자 t: 시간 좌표
x,y: 검사 공간의 좌표
12: 유입구 13: 배출구
14: 내부 밀봉부 15: 외부 밀봉부
16: 나사 결합 스크루 17: 구동 장치
18: 전기 단자 20: 보정 표준
110: 광원, LED 111: 광학 검출기
112: 스크린 113: 광원의 렌즈
114: 환상 코어 115: 측정 실린더
116: 차동 코일 117: 광학 검출기의 렌즈
118: 광학 검출기의 스크린 120: 발산 렌즈
121: 수렴 렌즈 130: 광 제어판
140: 광 평가판 150: 압력 측정 장치
151: 압력 평가판 160: 압력 조절기
170: 유전성 습기 측정 장치
211: 산란광 검출기 212: 산란광 검출기의 스크린
213: 산란광 검출기의 렌즈
AF: 절대-필터 C: 모세관
CF: CF-필터 D: 직경
DUT: 테스트 샘플 E: 인출 라인
F: 필터 G: 오염도
K: 검사 공간 L: 공기
LF: 공기 필터 M: 금속 마킹
MA: 식각 된 마킹 MP: 측정 펌프
MKL: 측정 순환계 PID: 조절기
PKL: 테스트 순환계 PP: 테스트 펌프
Q: 용적 흐름 PID: 조절기
T: 탱크 UP: 전달 펌프
UV: 정압 밸브 V: 용적
W: 경고 범위 X: 모세관의 종축
Y: 산란광 축 Z: 광축
g0: 오염의 출발 값 i: 광 세기
l: 기포 n: 개수
p: 입자 t: 시간 좌표
x,y: 검사 공간의 좌표
Claims (27)
- 광학적으로 투과성인 측정 셀(115), 광학 검출기 및 자기 검출기를 구비하며, 상기 측정 셀을 통해서는 매질을 통과시키고 측정하기 위한 모세관(C)이 관통하도록 구성된, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서에 있어서,
- 상기 측정 셀(115)은 실린더 형태이고, 상기 측정 셀 내에서 모세관(C)이 동축으로 연장되며,
- 상기 측정 셀의 중앙에는 검사 공간(K)이 배치되어 있고, 상기 검사 공간에는 광원(110) 및 하나 이상의 광학 검출기(111)를 구비하는 광학 렌즈 시스템이 포커싱 되며,
- 상기 렌즈 시스템의 광학 축(z)은 모세관(C)에 대하여 수직으로 정렬되어 있으며,
- 상기 측정 셀(115)의 샤프트 상에서는, 동축의 교번 자기장을 발생시키고 검출하기 위한 그리고 모세관에 대하여 동축인 2개의 차동 코일(116)이 자기 검출기를 형성하며, 상기 차동 코일은 교번 자기장이 검사 공간(K) 내에서 상쇄되도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
모세관(C)은 최대 직경이 2mm인 원형의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
보어를 통해 모세관(C)에 연결되어 모세관(C) 내에 있는 매질의 압력을 측정하는 압력 측정 장치(150)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
모세관(C) 내에 있는 매질의 온도를 측정하는 온도 측정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 4 항에 있어서,
온도 측정 장치가 압력 측정 장치(150) 내부에 통합된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
측정 셀(115)은 압력에 안정적으로 구현된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
측정 셀(115)은 원통형 하우징 내부에 동축으로 설치되어 있으며, 매질은 전면의 개구를 통해 모세관(C) 내부로 유입되고, 상기 모세관의 단부에서 하우징의 실린더 벽에 대하여 수직으로 채널을 통해 벗어나는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 7 항에 있어서,
유압식 장치의 표준 보어 내부로 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
렌즈 시스템은 적어도 각각 하나의 발산 렌즈(120) 및 수렴 렌즈(121)로 이루어지며, 이들 렌즈는 각각 광원(110) 앞에 그리고 광학 검출기(111) 앞에 배치된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
관련 렌즈 시스템을 구비하는 제1 광학 검출기(111)가 광학 축(z) 내부에 배치된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 10 항에 있어서,
하나 이상의 추가 산란광 검출기(11)가 관련 렌즈 시스템을 구비하는 제1 광학 검출기(111)에 대하여 수직으로 배치된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
광원(110)은 선 형태의 광을 송출하는 LED에 의해서 형성된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 12 항에 있어서,
LED는 수렴 렌즈(121) 및 스크린(112)과 조합된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
광학 검출기(111, 211)는 하나 또는 다수의 포토 다이오드 및 조합된 렌즈 그리고 스크린을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
2개의 차동 코일(116)이 반대 방향의 고주파 전류에 의해 여기 됨으로써, 결과적으로 각각의 시점에 검사 공간(K)의 중심에서는 자기장 강도가 0인 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
마이크로파 흡수 작용에 의해서 매질의 물 함량을 측정할 수 있게끔 하는 습기 측정 장치(170)가 제공된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항에 있어서,
교정 표준(20)이 광학적으로 또는 자기적으로 투명한 캐리어 상에 제공되었으며, 상기 캐리어 상에는 검출할 입자의 크기 범위 및 형태 안에 놓여 있는 마이크로 구조물이 리소그래피 방식으로 제공된 것을 특징으로 하는, 오염된 매질 내의 입자를 측정하기 위한 센서. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 센서(1)를 이용해서 매질 내의 입자(p)를 측정하기 위한 방법에 있어서,
- 규정된 유량을 갖는 매질을 모세관(C)을 통해 가압하는 단계,
- 입자(p)가 검사 공간(K)을 통과할 때에 제1 광학 검출기(111)를 통해서 입자의 형상을 검출하는 단계,
- 자기 검출기를 통해서 자화 가능한 입자의 존재 여부를 검출하는 단계,
- 검출된 입자(p)의 개수를 계수하는 단계, 및
- 입자의 크기를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
산란광 검출기(211)를 통해서 매질 내에 기포가 포함되어 있는지의 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
제1 광학 검출기(111)에서 측정된 신호 강도를 참조해서 매질 내에 기포가 포함되어 있는지의 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
검출된 입자의 개수(n) 혹은 크기 혹은 이들의 양자(兩者)가 단위 시간 안에 초과하는 경우에는 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
센서 신호를 증폭시켜서 스피커에 의해 음향적으로 감지할 수 있게끔 하는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 22 항에 있어서,
변환에 의해 센서 신호의 주파수 범위를 청취 가능한 주파수 범위에 적응시키는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
측정값의 표시는 비-선형의 시간 축을 갖는 디스플레이 상에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
센서를 보정하기 위하여, 광학적으로 또는 자기적으로 투명한 캐리어 상에 광학적인 또는 자기적인 마킹(M, MA)을 갖는 보정 표준(20)이 모세관(C) 내부로 삽입되며, 이들 마킹이 검사 공간(K) 내에서 입자와 같은 광학적인 또는 자기적인 작용을 발생시키는 것을 특징으로 하는, 센서를 이용해서 매질 내의 입자를 측정하기 위한 방법. - 삭제
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