KR102231003B1 - 초음파 다중 산란에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 다중 산란에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

외부로부터 공기가 유입되는 측정부; 초음파를 송신하는 송신부; 초음파를 수신하는 수신부; 송신 정보, 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보에 따라 유효거리 정보를 계산하고, 상기 유효거리 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는 제어부; 및 상기 농도 정보를 출력하는 출력부를 포함하는, 미세먼지 측정 장치를 제공한다.

Description

초음파 다중 산란에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정 장치 및 방법{FINE DUST MEASUREMENT DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF FINE DUST ACCORDING TO ULTRASONIC MULTIPLE SCATTERING}
본 발명은 초음파 다중 산란에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 초음파가 공기 중의 미세먼지에 의해 산란되어 변하는 특성에 따라 미세먼지의 농도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
미세먼지는 일반적으로 국가 단위, 도시 단위 및 지역 단위로 계측 및 기록되지만, 현대인의 생활에 직접적으로 영향을 미치는 실내공간에 대한 미세먼지의 측정은 간이측정기에 의존하고 있다. 이러한 간이측정기는 휴대가 가능하므로, 다양한 공간에서 편리하게 미세먼지를 측정할 수 있다.
일반적으로, 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 간이측정기는 광산란 방식으로 미세먼지를 측정한다. 이러한 광산란 방식은 가시광선 계열의 광원을 공급하고, 미세먼지에 의한 산란 또는 감쇠를 파악한다.
이와 관련하여, 광산란 방식 등의 전자기적 성질에 의해 간섭받는 전자기파를 이용하는 농도 측정 방법은, 계측된 신호를 특수한 상황에서 정의되는 경험적 계수에 따라 변환하게 된다. 실제로, 광산란 방식의 간이측정기는 측정된 신호를 입자의 개수 혹은 크기로 가정하고, 경험적 계수인 평균 밀도에 따라 농도로 변환한다. 이때, 경험적 계수에 따라 정보를 변환하는 2차 변환과정은 측정을 실시하는 환경적 요인에 따라 매우 큰 오차가 발생한다.
특히, 습도는 전자기적 성질에 직접적으로 영향을 미치므로, 광산란 방식으로 계산되는 미세먼지의 농도 값에 매우 큰 오차를 발생시킬 수 있다. 또한, 실내 공간에서는 가습기 등으로부터 발생하는 다양한 환경 변화에 의해 간이측정기의 신뢰도는 더욱 낮아지게 된다.
환경부에서는 '미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법'에서 간이측정기의 오차에 따른 혼란을 방지하고자 성능인증제도를 운영하고 있다. 그러나, 실험을 통해 검증되는 간이측정기의 인증 과정은 습도 등에 쉽게 영향을 받는 전자기파의 근본적인 문제점을 고려하지 않은 과정이며, 실제로, 환경부의 간이측정기 가이드북에 의하면, 간이측정기에 따라 그 결과가 서로 상이하여 오차가 매우 큰 것으로 나타난다.
이에 따라, 전자기적 성질에 의한 간섭이 낮은 수단으로 미세먼지의 농도를 측정하는 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 초음파가 공기 중의 미세먼지에 의해 산란되어 변하는 특성에 따라 미세먼지의 농도를 측정하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은, 외부로부터 공기가 유입되는 측정부; 상기 측정부의 일측에 구비되어 대향측을 향해 초음파를 송신하는 송신부; 상기 송신부로부터 송신되어, 상기 측정부 내의 공기에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 초음파를 수신하는 수신부; 상기 송신부에서 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보, 상기 수신부에서 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보를 계산하고, 상기 유효거리 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는 제어부; 및 상기 농도 정보를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 송신 정보의 송신 진폭과 상기 수신 정보의 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과 계수에 따라 상기 유효거리 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 유효거리 정보로부터 상기 측정부 내에서 산란되는 초음파의 특성을 나타내는 산란 특성 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 산란 특성 정보, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 측정부는, 상기 송신부에서 초음파가 송신되는 지점에서부터 상기 수신부에서 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리가 50밀리미터일 수 있다.
또한, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 농도 정보 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성하고, 상기 데이터베이스에 저장되는 복수개의 농도 정보를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 상기 측정부에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 측정부에 유입되는 공기에 따라 계산되는 농도 정보를 상기 공기질 단계 정보에 따라 분류할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 외부로부터 측정부에 유입되는 공기에 존재하는 먼지의 농도 정보를 계산하는 미세먼지 측정 방법에 있어서, 상기 측정부의 일측에서 대향측을 향해 초음파를 송신하는 단계; 상기 초음파를 송신하는 단계에서 송신되어, 상기 측정부 내의 공기에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 초음파를 수신하는 단계; 상기 초음파를 송신하는 단계에서 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보, 상기 초음파를 수신하는 단계에서 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보를 계산하고, 상기 유효거리 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는 단계; 및 상기 농도 정보를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 농도 정보를 계산하는 단계는, 상기 송신 정보의 송신 진폭과 상기 수신 정보의 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과 계수에 따라 상기 유효거리 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 농도 정보를 계산하는 단계는, 상기 유효거리 정보로부터 상기 측정부 내에서 산란되는 초음파의 특성을 나타내는 산란 특성 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 농도 정보를 계산하는 단계는, 상기 산란 특성 정보, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 농도 정보 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성하는 단계; 및 상기 데이터베이스에 저장되는 복수개의 농도 정보를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 상기 측정부에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 초음파 다중 산란에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정 장치 및 방법을 제공함으로써, 초음파가 공기 중의 미세먼지에 의해 산란되어 변하는 특성에 따라 미세먼지의 농도를 측정할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 장치의 개략도이다.
도2는 도1의 측정부에 공기가 유입되는 형태를 나타내는 개략도이다.
도3은 도1의 제어부에서 유효거리 정보를 계산하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도4는 도1의 제어부에서 계산되는 유효거리 정보를 나타내는 개략도이다.
도5는 도1의 제어부에서 농도 정보를 계산하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 방법의 순서도이다.
도7은 도6의 제어 단계에서 농도 정보를 계산하는 방법을 나타내는 세부 순서도이다.
도8은 도6의 제어 단계에서 데이터베이스를 이용하는 방법을 나타내는 세부 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 장치의 개략도이다.
미세먼지 측정 장치(100)는 측정부(110), 송신부(120), 수신부(130), 제어부(140)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 외부로부터 공기가 유입되도록 구비될 수 있다.
이에 따라, 측정부(110)는 외부로부터 유입된 공기를 보관할 수 있도록 상자 형태로 구비될 수 있으며, 이러한 측정부(110)의 형태는 원통형, 구형 등 다양한 형태로 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 측정부(110)는 외부로부터 공기가 유입되는 유입구(111)를 포함할 수 있으며, 유입구(111)는 원형, 사각형, 깔때기형 등 다양한 형태로 구비될 수 있다.
송신부(120)는 측정부(110)의 일측에 구비될 수 있으며, 대향측을 향해 초음파를 송신할 수 있다.
이러한 송신부(120)는 일정한 주파수 대역을 나타내는 초음파를 생성하는 트랜스듀서 등으로 대체될 수 있다. 이에 따라, 송신부(120)는 사전에 설정되는 주파수 특성을 나타내는 초음파를 송신할 수 있으며, 송신부(120)는 외부로부터 입력되는 제어 입력에 따라 송신하는 초음파의 주파수 대역이 변하도록 가변 회로를 구비할 수도 있다.
수신부(130)는 송신부(120)로부터 송신되어, 측정부(110) 내에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 초음파를 수신할 수 있다.
이러한 수신부(130)는 수신하는 초음파의 진폭 등을 측정하는 센서가 이용될 수 있으며, 여기에서, 초음파의 진폭 등을 측정하는 센서는 압전 센서, MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 센서 등이 이용될 수도 있으나, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다른 실시예로 변형될 수 있음이 이해되어야 한다.
한편, 측정부(110)의 크기는 송신부(120)의 초음파가 송신되는 지점에서부터 수신부(130)의 초음파가 수신되는 지점까지의 거리에 따라 형성될 수 있으며, 측정부(110)의 크기는 송신부(120)의 초음파가 송신되는 지점에서부터 수신부(130)의 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리를 의미할 수 있다.
예를들어, 송신부(120)에서 초음파가 송신되는 지점에서부터 수신부(130)의 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리는 50 밀리미터로 형성될 수 있다.
제어부(140)는 송신부(120)로부터 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보를 전달받을 수 있다.
여기에서, 송신 정보는 송신되는 초음파의 주파수를 나타내는 주파수 정보, 송신하는 초음파의 진폭을 나타내는 송신 진폭 및 초음파가 송신되는 지점을 나타내는 송신 지점 정보 등을 포함할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 수신부(130)로부터 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보를 전달받을 수 있다.
여기에서, 수신 정보는 수신하는 초음파의 진폭을 나타내는 수신 진폭 및 초음파가 수신되는 지점을 나타내는 수신 지점 정보 등을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 주파수 정보 및 송신 진폭은 외부로부터 입력되는 제어 입력에 따라 설정되는 정보일 수 있으며, 주파수 정보 및 송신 진폭은 송신부(120)의 제원에 따라 사전에 송신하도록 설정되는 초음파 특성에 따른 정보일 수도 있다.
이를 위해, 제어부(140)는 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 특성을 설정하는 제어 입력을 외부로부터 입력받고, 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 특성이 제어 입력에 따라 설정되도록 송신부(120)를 제어할 수 있다.
이때, 초음파의 특성은 초음파의 주파수, 주기, 진폭 등을 포함할 수 있다.
또한, 송신 지점 정보 및 수신 지점 정보는 송신부(120)에서 송신하고, 수신부(130)에서 수신하는 초음파가 이동하는 측정부(110)의 크기에 따라 설정될 수 있다.
예를 들어, 측정부(110)의 크기 정보가 50 밀리미터인 경우에, 송신 지점 정보는 0, 수신 지점 정보는 50으로 설정될 수 있으며, 송신 지점 정보 및 수신 지점 정보는 이와 같이 측정부(110)의 크기 정보에 따라 다양한 방식으로 설정될 수 있다.
제어부(140)는 송신 정보, 수신 정보 및 측정부(110)의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 서로 다른 먼지 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보를 계산할 수 있다.
이때, 유효거리 정보는 측정부(110) 내에 존재하는 공기의 미세먼지 등의 입자에 의해 산란되는 초음파의 감쇠를 판단할 수 있도록 계산되는 정보일 수 있으며, 여기에서, 초음파의 감쇠는 초음파가 입자에 의해 산란되어 초음파가 나타내는 에너지 중 일부를 잃는 것으로 이해할 수 있고, 이는, 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 진폭인 송신 진폭에 대한 수신부(130)에서 수신하는 초음파의 진폭인 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과계수에 따라 계산될 수 있다.
이에 따라, 유효거리 정보는 투과 계수에 대한 로그 함수에 반비례하는 형태로 계산될 수 있으며, 제어부(140)는 송신 진폭에 대한 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과계수로부터 유효거리 정보를 계산할 수 있다.
제어부(140)는 수학식 1에 따라 유효거리 정보를 계산할 수 있다.
Figure 112019106273946-pat00001
제어부(140)는 유효거리 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지의 농도 정보를 계산할 수 있다.
이를 위해, 제어부(140)는 유효거리 정보와의 곱셈 결과가 1/2로 나타나는 무효 파수를 계산할 수 있으며, 무효 파수는 초음파가 나타내는 파장의 역수 형태로 계산되는 파수의 허수 또는 무효 성분을 의미할 수 있다.
제어부(140)는 수학식 2에 따라 무효 파수를 계산할 수 있다.
Figure 112019106273946-pat00002
또한, 제어부(140)는 무효 파수의 제곱 결과에 비례하는 산란 특성 정보를 계산할 수 있으며, 산란 특성 정보는 측정부(110) 내에서 미세먼지에 의해 산란되는 초음파의 수식적 특성을 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
제어부(140)는 수학식 3에 따라 산란 특성 정보를 계산할 수 있다.
Figure 112019106273946-pat00003
이에 따라, 제어부(140)는 산란 특성 정보, 송신 정보, 수신 정보 및 측정부(110)의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지의 농도 정보를 계산할 수 있다.
구체적으로, 미세먼지의 농도 정보를 계산하는데 이용되는 송신 정보는 주파수 정보, 송신 지점 정보, 파수 정보 중 적어도 하나의 정보가 이용될 수 있으며, 미세먼지의 농도 정보를 계산하는데 이용되는 수신 정보는 수신 지점 정보가 이용될 수 있다.
이때, 파수 정보는 초음파로부터 나타나는 파장의 역수 형태인 파수를 의미할 수 있으며, 파수 정보는 주파수 정보로부터 간단히 계산될 수 있다.
제어부(140)는 수학식 4에 따라 농도 정보를 계산할 수 있다.
Figure 112019106273946-pat00004
제어부(140)는 송신 정보, 수신 정보 및 농도 정보 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성할 수 있다.
이때, 제어부(140)는 데이터베이스에 저장되는 서로 다른 복수개의 농도 정보를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 측정부(110)에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성할 수 있다.
여기에서, 범위 정보는 농도 정보의 범위에 따라 공기질의 상태를 복수개의 단계로 단순화하도록 설정되는 정보로써, 범위 정보는 데이터베이스에 저장되는 농도 정보의 분포를 임의의 비율에 따라 복수개로 나눈 정보일 수 있으며, 범위 정보는 농도 정보로 계산될 수 있는 것으로 예상되는 값의 범위를 임의의 비율에 따라 복수개로 나눈 정보일 수도 있다.
이에 따라, 공기질 단계 정보는 범위 정보에 따라 복수개의 단계로 나뉜 농도 정보의 분포를 의미할 수 있으며, 제어부(140)는 측정부(110)에 유입되는 공기에 따라 계산되는 농도 정보를 데이터베이스에서 생성되는 공기질 단계 정보에 따라 분류할 수 있다.
예를 들어, 공기질 단계 정보는 범위 정보가 3가지 단계를 포함하는 경우에, 제어부(140)에서 계산되는 농도 정보를 나쁨, 평범 및 좋음 등의 3가지 단계로 나타낼 수 있다.
한편, 미세먼지 측정 장치(100)는 농도 정보를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
출력부는 농도 정보를 미세먼지 측정 단위에 따른 수치로 출력할 수 있으며, 출력부는 농도 정보를 공기질 단계 정보에 따라 분류되는 단계로 출력할 수도 있다.
이를 위해, 출력부는 시각적으로 확인이 가능한 디스플레이 장치일 수 있으며, 출력부는 농도 정보가 사전에 설정되는 임계치를 초과하는 경우에, 위험 신호를 출력하도록 청각적 신호를 출력하거나, 통각적 신호를 출력할 수도 있다.
이때, 사전에 설정되는 임계치는 농도 정보의 수치에 따라 실내 공간에서 미세먼지의 측정이 이루어진 경우에, 실내 공간의 환기를 권장하거나, 또는 실외 공간에서 미세먼지의 측정이 이루어진 경우에, 마스크 등의 방진 장비의 착용을 권장하는 수치를 의미할 수 있다.
도2는 도1의 측정부에 공기가 유입되는 형태를 나타내는 개략도이다.
도2를 참조하면, 측정부(110)는 일측에 송신부(120)를 구비하고, 송신부(120)의 대향측에 수신부(130)를 구비하는 것을 확인할 수 있으며, 측정부(110)는 송신부(120)와 수신부(130) 사이의 일측면에서 측정부(110) 내부로 공기가 유입될 수 있는 유입구(111)를 포함하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 대기 중에 존재하는 공기, 미세먼지(1) 등이 유입구(111)를 통해 측정부(110) 내부로 유입되는 것으로 이해할 수 있다.
이때, 측정부(110)는 측정부(110) 내부로 이물질 등이 유입되는 것을 방지하도록 유입구(111)에 필터를 더 구비할 수도 있다.
도3에서는 측정부(110)의 유입구(111)가 원형으로 형성되어 있는 것으로 확인할 수 있으나, 유입구(111)는 원형, 사각형, 깔때기형 등 다양한 형태로 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 측정부(110)는 외부로부터 유입되는 공기가 순환되도록 측정부(110)의 일측면에 구비되는 유입구(111)의 대향측면에 다른 유입구(111)를 더 구비할 수도 있다.
이러한 경우에, 측정부(110) 내부로 유입되는 공기가 순환되어, 공기 중에 존재하는 미세먼지(1)의 농도를 정확히 측정할 수 있다.
도3은 도1의 제어부에서 유효거리 정보를 계산하는 방법을 나타내는 개략도이며, 도4는 도1의 제어부에서 계산되는 유효거리 정보를 나타내는 개략도이다.
도3을 참조하면, 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 진폭인 송신 진폭(121)과 수신부(130)에서 수신하는 초음파의 진폭인 수신 진폭(131)의 크기가 서로 다른 것을 확인할 수 있다.
이러한 진폭의 크기 변화는 송신부(120)에서 송신하는 초음파가 측정부(110)의 내부에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 과정에서 초음파의 에너지 일부가 손실되어 발생할 수 있다.
한편, 도4를 참조하면, 공기 중에 존재하는 미세먼지 등의 입자에 초음파가 충돌하여 다른 입자로 산란되는 모습을 확인할 수 있으며, 이와 관련하여, 유효거리 정보(141)는 임의의 입자로부터 인접한 다른 입자까지의 거리 간격으로 이해할 수 있다.
다시 말해서, 유효거리 정보(141)는 공기 중에 인접하는 미세먼지 입자 간의 거리 간격을 의미할 수 있으며, 이때, 복수개의 입자가 공기 중에 존재하는 경우에는, 유효거리 정보(141)는 서로 다른 인접한 미세먼지 입자 간의 평균 거리 간격으로 이해할 수 있다.
이에 따라, 유효거리 정보(141)는 초음파가 임의의 입자로부터 다른 입자에 도달하기까지의 에너지 손실에 따라 계산될 수 있으며, 이러한 초음파의 에너지 손실은 초음파의 감쇠를 의미할 수 있다.
따라서, 유효거리 정보(141)는 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 송신 진폭에 대한 수신부(130)에서 수신하는 초음파의 수신 진폭의 비율을 나타내는 투과계수에 따라 계산될 수 있으며, 구체적으로, 유효거리 정보(141)는 투과 계수에 로그 함수를 적용한 값에 대한 송신부(120)에서 초음파가 송신되는 지점에서부터 수신부(130)에서 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리를 나타내는 측정부(110)의 크기 정보의 비율로 계산될 수 있다.
도5는 도1의 제어부에서 농도 정보를 계산하는 방법을 나타내는 개략도이다.
제어부(140)는 송신 진폭(121), 수신 진폭(131) 및 측정부 크기 정보(112)에 따라 유효거리 정보(141)를 계산할 수 있다.
이때, 송신 진폭(121)은 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 진폭을 의미하며, 수신 진폭(131)은 수신부(130)에서 수신하는 초음파의 진폭을 의미할 수 있다. 또한, 측정부 크기 정보(112)는 송신부(120)의 초음파가 송신되는 지점에서부터 수신부(130)의 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리를 의미할 수 있으며, 이는, 측정부(110)의 길이 방향으로의 크기로 나타날 수 있다.
이와 관련하여, 송신 진폭(121)에 대한 수신 진폭(131)의 비율은 투과 계수를 의미할 수 있다.
또한, 투과 계수는 자연로그의 밑인 e를 밑으로 하는 지수함수 형태로 계산될 수 있으며, 이때 지수함수의 지수는 유효거리 정보(141)와 측정부 크기 정보(112)의 비율 형태로 나타날 수 있다.
제어부(140)는 유효거리 정보(141)로부터 무효 파수(142)를 계산할 수 있다.
여기에서, 무효 파수(142)는 파수의 허수 또는 무효 성분을 의미할 수 있으며, 파수는 초음파가 나타내는 파장의 역수 형태로 계산되는 값일 수 있다.
이와 관련하여, 무효 파수(142)는 유효거리 정보(141)와 반비례하는 형태로 계산될 수 있다.
제어부(140)는 무효 파수(142)로부터 산란 특성 정보(143)를 계산할 수 있다.
여기에서, 산란 특성 정보(143)는 측정부(110) 내에서 미세먼지에 의해 산란되는 초음파의 수식적 특성을 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
이와 관련하여, 산란 특성 정보(143)는 무효 파수(142)의 제곱과 반비례하는 형태로 계산될 수 있다.
제어부(140)는 산란 특성 정보(143), 송신 지점 정보(122), 수신 지점 정보(132), 주파수 정보(123) 및 파수 정보(124)에 따라 농도 정보(132)를 계산할 수 있다.
이때, 송신 지점 정보(122)는 송신부(120)의 초음파가 송신되는 지점을 의미할 수 있으며, 수신 지점 정보(132)는 수신부(130)의 초음파가 수신되는 지점을 의미할 수 있다. 이에 따라, 수신 지점 정보(132)와 송신 지점 정보(122)의 차이는 측정부 크기 정보(112)로 나타날 수 있으며, 송신 지점 정보(122)와 수신 지점 정보(132)는 측정부 크기 정보(112)에 따라 임의로 지정될 수도 있다.
또한, 주파수 정보(123)는 송신부(120)에서 송신하는 초음파의 특성에 따라 나타나는 주파수를 의미할 수 있으며, 파수 정보(124)는 주파수 정보(123)에 따라 계산되는 파장의 역수를 의미할 수 있다.
한편, 농도 정보(132)는 제어부(140)에서 사전에 설정되는 수식에 따라 계산될 수 있으며, 이는, 수학식 4를 참조하여 이해할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 방법은 도 1에 도시된 미세먼지 측정 장치(100)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 1의 미세먼지 측정 장치(100)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
미세먼지 측정 방법은 송신 단계(600), 수신 단계(610), 제어 단계(620) 및 출력 단계(630)를 포함할 수 있다.
미세먼지 측정 방법은 외부로부터 측정부에 유입되는 공기에 존재하는 미세먼지(1)의 농도 정보를 계산하는 방법으로 이해할 수 있다.
송신 단계(600)는 측정부의 일측에서 대향측을 향해 초음파를 송신할 수 있다.
이때, 송신 단계(600)는 외부로부터 입력되는 제어 입력에 따라 송신하는 초음파의 주파수 대역 또는 진폭이 변경될 수 있다.
수신 단계(610)는 송신 단계(600)에서 송신되어, 측정부(110) 내의 미세먼지(1)에 의해 산란되는 초음파를 수신할 수 있다.
제어 단계(620)는 송신 단계(600)에서 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보를 전달받을 수 있으며, 제어 단계(620)는 수신 단계(610)에서 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보를 전달받을 수 있다.
제어 단계(620)는 송신 정보, 수신 정보 및 측정부 크기 정보(112) 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 서로 다른 미세먼지(1)의 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보(141)를 계산할 수 있다.
이를 위해, 제어 단계(620)는 송신 단계(600)에서 송신하는 초음파의 진폭인 송신 진폭(121)에 대한 수신 단계(610)에서 수신하는 초음파의 진폭인 수신 진폭(131)의 비율로 나타나는 투과계수를 계산할 수 있으며, 제어 단계(620)는 투과계수 및 측정부 크기 정보(112)에 따라 유효거리 정보(141)를 계산할 수 있다.
제어 단계(620)는 유효거리 정보(141)에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지(1)의 농도 정보(132)를 계산할 수 있다.
이를 위해, 제어 단계(620)는 유효거리 정보(141)와의 곱셈 결과가 1/2로 나타나는 무효 파수(142)를 계산할 수 있으며, 제어 단계(620)는 무효 파수(142)의 제곱 결과에 비례하는 산란 특성 정보(143)를 계산할 수 있다.
이에 따라, 제어 단계(620)는 산란 특성 정보(143), 송신 정보, 수신 정보 및 측정부 크기 정보(112) 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지(1)의 농도 정보(132)를 계산할 수 있다.
한편, 제어 단계(620)는 송신 정보, 수신 정보 및 농도 정보(132) 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성할 수 있다.
이때, 제어 단계(620)는 데이터베이스에 저장되는 서로 다른 복수개의 농도 정보(132)를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 측정부(110)에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성할 수 있다.
이에 따라, 제어 단계(620)는 측정부(110)에 유입되는 공기에 따라 계산되는 농도 정보(132)를 데이터베이스에서 생성되는 공기질 단계 정보에 따라 분류할 수 있다.
출력 단계(630)는 농도 정보(132)를 미세먼지(1)의 측정 단위에 따른 수치로 출력할 수 있으며, 출력 단계(630)는 농도 정보(132)를 공기질 단계 정보에 따라 분류되는 단계로 출력할 수도 있다.
도7은 도6의 제어 단계에서 농도 정보를 계산하는 방법을 나타내는 세부 순서도이다.
제어 단계(620)는 유효거리 정보를 계산하는 단계(621), 무효 파수를 계산하는 단계(622), 산란 특성 정보를 계산하는 단계(623) 및 농도 정보를 계산하는 단계(624)를 더 포함할 수 있다.
유효거리 정보를 계산하는 단계(621)는 송신 정보, 수신 정보 및 측정부 크기 정보(112) 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 서로 다른 미세먼지(1)의 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보(141)를 계산할 수 있다.
이를 위해, 유효거리 정보를 계산하는 단계(621)는 송신 단계(600)에서 송신하는 초음파의 진폭인 송신 진폭(121)에 대한 수신 단계(610)에서 수신하는 초음파의 진폭인 수신 진폭(131)의 비율로 나타나는 투과계수를 계산할 수 있으며, 유효거리 정보를 계산하는 단계(621)는 투과계수 및 측정부 크기 정보(112)에 따라 유효거리 정보(141)를 계산할 수 있다.
무효 파수를 계산하는 단계(622)는 유효거리 정보(141)와의 곱셈 결과가 1/2로 나타나는 무효 파수(142)를 계산할 수 있다.
산란 특성 정보를 계산하는 단계(623)는 무효 파수(142)의 제곱 결과에 비례하는 산란 특성 정보(143)를 계산할 수 있다.
농도 정보를 계산하는 단계(624)는 산란 특성 정보(143), 송신 정보, 수신 정보 및 측정부 크기 정보(112) 중 적어도 하나의 정보에 따라 측정부(110)에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지(1)의 농도 정보(132)를 계산할 수 있다.
도8은 도6의 제어 단계에서 데이터베이스를 이용하는 방법을 나타내는 세부 순서도이다.
제어 단계(620)는 데이터베이스를 생성하는 단계(625), 공기질 단계 정보를 생성하는 단계(626) 및 농도 정보를 분류하는 단계(624)를 더 포함할 수 있다.
데이터베이스를 생성하는 단계(625)는 송신 정보, 수신 정보 및 농도 정보(132) 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성할 수 있다.
공기질 단계 정보를 생성하는 단계(626)는 데이터베이스에 저장되는 서로 다른 복수개의 농도 정보(132)를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 측정부(110)에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성할 수 있다.
이에 따라, 농도 정보를 분류하는 단계(624)는 측정부(110)에 유입되는 공기에 따라 계산되는 농도 정보(132)를 데이터베이스에서 생성되는 공기질 단계 정보에 따라 분류할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 미세먼지
100: 미세먼지 측정 장치
110: 측정부
111: 유입구
120: 송신부
121: 송신 진폭
130: 수신부
131: 수신 진폭
140: 제어부
141: 유효거리 정보

Claims (12)

  1. 외부로부터 공기가 유입되는 측정부;
    상기 측정부의 일측에 구비되어 대향측을 향해 초음파를 송신하는 송신부;
    상기 송신부로부터 송신되어, 상기 측정부 내의 공기에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 초음파를 수신하는 수신부;
    상기 송신부에서 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보, 상기 수신부에서 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보를 계산하고, 상기 유효거리 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는 제어부; 및
    상기 농도 정보를 출력하는 출력부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 송신 정보의 송신 진폭과 상기 수신 정보의 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과 계수에 따라 상기 유효거리 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 유효거리 정보로부터 상기 측정부 내에서 산란되는 초음파의 특성을 나타내는 산란 특성 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산란 특성 정보, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 측정부는,
    상기 송신부에서 초음파가 송신되는 지점에서부터 상기 수신부에서 초음파가 수신되는 지점까지의 직선 거리가 50밀리미터인, 미세먼지 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 농도 정보 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성하고, 상기 데이터베이스에 저장되는 복수개의 농도 정보를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 상기 측정부에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성하는 저장부를 더 포함하는, 미세먼지 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정부에 유입되는 공기에 따라 계산되는 농도 정보를 상기 공기질 단계 정보에 따라 분류하는, 미세먼지 측정 장치.
  8. 외부로부터 측정부에 유입되는 공기에 존재하는 먼지의 농도 정보를 계산하는 미세먼지 측정 방법에 있어서,
    상기 측정부의 일측에서 대향측을 향해 초음파를 송신하는 단계;
    상기 초음파를 송신하는 단계에서 송신되어, 상기 측정부 내의 공기에 존재하는 미세먼지에 의해 산란되는 초음파를 수신하는 단계;
    상기 초음파를 송신하는 단계에서 송신하는 초음파의 정보를 나타내는 송신 정보, 상기 초음파를 수신하는 단계에서 수신하는 초음파의 정보를 나타내는 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 공기 중에 존재하는 미세먼지 입자 간의 거리를 나타내는 유효거리 정보를 계산하고, 상기 유효거리 정보에 따라 상기 측정부에 유입된 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는 단계; 및
    상기 농도 정보를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 농도 정보를 계산하는 단계는,
    상기 송신 정보의 송신 진폭과 상기 수신 정보의 수신 진폭의 비율로 나타나는 투과 계수에 따라 상기 유효거리 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 농도 정보를 계산하는 단계는,
    상기 유효거리 정보로부터 상기 측정부 내에서 산란되는 초음파의 특성을 나타내는 산란 특성 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 농도 정보를 계산하는 단계는,
    상기 산란 특성 정보, 상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 측정부의 크기 정보 중 적어도 하나의 정보에 따라 상기 미세먼지의 농도 정보를 계산하는, 미세먼지 측정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 송신 정보, 상기 수신 정보 및 상기 농도 정보 중 적어도 하나의 정보를 수집하여 데이터베이스를 생성하는 단계; 및
    상기 데이터베이스에 저장되는 복수개의 농도 정보를 서로 다른 범위 정보에 따라 분류하여, 상기 측정부에 유입되는 공기의 공기질을 복수개의 단계로 나타내는 공기질 단계 정보를 생성하는 단계를 더 포함하는, 미세먼지 측정 방법.

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