KR102297571B1 - 이종 물질 혼합물의 성분의 농도 또는 입자 크기를 정량적으로 결정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동 매체에 함유된 입자 성분의 갯수 및 크기를 정량적으로 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 유동매체에 커플링된 초음파가 입자 성분 상에 적어도 부분적으로 반사되며 반사된 초음파 일부가 초음파 시간 신호의 형태로 검출되며, 이 초음파 시간 신호에 기초하여 정량적 결정이 이루어진다. 본 발명은 다음의 방법 단계에 의해 특징되는데;
결합되는 초음파의 적어도 일부가 상기 유동 매체에 접하는 컨테이너의 벽 영역 또는 상기 컨테이너 내에 도입된 반사기에 의해 반사되는 방식으로 상기 유동 매체에 초음파를 결합하는 단계; -벽 영역 또는 반사기와 관련될 수 있는 에코-초음파 시간 신호가 생성됨- ,적어도 상기 에코-초음파 시간 신호를 고려하여, 각각의 검출된 초음파 시간 신호에 대한 진폭 임계값을 설정하는 적어도 하나의 진폭 임계값 함수를 결정하는 단계; 각각의 초음파 시간 신호에 대해 설정된 진폭 임계값보다 큰 개별 초음파 시간 신호와 관련된 진폭값을 검출하는 단계; 및 검출된 진폭 값을 입자 성분의 크기 및 갯수를 나타내는 값에 할당하는 단계, 를 특징으로 한다.

Description

이종 물질 혼합물의 성분의 농도 또는 입자 크기를 정량적으로 결정하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 유동채널을 따라 유동하는 매체에 함유된 입자 성분의 갯수 및 크기를 정량적으로 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 유동 매체에 커플링된(결합된) 초음파가 상기 입자 성분 상에 적어도 부분적으로 반사되고, 반사된 초음파의 일부가 초음파 시간 신호의 형태로 검출되며, 이 초음파 시간 신호에 기초하여 정량적 결정(quantitative determination)이 이루어진다.
특히 금속 가공 및 화학 산업에서 현탁액과 같은 이종 물질 혼합물을 정량으로 분석하는 것이 종종 필요하다. 실례는 금속 또는 금속 혼합물 이외의 오염물 및 /또는 다른 바람직한 또는 바람직하지 않은 성분, 예를 들어 산화물, 염화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물 및/또는 금속 간 상(intermetallic phases)으로 구성된 용융 금속 내의 입자를 함유하는 용융 금속이다. 화학 산업에서, 중합체를 제조할 때, 예를 들어 중합하는(polymerisation)동안 이종 물질 혼합물이 생성된다. 두 가지 예 모두에서, 생산 공정을 제어, 조정 또는 모니터하기 위해, 물질 혼합물의 성분, 즉 입자의 수, 입자 농도 및/또는 입자 크기를 결정하기 위한 정확한 정량적 설명(quantitative statements)을 할 수 있어야 바람직하다.
초음파 기반(ultrasound-based)의 입자 검출 분야에서, 예를 들어 알루미늄 용융물에서, "MetalVision"방법은 경금속 2005, TMS, 945-949, 액체 알루미늄의 청결도에 대한 지속적인 온라인 모니터링을 위한 초음파 센서인 Kurban M., Sommerville I,D., Mountford N.D.G., Montford P.H.로부터 공지되어 있으며, 연속 알루미늄 주조에 사용된다. 이 방법에서, 초음파는 평행한 강철 도파관(parallel steel waveguides)을 통해 액체 알루미늄 용융물에 결합된다. 측정 결과의 재현성(reproducibility) 부족이 단점이다.
초음파에 의해 컨테이너 내의 금속 용융물에서의 현탁된 함유물(suspended inclusions)의 개별적인 가시화(visualisation), 크기 측정 및 카운팅을 위한 방법 및 장치가 문헌 EP 1 194 772 B1 및 DE 600 01951 T2로부터 추론될 수 있다. 적어도 하나의 초음파 변환기(ultrasonic transducer)로, 초음파가 개별 "초음파 샷"(ultrasonic shots)의 형태로 생성되고 조사(investigated)될 용융 금속에 도파관을 통해 결합되며, 여기서 용융 금속에 포함된 함유물에 의해 부분적으로 반사된다. 반사된 초음파는 초음파 검출기에 의해 검출(detected)되고, 카운팅 뿐만 아니라 이미지 분석에 의한 측정 및 가시화를 위해 평가된다. 검출된 초음파로부터 얻어진 에코 신호의 이미지 분석 및 정량적 측정은 안정된 크기로 알려진 적어도 하나의 교정 반사기가 사용되는 교정 단계의 일부로서 얻어진 교정 곡선(calibration curve)에 기초한다. 이 목적을 위해, 교정 반사기는, 초음파가 용융 금속과 상호 작용하여 반사된 초음파 일부가 빠져나가서(exit) 적어도 하나의 초음파 검출기에 의해 캡쳐될 수 있는 "초점(focal spot)"의 영역에서 용융 금속 내에 위치된다. 교정 곡선은 검출된 에코 신호의 진폭과 에코 신호가 반사된 방해물의 직경 사이의 기능적 관계를 생성한다.
본 발명의 근원적인 목적은, 높은 수준의 정확도와 재현성(accuracy and reproducibility)으로, 물질 혼합물, 액체, 현탁액, 특히 용융물 내의 입자 수, 입자 농도 및/또는 입자 크기를 결정하기 위한 방법 및 장치, 및 그 용도를 제공하는 것이다. 또한, 방법 및 장치의 기술적 특징과 관련된 수고를 줄이기 위한 것이다.
설명된 기술적 목적은 청구항 1에 따른 방법, 청구항 10에 따른 장치 및 청구항 15에 따른 장치의 용도로 해결된다. 추가적인 유리한 실시 예는 종속항의 부가적인 특징으로부터 도출될 수 있다.
청구항 제1항의 전제부의 특징에 의해 정의된 해결책에 따른 방법은, 초음파가 유동 매체에 직접 전파되거나 결합되게 하여, 결합된 초음파의 적어도 일부가 유동 매체의 범위를 정하는 컨테이너(container)의 벽 영역에 의해 또는 컨테이너의 내부에 위치된 반사기에 의해 반사되어, 에코 초음파 시간 신호(echo-ultrasonic time signal)가 생성되어 벽 영역 또는 반사기에 할당될 수 있다. 초음파는 입자 성분을 정량적으로 캡쳐(capture)하는 것이 중요한 용융 금속에 결합되는게 바람직하다. 입자 성분의 결정을 정략적으로 가능하게 하기 위해 초음파로 결합함으로써, 현탁액과 같은 임의의 이종 액체 물질 혼합물을 분석하는 것도 가능하다.
초음파는 바람직하게는 유동 매체의 흐름 방향에 대해 소정 각도로 지향되는 전파(propagation)의 주된(주요) 방향을 갖는 유동 매체에 결합되며, 전파의 주된 방향을 따라 이동(travelling)하는 초음파는 바람직하게는 컨테이너에 도달할 때 유동 매체에 접하는 컨테이너의 벽 영역에 직교(orthogonal)하며, 이에 따라 반사된다. 전파의 주된 방향으로 후방의 한계(rearward limit)를 나타내는 벽 영역에서 반사된 초음파를 포함하여, 유동 매체 내의 천체 초음파 이동 경로를 따라 반사된 초음파 일부는 바람직하게는 초음파가 결합되는 위치 영역에서 또는 정확하게 위치에서 검출된다. 이러한 방식으로, 결합 사이트(coupling site)와 후방 한계 벽(rear limit wall) 사이의 전체 경로를 따라 초음파 시간 신호가 수신된다. 한계 벽에 의해 야기된 초음파의 반사는 특징적인 에코-초음파 시간 신호로서 구별되며(distinctive), 검출된 각각의 초음파 시간 신호에 대한 진폭 임계치(amplitude threshold)를 정의하는 적어도 하나의 진폭 임계 함수(amplitude threshold function)를 계산하는데 사용된다.
예를 들어 둘 이상의 도파관이 사용되어, 그 중 적어도 두 번째 도파관이 수신기로서 작용할 때, 검출 위치는 결합 위치와 다를 수 있다.
평탄한, 바람직하게는 평평한 반사기 표면을 갖는 부가적인 반사기는, 초음파의 결합 위치와 유동 매체의 범위를 정하는 벽 영역 사이의 거리가 너무 큰 경우 및/또는 벽 영역이, 예를 들어 침전물로 인해, 가능한 한 적은 손실로 초음파를 반사하는 데는 적합하지 않은 경우 유동 매체 에 삽입된다.
바람직하게는, 다음 물리적 특성들(physical properties) 중 적어도 하나가 적어도 하나의 진폭 임계 함수의 계산에 고려된다;
a) 유동 매체 내의 초음파 필드 분포, 즉 유동 매체 내에서, 예를 들어 주 로브 및 사이드 로브(primary and side lobes)의 형태로 그 방향의 함수로서 전파하는 초음파의 공간 범위(spatial extent) 및 세기(intensity),
b) 유동 매체에서의 초음파의 음파 감쇠(acoustic attenuation), 즉 유동 매체에서의 점진적 전파에 의한 초음파 진폭의 매체 특이적(medium-specific) 및 매체 관련(medium-related) 감소,
c) 유동 매체에서의 초음파의 결합 조건, 예를 들어, 유동 매체 내부에서 전파하는 초음파에서 초음파 피에조 변환기(ultrasonic piezo transducer)에 의해 초음파가 생성되는 것으로부터, 즉 초기 초음파 에너지의 변환 성능. 이러한 방식으로, 변화하는 결합 조건은 진폭 임계 함수에 대한 직접적인 영향이 모든 초음파 시간 신호의 진폭 임계값에 영향을 미치는 가변 에코-초음파 시간 신호로 직접 표현된다. 이 경우, 진폭 임계 함수는 모든 시간적으로 후속하는 초음파 시간 신호에 대해 보정된다. 그러나, 시간적으로 선행하는 진폭 임계값은 보정될 필요가 없다.
유동 매체에 함유된 입자 성분의 정량적 캡쳐 및 평가를 위해, 추가 단계에서, 각각의 초음파 시간 신호에 대해 정의된 진폭 임계값보다 개별적으로 더 큰 개별 캡쳐된 초음파 시간 신호에 할당된 모든 진폭 값이 캡쳐된다.
유리하게는, 결합 위치와 후방 벽 영역 사이의 유동 매체 내의 반사 이벤트에 의해 생성된 모든 초음파 시간 신호가 추가 평가를 위해 포함되는 것은 아니다. 오히려, 전파의 주된 방향을 따른 유동 매체 내의 공간 측정 영역에 상응하는 평가 시간 범위가 정의되고, 유동채널의 범위를 정하는 결합 위치(coupling location)와 후방 벽 사이의 임의의 지점에 위치될 수 있다. 평가 시간 범위 및 이와 관련된 분석을 위한 측정 볼륨은 조사의 매개 변수에 따라 적절하게 치수가 정해질 수(dimensioned)있다.
가장 단순한 형태에서, 정의 가능한 평가 시간 범위 내의 초음파 시간 신호의 평가에 요구되는 진폭 임계값 함수는 검출된 초음파 시간 신호가 수치 비교(numerical comparison)에 적합하게 중첩되는 수평 직선이다. 초음파 시간 신호의 후속 평가에 적용할 수 있는 요구 사항에 따라, 진폭 임계값 함수에서 상응하는 초음파 영역 분포, 감쇠, 결합 조건 등과 같은 이전에 설명된 양상이 고려될 수 있다.
마찬가지로, 진폭 임계값 함수의 플롯(plot)은 대수 또는 지수 과정(exponential course)을 따를 수 있다. 예를 들어, 유동 매체의 음파 감쇄는 음의 지수(negative exponent)를 갖는 지수 함수를 따른다. 이러한 방식으로, 감쇠의 영향은 진폭 임계값 함수에 양의 지수(positive exponent)를 갖는 지수 함수를 곱함으로써 보정될 수 있다.
전술한 감쇠 보정 대신에 또는 감쇠 보정과 결합하여, 진폭 임계값 함수의 곡선은 양 또는 음의 기울기를 갖는 선형(linear)으로서 선택될 수 있다. 예를 들어, 편평한 원형 발진기(oscillator)로부터 시작하여, 초음파가 매체, 즉 파 필드(far field)에 결합되는 위치로부터 거리 z가 증가함에 따라 음압(sound pressure)은 대략 1/z만큼 감소한다. 따라서, 이 영향은 진폭 임계값 함수에 양의 기울기를 갖는 함수를 곱함으로써 보정될 수 있다.
또한, 초음파를 집중 방식(focussed manner)으로 유동 매체에 결합시키는 것이 가능하며, 즉, 초음파는 전파의 주된 방향을 따라 위치한 초점(focal point)에 집중되는데, 이는 전파의 주된 방향으로 컨테이너의 벽 영역의 전방에 항상 존재한다.
원칙적으로, 초점은 평가 시간 범위 및/또는 정의된 측정 볼륨에 대해 임의의 위치에 있을 수 있으며, 즉 평가 시간 범위의 내부 또는 외부에서 선택될 수 있다.
한편, 초음파 초점이 평가 시간 범위 내에 있다면, 초점에서 가장 낮은 진폭 임계치를 정의하는 것이 유리하며, 그 후 초점으로부터 거리가 증가함에 따라 양측(both sides)에서 증가한다. 그러나, 초음파 초점이 평가 시간 범위 밖에 위치하는 경우, 진폭 임계 함수는 양 또는 음의 기울기를 갖는 것이 유리하다.
일반적으로, 진폭 임계값 함수의 플롯은 다수의 영향 변수가 고려될 때 매우 복잡한 과정을 가정할 수 있다. 예를 들어, 입자 크기 분포를 결정할 수 있도록 여러가지 다른 진폭 임계값 함수를 적용하는 것도 도움이 된다. 다루기 쉬운 다른 진폭 임계값 함수의 갯수는 일반적으로 1 에서 10 사이의 범위에 있다.
각각의 진폭 값에 기초하여 진폭 임계값 함수보다 위에 있는 평가 시간 범위 내의 모든 진폭 값을 캡쳐한 후, 최종적으로 유동 매체 내의 캡쳐된 입자 성분의 크기 및/또는 수(갯수)를 나타내는 값이 이들 진폭 값에 할당되어야 한다.
따라서, 캡쳐된 입자 성분의 수는, 초음파 시간 신호 당 캡쳐된 진폭 값이 진폭 임계값 함수에 의해 각각의 초음파 시간 신호에 대해 정의된 진폭 임계값 이상으로 있는 갯수 또는 통계적 주파수(statistical frequency)에 기초하여 결정될 수 있다.
한편, 입자 성분의 크기에 대한 정보는 초음파 시간 신호의 진폭 값의 수치 합(numerical sum)에 기초하는데, 즉, 초음파 시간 신호의 피크 높이 또는 진폭 크기는 각각의 입자 크기를 표현한다. 이러한 맥락에서, 초음파 시간 신호의 피크 높이는 또한 초음파 결합 조건에 의존하며, 이러한 고려 사항은 진폭 임계값 함수의 동적 적응(dynamic adaptation)로 처리되어야 한다는 점에 유의해야 한다.
이러한 방식으로 얻어진 정보에 기초하여, 유동 매체에서 캡쳐된 입자 성분의 입자 수 및 상대적 입자 크기 분포를 결정하는 것이 가능하다.
입자 크기를 절대 값으로 정확하게 명시해할 필요가 있는 경우, "순람표"(lookup tables)라고 하는 참조표를 사용할 수 있다. 이는 공지된 초음파 반사기로부터의 초음파 반사에 의해 얻어진 초음파 시간 신호, 특히 그 진폭 및/또는 신호 모양을 캡쳐하여 별도의 테스트 시리즈(separate test series)에서 교정 값 또는 교정 함수를 결정하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로 얻어진 교정 값 또는 교정 함수(calibration functions)는 적어도 하나의 진폭 임계값 함수를 결정하기 위한 기초로서 후속적으로 사용될 수 있다.
또한, 청구항 1의 전제부의 특징에 따라, 유동 매체에 함유된 입자 성분의 수 및 크기를 정량적으로 결정하기 위한 장치는, 적어도 유동 매체에 초음파를 결합시키기 위해 초음파 변환기에 음향적(acoustically)으로 결합된 적어도 하나의 도파관의 섹션은 유동 매체에 침지(immersed)되며, 도파관 물질로 구성된 도파관은 유동 매체에 침지된 적어도 그 영역에서 외부 층에 의해 둘러싸여 있어서, 외부 층은 다른 도파관 물질과 유동 매체 사이에 배치되며, 그리고 외부 층은 다른 도파관 물질의 물질 조성과 다른 물질 조성(material composition) 을 갖는다.
도파관(waveguide)은 바람직하게는 집중된(focussed) 초음파를 유동 매체에 결합시키기 위해 일측 상이 뭉툭한(blunt), 테이퍼진 또는 의도적으로 기하학적 형태로 된 도파관 팁(waveguide tip)을 갖는다. 이러한 맥락에서, 도파관 팁의 적어도 일부는 외부 층에 의해 둘러싸여지며, 이 외부 층은 그 물질 조성이 유동 매체와 접촉할 시 물질 조성이 용해되는 방식으로 유동 매체에 따라 선택된다.
외부 층(outer layer)의 물질 조성은 도파관 물질 상의 유동 매체의 적심(wetting)을 개시 및/또는 지원하고, 유동 매체와 동일하지 않은 적어도 하나의 물질(substance)을 함유한다. 적어도 하나의 물질은 바람직하게는 용융 염(melting salt)이다.
용융 염(melting salt)을 적어도 용융 금속에 사용하기 위해 도파관 팁의 영역으로 확실히 가져 오기 위해, 용융 염은 알루미늄 호일과 같은 측정 매체 내에서 용융 및/또는 용해되는 물질에 의해 둘러싸여 있다. 도파관 팁과 접촉하게 되는 용융 염은 도파관의 표면상의 임의의 산화물을 대체하여, 도파관과 유동 매체 사이에, 바람직하게는 알루미늄 용융물 형태로, 직접 접촉을 가능하게 한다.
이하의 실시 예를 참조하여 더 상세한 설명이 다음의 설명서에 주어진다.
본 발명의 장치 및 방법은 높은 수준의 정확도와 재현성으로, 물질 혼합물, 액체, 현탁액, 특히 용융물 내의 입자 수, 입자 농도 및/또는 입자 크기를 결정할 수 있다.
도 1은 초음파를 매체에 결합시키기 위한 도파관에 의해 유동 매체 내의 입자 성분을 측정하는 장치를 도시하며,
도 2는 초음파를 매체에 결합시키기 위한 2개의 도파관을 갖는 도 1에 따른 장치를 도시하며,
도 3은 집중된 초음파를 매체에 결합시키기 위한 2개의 도파관을 갖는 도 2에 따른 장치를 도시하며,
도 4는 중첩된(superimposed) 진폭 임계값 함수 및 평가 시간 범위를 갖는 초음파 시간 신호의 도식적 표현이며,
도 5는 도파관 팁 상에 적심 슈(wetting shoe)가 구비된 도파관을 갖는 도 1에 따른 장치를 도시한다.
다음의 텍스트에서 설명될 도면을 참조하면, 예를 들어 알루미늄 용융물(aluminium melt)과 같은 물질 혼합물, 용융물, 용융 금속과 같은 형태, 또는 높은 수준의 정확도를 갖는 액체 인 유동 매체(3,flowing medium) 내의 입자(미립자) 성분(particulate components)의 농도 및/또는 갯수 및 크기를 측정할 수 있는 장치가 기재되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초음파는, 이미터(emitter)로서 작용하고 조사될 액체에 초음파를 결합하기 위한 수단인 도파관(2,waveguide)을 통해 결합되는 초음파 변환기(1,ultrasonic transducer)에 의해 생성된다. 유동 매체(3)는 도면의 평면에 직교하는 컨테이너(4)를 통해 유동한다고 가정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 초음파 변환기(1)는 유동 매체(3)로부터의 초음파 필드(ultrasonic field)의 수신기 역할을 할 수도 있다.
도 2 및 도 3 각각에서, 추가적인 음향적으로 결합된 도파관(8)을 갖는 추가 초음파 변환기(7,ultrasonic transducer)가 사용되고, 도파관(8)은 추가의 초음파 변환기(7)를 유동 매체(3)와 음향적으로 결합시킨다. 하나 이상의 초음파 변환기가 존재하는 경우, 다양한 동작 모드(operating modes)가 구현될 수 있는데, 예를 들어, 초음파 변환기 (1)는 이미터로서의 역할을 하고, 초음파 변환기(7)는 수신기로서 역할을 할 수 있고, 또는 그 반대 역할을 할 수 있거나, 또는 두 개의 초음파 변환기(1,7)는 이미터로서 역할을 하고, 시간 오프셋(time offset)으로 수신기로서 역할을 할 수 있다. 적어도 하나의 초음파 변환기(1,7)에 의해 수신된 초음파 신호는 측정 장치/평가 기술/평가기(6,evaluator)에 의해 기록되고 평가된다. 평가기(6)는 유동 매체(3)로부터의 초음파 필드의 반사 또는 에코(echoes) 및 유동 매체(3)에 선택적으로 도입된 초음파 반사기(5)로부터의 반사를 캡쳐한다. 물질 혼합물을 적어도 부분적으로 에워싸는 컨테니어(4)의 벽 영역(4a)은, 그 전파 방향으로 초음파의 범위를 정하는 초음파 반사기(5)로서 작용하는 것이 바람직하다. 초음파 반사기(5,4a)로부터의 에코는 유동 매체(3)로부터의 에코의 평가를 교정하는 역할을 한다. 초음파 반사기(5,4a)로부터의 에코에 기초하여 정의된 적어도 하나의 진폭 임계값 함수(amplitude threshold value function)는 유동 매체(3)로부터의 에코를 평가하는데 사용된다.
바람직한 장치는 특히 적어도 하나의 초음파 변환기(1), 초음파 변환기(1)에 음향적으로 결합된 도파관(2), 특히 현탁액인, 유동 매체(3)를 통하게끔 허용하거나 유지시키는 컨테이너(4), 유동 매체에 배치되는 초음파 반사기(5 또는 4a)의 다른 요소들로 구성되며, 도파관(2)은, 매체(3)로 돌출하며 매체(3)에 형성된 초음파 필드가 적어도 하나의 초점(13)을 가지는 방식으로, 초음파 반사기(5,4a)에 대해 배치되며, 이 초점은 초음파 반사기(5,4a)와 제1 도파관(2) 및/또는 부가적인 도파관(8) 사이에 공간적으로 놓인다.
또 다른 바람직한 장치는 적어도 하나의 초음파 변환기(1)와 결합된 적어도 하나의 평가기(6), 초음파 변환기(1)에 음향적으로 결합된 도파관(2), 특히 현탁액 형태의 유동 매체(3)가 통하는 컨테이너(4)의 다른 요소들로 구성되며, 도파관(2)은, 매체(3)로 돌출하며 초음파 변환기(1)에 의해 생성된 초음파 필드가 매체(3)에 결합하게끔 구성되어, 유동 매체(3)의 경계면(boundary surfaces)상에, 특히 매체(3)의 입자 상에 초음파 필드의 반사가 결합되어, 초음파 시간 신호로서 초음파 변환기로 들어가고, 평가기는 임계 함수를 사용하여 수신 시간 신호에서 에너지 최대치 또는/및 전력 최대치를 캡쳐하고 카운트 하게끔 구성된다.
또 다른 바람직한 장치는, 분석될 유동 매체, 특히 현탁액으로 돌출되며, 초음파 변환기(1)에 음향적으로 결합된 적어도 하나의 도파관(2)으로 적어도 구성되며, 도파관(2)의 적어도 일부는 나머지 도파관 물질과는 다른 물질 조성을 구비한 외부 층(10)을 갖으며, 외부 층(10)은 나머지 도파관 물질과 유동 매체(3) 사이에 배치된다(도 5 참조).
적어도 하나의 도파관(2)의 단부 및 초음파 반사기(5,4a,ultrasonic reflector)사이에 형성되는 공간은 측정 볼륨(measurement volume)으로서 역할을 한다.
바람직하게는 초음파 필드의 초점(13)은 측정 볼륨 내에 위치된다.
초음파 반사기(5,4a)에 의해 생성된 에코는 또한 후방 벽 에코(rear wall echo)라고도 불리며, 두 용어는 상호 교환 가능하다.
이 구조에 통합된 초음파 반사기(5)는 도 4에 도시된 바와 같이 초음파 신호에 후방의 모든 에코를 생성한다. 이것은 결합된 초음파 에너지가 본 명세서에서 표현되기 때문에, 초음파 신호의 교정으로서 역할을 한다. 교정은 진폭 임계값 함수의 정의에 포함되어 있다는 점에서 절대 입자 크기에 대한 결론과 관련된다. 후방 벽 에코는, 또한 초음파의 결합 변동(coupling fluctuations) 이 액체 내의 도파관에 의해 검출될 수 있고 또한 그에 의해 보정될 수 있기 때문에 측정 시스템의 기능을 테스트하는데 사용될 수 있다.
측정 매체 내부의 초음파 반사기의 위치는 사용된 도파관에 의해 결정된다. 이러한 맥락에서, 오히려 다음과 같은 장치(arrangements)가 가능하다:
a) 도파관이 서로에 대해 일정한 각도로 배치되면 (도 3), 가장 높은 초음파 진폭은, 두 도파관의 개념적인 연장(notional extension) 사이의 교차점(intersection point)으로부터 인한 초점(9)에 의해 실현된다. 초음파 반사기는 일측의 도파관과 다른 측의 초음파 반사기 사이에 초점(9)이 위치되는 도파관으로부터 거리를 두고(떨어져서) 배치된다. 초점(9)과 초음파 반사기 사이의 거리는 바람직하게는 5 mm 내지 80 mm 범위이다.
컨테이너(4)가 단지 매우 얕으면, 초점(9)이 반사기(5), 즉 컨테이너 벽보다 더 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이 경우가 이상적이지는 않지만, 여전히 측정을 수행할 수 있다.
b) 도파관(2, 8)이 서로 평행하게 배치된 경우(도 2) 또는 단일 도파관(2)이 사용되는 경우(도 1), 초음파 반사기(5, 4a)의 위치는 초음파 필드의 초점(13)에 의해 정의된다. 이 초점(13)은 유동 매체(3)에 위치된 도파관 (2,8)의 팁의 기하학 구조(geometry of the tips)에 의존한다. 초음파 반사기(5), 즉 컨테이너의 한계 벽(4a,limit wall)은 바람직하게는 더 큰 또는 동일한 거리(13)로 배치된다. 구성이 도 1 및/또는 도 2에 나타낸 바와 같을 때에도, 초음파 필드의 초점(13)은 한편으로는 도파관의 팁에 의해 범위가 정해지고, 다른 한편으로 초음파 반사기(5), 즉 컨테이너의 한계 벽(4a)에 의해 범위가 정해지는 공간에 위치된다.
컨테이너(4)가 단지 매우 얕으면, 초점(9)이 반사기(5), 즉 컨테이너 벽보다 더 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이 경우가 이상적이지는 않지만, 여전히 측정을 수행할 수 있다.
c) 컨테이너(4)의 크기 또는 깊이에 따라, 초점(13)은, 예를 들어 컨테이너 (4)의 외부에서도, 초음파 전파 방향으로 반사기(5) 뒤에 또는 한계 벽(4a) 뒤에 또한 놓일(lie)수 있다.
유동 매체(3)로서 알루미늄 용융물을 측정하기 위해, 예를 들어도 도 3에 따른 구조가 선택될 수 있다. 초점(9)은 도파관(2,8)의 팁으로부터 대략 50mm의 거리에 상응한다. 이 경우 도파관(2, 8) 사이의 각도는 8°내지 30°와 동일하다. 초음파 반사기(5) 또는 컨테이너의 한계 벽(4a,limit wall)은 열간 가공강(hot working steel)으로 구성된다. 이러한 맥락에서, 유동 매체에서 불충분하게 적셔지는(poorly wetted), 예를 들어 사이 알론(SiAlON), 질화규소, 산화 알루미늄을 포함하는, 특히 세라믹 물질 및/또는 모든 고온 용융 물질이 사용에 매우 적합하다.
도파관(2,8)은 바람직하게는 유동 매체의 충분한 적심(sufficient wetting) 이 생성되도록 선택된다. 도파관 설정(setup)은, 예를 들어 도 1, 2, 3, 5에 도시된 것과 상응한다.
매체로서의 알루미늄 용융물의 경우, 티타늄(2 등급)의 도파관이 사용될 수있다. 더 적합한 도파관 물질은 질화 규소, 사이 알론, 강(열간 가공강 1018 H13 (USA) 또는 X40 CrMoV 5-1 및 어닐링된 강 (1.4436))이다. 도파관은, 예를 들어 600mm, 500mm, 400mm 또는 300mm의 길이이며 8mm, 9mm, 10mm, 11mm, 12mm, 13mm 또는 14mm의 직경을 갖는다.
초음파 필드(ultrasonic field)의 주파수는 바람직하게 2MHz 내지 12MHz의 주파수 범위에 있다. 예를 들어, 측정 매체로서 알루미늄 용융물에 대해, 6MHz 또는 10MHz의 초음파 주파수가 적합하다는 것이 입증되었는데, 약 10MHz의 초음파 주파수가 특히 바람직하다.
유동 매체 내의 입자의 수(갯수)를 평가(evaluate)하기 위해, 후방 벽 에코 또는 초음파 반사기 에코 전에, 도 4에 따른 평가 시간 범위(evaluation time range)가 선택된다. 평가 시간 범위를 선택은 측정 볼륨이 개별적으로 조정되게 할 수 있다. 더 작은 평가 시간 범위는 더 작은 측정 볼륨에 상응한다.
이 경우, 충분한 초음파 에너지가 필요하기 때문에 평가 시간 범위가 매우 강하게 매체의 초음파 필드에 결합된다.
알루미늄 용융물에 대해, 평가 시간 범위는 매체에서 약 4cm에 상응하게 선택된다. 평가 시간 범위의 종료(끝)는 후면 벽 에코 바로 전방에 위치된다(도 4). 측정 볼륨은 이 시간 범위, 원칙적으로 상당히 더 짧은 시간 범위에서 조정될 수 있고, 충분한 초음파 에너지가 주어지면 상당히 긴 시간 범위가 또한 가능하다.
카운팅은 바람직하게는 선택된 시간 범위 내에서 주어진 진폭 임계값 함수를 초과하는 진폭 값의 수(도 4 참조)로부터 수행된다. 카운트 값은 입자 농도에 비례하기에, 교정 함수의 도움으로 카운트 값으로부터 특정 입자 농도가 계산될 수 있다.
알루미늄 용융물에 대해, 측정 시스템으로 캡쳐될 수 있는 적절한 농도 범위(relevant concentration ranges)는 알루미늄 용융물 kg 당 100 내지 100,000 개 입자 범위에서 검출 가능하다.
진폭 임계값 함수(amplitude threshold value function) 또는 다수의 진폭 임계값 함수의 선택은 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포에 관한 결론을 도출할 수 있게 하며, 후방 벽 에코의 높이 및 형태가 교정 목적(calibration purposes)으로 사용될 수 있다. 마지막으로, 절대 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포에 대한 결론을 도출하는게 또한 가능하다. 그 이외에 정성적 결론이 얻어진다. 진폭 임계값 함수는 결합으로부터 및/또는 수신 매체(receiving medium)로부터 유동 매체로의 결합 변동(coupling fluctuations)을 보정하기 위해 후방 벽 에코에 수학적으로 결합될 수도 있다.
진폭 임계값 함수는, 예를 들어 측정 매체에서 음향 감쇠(acoustic attenuation)를 보정하기 위해, 바람직하게는 일정한 시간 곡선(constant temporal curve)을 가지거나 대수 또는 지수 곡선을 갖는다. 음향 감쇠는, 예를 들어 음의 지수(negative exponent)를 갖는 지수 함수(exponential function)를 따른다. 감쇠 효과는 양의 지수를 갖는 지수 함수와의 곱셈에 의해 보정(corrected)될 수 있다.
적심 슈(12,wetting shoe)의 도입은(도 5에 도시) 매체로 도파관의 국소적으로 제어 가능한 적심을 가능하게 한다. 이 경우, 유동 매체에 용해되고 적심을 촉진시키는 물질(10)을 함유하는 커버(11)가 도파관(2)의 팁 상에 위치된다. 매체 (3)에 침지된 후에, 적심 슈(12)는 용해되고 적심을 촉진시키는 물질(10)은 국소 적으로 해제(released)된다. 추가 옵션은 적심을 촉진하는 물질을 녹여서 적심을 촉진하는 액체 물질(10)에 도파관(2)(8)의 일 단부을 침지시키는 것이다.
용융 금속, 특히 알루미늄 용융물에 대해 적심을 촉진시키는 물질(10)로서 바람직하게 사용되는 물질은 통상적인 제련염이다(염 1 : 대략 조성 : KCl(47.6 %), NaCl(45.7 %), SO4(2.14 %), CaF2(0.14 %); 염 2 : 대략 조성 : KCl(50 %), NaCl(50 %)).
제련염은, 예를 들어 외부 층(11)으로 사용되는 알루미늄 호일의 커버 내에 위치될 수 있다. 그 다음 커버가 도파관의 팁 위에 위치되어(도 5에 도시) 액체/용융 금속에서 용해된다.
커버는 또한 액체에 용해되거나 녹는 물질로 제조될 수 있다.
1. 초음파 변환기 2.도파관
3.액체, 특히 현탁액 4.컨테이너
4a.한계 벽 5.초음파 반사기
6.평가기 7.추가 초음파 변환기
8.도파관 9.초음파 필드 초점
10.외부 층 11.커버
12.적심 슈 13.초음파 필드 초점

Claims (15)

  1. 유동 매체에 커플링된 초음파가 입자 성분 상에서 적어도 부분적으로 반사되어 반사된 초음파 일부가 정량적 결정의 기초가 되는 초음파 시간 신호의 형태로 검출되는, 용융 금속인 유동 매체에 함유된 입자 성분의 수 및 크기를 정량적으로 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 커플링되는 초음파의 적어도 일부가 상기 유동 매체에 접하는 컨테이너의 벽 영역 또는 컨테이너 내에 도입된 반사기에 의해 반사되는 방식으로, 유동 매체에 적어도 하나의 섹션이 침지된 도파관에 음향적으로(acoustically) 커플링되는 초음파 변환기를 사용하여 벽 영역 또는 반사기와 관련될 수 있는 에코-초음파 시간 신호가 생성되도록 상기 유동 매체에 초음파를 커플링하는 단계로서, 초음파가 컨테이너의 벽 영역 또는 반사기의 전후에 놓이는 전파(propagation)의 주된 방향을 따라 위치된 초점에 집중되는 방식으로, 유동 매체의 흐름 방향에 대해 소정 각도로 지향되는 전파의 주된 방향으로 컨테이너를 통해 유동하는 유동 매체에 초음파의 커플링이 집중되며, 여기에서 전파의 주된 방향을 따라 진행하는 초음파는 벽 영역 또는 반사기에 대해 직교 또는 비듬하게 충돌하여 반사되는, 단계,
    - 반사된 초음파 일부를 커플링 영역 또는 커플링 사이트에서 검출하는, 단계;
    - 초음파 시간 신호에 포함된 각각의 에코 초음파 시간 신호를 기반으로 하여 초음파 시간 신호를 교정(calibrating)하는, 단계;
    - 적어도 상기 에코 초음파 시간 신호를 고려하여 각각의 검출된 초음파 시간 신호에 대한 진폭 임계값을 설정하는 적어도 하나의 진폭 임계값 함수를 결정하는, 단계;
    - 각각의 초음파 시간 신호에 대해 설정된 진폭 임계값보다 큰 개별 초음파 시간 신호와 관련된 진폭값을 검출하는, 단계; 및
    - 검출된 진폭값을 입자 성분의 크기 및 갯수를 나타내는 값에 할당하는, 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    진폭 임계값 함수를 계산하기 위해 다음의 물리적 특성들 중 적어도 하나가 고려되는데;
    - 유동 매체에서 초음파 필드 분포의 고려,
    - 유동 매체에서 초음파의 음향 감쇠의 고려,
    - 유동 매체에서 초음파의 커플링 조건이 고려 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 초음파 시간 신호에 대해 정의된 진폭 임계값보다 개별적으로 큰 진폭값은, 전파의 주된 방향을 따른 유동 매체 내의 공간 측정 범위에 상응하는 정의 가능한 평가 시간 범위 내에서 캡쳐되고, 커플링 위치 및 컨테이너의 벽 영역 또는 반사기 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    유동 매체 내의 입자 성분의 갯수를 나타내는 값에 캡쳐된 진폭값의 할당은 초음파 시간 신호 당 캡쳐된 진폭값이 진폭 임계값 함수에 의해 각각의 초음파 시간에 대해 정의된 진폭 임계값 이상으로 있는 갯수 또는 통계적 주파수에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    캡쳐된 진폭 값을 입자 성분의 크기를 나타내는 값에 캡쳐된 진폭값의 할당은 초음파 시간 신호의 진폭값의 각각의 수치 합에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    절대 크기 값을 얻기 위해, 교정 값 또는 교정 함수는, 공지된 초음파 반사기 상에서 초음파의 반사에 의해 얻어지는 초음파 시간 신호, 진폭 및/또는 신호의 형태를 캡쳐함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 진폭 임계값 함수는 교정 값 또는 교정 함수를 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 초음파 변환기로 초음파를 유동 매체에 커플링하고, 입자 성분 상에서 적어도 부분적으로 반사되어 반사된 초음파 일부가 정량적 결정의 기초가 되는 초음파 시간 신호의 형태로 검출되는, 유동 매체에 함유된 입자 성분의 수 및 크기를 정량적으로 결정하는 장치로서, - 초음파 변환기에 음향적으로 커플링되는 적어도 하나의 도파관의 적어도 하나의 섹션이 유동 매체에 침지되며, 도파관의 물질로 구성되는 도파관은 유동 매체에 침지된 영역에서 적어도 외부층에 의해 둘러싸여져, 외부층이 다른 도파관 물질과 유동 매체 사이에 배치되고, 상기 외부층은 다른 도파관 물질과 다른 물질 조성을 갖음-
    상기 장치는,
    외부층의 물질 조성이 도파관 물질 상에 유동 매체의 적심(wetting)을 개시하고 지원하는 적어도 하나의 용융 염(melting salt)을 함유하고,
    적어도 하나의 용융 염은 유동 매체에 녹을 수 있는 물질로 이루어진 커버 또는 매트릭스에 의해 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    도파관은 집중된 초음파를 유동 매체에 커플링시키기 위해 일측 상이 뭉툭한, 테이퍼진 또는 기하학적 형태로 된 단부를 가지며,
    도파관 단부의 적어도 일부는 외부 층에 의해 둘러싸여지며, 이 외부 층의 물질 조성은 유동 매체와 접촉할시 물질 조성이 용해되는 방식으로 유동 매체에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
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KR1020187036459A 2016-06-14 2017-04-06 이종 물질 혼합물의 성분의 농도 또는 입자 크기를 정량적으로 결정하기 위한 장치 및 방법 KR102297571B1 (ko)

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