KR102289763B1 - 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치 - Google Patents

이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 이용하여 전도도를 감지하는 검출 부분이 유체에 직접 닿지 않는 구조의 장치를 구성하고, 특히 각각 마이크로파 안테나와 코일 안테나로 검출한 특성변화를 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 측정함으로써, 검출 부분이 유체에 오염되거나 파손 또는 훼손 등으로 감지능이 떨어지거나 검출 부분 자체의 기능 상실을 방지하면서도 더욱 정밀하게 전도도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 화학 약품과 같이 해로운 물질이 함유된 유체의 경우도 안전하고 정확하게 전도도 및 비전도체의 유전율 특성변화를 측정할 수 있게 하며, 설치 및 교환 수리 등을 쉽게 할 수 있게 구성한 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치{NON-CONTACT MEASUREMENT APPARATUS FOR PERMITTIVITY CHANGE USING DUAL ANTENNA}
본 발명은 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 안테나와 코일 안테나를 이용하는 두 개의 측정장치가 직접 유체에 접촉하지 않고도 비전도 유체의 특성변화(유전율)를 측정할 수 있게 구성하므로 측정 대상물과 접촉하는 프로브(PROBE) 부분이 산화나 오염 등의 변질 등으로 정확한 측정이 어렵게 만드는 문제를 방지하고, 특히 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치에서 각각 측정한 특성변화를 비교하여 비전도체의 특성변화를 검출할 수 있게 구성하므로 더욱 정확하면서도 정밀하게 비전도체의 특성변화를 측정할 수 있게 한 것이다. 이때 측정한 비전도체 측정물의 특성(유전율)변화를 정수기와 세탁기 그리고 보일러, 반도체공정에서 사용하는 각종 화확 물질과 같이 통상적으로 전도성 유체를 사용하는 기기 및 활용과 비전도성 액체인 엔진오일 및 각종 기름과 관련된 기기 및 활용에 안전하면서도 편리하게 여러 분야에서 폭넓게 활용할 수 있게 한 것이다.
전기 전도도는 물질이나 용액이 전하를 운반할 수 있는 정도로 비저항의 역수로 표시한다. 특히, 금속은 전기 저항이 작아 전도도가 좋고, 전해질 용액은 이온의 농도, 전극 사이의 거리, 전극의 단면적, 이온의 전하 크기, 그리고 온도 등에 영향을 받는다.
이러한 전기 전도도는 유체 내에 이물 등의 혼합으로 전도도 변화가 생기는 현상을 이용하며, 비전도성 유체의 측정은 비전도체는 전기가 통하지는 않으나 내부에 전하를 축적하여 전파신호가 통과하는 유전체로서의 특성을 활용하여 유전율 변화시 센서용 안테나의 임피던스(교류저항 값)가 변해 공진 중심 주파수가 변하는 특성을 이용한다. 아래의 (특허문헌 1) 내지 (특허문헌 3)과 같이 다양한 분야에서 응용하고 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제1440444호
생체 신호를 측정하기 위한 전극 구조체 및 이를 이용한 심전도 측정 장치에 관한 것으로, 전극 구조체는 신체의 피부면과 용량성 결합을 이루어 생체 신호를 획득하는 전극판; 전극판의 일면에 형성된 흡습층; 및 전극판에 전기적으로 연결되어 전극판을 통해 입력되는 생체 신호를 잡음 필터링 및 증폭하여 출력하는 초단 증폭기를 포함한다. 심전도 측정 장치는 이러한 전극 구조체의 구성을 적용하여 생체 신호를 측정하는 제1 전극 및 제2 전극, 제1 전극 및 제2 전극의 출력 신호들이 입력되어 차동 증폭되는 차동 계측 증폭기; 차동 계측 증폭기의 출력 신호를 입력받아 잡음을 필터링하고, 필터링된 신호를 증폭하는 신호 처리부; 및 신호 처리부의 출력 신호에 대한 아날로그-디지털 변환을 수행하여 무선 전송하는 무선 센서 노드를 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 초기의 잡음 안정화 시간을 줄여, 짧은 시간 내에 잡음없이 안정적인 심전도 신호를 획득할 수 있게 된다.
(특허문헌 2) 한국등록특허 제1512107호
전기전도도 측정을 위해 인가되는 전류에 의한 측정장치의 온도변화에 따른 전기전도도의 측정오차를 보정하여 정확한 전기전도도 측정이 가능하도록 하는 전기측정장치 및 이를 이용한 전기전도도 측정방법에 관한 것으로, 전기측정장치는, 측정하고자 하는 물질에 설치된 입력전극 및 출력전극을 포함하는 센서부; 전기신호를 발생시키는 신호발생부; 상기 전기신호를 검출하는 신호검출부; 상기 신호발생부 및 신호검출부 사이에 서로 간에 병렬로 연결되어 상기 신호발생부에서의 전기신호를 상기 신호검출부로 각각 스위칭하는 N개(N≥1,정수)의 제1스위치; 상기 신호발생부 및 입력전극 사이에 연결되어 상기 신호발생부에서의 전기신호를 상기 입력전극으로 스위칭하는 제2스위치; 상기 N개의 제1스위치 및 제2 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부; 상기 N개의 제1스위치에 각각 직렬로 연결된 N개의 저항; 및 상기 스위칭제어부의 제어에 의한 상기 N개의 제1스위치 및 제2스위치의 각 위칭에 따라 상기 신호검출부에서 각각 검출된 전기신호를 이용하여 상기 물질의 전기전도도를 측정하는 신호처리부를 포함한다.
(특허문헌 3) 한국등록특허 제1624685호
심전도 측정 장치에 관한 것으로서, 피측정자의 심장이 운동함에 따라 발생하는 심전도 신호를 측정하는 장치로서, 피측정자의 왼손과 접촉하는 제1 심전도 센서와, 상기 제1 심전도 센서와 미리 정한 거리만큼 이격된 상태로 분리되어 있으며 피측정자의 오른손과 접촉하는 제2 심전도 센서를 포함하는 장치로서, 상기 제1 심전도 센서 또는 제2 심전도 센서 중 적어도 하나는, 미리 정한 전기 전도도를 가지는 전도성 섬유를 포함하며, 피측정자가 두 손으로 상기 제1 심전도 센서와 제2 심전도 센서를 각각 파지함으로써 피측정자의 심전도 신호가 측정되는 것을 특징으로 한다. 차량의 스티어링 핸들에 장착되어 사용되는 경우 금속 단자에 비하여 촉감이 우수하고 땀 흡수가 빠르며, 일반적인 스티어링 핸들의 외피 재질과 쉽게 조화될 수 있는 효과가 있다.
하지만, 이러한 전도도를 검출하는 장치는 다음과 같은 문제가 생긴다.
(1) 전도도를 검출하는 검출 부분이 전도도를 검출할 대상물에 접촉하게 한 다음 전도도를 검출하므로, 오랫동안 검출 장치를 사용하면 이 검출 부분이 오염되거나 훼손 또는 파손의 위험이 있다.
(2) 이처럼 검출 부분에서의 파손 및 변형은 정확한 전도도 검출이 이루어지지 않아 정밀도에 영향을 준다.
(3) 특히, 이런 문제는 상수도나 정수기 에어컨 제습기와 같이 수분을 많이 포함한 유체나 하수나 세제 등을 함유한 유체에 이처럼 검출 부분이 오랫동안 노출될 때 이러한 문제가 더 크게 나타난다.
(4) 이에, 전도도 자체를 그대로 검출하거나, 전도도를 검출하여 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid) 등에 응용하여 사용하는 장치의 경우, 전도도를 검출하는 검출 부분의 이상으로 전도도 검출이 안 되거나 검출되더라도 정밀도가 떨어지는 문제가 발생한다.
(5) 또한 단순한 직접 접촉방식으로 비전도체 특성 측정을 위하여 적정한 주파수 신호를 송신할 수 없어 비전도체의 특성변화를 검출할 수 없다. 즉 직접 접촉 부분이 주파수를 송/수신할 수 있는 안테나 구조를 갖추어야 하나 주파수에 따른 측정장치를 소형화 및 단순 구조화하기가 어렵다.
한국등록특허 제1440444호 (등록일 : 2014.09.04) 한국등록특허 제1512107호 (등록일 : 2015.04.08) 한국등록특허 제1624685호 (등록일 : 2016.05.20)
본 발명은 이러한 점을 고려한 것으로, 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 이용하여 전도도를 감지하고 유전율 변화를 검출하는 부분이 유체에 직접 닿지 않는 구조의 장치를 구성하고, 특히 각각 마이크로파 안테나와 코일 안테나로 검출한 특성변화를 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 측정함으로써, 검출 부분이 유체에 오염되거나 파손 또는 훼손 등으로 감지능이 떨어지거나 검출 부분 자체의 기능 상실을 방지하면서도 더욱 정밀하게 전도도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 화학 약품과 같이 해로운 물질이 함유된 유체의 경우도 안전하고 정확하게 전도도 및 비전도체의 유전율 특성변화를 측정할 수 있게 하며, 설치 및 교환 수리 등을 쉽게 할 수 있게 구성한 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치는, 유체를 흐르게 하기 위한 제1부도체 관(100') 및 상기 제1부도체 관(100')을 기준으로 양쪽에 각각 밀착하여 서로 마주하게 설치한 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")를 포함하는 마이크로파 안테나 측정장치; 및 상기 제1부도체 관(100')에 직렬 또는 병렬로 연결하여 유체를 흐르게 하기 위한 제2부도체 관(100") 및 상기 제2부도체 관(100")에 미리 정한 간격(W)을 두고 끼워서 설치한 두 개의 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 포함하는 코일 안테나 측정장치; 및 상기 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치로부터 주파수 및 그 신호 세기를 분석하여 전도도 및 비전도체의 특성변화를 측정 제어하는 제어기(300)를 포함하되;, 상기 제어기(300)는, (1) 상기 제1마이크로파 안테나(200')에서 유도한 마이크로파 신호를 제1부도체 관(100') 안의 매질로 방사하게 하고;, 상기 제2마이크로파 안테나(200")에서 매질을 통해 전달된 마이크로파 신호를 수신하게 하며;, 상기 제1마이크로파 안테나(200')에서 송신한 마이크로파 신호와 상기 제2마이크로파 안테나(200")에서 수신한 마이크로파 신호 세기의 차이로 달라지는 특성 임피던스를 이용하여 비전도체의 특성변화를 검출하고, (2) 상기 제1코일 안테나(200a)에서 유도한 자기장을 통해 주파수(RF) 신호를 제2부도체 관(100") 안의 매질로 전달하여 유도 전류화하고, 상기 제2코일 안테나(200b)에서 매질을 통해 전달된 주파수(RF)를 갖는 유도전류 신호를 수신하게 하며, 상기 제1코일 안테나(200a)에서 송신한 주파수 신호와 상기 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 주파수 신호 세기의 차이와, 제어기(300)에 미리 저장해 놓은 송신한 주파수 및 그 신호 세기를 기준으로 매질의 상태에 따라 달라지는 각 주파수(RF) 신호 세기의 차이를 비교하여 비전도체의 전도도 및 특성변화(유전율변화)를 검출하되, (3) 상기 마이크로파 안테나 측정장치와 상기 코일 안테나 측정장치에서 검출한 특성변화를 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 결정하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제1부도체 관(100')과 상기 제2부도체 관(100")은, 유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무로 제작하고, 양단에는 매질을 공급을 위해 다른 관을 연결할 수 있도록 커넥터(110)를 갖춘 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")는, 각각 유전체 기판(210)을 기준으로, 상기 제1부도체 관(100')에 마주하는 면에 구성한 스트립(220')과 반대편에 구성하는 그라운드(230)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")는, 각각 유전체 기판(210)을 기준으로, 상기 제1부도체 관(100')에 마주하는 면에 구성한 패치(220")와 반대편에 구성하는 그라운드(230)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")는, 각각 그라운드가 없이 PCB 기판(210a)의 한쪽 면을 개방하고 다른 한쪽 면에만 신호선(220a)을 직접 실장한 단면 패턴 방식으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는, 각각 토로이달 코일 형태이며, 에어 토로이달 또는 각 중앙에 페라이트 코어가 삽입되어 있는 페라이트 토로이달 방식인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제어기(300)는, 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 및 유량 중에서 적어도 하나를 디스플레이시켜 주는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치는, 상기 측정 장치로 검출한 특성 임피던스를 통해, 정수기의 전도도(고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)를 검출, 유체의 온도와 유량 검출, 반도체 공정 등에서 사용하는 화학용액의 특성변화 파악, 그리고 비전도체인 엔진 오일의 사용시간에 따른 유전율 변화 검출과 교환 시기 검출에 이용할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")의 외부에는, 상기 제1부도체 관(100')을 포함하여 하나로 고정하기 위해 비전도체의 수축튜브나 플라스틱으로 제작한 케이스(240)를 갖춘 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치는 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 통해 각각 비전도체의 특성변화를 검출하고, 검출한 특성변화를 서로 비교 분석하여 최종 특성변화를 검출하므로, 더욱 정확한 유전율 특성변화를 검출할 수 있다.
(2) 특히, 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치로 특성변화를 측정하는 순간 순간적으로 비전도체의 특성변화가 심하게 나타나더라도 두 개의 측정장치로 측정한 특성변화를 서로 비교 분석하여 특성변화를 검출하므로, 주변 상황에 상관이 없이 더욱더 정확한 특성변화를 얻을 수 있다.
(3) 한편, 전도도 검출에 활용하는 마이크로파 신호를 발생/검출하는 검출 부분이 유체에 직접 닿지 않으므로 본 발명에 따른 측정장치를 오랫동안 사용하더라도 이 검출 부분이 유체에 노출되거나 접촉함에 따라 생길 수 있는 파손이나 훼손 문제를 미리 방지할 수 있어 그만큼 내구성을 높일 수 있다.
(4) 특히, 검출 부분은 측정을 위해 공기나 액체 등에 오랫동안 반복적으로 노출되면 산화막이 생길 수 있고, 산화막은 검출 신호를 제대로 검출하지 못하거나 잘못된 신호를 검출하여 정밀도를 떨어뜨리는 한 가지 요인으로 작용한다. 하지만, 본 발명은 검출 부분이 이처럼 공기에 노출되어도 성능이 변하지 않는 방식이며, 액체 등에 접촉하지 않고 측정하므로, 이러한 문제가 생기는 것을 미리 방지할 수 있다.
(5) 이때, 비전도체의 유전율이 변함에 따라 변하는 특성 임피던스의 변화로 영향을 받아 변하는 프로브(안테나)의 공진 주파수와 신호 전달 특성을 감지 분석함으로, 비전도체의 특성변화를 여부를 쉽게 알 수 있다.
(6) 따라서, 본 발명에 따른 측정장치는 측정한 전도도를 통해 온도 변화나 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 유량 그리고 특정 이온을 검출하는 장치 등 여러 방면에 걸쳐 편리하게 적용할 수 있으므로, 정수기의 전도도(고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 유량 등을 검출하는 데와 반도체 등에 사용되는 화학용액의 특성 변화 파악에도 유용하게 활용할 수 있으며 유전체의 유전율 값 변화에 따라 임피던스 값이 변화하여 통과 마이크로파 신호의 세기가 변하는 특성을 활용하여 자동차의 엔진오일 등과 같은 기름성분의 비전도체의 상태(유전율) 변화 측정에도 활용할 수 있다.
[도 1]은 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치에서 제어기를 보여주는 사시도이다.
[도 2]는 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치에서 제어기의 내부 구성을 구체적으로 함께 보여주는 개략도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 마이크로파 안테나 측정장치의 전체 구성을 보여주는 사시도이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 마이크로파 안테나 측정장치의 전체 구성을 보여주는 측면도이다.
[도 5]는 본 발명에 따른 마이크로파 안테나를 부도체관에 장착한 상태를 보여주는 [도 4]에서의 "A-A"선 단면도이다.
[도 6]은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치에서 사용하는 마이크로파 안테나를 보여주는 사시도로, (a)는 스트립 방식을, (b)는 패치 방식을, (c)는 단면 패턴 방식을 각각 보여준다.
[도 7]은 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치를 이용하여 마이크로파 무선신호 반사성능(S11)을 시뮬레이션한 그래프를 보여준다.
[도 8]은 본 발명에 따른 코일 안테나 측정장치의 전체 구성을 보여주는 사시도이다.
[도 9]는 본 발명에 따른 코일 안테나 측정장치의 전체 구성을 보여주는 측면도이다.
[도 10]은 본 발명에 따른 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 병렬로 배치한 예를 보여주는 사진이다.
[도 11]은 본 발명에 따른 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 직렬로 배치한 예를 보여주는 사시도이다.
[도 12]는 본 발명에 따른 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치를 직렬로 배치한 예를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(구성)
본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치는, [도 1] 내지 [도 12]와 같이, 마이크로파 안테나 측정장치, 코일 안테나 측정장치, 그리고 제어기(300)를 포함한다.
특히, 상기 제어기(300)는 이들 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치에서 각각 검출한 특성변화를 서로 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 검출할 수 있게 구성하므로, 특성변화를 측정할 때 급격한 변화가 있더라도 두 개의 특성변화를 서로 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 검출함으로, 더욱 정확하고 정밀한 특성변화를 검출할 수 있게 한 것이다.
이때, 상기 제어기(300)는 상기 마이크로파 안테나 측정장치의 마이크로파 안테나를 이용하여 마이크로파를 방사하고, 상기 코일 안테나 측정장치의 코일 안테나로 RF 주파수를 방사하게 한 다음, 이들 마이크로파와 RF 신호를 수신함에 따라 얻은 송수신한 마이크로파 신호와 RF신호 그리고 이들 신호의 세기 차이를 비교하여 부도체 관을 통과하는 비전도체의 유전율에 따라 달라지는 특성 임피던스의 영향을 받는 공진 주파수와 신호 전달 특성을 감지 분석하여 유체의 전도도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있게 한 것이다. 또한, 이처럼 얻은 전도도 값을 분석하여 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 유량 등을 검출하는 데와 반도체공정 등에 사용되는 화학용액의 특성변화파악에도 유용하게 활용할 수 있으며 유전체의 유전율 값 변화에 따라 임피던스 값이 변화하여 통과 마이크로파 신호의 세기가 변하는 특성을 활용하여 자동차의 엔진오일 등과 같은 기름성분의 비전도체의 상태(유전율) 변화 측정에도 활용할 수 있게 한 것이다.
이하, 이러한 구성에 관해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
가. 마이크로파 안테나 측정장치
마이크로파 안테나 측정장치는, [도 1] 내지 [도 7]과 같이, 부도체관(100') 그리고 후술할 제어기(300)의 제어를 받는 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")를 포함한다.
1. 부도체관
제1부도체 관(100')은, [도 1] 내지 [도 5]와 같이, 전도도 및 비전도체의 특성변화를 측정하려고 하는 유체가 흐르게 하기 위한 관을 말한다. 특히, 제1부도체 관(100')은 후술할 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")를 통해서 마이크로파 신호를 송수신해야 하므로, 이때 마이크로파 신호의 송수신에 방해가 되지 않도록 부도체로 제작하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1부도체 관(100')은 이처럼 마이크로파 신호를 송수신할 때 방해가 되지 않는 재질이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예시적으로, 유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무 등을 예로 들 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1부도체 관(100')은, [도 1] 내지 [도 5]와 같이, 미리 정한 길이를 가진 직선 형태로 제작하여 유체가 직선 형태로 통과하게 구성함으로써, 제1부도체 관(100')을 지나는 매질도 직진성을 갖게 하여 송수신하는 마이크로파 신호가 정확도를 높일 수 있게 구성하는 것이 바람직하나, 전도도 측정만을 위한다면 곡선형태와 같이 구부러진 형태의 부도체관 형태도 사용할 수 있다.
마지막으로, 상기 제1부도체 관(100')에는, [도 1] 내지 [도 4]와 같이, 양단에 각각 커넥터(110)를 갖춘다. 커넥터(110)는 측정을 위한 유체를 제1부도체 관(100')에 공급할 때 사용하는 다른 관을 이 제1부도체 관(100')에 쉽게 연결하거나 분리할 수 있게 구성한 연결구를 말한다. 이러한 커넥터(110)는 통상 커플링이나 피팅으로 불리는 통상의 기술로 제작한 것을 사용할 수 있다.
2. 제1마이크로파 안테나와 제2마이크로파 안테나
제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")는, [도 1] 내지 [도 6]과 같이, 파장이 매우 짧은 마이크로파를 송수신에 사용하는 안테나로, 특히 짧은 파장 때문에 빛과 같이 직진하는 지향성이 강하고 다중 통신의 반송파로도 사용하는 안테나를 말한다.
특히, 이러한 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")는, [도 1] 내지 [도 5]와 같이, 상술한 제1부도체 관(100')을 기준으로 양쪽에 각각 마주하게 설치함으로써, 이 제1부도체 관(100')을 관통하는 마이크로파가 일정한 방향성을 갖게 장착하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")는 케이스(240)를 이용하여 제1부도체 관(100')을 기준으로 서로 마주하여 견고하고 안전하게 장착하고, 이때 사용할 수 있는 케이스(240)로는 비전도체의 수축튜브나 플라스틱으로 제작한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")는 각각, [도 5] 및 [도 6]과 같이, 스트립 방식이나 패치 방식으로 제작한 것을 사용할 수 있다.
스트립 방식
스트립 방식의 마이크로파 안테나는, [도 6(a)]와 같이, 유전체 기판(210)을 기준으로 양쪽에 각각 도전성을 가진 스트립(220')과 그라운드(230)를 갖춘 안테나이다. 이때 상기 스트립(220')은 유전체 기판(210)에 에칭이나 프린트 회로를 형성하는 방식으로 형성하고, 상기 그라운드(230)는 접지 면으로 사용한다.
패치 방식
패치 방식의 마이크로파 안테나는, [도 6(b)]와 같이, 유전체 기판(210)을 기준으로 양쪽에 각각 도전성을 가진 패치(220")와 그라운드(230)를 갖춘 안테나이다. 이때 상기 패치(220")는 유전체 기판(210)에 에칭이나 프린트 회로를 형성하는 방식으로 형성하고, 상기 그라운드(230)는 접지 면으로 사용한다.
단면 패턴 방식
단면 패턴의 마이크로파 안테나는, [도 6(c)]와 같이, 그라운드가 없이 PCB 기판(210a)의 한쪽 면을 개방하고 다른 한쪽 면에만 신호선(220a)을 직접 실장한 구조의 패턴 안테나이다. 이러한 패턴 안테나는 그라운드가 없는 단면의 PCB 패턴을 이용한 모노폴 혹은 다이폴 안테나 구조 등과 같은 방식을 사용한다.
나. 코일 안테나 측정장치
코일 안테나 측정장치는, [도 1]·[도 2]·[도 8] 및 [도 9]와 같이, 제2부도체 관(100"), 그리고 제1코일 안테나(200a)와 제2코일 안테나(200a, 200b)를 포함한다.
1. 제2부도체 관
제2부도체 관(100")은, [도 1]·[도 2]·[도 8] 및 [도 9]와 같이, 후술할 제코일 안테나(200a)와 제2코일 안테나(200b)를 장착하여 특성변화를 검출할 수 있게 하기 위한 관이다. 이러한 제2부도체 관(100")은 상술한 제1부도체 관(100')과 같은 구성이므로 이에 관한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 제2부도체 관(100")은, [도 1] 및 [도 10]과 같이 상술한 제1부도체 관(100')과 병렬로 연결하게 하여 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치가 각각 병렬로 비전도체의 특성변화를 검출하게 구성할 수도 있다. 또한, [도 11] 및 [도 12]와 같이, 제2부도체 관(100")은 제1부도체 관(100')과 직렬로 연결하여 비전도체의 특성변화를 검출하게 구성할 수도 있다. [도 11]에서, 그 구성은 병렬로 구성한 것과 같고 단지 배치를 직렬로 구성한 것이므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
2. 제1 및 제2코일 안테나
제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는, [도 1]·[도 2]·[도 8] 및 [도 9]와 같이, 루프 안테나(Loop Antenna)라고도 하며, 구리선을 코일 형태로 감고 그 양쪽 끝을 한 곳으로 모아서 원형으로 만들어서 코일 내부에 인가하는 전류의 세기에 따라 자기장이 유도되게 구성한 통상의 코일 안테나를 말한다.
이러한 코일 안테나는 전체적인 형상이 도넛과 유사한 형태가 되므로 외부에서 코일 안테나에 약한 충격이 가해짐에 따라 쉽게 변형될 우려가 있다. 이에, 코일 안테나 내부에는 철심, 예를 들어서 페라이트 코어를 제작하여 여기에 코일을 감아서 코일 안테나를 제작한다. 이때, 페라이트 코어는 코일 안테나의 전체적인 형상을 유지하는 기능과 더불어 자기장 유도가 잘 이루어질 수 있게 적정 투자율을 가진 것을 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는 각각 토로이달 코일을 이용하는 것이 바람직하다. 토로이달 코일은 통상 "E"형 철심을 사용하는 것과 비교하여 누설 자속이 적어 주변 전자기기 등에 영향을 덜 주며, 특히 이처럼 자속 누설이 적어 정밀한 측정이 가능하기 때문이다. 이때 철심은 주파수나 안테나의 크기 등을 고려하여 적절한 투자율을 가진 페라이트 코어를 사용하는 것이 바람직하다.
도면에서, 미설명부호 "250"은 제어기(300) 위에 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 지지할 수 있게 고정하는 지지대를 각각 나타낸다.
다. 제어기
제어기(300)는, [도 1] 내지 [도 4]와 같이, 상기 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")와 코일 안테나(200a, 200b)를 제어하고, 이들을 통해 얻은 마이크로파 신호 세기와 RF 신호 세기에 따라 달라진 비전도체의 유전율 변화로 달리진 특성 임피터스의 영향을 받아 변하는 공진 주파수와 신호 전달 특성을 감지 분석하여 비전도체의 특성변화를 검출하고, 이처럼 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치에서 검출한 특성변화를 서로 비교 분석하여 더욱 정밀한 특성변화를 측정할 수 있게 한 것이다.
여기서, 상기 제어기(300)는, [도 2]와 같이, 마이크로파를 이용한 특성변화를 검출하는 방법과 후술할 코일 안테나를 통해 얻은 RF 주파수를 이용하여 특성변화를 검출하는 방법은 같으므로, 여기서는 마이크로파를 이용한 특성변화를 검출하는 방법에 관해서만 설명한다.
상기 제어기(300)는, [도 1] 내지 [도 4]에서, 플레이트 형태로 형성한 예를 보여주고 있으나, 이는 제어기(300)를 기판 형태로 제작한 예를 보여주는 것으로 다른 구성을 지지할 수 있는 형태라면 어떤 형상으로라도 제작할 수 있음을 해당 업계 종사자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
한편, 상기 제어기(300)는, [도 2]와 같이, 상술한 제1마이크로파 안테나(200')를 통해 미리 정한 마이크로파 신호를 송신하고, 제2마이크로파 안테나(200")를 통해 제1부도체 관(100') 안의 매질을 통해 전달된 마이크로파 신호를 수신하게 한다. 이를 위해, 제어기(300)는 같이 제1마이크로파 안테나에 원하는 여러 주파수의 마이크로파를 인가하기 위하여 주파수 합성기(330)를 구성 제어하고, 주파수 합성기에서의 신호를 사인파 형태에 가깝고 불필요한 고조파 신호를 억압하기 위한 파형변환기(310)를 통과시킨 후 제1마이크로파 안테나(200')에 공급한다.
그리고 상기 제어기(300)는, [도 2] 내지 [도 5]와 같이, 상술한 제2마이크로파 안테나(200")를 통해 미리 제1부도체 관(100')을 통과하는 유체를 통해 전달된 마이크로파 신호를 수신한다. 이때, 제2마이크로파 안테나(200")를 통해 픽업된 마이크로파 신호는 수신신호 변환기(320)를 통하여 증폭 처리 후 직류 전압으로 변환하여 다음 단계 처리부에서 각 용도에 맞춰 사용될 수 있도록 한다. 수신신호 변환기(320)를 거친 직류전압 신호는 주파수별 신호처리부(340), 온도관련 신호처리부(350), 유량관련 신호처리부(360)에서 정해진 값들과 비교 분석 처리한 후 MCU로 보내져 ADC(Analog to Digital Conversion)후 정해진 통신 프로토콜에 맞추어 FORMAT(정형)화 한 후 RS-232, USB 등의 디지털 통신 포트를 사용하여 외부에서 제어 신호를 받거나 측정 DATA 값을 내줄 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어기(300)는 이처럼 제1마이크로파 안테나(200')에 인가한 마이크로파 신호와 제2마이크로파 안테나(200")에서 수신한 마이크로파 신호 세기를 비전도체의 유전율 변화에 따라 달라지는 특성 임피던스의 영향을 받은 공진 주파수와 신호 전달 특성을 감지 분석하여 비전도체의 특성변화를 검출한다.
이처럼 이루어진 본 발명에 따른 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치를 이용하여 부도체관을 통과하는 비전도체인 유전율(Er)에 대하여 주파수 변화에 따른 마이크로파 무선신호 반사성능(S11)을 시뮬레이션한 결과는, 아래의 [도 7]과 같다. [도면]에서, 가로축은 주파수(㎓)를, 세로축은 반사성능(㏈)을, 붉은 선은 비전도체의 유전율(Er)이 70일 때의 반사성능 그래프를, 엷은 브라운 선은 비전도체의 유전율(Er)이 80일 때의 반사성능 그래프를, 파란 선은 비전도체의 유전율(Er)이 90일 때의 반사성능 그래프를, 진한 브라운 선은 비전도체의 유전율(Er)이 100일 때의 반사성능 그래프를 각각 나타낸다. 그 결과, [도 7]과 같이, 부도체관을 통과하는 비전도체인 유전율(Er)의 변화에 검출하고 이를 이용하여 비전도체의 특성변화 여부를 알 수 있게 된다.
한편, 이처럼 이루어진 제어기는, 상술한 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치에서 각각 검출한 부도체관을 비전도체가 통과하는 측정한 특성변화를 서로 비교 분석하여 비전도체의 특성변화를 결정한다. 예를 들어서, 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치에서 각각 측정한 측정값이 같으면 그 값을 측정값으로 출력하고, 만일 두 개의 측정값의 차이가 크지 않으면 어느 하나를 선택하거나 중간값을 선택하고 또한, 만일 두 개의 측정값이 현저하게 차이가 날 때는 차이가 나는 측정값의 전후 값을 확인하고 전후 값과 비슷한 쪽의 측정값을 비전도체의 특성변화값으로 결정할 수 있다.
이상과 같이 이루어진 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체의 특성변화 측정장치는, 유체를 이용하는 곳이라면 어디든 손쉽게 장착하여 전도도 및 비전도체의 특성변화를 검출할 수 있고, 이렇게 검출한 전도도를 통해 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 온도 유량 사용 시간 등을 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 정수기의 전도도(혼탁도)를 통해 수질의 온도, 유량, 사용시간 등의 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 공기 중의 용해성 오염물질량을 측정하여 실내공기의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 순도에 따른 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)를 검출하거나 반도체 공정 등에서 사용하는 화학용액의 특성변화 파악하는 데 활용할 수 있고 비전도체(유전체)를 통과하는 마이크로파의 세기가 주파수에 따라 변하는 특성을 활용하여 엔진 오일과 같은 기름 성분의 상태(유전율)를 검출 활용할 수 있다.
100', 100" : 제1, 제2부도체 관
200', 200" : 제1, 제2마이크로파 안테나
200a, 200b: 제1, 제2코일 안테나
210: 유전체 기판
220': 스트립
220": 패치
230: 그라운드
240: 케이스
300 : 제어기
310 : 파형 변환기
320 : 수신신호변환기
330 : 주파수 합성기
340 : 주파수별 신호처리부
350 : 온도관련 신호처리부
360 : 유량관련 신호처리부

Claims (9)

  1. 유체를 흐르게 하기 위한 제1부도체 관(100') 및 상기 제1부도체 관(100')을 기준으로 양쪽에 각각 밀착하여 서로 마주하게 설치한 제1 및 제2마이크로파 안테나(200', 200")를 포함하는 마이크로파 안테나 측정장치; 및 상기 제1부도체 관(100')에 직렬 또는 병렬로 연결하여 유체를 흐르게 하기 위한 제2부도체 관(100") 및 상기 제2부도체 관(100")에 미리 정한 간격(W)을 두고 끼워서 설치한 두 개의 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 포함하는 코일 안테나 측정장치; 및 상기 마이크로파 안테나 측정장치와 코일 안테나 측정장치로부터 주파수 및 그 신호 세기를 분석하여 전도도 및 유체의 특성변화를 측정 제어하는 제어기(300)를 포함하되,
    상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")는,
    각각 유전체 기판(210)을 기준으로, 상기 제1부도체 관(100')에 마주하는 면에 구성한 스트립(220')과 반대편에 구성하는 그라운드(230)를 포함하여 구성된것 또는, 각각 그라운드가 없이 PCB 기판(210a)의 한쪽 면을 개방하고 다른 한쪽 면에만 신호선(220a)을 직접 실장한 단면 패턴 방식으로 이루어진 모노폴 혹은 다이폴 안테나 구조이며,
    상기 제어기(300)는, (1) 상기 제1마이크로파 안테나(200')에서 유도한 마이크로파 신호를 제1부도체 관(100') 안의 유체로 방사하게 하고;, 상기 제2마이크로파 안테나(200")에서 유체를 통해 전달된 마이크로파 신호를 수신하게 하며;, 상기 제1마이크로파 안테나(200')에서 송신한 마이크로파 신호와 상기 제2마이크로파 안테나(200")에서 수신한 마이크로파 신호 세기의 차이로 달라지는 특성 임피던스를 이용하여 유체의 특성변화를 검출하고, (2) 상기 제1코일 안테나(200a)에서 유도한 자기장을 통해 주파수(RF) 신호를 제2부도체 관(100") 안의 유체로 전달하여 유도 전류화하고, 상기 제2코일 안테나(200b)에서 유체를 통해 전달된 주파수(RF)를 갖는 유도전류 신호를 수신하게 하며, 상기 제1코일 안테나(200a)에서 송신한 주파수 신호와 상기 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 주파수 신호 세기의 차이와, 제어기(300)에 미리 저장해 놓은 송신한 주파수 및 그 신호 세기를 기준으로 유체의 상태에 따라 달라지는 각 주파수(RF) 신호 세기의 차이를 비교하여 유체의 전도도 및 특성변화(유전율변화)를 검출하되, (3) 상기 마이크로파 안테나 측정장치와 상기 코일 안테나 측정장치에서 검출한 특성변화를 비교 분석하여 유체의 특성변화를 결정하는 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1부도체 관(100')과 상기 제2부도체 관(100")은,
    유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무로 제작하고,
    양단에는 유체를 공급을 위해 다른 관을 연결할 수 있도록 커넥터(110)를 갖춘 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는,
    각각 토로이달 코일 형태이며, 에어 토로이달 또는 각 중앙에 페라이트 코어가 삽입되어 있는 페라이트 토로이달 방식인 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
  7. 제1항에서,
    상기 제어기(300)는,
    고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 및 유량 중에서 적어도 하나를 디스플레이시켜 주는 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
  8. 제1항 내지 제2항 및 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 측정 장치로 검출한 특성 임피던스를 통해,
    정수기의 전도도(고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid)를 검출, 유체의 온도와 유량 검출, 반도체 공정 등에서 사용하는 화학용액의 특성변화 파악, 그리고 비전도체인 엔진 오일의 사용시간에 따른 유전율 변화 검출과 교환 시기 검출에 이용할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
  9. 제1항에서,
    상기 제1마이크로파 안테나(200')와 제2마이크로파 안테나(200")의 외부에는,
    상기 제1부도체 관(100')을 포함하여 하나로 고정하기 위해 비전도체의 수축튜브나 플라스틱으로 제작한 케이스(240)를 갖춘 것을 특징으로 하는 이중 안테나를 이용한 비접촉 방식의 유전율 특성변화 측정장치.
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