KR102330058B1 - 농도 측정 기구 - Google Patents
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Abstract
캐비티 공진 방법을 채택하여 소형화 할 수 있고, 용액 농도를 용이하게 측정할 수 있는 농도 측정 기구가 제공된다. 상기 농도 측정 기구(100A)에는 압전 바이브레이터(11), 온도 센서(18), 위상 비교 회로(44), 주파수 검출 회로 (마이크로 컴퓨터(20)), 구동 회로 및 위상 비교 회로를 포함하는 PLL 회로, 및 농도 검출 회로(마이크로 컴퓨터(20))가 제공된다. 상기 온도 센서(18)는 캐비티 공진기(10)의 캐비티 내 용액의 온도를 측정한다. 상기 위상 비교 회로(44)는 구동 신호와 검출 신호 간의 위상 비교를 수행한다. 상기 주파수 검출 회로 (마이크로 컴퓨터 (20))는 측정될 공진 모드의 공진 주파수를 검출하기 위해 주파수를 스위핑(sweeping)하면서 위상 비교 회로(44)로부터의 위상 비교 결과를 모니터링한다. 상기 PLL 회로는 구동 신호의 주파수가 검출된 공진 주파수를 따르도록 한다. 상기 농도 검출 회로(마이크로 컴퓨터(20))는 공진 주파수 및 온도 측정 결과에 기초하여 용액 농도를 검출한다.
Description
본 발명은 용액내 용질의 농도를 측정하기 위한 농도 측정 기구와 관련된 것이다.
종래, 요소 SCR 시스템(urea SCR(Selective Catalytic Reduction) system)은 자동차의 배기가스 정화 시스템으로 알려져 있다. 상기 요소 SCR 시스템은 요소를 용질로 함유하는 수용액(aqueous solution)을 상기 배기가스에 분무함으로써 디젤 엔진의 배가가스 내 질소 산화물 NOx을 감소시키기 위한 시스템이다. 상기 요소 SCR 시스템을 채택한 자동차(automobile)에는 요소 수용액을 함유한 탱크가 장착되어 있다. 상기 탱크 내의 상기 수용액 내 요소의 농도가 너무 낮으면 NOx의 제거 속도(removal rate)가 감소하는 반면, 너무 높으면 요소에서 유래된 암모니아가 직접 배출된다. 따라서, 상기 탱크 내 상기 수용액 내 요소의 상기 농도는 자동차가 운행하는 동안 지속적으로 모니터링 되고 엄격하게 관리될 필요가 있다.
종래, 상기 요소 SCR 시스템 내의 상기 수용액 내 요소의 상기 농도에 대한 측정 어프로치(measurement approach)로서 음속 측정 어프로치(sonic speed measurement approach)가 채택되었다(PTL 1 참조). 상기 음속 측정 어프로치는 초음파 속도가 수용액 내 용질(요소)의 농도에 따라 변한다는 사실을 이용하는 측정 어프로치이다. 상기 음속 측정 어프로치에서, 압전 바이브레이터(piezoelectric vibrator)와 리플렉터(reflector)는 그들 간에 상기 수용액을 두고 마주보도록 배치된다. 그리고, 상기 압전 바이브레이터는 상기 수용액에 초음파 펄스를 전송하도록 유도되고(driven) 상기 초음파 펄스가 상기 리플렉터로부터 반사될 때까지의 지연 시간이 측정된다. 상기 수용액의 온도를 사용하여 측정된 지연 시간을 보정함(correcting)으로써 요소의 상기 농도가 검출될 수 있다.
그러나, 상기 음속 측정 어프로치의 경우, 상기 지연 시간 측정의 분해능(resolution)을 확보할 필요가 있기 때문에 상기 압전 바이브레이터와 상기 리플렉터 간의 거리는 단축될 수 없고 따라서 상기 요소 SCR 시스템의 소형화가 어렵다는 점, 수용액에서 이동하는 동안 초음파의 감쇠율은 주파수에 따라 변할 수 있고 따라서 복수의 주파수가 혼합된 초음파 펄스가 송신되는 경우 초음파의 파형이 왜곡되어 상기 지연시간의 측정 오차가 증가하고 이를 방지하기 위해서는 사인파 펄스를 생성 및 전송하는 복잡한 회로가 필요하며 이는 비용증가로 이어질 수 있다는 점, 상기 송신된 초음파와 수신된 초음파를 분리하기 위한 스위칭 회로가 필요하고 따라서 반응성(responsiveness)이 저하될 수 있다는 점의 문제가 있다.
여기에서, 상기 음속 측정 어프로치의 상기 문제점을 해결하기 위해 캐비티(cavity)에 담긴(contained) 용액 내 매체(medium)에 대한 농도 측정 어프로치인 캐비티 공진 방법(cavity resonance method)에 초점이 맞춰진다(비 PLT(non-PLT) 1 및 2 참조). 상기 캐비티 공진 방법은 상기 공진 주파수가 용질의 농도에 따라 달라진다는 사실을 이용한 측정 어프로치이다. 상기 캐비티 공진 방법에서, 연속파(continuous wave)로서의 초음파는 상기 용액을 담은 캐피티로 전송된다. 이어서, 연속파로서의 상기 초음파에 의해 상기 캐비티에서 발생하는 다수의 공진 모드(multiple resonant modes)의 하나의 공진 모드(one resonant mode)가 캡처 되고(captured), 상기 하나의 공진 모드의 상기 공진 주파수가 검출된다. 상기 공진 주파수는 상기 용질의 상기 농도에 따라서 달라지기 때문에 상기 용액의 온도를 사용하여 상기 검출된 공진 주파수를 보정함으로써 상기 용질의 상기 농도는 검출될 수 있다.
상기 캐비티 공진 방법에 대한 연구는 그 원리 측면에서 발전했다. 그러나 현재까지 상기 캐비티 공진 방법은 공진점에서 미세한 변화를 성공적으로 캡처하기 위해 큰 스케일의 측정 기구(large-scale measuring instrument)를 연결함으로써 실험실 등에서 측정 실험이 수행되는 수준에 정체되어 있다. 즉, 상기 캐비티 공진 방법은 상기 용액 내 상기 용질의 상기 농도를 쉽게 측정하기 위한 측정 방법으로서 채택되지 않은 측정 어프로치이다. 다시 말해서, 상기 캐비티 공진 방법은 상기 자동차에 장착된 요소 SCR 시스템에 채택될 수 있을 만큼 작은 크기로 구현되지 않은 측정 어프로치이고 더 나아가 자동적이고 연속적인 측정 방법으로서 채택되지 않은 측정 어프로치이다.
종래, 상기 요소 SCR 시스템 내의 상기 수용액 내 요소의 상기 농도에 대한 측정 어프로치(measurement approach)로서 음속 측정 어프로치(sonic speed measurement approach)가 채택되었다(PTL 1 참조). 상기 음속 측정 어프로치는 초음파 속도가 수용액 내 용질(요소)의 농도에 따라 변한다는 사실을 이용하는 측정 어프로치이다. 상기 음속 측정 어프로치에서, 압전 바이브레이터(piezoelectric vibrator)와 리플렉터(reflector)는 그들 간에 상기 수용액을 두고 마주보도록 배치된다. 그리고, 상기 압전 바이브레이터는 상기 수용액에 초음파 펄스를 전송하도록 유도되고(driven) 상기 초음파 펄스가 상기 리플렉터로부터 반사될 때까지의 지연 시간이 측정된다. 상기 수용액의 온도를 사용하여 측정된 지연 시간을 보정함(correcting)으로써 요소의 상기 농도가 검출될 수 있다.
그러나, 상기 음속 측정 어프로치의 경우, 상기 지연 시간 측정의 분해능(resolution)을 확보할 필요가 있기 때문에 상기 압전 바이브레이터와 상기 리플렉터 간의 거리는 단축될 수 없고 따라서 상기 요소 SCR 시스템의 소형화가 어렵다는 점, 수용액에서 이동하는 동안 초음파의 감쇠율은 주파수에 따라 변할 수 있고 따라서 복수의 주파수가 혼합된 초음파 펄스가 송신되는 경우 초음파의 파형이 왜곡되어 상기 지연시간의 측정 오차가 증가하고 이를 방지하기 위해서는 사인파 펄스를 생성 및 전송하는 복잡한 회로가 필요하며 이는 비용증가로 이어질 수 있다는 점, 상기 송신된 초음파와 수신된 초음파를 분리하기 위한 스위칭 회로가 필요하고 따라서 반응성(responsiveness)이 저하될 수 있다는 점의 문제가 있다.
여기에서, 상기 음속 측정 어프로치의 상기 문제점을 해결하기 위해 캐비티(cavity)에 담긴(contained) 용액 내 매체(medium)에 대한 농도 측정 어프로치인 캐비티 공진 방법(cavity resonance method)에 초점이 맞춰진다(비 PLT(non-PLT) 1 및 2 참조). 상기 캐비티 공진 방법은 상기 공진 주파수가 용질의 농도에 따라 달라진다는 사실을 이용한 측정 어프로치이다. 상기 캐비티 공진 방법에서, 연속파(continuous wave)로서의 초음파는 상기 용액을 담은 캐피티로 전송된다. 이어서, 연속파로서의 상기 초음파에 의해 상기 캐비티에서 발생하는 다수의 공진 모드(multiple resonant modes)의 하나의 공진 모드(one resonant mode)가 캡처 되고(captured), 상기 하나의 공진 모드의 상기 공진 주파수가 검출된다. 상기 공진 주파수는 상기 용질의 상기 농도에 따라서 달라지기 때문에 상기 용액의 온도를 사용하여 상기 검출된 공진 주파수를 보정함으로써 상기 용질의 상기 농도는 검출될 수 있다.
상기 캐비티 공진 방법에 대한 연구는 그 원리 측면에서 발전했다. 그러나 현재까지 상기 캐비티 공진 방법은 공진점에서 미세한 변화를 성공적으로 캡처하기 위해 큰 스케일의 측정 기구(large-scale measuring instrument)를 연결함으로써 실험실 등에서 측정 실험이 수행되는 수준에 정체되어 있다. 즉, 상기 캐비티 공진 방법은 상기 용액 내 상기 용질의 상기 농도를 쉽게 측정하기 위한 측정 방법으로서 채택되지 않은 측정 어프로치이다. 다시 말해서, 상기 캐비티 공진 방법은 상기 자동차에 장착된 요소 SCR 시스템에 채택될 수 있을 만큼 작은 크기로 구현되지 않은 측정 어프로치이고 더 나아가 자동적이고 연속적인 측정 방법으로서 채택되지 않은 측정 어프로치이다.
이러한 상황에서, 본 발명의 목적은 소형화 가능하고, 용액의 농도를 쉽게 측정할 수 있고, 캐비티 공진 방법을 채택하는 농도 측정 기구를 제공하는 것이다.
위 목적을 달성하는 본 발명의 농도 측정 기구에는 캐비티(cavity)에 담긴 용액에 초음파(ultrasonic wave)를 전송하고 또한 반사된 상기 초음파를 검출하기 위한 압전 바이브레이터(piezoelectric vibrator), 상기 캐비티 내 상기 용액의 온도를 측정하기 위한 온도 센서, 상기 압전 바이브레이터가 상기 초음파를 전송하도록 하는 상기 구동 신호(drive signal)에 의해 상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위해 상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 구동 회로(drive circuit), 상기 압전 바이브레이터에서 반사된 상기 초음파를 검출함으로써 얻어진 검출 신호와 상기 구동 신호 간의 위상 비교(phase comparison)를 수행하기 위한 위상 비교 회로(phase comparison circuit), 상기 구동 회로가 순차적으로(sequentially) 상이한 주파수를 갖는 구동 신호를 생성하게 하고, 또한 압전 바이브레이터가 상기 구동 신호에 의해 측정될 공진 모드(resonant mode)의 공진 주파수(resonant frequency)를 검출하도록 구동되는 동안 상기 위상 비교 회로로부터의 위상 비교 결과를 모니터링하는 주파수 검출 회로(frequency detection circuit), 상기 구동 회로의 상기 주파수가 상기 주파수 검출 회로에서 검출된 상기 공진 주파수를 따르게 하는 상기 위상 비교 회로 및 상기 구동 회로를 포함하는 PLL 회로, 및 상기 PLL 회로가 작동되는 동안 상기 구동 신호의 상기 주파수 및 상기 온도 센서에 의한 온도 측정의 결과에 기초하여 상기 용액 내 용질의 농도를 검출하기 위한 농도 검출 회로(concentration detection circuit)가 제공된다.
본 발명의 상기 농도 측정 기구에 따르면, 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수가 상기 주파수 검출 회로에서 검출되는 회로 구성이 채택되고, 그후에 상기 구동 신호는 PLL회로에서 상기 검출된 공진 주파수를 따르도록 만들어진다. 이에 의해, 소형화 될 수 있고 상기 용액내 상기 용질의 상기 농도를 쉽게 측정할 수 있는 상기 농도 측정 기구가 구성된다.
이와 관련하여, 본 발명의 상기 농도 측정 기구에서, 상기 주파수 검출회로는 제1 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 것에 의해 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수를 검출하는 회로일 수 있다.
상기 제1 주파수 검출 회로는 측정될 용질의 농도가 알려지지 않은 경우라도 상기 제1 공진 모드의 공진 주파수가 다른 모드들의 공진 주파수와 구별하여 고유하게(uniquely) 결정되는 경우에 채택될 수 있다. 상기 제1 공진 모드는 상기 측정될 공진 모드와 다른 공진 모드일 수 있다. 상기 제1 공진 모드는 다른 모드의 공진 주파수와 구별하여 고유하게 결정된 공진 주파수를 갖는 공진 모드이어야 한다. 한편, 측정될 상기 공진 모드는 상기 용질의 농도에 따라 크게 변하는 공진 주파수를 갖는 것이 선호된다. 상기 공진 주파수가 상기 용질의 농도에 따라 크게 변한다는 사실은 상기 용질의 농도가 알려지지 않은 경우에도 하나의 공진 주파수가 검출되면 상기 검출된 공진 주파수가 속하는 공진 모드가 고유하게 결정되지 않을 수 있음을 의미한다. 따라서, 일반적으로, 상기 제1주파수 검출 회로는 바람직하게는 상기 제1 공진 모드와 측정될 공진 모드가 다른 경우에 채택된다.
대안으로, 본 발명의 상기 농도 측정 기구에서, 상기 주파수 검출 회로는 제2 공진 모드의 공진 주파수를 검출하고, 또한 상기 제3 공진 모드의 상기 공진 주파수와 상기 제2 공진 모드의 상기 공진 주파수 간의 차 주파수(difference frequency) 및 상기 제3 공진 모드의 상기 공진 주파수 및 상기 제2 공진 모드의 상기 공진 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수를 검출하기 위해 상기 제2 공진 모드와 다른 제3 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 회로일 수 있다.
상기 제2주파수 검출 회로가 제공되는 경우에, 측정될 용질의 농도가 알려지지 않은 경우, 하나의 공진 주파수에 대응하는 복수의 공진 모드가 존재할 수 있는 경우라도
상기 하나의 공진 주파수가 속한 공진모드는 검출될 수 있고, 상기 농도는 다른 주파수로부터 검출될 수 있다. 그러나, 상기 제2주파수 검출 회로는 상기 제1주파수 검출 회로와 비교하여 복잡한 처리를 필요로 한다. 즉, 상기 제2주파수 검출 회로가 채택되는 경우, 복수의 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 것 및 이러한 공진 주파수 간의 차 주파수(difference frequency)를 계산하는 것을 위한 처리가 필요하다. 제2 공진 모드 또는 제3 공진 모드는 측정될 공진 모드로서 설정될 수 있음에 유의해야한다. 그러나, 상기 제2 공진 모드 및 상기 제3 공진 모드와는 다른 공진 모드는 측정될 상기 공진모드로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 농도 측정 기구에서, 구동 회로는 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분을 상쇄(cancelling)하기 위한 커패시터를 포함하는 회로인 것이 선호된다.
상기 압전 바이브레이터는 등가회로의 관점(point of view of an equivalent circuit)에서 직렬-병렬 공진 회로로 취급될 수 있다. 나아가, 용액으로 채워진 캐비티 내 공진을 측정하기 위해, 상기 압전 바이브레이터의 병렬 공진을 야기하는 병렬 커패시턴스 성분을 정확하게 상쇄할 필요가 있다. 또한, 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진을 피하는 주파수 대역(frequency band) 내 캐비티를 채우는 용액에 따라 직렬 공진들 중 하나의 공진 모드는 측정될 공진 모드가 될 필요가 있다.
상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분을 상쇄함으로써, 상기 캐비티 공진의 공진 주파수에서의 위상이 크게 변할 수 있고, 위상 비교기(phase comparator)에 의해 매우 정확한 위상 비교가 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 구동 회로는 상기 구동 신호를 구성하는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호를 생성하는 것 및 상호 반전된 위상들을 갖는 것, 상기 커패시터를 통해 상기 제1 구동 신호에 의해 상기 제1 전극을 구동하는 것 및 상기 제2 구동 신호에 의해 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극을 구동하는 것을 위한 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터가 제공되는 회로일 수 있다.
이 경우, 구동 회로에는 제1 구동 신호 또는 제2 구동 신호의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로가 제공되는 것이 선호된다.
상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위해 상호 반전된 위상을 갖는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호를 생성하는 것을 위한 회로가 구성되는 경우, 상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄될 수 있다.
대안적으로, 상기 구동 회로는 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터, 상기 구동 신호를 감쇠시키기 위한 감쇠기(attenuator), 및 상기 감쇠기에 의해 감쇠된 후의 상기 구동 신호와 상기 제1 전극의 신호 간 차이를 계산하기 위한 계산논리부(computing logic unit)가 제공되는 회로일 수 있다.
이 경우, 상기 구동회로에는 상기 감쇠기로부터의 상기 구동 신호의 감쇠 이득(attenuation gain)을 조정하기 위한 이득 조정 회로(gain adjustment circuit)가 제공되는 것이 선호된다.
또한, 상기 차이를 계산하도록 구성된 그러한 구동 회로에 의해, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄될 수 있다.
상기 구동 회로는 발진 신호(oscillation signal)의 위상을 반전시키기 위한 위상 반전 회로(phase inversion circuit), 상기 발진 신호의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit), 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터, 상기 진폭 조정 회로에 입력되어 진폭 조정 후에 출력된 상기 발진 신호를 가지고 상기 커패시터를 통해 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제1 구동 증폭기(first drive amplifier), 및 상기 위상 반전 회로에 의해 반전된 상기 위상을 갖는 상기 발진 신호에 의해 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결된 제2 구동 증폭기(second drive amplifier)가 제공되는 제1 구동 회로인 것이 선호된다.
상기 제1 구동 회로에 따르면, 상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 정확하게 상쇄된다. 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진을 피하기 위해서, 측정될 공진 모드로서 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수의 공진 모드가 채택된다.
이와 관련하여, 상기 제1 구동 회로가 제공될 때 본 발명의 농도 측정 기구에는 상기 캐비티가 비어 있을 때 명령(instruction)에 따라 상기 압전 바이브레이터의 상기 제1 전극의 검출 신호를 모니터링하고, 상기 검출 신호가 최소화(minimize)되도록 상기 제1 조정 회로를 제어하는 제1 초기 조정 회로가 제공된다.
조정을 수행하는 사람은 측정 기구를 연결하고 수동으로 초기 조정을 수행할 수 있지만, 상기 제 1 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 제 1 초기 조정 회로가 추가로 제공된다면, 상기 초기 조정이 명령에 따라 자동적으로 수행될 수 있도록 초기 조정을 수행하기 위한 명령을 주기만 하면 된다.
대안적으로, 본 발명의 농도 측정 기구에서, 다른 선호되는 실시예는 입력된 발진 신호를 갖고, 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결되고, 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제3 구동 증폭기(a third drive amplifier), 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결되고 상기 제2 전극에서 검출된 검출 신호의 위상을 반전시키기 위한 피드백 루프(feedback loop)에 배치된(arranged) 커패시터를 가지고, 및 반전된 상기 위상을 가지는 상기 검출 신호를 출력하는 위상 반전 회로, 상기 제3 구동 증폭기로부터 출력된 구동 신호의 이득을 조정하기 위한 이득 조정 회로, 및 상기 위상 반전 회로로부터 출력되고 반전된 상기 위상을 갖는 상기 검출 신호와 상기 이득 조정 회로에서 조정된 상기 이득을 갖는 상기 구동 신호를 더하기 위한 가산 회로(adding circuit)를 구비한 제2 구동 회로이다.
또한, 이 제 2 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 압전 바이브레이터(11)의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 정확하게 상쇄될 수 있다.
이와 관련하여, 상기 제2 구동 회로가 제공될 때, 본 발명의 농도 측정 기구에는 상기 캐비티가 비어 있을 때 명령에 따라 상기 가산 회로의 출력 신호를 모니터링 하고, 및 상기 출력 신호가 최소화되도록 상기 제1 조정 회로를 제어하는 것을 위한 제2 초기 조정 회로가 제공되는 것이 선호된다.
조정을 수행하는 사람은 측정 기구를 연결하고 수동으로 초기 조정을 수행할 수 있지만, 상기 제2 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 제2 초기 조정 회로가 추가로 제공된다면, 상기 초기 조정이 명령에 따라 자동적으로 수행될 수 있도록 초기 조정을 수행하기 위한 명령을 주기만 하면 된다.
전술한 본 발명에 따르면, 캐비티 공진 방법을 채택하고, 소형화 될 수 있고, 용액 중의 용질의 농도를 용이하게 측정할 수 있는 농도 측정 기구가 달성된다.
본 발명의 상기 농도 측정 기구에 따르면, 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수가 상기 주파수 검출 회로에서 검출되는 회로 구성이 채택되고, 그후에 상기 구동 신호는 PLL회로에서 상기 검출된 공진 주파수를 따르도록 만들어진다. 이에 의해, 소형화 될 수 있고 상기 용액내 상기 용질의 상기 농도를 쉽게 측정할 수 있는 상기 농도 측정 기구가 구성된다.
이와 관련하여, 본 발명의 상기 농도 측정 기구에서, 상기 주파수 검출회로는 제1 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 것에 의해 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수를 검출하는 회로일 수 있다.
상기 제1 주파수 검출 회로는 측정될 용질의 농도가 알려지지 않은 경우라도 상기 제1 공진 모드의 공진 주파수가 다른 모드들의 공진 주파수와 구별하여 고유하게(uniquely) 결정되는 경우에 채택될 수 있다. 상기 제1 공진 모드는 상기 측정될 공진 모드와 다른 공진 모드일 수 있다. 상기 제1 공진 모드는 다른 모드의 공진 주파수와 구별하여 고유하게 결정된 공진 주파수를 갖는 공진 모드이어야 한다. 한편, 측정될 상기 공진 모드는 상기 용질의 농도에 따라 크게 변하는 공진 주파수를 갖는 것이 선호된다. 상기 공진 주파수가 상기 용질의 농도에 따라 크게 변한다는 사실은 상기 용질의 농도가 알려지지 않은 경우에도 하나의 공진 주파수가 검출되면 상기 검출된 공진 주파수가 속하는 공진 모드가 고유하게 결정되지 않을 수 있음을 의미한다. 따라서, 일반적으로, 상기 제1주파수 검출 회로는 바람직하게는 상기 제1 공진 모드와 측정될 공진 모드가 다른 경우에 채택된다.
대안으로, 본 발명의 상기 농도 측정 기구에서, 상기 주파수 검출 회로는 제2 공진 모드의 공진 주파수를 검출하고, 또한 상기 제3 공진 모드의 상기 공진 주파수와 상기 제2 공진 모드의 상기 공진 주파수 간의 차 주파수(difference frequency) 및 상기 제3 공진 모드의 상기 공진 주파수 및 상기 제2 공진 모드의 상기 공진 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 측정될 상기 공진 모드의 상기 공진 주파수를 검출하기 위해 상기 제2 공진 모드와 다른 제3 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 회로일 수 있다.
상기 제2주파수 검출 회로가 제공되는 경우에, 측정될 용질의 농도가 알려지지 않은 경우, 하나의 공진 주파수에 대응하는 복수의 공진 모드가 존재할 수 있는 경우라도
상기 하나의 공진 주파수가 속한 공진모드는 검출될 수 있고, 상기 농도는 다른 주파수로부터 검출될 수 있다. 그러나, 상기 제2주파수 검출 회로는 상기 제1주파수 검출 회로와 비교하여 복잡한 처리를 필요로 한다. 즉, 상기 제2주파수 검출 회로가 채택되는 경우, 복수의 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 것 및 이러한 공진 주파수 간의 차 주파수(difference frequency)를 계산하는 것을 위한 처리가 필요하다. 제2 공진 모드 또는 제3 공진 모드는 측정될 공진 모드로서 설정될 수 있음에 유의해야한다. 그러나, 상기 제2 공진 모드 및 상기 제3 공진 모드와는 다른 공진 모드는 측정될 상기 공진모드로 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 농도 측정 기구에서, 구동 회로는 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분을 상쇄(cancelling)하기 위한 커패시터를 포함하는 회로인 것이 선호된다.
상기 압전 바이브레이터는 등가회로의 관점(point of view of an equivalent circuit)에서 직렬-병렬 공진 회로로 취급될 수 있다. 나아가, 용액으로 채워진 캐비티 내 공진을 측정하기 위해, 상기 압전 바이브레이터의 병렬 공진을 야기하는 병렬 커패시턴스 성분을 정확하게 상쇄할 필요가 있다. 또한, 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진을 피하는 주파수 대역(frequency band) 내 캐비티를 채우는 용액에 따라 직렬 공진들 중 하나의 공진 모드는 측정될 공진 모드가 될 필요가 있다.
상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분을 상쇄함으로써, 상기 캐비티 공진의 공진 주파수에서의 위상이 크게 변할 수 있고, 위상 비교기(phase comparator)에 의해 매우 정확한 위상 비교가 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 구동 회로는 상기 구동 신호를 구성하는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호를 생성하는 것 및 상호 반전된 위상들을 갖는 것, 상기 커패시터를 통해 상기 제1 구동 신호에 의해 상기 제1 전극을 구동하는 것 및 상기 제2 구동 신호에 의해 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극을 구동하는 것을 위한 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터가 제공되는 회로일 수 있다.
이 경우, 구동 회로에는 제1 구동 신호 또는 제2 구동 신호의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로가 제공되는 것이 선호된다.
상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위해 상호 반전된 위상을 갖는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호를 생성하는 것을 위한 회로가 구성되는 경우, 상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄될 수 있다.
대안적으로, 상기 구동 회로는 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터, 상기 구동 신호를 감쇠시키기 위한 감쇠기(attenuator), 및 상기 감쇠기에 의해 감쇠된 후의 상기 구동 신호와 상기 제1 전극의 신호 간 차이를 계산하기 위한 계산논리부(computing logic unit)가 제공되는 회로일 수 있다.
이 경우, 상기 구동회로에는 상기 감쇠기로부터의 상기 구동 신호의 감쇠 이득(attenuation gain)을 조정하기 위한 이득 조정 회로(gain adjustment circuit)가 제공되는 것이 선호된다.
또한, 상기 차이를 계산하도록 구성된 그러한 구동 회로에 의해, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄될 수 있다.
상기 구동 회로는 발진 신호(oscillation signal)의 위상을 반전시키기 위한 위상 반전 회로(phase inversion circuit), 상기 발진 신호의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit), 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터, 상기 진폭 조정 회로에 입력되어 진폭 조정 후에 출력된 상기 발진 신호를 가지고 상기 커패시터를 통해 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제1 구동 증폭기(first drive amplifier), 및 상기 위상 반전 회로에 의해 반전된 상기 위상을 갖는 상기 발진 신호에 의해 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결된 제2 구동 증폭기(second drive amplifier)가 제공되는 제1 구동 회로인 것이 선호된다.
상기 제1 구동 회로에 따르면, 상기 압전 바이브레이터의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 정확하게 상쇄된다. 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진을 피하기 위해서, 측정될 공진 모드로서 상기 압전 바이브레이터 자체의 직렬 공진의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수의 공진 모드가 채택된다.
이와 관련하여, 상기 제1 구동 회로가 제공될 때 본 발명의 농도 측정 기구에는 상기 캐비티가 비어 있을 때 명령(instruction)에 따라 상기 압전 바이브레이터의 상기 제1 전극의 검출 신호를 모니터링하고, 상기 검출 신호가 최소화(minimize)되도록 상기 제1 조정 회로를 제어하는 제1 초기 조정 회로가 제공된다.
조정을 수행하는 사람은 측정 기구를 연결하고 수동으로 초기 조정을 수행할 수 있지만, 상기 제 1 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 제 1 초기 조정 회로가 추가로 제공된다면, 상기 초기 조정이 명령에 따라 자동적으로 수행될 수 있도록 초기 조정을 수행하기 위한 명령을 주기만 하면 된다.
대안적으로, 본 발명의 농도 측정 기구에서, 다른 선호되는 실시예는 입력된 발진 신호를 갖고, 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결되고, 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제3 구동 증폭기(a third drive amplifier), 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결되고 상기 제2 전극에서 검출된 검출 신호의 위상을 반전시키기 위한 피드백 루프(feedback loop)에 배치된(arranged) 커패시터를 가지고, 및 반전된 상기 위상을 가지는 상기 검출 신호를 출력하는 위상 반전 회로, 상기 제3 구동 증폭기로부터 출력된 구동 신호의 이득을 조정하기 위한 이득 조정 회로, 및 상기 위상 반전 회로로부터 출력되고 반전된 상기 위상을 갖는 상기 검출 신호와 상기 이득 조정 회로에서 조정된 상기 이득을 갖는 상기 구동 신호를 더하기 위한 가산 회로(adding circuit)를 구비한 제2 구동 회로이다.
또한, 이 제 2 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 압전 바이브레이터(11)의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 정확하게 상쇄될 수 있다.
이와 관련하여, 상기 제2 구동 회로가 제공될 때, 본 발명의 농도 측정 기구에는 상기 캐비티가 비어 있을 때 명령에 따라 상기 가산 회로의 출력 신호를 모니터링 하고, 및 상기 출력 신호가 최소화되도록 상기 제1 조정 회로를 제어하는 것을 위한 제2 초기 조정 회로가 제공되는 것이 선호된다.
조정을 수행하는 사람은 측정 기구를 연결하고 수동으로 초기 조정을 수행할 수 있지만, 상기 제2 구동 회로가 제공되는 경우, 상기 제2 초기 조정 회로가 추가로 제공된다면, 상기 초기 조정이 명령에 따라 자동적으로 수행될 수 있도록 초기 조정을 수행하기 위한 명령을 주기만 하면 된다.
전술한 본 발명에 따르면, 캐비티 공진 방법을 채택하고, 소형화 될 수 있고, 용액 중의 용질의 농도를 용이하게 측정할 수 있는 농도 측정 기구가 달성된다.
도 1은 캐비티 공진기의 예를 도시하는 개략 단면도(schematic cross-sectional view)이다.
도 2(A) 및 2(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진의 캐비티가 비어(공기) 있을 때 압전 바이브레이터의 주파수 특성을 도시한 차트들이다.
도 3(A) 및 3(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진기의 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워져 있을 때 주파수 특정을 도시한 차트들이다.
도 4(A) 및 4(B)는 도 3에 도시된 주파수 영역(D)의 확대된 차트들이다.
도 5는 상기 염화 나트륨 용액의 농도와 주파수 영역(D) 내 다수의 공진 모드들(multiple resonant modes)의 각각의 공진 주파수 간 관계를 도시하는 차트이다.
도 6은 제1예로서 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램(circuit block diagram)이다.
도 7은 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램이다.
도 8(A)부터 8(C)는 하나의 캐비티 공진점에서 임피던스 및 위상의 변화를 도시한 차트들이다.
도 9는 제2예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다.
도 10은 제3예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다.
도 11(A) 및 11(B)는 도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구 내 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램들이다.
도 2(A) 및 2(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진의 캐비티가 비어(공기) 있을 때 압전 바이브레이터의 주파수 특성을 도시한 차트들이다.
도 3(A) 및 3(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진기의 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워져 있을 때 주파수 특정을 도시한 차트들이다.
도 4(A) 및 4(B)는 도 3에 도시된 주파수 영역(D)의 확대된 차트들이다.
도 5는 상기 염화 나트륨 용액의 농도와 주파수 영역(D) 내 다수의 공진 모드들(multiple resonant modes)의 각각의 공진 주파수 간 관계를 도시하는 차트이다.
도 6은 제1예로서 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램(circuit block diagram)이다.
도 7은 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램이다.
도 8(A)부터 8(C)는 하나의 캐비티 공진점에서 임피던스 및 위상의 변화를 도시한 차트들이다.
도 9는 제2예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다.
도 10은 제3예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다.
도 11(A) 및 11(B)는 도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구 내 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램들이다.
이하, 본 발명의 실시예가 기술된다.
도 1은 캐비티 공진기의 예를 도시하는 개략 단면도(schematic cross-sectional view)이다.
캐비티 공진기(10)에는 압전 바이브레이터(11)가 제공된다. 상기 압전 바이브레이터(11)는 사이에 오는 패킹 부재(packing member)로서 수지 테이프(resin tape)(13)를 갖는 스테인리스 강판(stainless steel plate)(12)에 고정된다. 또한, 압전 바이브레이터(11)는 사이에 오는 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 수지 테이프(14)를 갖는 캐비티(15)와 마주한다. 상기 캐비티(15)는 폭이 5mm이다. 압전 바이브레이터(11)는 5mm 폭의 캐비티(15)를 가로 질러 다른 스테인리스 강판(16)과 마주한다. 또한, 압전 바이브레이터(11)는 엘라스토머(elastomer)와 같은 고무 부재(rubber member)(17)로 둘러싸여 있다.
상기 캐비티 공진기(10)가 전술한 요소 SCR 시스템에서 요소 수용액에 대한 요소 농도 센서로서 사용될 때, 상기 캐비티 공진기(10)의 5mm폭의 캐비티(15)는 요소 수용액으로 채워진다. 이 경우, 상기 스테인리스 강판(16)은 스테인리스 강판(16)을 요소 수용액을 포함하는 탱크의 벽면(wall face)으로 대체할 수 있다. 나아가, 스테인리스 강판 (16)을 제외한 상기 캐비티 공진기(10)의 엘리먼트들은 일체화되어 탱크 내의 벽면으로부터 5mm의 공극(void)을 가로지르는 위치에 고정된다.
여기서, 그러나, 실험 편의상, 요소 수용액이 아니라 염화 나트륨 용액이 사용된다.
도 2(A) 및 2(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진의 캐비티가 비어(공기) 있을 때 압전 바이브레이터의 주파수 특성을 도시한 차트들이다. 도 2(A) 및 2(B)에서, 수평 축은 주파수(Hz)를 나타내고, 수직 축은 임피던스(A)와 위상(B)을 나타낸다. 상기 임피던스는 상기 압전 바이브레이터의 양단 간 전위차(potential difference)를 상기 압전 바이브레이터 내 흐르는 전류로 나눔으로써 얻어지는 값이다. 또한, 상기 위상은 상기 압전 바이브레이터에 인가되는 전압에 대해 상기 압전 바이브레이터에 흐르는 전류의 위상이다.
도 2(A) 및 2(B)에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)가 비어 있는 경우라도, 압전 바이브레이터(11) 자체로 인한 공진이 발생한다.
도 3(A) 및 3(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진기의 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워진 경우 주파수 특성을 도시하는 차트이다. 또한, 도 3(A) 및 3(B)에서, 도 2(A) 및 2(B)의 경우와 같이, 상기 수평 축은 주파수(Hz)를 나타내고, 상기 수직 축은 임피던스(A)와 위상(B)을 나타낸다.
도 2와 비교하여 알 수 있듯이, 주파수 영역(D)에 많은 작은 공진점들이 나타난다. 이러한 공진점들은 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워져 있다는 사실에 의한 캐비티 공진들의 공진 점들이다.
도 4(A) 및 4(B)는 도 3(A) 및 3(B)에 도시된 상기 주파수 영역(D)의 확대된 차트들이다. 여기서, 그러나, 수평 축(주파수 축)에 로그 스케일이 아닌 선형 스케일이 사용된다.
도 4(A) 및 4(B)에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 영역(D)에 상기 캐비티 공진의 다수의 공진점들이 나타난다. 이러한 다수의 공진점들은 상기 선형 스케일에 실질적으로 규칙적인 간격으로 배치된다. 그러나, 상기 주파수 영역(D)보다 고주파에 더 가까운 섹션에서, 상기 공진점들은 상기 압전 바이브레이터 자체의 공진점들(도 2(A) 및 2(B)참조)과 중첩되어 복잡해지고 따라서 간격의 규칙성(intervallic regularity)이 없어진다.
도 5는 주파수 영역(D)에서 다수의 공진 모드의 각각의 공진 주파수와 염화 나트륨 용액의 농도 간의 관계를 도시하는 차트이다. 수평 축은 중량 퍼센트로 계산된 염화 나트륨 농도를 나타내고, 수직 축은 주파수 (MHz)를 나타낸다. 도 5는 염화 나트륨 수용액의 온도가 26 ℃이고 염화 나트륨 농도가 0 % (담수) 내지 24.4 % (포화 염화 나트륨 용액)인 경우의 데이터를 보여준다. 도 5의 점선들(dashed lines)은 수평 축과 평행하게 그려진 참조를 위한 선들이다.
예를 들어, 도 5에서 그래프 "a"로 표시된 낮은 공진 주파수를 갖는 공진 모드의 경우, 염화 나트륨 농도의 변동에 대한 공진 주파수의 변동은 작다. 이는 상기 농도의 측정 정확도가 낮음을 의미한다. 그러나, 상기 공진 모드가 낮은 주파수를 갖는 경우, 농도가 알려지지 않은 경우라도, 공진 주파수가 검출되었다면 공진 주파수가 속하는 공진 모드는 고유하게 결정된다.
한편, 예를 들어, 도 5의 그래프 "b"에 나타난 높은 공진 주파수를 갖는 공진 모드의 경우, 도 변동에 대한 공진 주파수의 변동이 크다. 이는 농도의 측정 정확도가 높다는 것을 의미한다. 그러나, 높은 공진 주파수의 경우, 농도가 무시될 때, 동일한 공진 주파수를 갖는 복수의 공진 모드가 존재한다. 따라서, 공진 주파수가 검출되더라도, 농도가 알려지지 않으면, 공진 모드는 고유하게 결정될 수 없다. 공진 모드를 고유하게 결정하기 위해, 예를 들어, 인접한 2 개의 공진 모드의 각각의 공진 주파수가 검출되고, 이들 2 개의 공진 주파수 간의 차이가 계산된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 용질(염화 나트륨)의 농도가 증가함에 따라 인접한 2개의 공진 모드의 공진 주파수가 더 넓어진다. 따라서 두 공진 주파수의 차이 값으로부터 용질의 농도가 밝혀진다. 용질의 농도가 밝혀지면 공진 주파수를 검출하여 공진 모드가 고유하게 결정될 수 있다.
도 6은 제1예로서 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램(circuit block diagram)이다.
상기 농도 측정 기구(100A)에는 호스트 디바이스(host device)(도시되지 않음)와 통신을 수행하기 위한 마이크로 컴퓨터(20)가 제공된다. 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 마이크로 컴퓨터로서 일반적 구성요소들이 제공된다. 여기에서, 상기 마이크로 컴퓨터(20)의 상기 농도 검출 기구(100A)로서 기능적 부분이 설명된다. 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 후술하는 방식으로 검출된 공진 주파수로부터 용질의 농도 및 용액의 온도를 알기 위한 변환 데이터 맵(conversion data map)(21)이 제공된다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 A/D 변환기들(A/D converters)(22, 23) 및 D/A 변환기(D/A converter)(24)가 제공된다. 후술하는 PLL 회로 안정화를 위한 필터(45)의 출력 및 저역 통과 필터(47)의 출력은 A/D 변환기(22)로 입력되어 상기 마이크로 컴퓨터(20)로 보내진다. 또한, 캐비티 공진기(10) 내의 용액의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(18)로부터의 온도 검출 신호는 전치 증폭기(preamplifier)(19)를 통해 A/D 변환기(23)에 입력되어 마이크로 컴퓨터(20)에 보내진다. 또한, 진폭 조정을 수행하기 위해 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit)(33)에 진폭 조정을 명령하기 위한 제어 신호(control signal)가 D/A 변환기(24)로부터 출력된다.
추가로, 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 메모리 회로(25)가 제공된다. 상기 메모리 회로(25)는 도 5의 그래프 "a", "b"로 표시된 2 개의 공진 모드의 각각의 공진 주파수를 검출하기 위한 정보를 저장한다. 구체적으로, 상기 메모리 회로(25)는 그래프 “a”로 표시되는 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지 관한 정보를 저장한다. 또한, 상기 메모리 회로(25)는 그래프 “a”로 표시된 공진 모드에서 공진 주파수가 검출될 때 그래프 “a”로 나타나는 공진 모드의 공진 주파수와 관련하여 그래프 "b"의 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지 관한 정보를 저장할 수 있다. 그래프 "a"로 표시된 공진 모드에서 공진 주파수가 검출될 때, 용질의 농도는 검출된 공진 주파수로부터 밝혀진다. 따라서, 메모리 회로 (25)는 농도에 대한 그래프 "b"의 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지에 대한 정보를 저장한다.
또한, 농도 측정 기구(100A)에는 주파수 상한 및 하한 설정 회로(frequency upper-and-lower limit setting circuit)(31), 전압 제어 발진 회로(voltage control oscillation circuit)(32), 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit)(33), 위상 반전 회로(phase inversion circuit)(34), 2개의 구동 증폭기(drive amplifiers)(35, 36) 및 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)가 제공된다.
주파수 상한 값 및 하한 값은 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된다. 후술할 위상 비교기(phase comparator)(44)로부터의 위상 비교 결과는 상기 필터(45)를 통해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에 입력된다. 그리고, 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터 상한과 하한 값들 세트 간 주파수에 대응하는 전압 값의 전압 신호가 출력된다. 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서, 동일한 주파수가 주파수의 상한 및 하한 값으로 설정될 수 있음에 유의해야한다. 이 경우, 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터, 상한 및 하한 값으로 설정된 1개의 주파수에 대응하는 전압 값이 출력된다.
또한, 상기 전압 제어 발진 회로(32)는 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터 출력된 전압 신호의 전압 값에 대응하는 주파수의 발진 신호를 출력하기위한 회로이다. 상기 전압 제어 발진 회로 (32)로부터 출력된 상기 발진 신호는 상기 진폭 조정 회로(33) 및 상기 위상 반전 회로(34) 모두에 입력된다. 상기 진폭 조정 회로(33)는 상기 마이크로 컴퓨터(20)로부터 출력된 제어 신호에 따라 입력된 발진 신호의 진폭을 조정하기위한 회로이다. 상기 진폭 조정의 의미는 후술된다. 또한, 상기 위상 반전 회로(34)는 입력된 발진 신호의 위상을 반전시키기 위한 회로이다.
커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 일단(One end)은 상기 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)에 연결된다. 그 후, 진폭 조정 회로(33)에서 조정된 진폭을 갖는 발진 신호는 구동 증폭기 (35)를 통과하여 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)를 통해 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(first electrode)(111)을 제1 구동 신호(first drive signal)로서 구동한다. 또한, 상기 위상 반전 회로(34)에서 반전된 위상을 갖는 상기 발진 신호는 구동 증폭기(36)를 통과하여 압전 바이브레이터(11)의 제2 전극(second electrode)(112)을 제2 구동 신호(second drive signal)로서 구동한다.
도 6에서, 압전 바이브레이터(11)는 도시의 편의를 위해 상기 캐비티 공진기(10)로부터 떨어진 위치에 묘사되어 있음에 유의해야 한다. 그러나, 상기 압전 바이브레이터(11)는 도 1에 관해 전술한 바와 같이, 실제로, 용액으로 채워진 캐비티(15)와 마주하도록 위치된다.
이제, 도 6의 농도 측정 기구(100A)의 설명이 중단되고, 도 6의 농도 측정 기구(100A) 내 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리가 설명된다.
도 7은 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램이다.
상기 압전 바이브레이터는 도 7에 도시된 직렬 병렬 공진 회로(E)로 표현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 규칙적인 간격으로 배치된 다수의 캐비티 공진들 각각은 코일(L), 커패시턴스(C) 및 저항(R)의 직렬 공진으로 표현된다. 상기 캐비티 공진의 하나의 공진 모드에 의한 변화를 검출하기 위해, 상기 직렬-병렬 공진 회로(E)에서 높은 정확도로 병렬 커패시턴스 성분(C0)을 상쇄할 필요가 있다.
원칙적으로, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)는 서로 반전 된 위상을 갖지만 동일한 진폭을 갖는 두 개의 신호 원 (Vin1, -Vin2)에 의해 구동 및 연결되고, 이어서 상기 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 상쇄되고, 상기 직렬 공진의 신호 성분은 꺼내질(taken out) 수 있다. 그러나, 커패시터(C1)로서 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터를 준비하는 것은 어렵고, 따라서 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)가 준비된다. 이 경우, 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 커패시턴스 차이를 상쇄(offset)하기 위해 하나의 신호 소스의 진폭을 조정함으로써 상쇄될 수 있다.
상기 설명은 도 6을 참조하여 계속된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, 도 7을 참조하여 설명된 원리에 기초하여, 도 7의 Vin1과 동등한 신호가 진폭 조정 회로 (33)에서 생성되고 도 7의 -Vin2와 동등한 신호가 또한 상기 위상 반전 회로(34)에서 생성된다. 상기 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 도 7의 커패시터와 동등하다. 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분(도 7의 병렬 커패시턴스 성분(C0))과 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터이다. 그러나, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 병렬 커패시턴스 성분과 동일한 커패시턴스가 아니기 때문에, 커패시턴스 차이로 인한 에러를 상쇄하기 위해 진폭 조정 회로(33)에 의해 진폭이 조정된다. 진폭 조정 회로(33)를 이용한 진폭 조정 방법에 대해서는 후술한다.
구동 증폭기(35)로부터 출력된 제1 구동 신호는 비교기(41)에 입력되어 이진화 된 신호로 변환되고 위상 비교기(44)에 입력된다. 또한, 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)에서의 검출 신호는 전치 증폭기(42)에서 증폭되고, 비교기(43)에 입력되어 이진화 된 신호로 변환되고 위상 비교기(44)에 입력된다.
도 8(A)부터 8(C)는 하나의 캐비티 공진점에서 임피던스 및 위상의 변화를 도시하는 차트들이다. 도 8(A)부터 8(C)에 도시된 상기 캐비티 공진점은 도 4에서 약 0.9MHz의 공진점이라는 점에 유의해야한다.
도 8(A)는 도 4(A)의 경우와 같이, 캐비티 공진점에서 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 간 전압을 그 안에 흐르는 전류로 나눔으로써 얻어지는 임피던스를 나타낸다.
도 8(B)는 후술한다.
도 8(C)는 도 4(B)의 경우와 같이 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 간 전압 파형이 기준으로 설정될 때, 상기 캐비티 공진점에서 그 안에 흐르는 전류의 파형의 위상을 나타낸다.
도 8(B)는 도 6(C)에 도시된 구동 증폭기(35)로부터 출력 된 제1 구동 신호가 기준으로 설정될 때 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극 (111)에서의 검출 신호의 위상을 나타낸다. 상기 검출 신호의 위상은 상기 공진점에서 180 °부터 0 °까지 크게 변한다.
상기 설명은 다시 도 6을 참조하여 계속된다.
위상 비교기(44)는 공진점에서 도 8(B)에 도시된 바와 같은 위상 변화를 포착하는 기능을 한다. 상기 위상 비교기(44)의 출력은 필터(45)를 통해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31) 및 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된다.
하나의 공진 모드에서도, 용액의 농도 및/또는 온도가 변함에 따라 공진 주파수가 변한다. 상기 공진 주파수가 변함에 따라, 주파수 상한 및 하한 설정 회로 (31)의 입력 및 출력 전압 값이 공진 주파수의 변동에 따라 변하고, 그로 인해 전압 제어 발진 회로 (32)에서 생성된 발진 신호의 주파수가 변한다. 이러한 방식으로, 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, PLL(Phase Locked Loop) 회로가 구성된다.
또한, 전치 증폭기(42)의 출력은 전파 정류 회로(full-wave rectification circuit)(46)에 입력되어 전파 정류되고, 저역 통과 필터(low pass filter)(47)를 통해 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에는 전술한 회로 구성이 제공된다.
다음으로, 도 6의 농도 측정 기구(100A)의 동작이 설명된다.
초기 조정이 먼저 수행된다. 상기 초기 조정은 농도 측정 기구(100A)의 수송 전 또는 농도 측정 기구(100A)의 유지보수 동안과 같이 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)(도 1 참조)가 비어(공기) 있을 때 수행된다.
상기 초기 조정은 실제 작동 중에 사용되는 것으로 의도되는 주파수 주변의 주파수를 사용하여 수행된다. 그리고, 진폭 조정 회로(33)에 의한 발진 신호의 진폭 조정은 저역 통과 필터(47)로부터 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된 신호가 한없이 영에 근접하도록 수행된다.
상기 진폭 조정에 의해, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 커패시턴스가 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분과 약간 다른 경우라도, 압전 바이브레이터(11)의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄된다.
상기 초기 조정이 완료되면, 상기 초기 조정 후의 동작에서 진폭 조정 회로(33)에 의한 진폭 조정은 초기 조정시의 진폭 조정과 동일한 조건으로 유지된다.
캐비티 공진기 (10)의 캐비티 (15)가 용액으로 채워진 후 실제 작동에서, 도 6의 농도 측정 기구(100A)에 전원이 공급될 때, 우선, 도 5에 도시된 그래프 “a”의 공진 모드의 공진 주파수를 찾기 위한 주파수가 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에 의해 설정된다. 이와 관련해서, 동일한 하나의 주파수는 주파수의 상한 및 하한 값으로 설정된다. 그리고, 그때의 위상 비교기(44)로부터의 출력 신호는 필터(45)를 통해 마이크로 컴퓨터(20)에 의해 모니터링된다. 이 동작은 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된 주파수가 메모리 회로(25)에 저장된 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 주파수 주변의 주파수 대역 내에서 점진적으로 변화되는 동안 반복된다. 그 결과, 그래프 "a"의 공진 모드에서 현재 공진 주파수가 검출된다. 그리고, 상기 검출된 공진 주파수로부터, 용액의 농도가 밝혀진다. 그러나, 전술한 바와 같이, 그래프 "a"에서, 농도 변동에 대한 주파수의 변동 폭은 작으므로, 정확한 농도는 여전히 알 수 없다.
이와 관련하여, 잠정적 농도가 밝혀 지기 때문에, 다음으로, 잠정 농도에서의 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 포함하는 주파수 상한 및 하한 값이 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된다. 그리고, 주파수 상한 및 하한 설정 회로 (31)는 결국 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 캡처하기 위해 PLL 회로로서 동작한다. 상기 PLL 회로는 농도 또는 온도의 변화에 따라 변하는 공진 주파수에 따라 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 계속 캡처한다. 마이크로 컴퓨터(20)는 그래프 b의 공진 모드의 현재 공진 주파수를 검출하기 위해 필터(45)로부터의 출력을 지속적으로 모니터링 한다. 마이크로 컴퓨터(20)에서, 용액의 농도는 변환 데이터 맵(21)을 참조함으로써 검출된 공진 주파수 및 용액의 온도로부터 밝혀지고, 호스트 디바이스로 전송된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, 용액의 농도는 따라서 지속적으로 모니터링 된다.
이상에서, PLL 회로가 도 5에 도시된 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 전에, 우선 그래프 "a"로 표시된 공진 모드의 공진 주파수 검출의 예가 설명되었다. 그래프 "a"로 표시된 공진 모드의 공진 주파수는 접한 공진 모드의 공진 주파수와 겹치지 않는다. 따라서, 일단 공진 주파수가 검출되면, 검출된 공진 주파수는 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 모드의 공진 주파수임을 알 수 있다. 한편, 도 5의 그래프 b로 표시된 공진 모드는 농도가 무시될 때 인접한 공진 모드와 동일한 공진 주파수를 가질 수 있는 공진 모드이다. 또한, 인접한 공진 모드와 동일한 공진 주파수를 가질 수 있는 공진 모드를 사용함으로써 농도가 밝혀질 수 있다.
이 경우, 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 주파수의 상기 검출과 동일한 기술을 사용함으로써, 예를 들어, 그래프 b의 공진모드를 목표로 하는 공진 모드의 공진 주파수(농도에 따라, 그래프 b의 공진 모드와 인접한 공진 모드일 수 있는)가 검출된다. 그리고, 더 나아가, 그 공진 모드에 인접한 공진 모드의 공진 주파수가 검출된다. 그리고 이 두 공진 주파수의 차이가 계산된다. 전술한 바와 같이, 이 차이의 값은 농도가 증가함에 따라 커져서, 농도는 이 차이의 값으로부터 밝혀진다. 농도가 밝혀지면, 검출된 2개의 공진 주파수 각각이 속하는 공진 모드가 또한 밝혀진다. 이러한 방식으로, 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 위해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정될 주파수 상한 및 하한 값이 밝혀진다. 그 후, 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)는 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 위해 전술한 바와 동일한 방식으로 PLL 회로로서 동작하고, 용액의 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있다.
도 9는 제2 예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다. 도 9에 도시된 제2 예의 농도 측정 기구(100B)를 설명하기 위해, 도 6에 도시된 제1 예로서의 농도 측정 기구(100A)와의 차이점이 설명된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)의 경우, 구동 증폭기(35)로부터 출력된 제1 구동 신호가 비교기(41)에 입력된다. 반대로, 도 9에 도시된 농도 측정 기구(100B)의 경우, 구동 증폭기(36)로부터 출력된 제2 구동 신호가 비교기(41)에 입력된다. 2개의 구동 증폭기(35, 36)로부터 출력된 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호는 서로 반전된 위상을 갖는 구동 신호이다. 도 9의 농도 측정 기구(100B)는 도 6의 농도 측정 기구(100A)와 비교하여 위상 비교기(44)에 입력된 2개의 이진화 된 신호 사이의 반전된 위상 관계를 갖는다. 그러나, 도 9의 농도 측정 기구(100B)는 또한 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)와 정확히 동일한 방식으로 작동한다.
도 10은 제3예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다. 제3 예의 농도 측정 기구(100C)를 설명하기 위해, 도 9에 도시된 제2 예의 경우와 같이, 도 6에 도시된 제1 예와 같은 농도 측정 기구(100A)와의 차이가 설명된다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)의 경우, 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극 (111)은 연산 증폭기(operational amplifier)(51)의 마이너스 입력 단자에 연결된다. 더욱이, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 그 연산 증폭기(51)의 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결된다. 높은 저항을 가지는 저항(52)은 또한 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결된다. 연산 증폭기(51)의 플러스 입력 단자는 접지 되어있다.
또한, 전압 제어 발진 회로(32)로부터 출력된 발진 신호는 구동 증폭기(35)에 직접 입력되고, 그 구동 증폭기 (35)로부터 구동 신호로서 출력된다. 상기 구동 신호는 압전 바이브레이터(11)의 제2 전극 (112)에 입력되고, 상기 구동 신호에 의해 압전 바이브레이터(11)가 구동된다. 또한, 구동 증폭기 (35)로부터 출력된 구동 신호도 비교기(41)에 입력된다.
연산 증폭기(51)의 출력 단자는 저항(53)을 통해 다른 연산 증폭기(55)의 마이너스 입력 단자에 연결된다. 또한, 상기 마이너스 입력 단자에는 감쇠기(54)도 연결된다. 상기 감쇠기(54)에서, 구동 증폭기(35)로부터 출력된 구동 신호의 이득은 대략 반으로 감쇠된다. 상기 감쇠의 이득은 마이크로 컴퓨터(20)에 의해 제어된다. 상기 연산 증폭기(55)의 플러스 입력 단자는 접지되어 있다. 또한, 상기 연산 증폭기(55)의 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에는 저항(56)이 연결되어 있다.
압전 바이브레이터(11)와 연결된 연산 증폭기(51)의 마이너스 입력 단자는 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)와 연결된 압전 바이브레이터(11)의 제1 단자(111)에 연결된다. 따라서, 다른 연산 증폭기 (55)에서, 압전 바이브레이터(11)에서 검출된 병렬 커패시턴스 성분 상쇄 전의 신호의 반전된 신호 및 감쇠기(54)에서 대략 절반으로 감쇠된 구동 신호는 더해지고 더 반전된다. 즉, 압전 바이브레이터(11)에서 검출된 병렬 커패시턴스 성분 상쇄 전의 신호로부터 구동 신호의 대략 절반을 감산하여 얻어진 검출 신호는 연산 증폭기(55)로부터 출력된다. 연산 증폭기(55)로부터 출력된 상기 검출 신호는 전치 증폭기(42)를 통해 비교기(43)에 입력된다.
도 11(A) 및 11(B)는 도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구 내 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램들이다.
도 7의 경우와 같이, 도 11에서도, 압전 바이브레이터(11)는 직렬 병렬 공진 회로(E)로 표현된다. 도 4에 도시된 규칙적인 간격으로 배치된 다수의 캐비티 공진들 각각은 코일 (L), 커패시턴스 (C) 및 저항 (R)의 직렬 공진으로 표현된다. 상기 캐비티 공진의 하나의 공진 모드에 의한 변화를 검출하기 위해, 상기 직렬-병렬 공진 회로에서 높은 정확도로 병렬 커패시턴스 성분(C0)을 상쇄할 필요가 있다.
이와 관련하여, 도 11(A)에 도시된 바와 같이, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 브리지 회로(bridge circuit)에 의해 상쇄되도록 의도된다. 도 11(A)에 도시된 브리지 회로에서, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0) 및 세 커패시터(C1, C2 C3)의 각각의 커패시턴스(C1, C2 C3)가 C0 = C1 = C2 = C3를 만족한다면, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 점 (a)의 신호로부터 점 (b)의 신호를 감산함으로써 상쇄되므로, 직렬 공진 만이 관찰될 수 있다.
이와 관련하여, C2 = C3이므로, 점(b)에서의 신호는 지속적으로 구동 소스(drive source)의 신호(V)의 절반이다.
따라서, 커패시터(C2, C3)를 제거하고, 도 11(B)에 도시된 바와 같이, 구동 소스의 신호(Vin)를 감쇠 시키고 점(a)에서 신호로부터 이를 감산하는 것만이 필요하다.
그러나, 커패시터(C1)로서 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터를 준비하는 것은 어렵고, 따라서 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)가 준비된다. 이 경우, 커패시턴스 차이를 상쇄하기 위해 구동 소스의 신호(Vin)의 감쇠율을 1/2로부터 약간 조정함으로써 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 상쇄될 수 있다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)에서, 상기 원리는 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분을 높은 정확도로 상쇄하는데 사용된다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)에서, 우선, 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)가 비어(공기) 있을 때 초기 조정이 수행된다. 상기 초기 조정은 농도 측정 기구(100A)의 수송 전 또는 농도 측정 기구(100A)의 유지보수 동안과 같이 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)(도 1 참조)가 비어(공기) 있을 때 수행된다.
상기 초기 조정은 실제 작동 시 사용되는 것으로 의도되는 주파수 주변의 주파수를 사용하여 수행된다. 그리고, 저역 통과 필터(47)로부터 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된 신호가 영에 근접하도록 감쇠기(54)에 의한 구동 신호의 감쇠 이득 조정이 수행된다. 상기 이득 조정에 의해, 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분은 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 커패시턴스가 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분과 약간 다른 경우라도 높은 정확도로 상쇄된다. 일단 상기 초기 조정이 완료되면, 초기 조정 후의 동작에서 감쇠기(54)에 의한 구동 신호의 감쇠 이득 조정은 상기 초기 조정 시점에서의 감쇠 이득 조정과 동일한 조건으로 유지된다.
도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구(100C)의 초기 조정 후 동작은 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)의 동작과 동일하고, 따라서 중복된 설명은 여기서 생략된다. 이러한 방식으로, 전술한 각각의 농도 측정 기구(100A, 100B, 100C)에 따라, 용액의 농도는 이러한 작은 회로에 의해 높은 정확도로 그리고 연속적으로 모니터링된다.
도 1은 캐비티 공진기의 예를 도시하는 개략 단면도(schematic cross-sectional view)이다.
캐비티 공진기(10)에는 압전 바이브레이터(11)가 제공된다. 상기 압전 바이브레이터(11)는 사이에 오는 패킹 부재(packing member)로서 수지 테이프(resin tape)(13)를 갖는 스테인리스 강판(stainless steel plate)(12)에 고정된다. 또한, 압전 바이브레이터(11)는 사이에 오는 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 수지 테이프(14)를 갖는 캐비티(15)와 마주한다. 상기 캐비티(15)는 폭이 5mm이다. 압전 바이브레이터(11)는 5mm 폭의 캐비티(15)를 가로 질러 다른 스테인리스 강판(16)과 마주한다. 또한, 압전 바이브레이터(11)는 엘라스토머(elastomer)와 같은 고무 부재(rubber member)(17)로 둘러싸여 있다.
상기 캐비티 공진기(10)가 전술한 요소 SCR 시스템에서 요소 수용액에 대한 요소 농도 센서로서 사용될 때, 상기 캐비티 공진기(10)의 5mm폭의 캐비티(15)는 요소 수용액으로 채워진다. 이 경우, 상기 스테인리스 강판(16)은 스테인리스 강판(16)을 요소 수용액을 포함하는 탱크의 벽면(wall face)으로 대체할 수 있다. 나아가, 스테인리스 강판 (16)을 제외한 상기 캐비티 공진기(10)의 엘리먼트들은 일체화되어 탱크 내의 벽면으로부터 5mm의 공극(void)을 가로지르는 위치에 고정된다.
여기서, 그러나, 실험 편의상, 요소 수용액이 아니라 염화 나트륨 용액이 사용된다.
도 2(A) 및 2(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진의 캐비티가 비어(공기) 있을 때 압전 바이브레이터의 주파수 특성을 도시한 차트들이다. 도 2(A) 및 2(B)에서, 수평 축은 주파수(Hz)를 나타내고, 수직 축은 임피던스(A)와 위상(B)을 나타낸다. 상기 임피던스는 상기 압전 바이브레이터의 양단 간 전위차(potential difference)를 상기 압전 바이브레이터 내 흐르는 전류로 나눔으로써 얻어지는 값이다. 또한, 상기 위상은 상기 압전 바이브레이터에 인가되는 전압에 대해 상기 압전 바이브레이터에 흐르는 전류의 위상이다.
도 2(A) 및 2(B)에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)가 비어 있는 경우라도, 압전 바이브레이터(11) 자체로 인한 공진이 발생한다.
도 3(A) 및 3(B)는 도 1에 도시된 상기 캐비티 공진기의 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워진 경우 주파수 특성을 도시하는 차트이다. 또한, 도 3(A) 및 3(B)에서, 도 2(A) 및 2(B)의 경우와 같이, 상기 수평 축은 주파수(Hz)를 나타내고, 상기 수직 축은 임피던스(A)와 위상(B)을 나타낸다.
도 2와 비교하여 알 수 있듯이, 주파수 영역(D)에 많은 작은 공진점들이 나타난다. 이러한 공진점들은 상기 캐비티가 염화 나트륨 용액으로 채워져 있다는 사실에 의한 캐비티 공진들의 공진 점들이다.
도 4(A) 및 4(B)는 도 3(A) 및 3(B)에 도시된 상기 주파수 영역(D)의 확대된 차트들이다. 여기서, 그러나, 수평 축(주파수 축)에 로그 스케일이 아닌 선형 스케일이 사용된다.
도 4(A) 및 4(B)에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 영역(D)에 상기 캐비티 공진의 다수의 공진점들이 나타난다. 이러한 다수의 공진점들은 상기 선형 스케일에 실질적으로 규칙적인 간격으로 배치된다. 그러나, 상기 주파수 영역(D)보다 고주파에 더 가까운 섹션에서, 상기 공진점들은 상기 압전 바이브레이터 자체의 공진점들(도 2(A) 및 2(B)참조)과 중첩되어 복잡해지고 따라서 간격의 규칙성(intervallic regularity)이 없어진다.
도 5는 주파수 영역(D)에서 다수의 공진 모드의 각각의 공진 주파수와 염화 나트륨 용액의 농도 간의 관계를 도시하는 차트이다. 수평 축은 중량 퍼센트로 계산된 염화 나트륨 농도를 나타내고, 수직 축은 주파수 (MHz)를 나타낸다. 도 5는 염화 나트륨 수용액의 온도가 26 ℃이고 염화 나트륨 농도가 0 % (담수) 내지 24.4 % (포화 염화 나트륨 용액)인 경우의 데이터를 보여준다. 도 5의 점선들(dashed lines)은 수평 축과 평행하게 그려진 참조를 위한 선들이다.
예를 들어, 도 5에서 그래프 "a"로 표시된 낮은 공진 주파수를 갖는 공진 모드의 경우, 염화 나트륨 농도의 변동에 대한 공진 주파수의 변동은 작다. 이는 상기 농도의 측정 정확도가 낮음을 의미한다. 그러나, 상기 공진 모드가 낮은 주파수를 갖는 경우, 농도가 알려지지 않은 경우라도, 공진 주파수가 검출되었다면 공진 주파수가 속하는 공진 모드는 고유하게 결정된다.
한편, 예를 들어, 도 5의 그래프 "b"에 나타난 높은 공진 주파수를 갖는 공진 모드의 경우, 도 변동에 대한 공진 주파수의 변동이 크다. 이는 농도의 측정 정확도가 높다는 것을 의미한다. 그러나, 높은 공진 주파수의 경우, 농도가 무시될 때, 동일한 공진 주파수를 갖는 복수의 공진 모드가 존재한다. 따라서, 공진 주파수가 검출되더라도, 농도가 알려지지 않으면, 공진 모드는 고유하게 결정될 수 없다. 공진 모드를 고유하게 결정하기 위해, 예를 들어, 인접한 2 개의 공진 모드의 각각의 공진 주파수가 검출되고, 이들 2 개의 공진 주파수 간의 차이가 계산된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 용질(염화 나트륨)의 농도가 증가함에 따라 인접한 2개의 공진 모드의 공진 주파수가 더 넓어진다. 따라서 두 공진 주파수의 차이 값으로부터 용질의 농도가 밝혀진다. 용질의 농도가 밝혀지면 공진 주파수를 검출하여 공진 모드가 고유하게 결정될 수 있다.
도 6은 제1예로서 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램(circuit block diagram)이다.
상기 농도 측정 기구(100A)에는 호스트 디바이스(host device)(도시되지 않음)와 통신을 수행하기 위한 마이크로 컴퓨터(20)가 제공된다. 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 마이크로 컴퓨터로서 일반적 구성요소들이 제공된다. 여기에서, 상기 마이크로 컴퓨터(20)의 상기 농도 검출 기구(100A)로서 기능적 부분이 설명된다. 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 후술하는 방식으로 검출된 공진 주파수로부터 용질의 농도 및 용액의 온도를 알기 위한 변환 데이터 맵(conversion data map)(21)이 제공된다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 A/D 변환기들(A/D converters)(22, 23) 및 D/A 변환기(D/A converter)(24)가 제공된다. 후술하는 PLL 회로 안정화를 위한 필터(45)의 출력 및 저역 통과 필터(47)의 출력은 A/D 변환기(22)로 입력되어 상기 마이크로 컴퓨터(20)로 보내진다. 또한, 캐비티 공진기(10) 내의 용액의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(18)로부터의 온도 검출 신호는 전치 증폭기(preamplifier)(19)를 통해 A/D 변환기(23)에 입력되어 마이크로 컴퓨터(20)에 보내진다. 또한, 진폭 조정을 수행하기 위해 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit)(33)에 진폭 조정을 명령하기 위한 제어 신호(control signal)가 D/A 변환기(24)로부터 출력된다.
추가로, 상기 마이크로 컴퓨터(20)에는 메모리 회로(25)가 제공된다. 상기 메모리 회로(25)는 도 5의 그래프 "a", "b"로 표시된 2 개의 공진 모드의 각각의 공진 주파수를 검출하기 위한 정보를 저장한다. 구체적으로, 상기 메모리 회로(25)는 그래프 “a”로 표시되는 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지 관한 정보를 저장한다. 또한, 상기 메모리 회로(25)는 그래프 “a”로 표시된 공진 모드에서 공진 주파수가 검출될 때 그래프 “a”로 나타나는 공진 모드의 공진 주파수와 관련하여 그래프 "b"의 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지 관한 정보를 저장할 수 있다. 그래프 "a"로 표시된 공진 모드에서 공진 주파수가 검출될 때, 용질의 농도는 검출된 공진 주파수로부터 밝혀진다. 따라서, 메모리 회로 (25)는 농도에 대한 그래프 "b"의 공진 모드의 공진 주파수가 어느 주파수 범위에 있는지에 대한 정보를 저장한다.
또한, 농도 측정 기구(100A)에는 주파수 상한 및 하한 설정 회로(frequency upper-and-lower limit setting circuit)(31), 전압 제어 발진 회로(voltage control oscillation circuit)(32), 진폭 조정 회로(amplitude adjustment circuit)(33), 위상 반전 회로(phase inversion circuit)(34), 2개의 구동 증폭기(drive amplifiers)(35, 36) 및 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)가 제공된다.
주파수 상한 값 및 하한 값은 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된다. 후술할 위상 비교기(phase comparator)(44)로부터의 위상 비교 결과는 상기 필터(45)를 통해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에 입력된다. 그리고, 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터 상한과 하한 값들 세트 간 주파수에 대응하는 전압 값의 전압 신호가 출력된다. 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서, 동일한 주파수가 주파수의 상한 및 하한 값으로 설정될 수 있음에 유의해야한다. 이 경우, 상기 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터, 상한 및 하한 값으로 설정된 1개의 주파수에 대응하는 전압 값이 출력된다.
또한, 상기 전압 제어 발진 회로(32)는 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)로부터 출력된 전압 신호의 전압 값에 대응하는 주파수의 발진 신호를 출력하기위한 회로이다. 상기 전압 제어 발진 회로 (32)로부터 출력된 상기 발진 신호는 상기 진폭 조정 회로(33) 및 상기 위상 반전 회로(34) 모두에 입력된다. 상기 진폭 조정 회로(33)는 상기 마이크로 컴퓨터(20)로부터 출력된 제어 신호에 따라 입력된 발진 신호의 진폭을 조정하기위한 회로이다. 상기 진폭 조정의 의미는 후술된다. 또한, 상기 위상 반전 회로(34)는 입력된 발진 신호의 위상을 반전시키기 위한 회로이다.
커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 일단(One end)은 상기 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)에 연결된다. 그 후, 진폭 조정 회로(33)에서 조정된 진폭을 갖는 발진 신호는 구동 증폭기 (35)를 통과하여 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)를 통해 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(first electrode)(111)을 제1 구동 신호(first drive signal)로서 구동한다. 또한, 상기 위상 반전 회로(34)에서 반전된 위상을 갖는 상기 발진 신호는 구동 증폭기(36)를 통과하여 압전 바이브레이터(11)의 제2 전극(second electrode)(112)을 제2 구동 신호(second drive signal)로서 구동한다.
도 6에서, 압전 바이브레이터(11)는 도시의 편의를 위해 상기 캐비티 공진기(10)로부터 떨어진 위치에 묘사되어 있음에 유의해야 한다. 그러나, 상기 압전 바이브레이터(11)는 도 1에 관해 전술한 바와 같이, 실제로, 용액으로 채워진 캐비티(15)와 마주하도록 위치된다.
이제, 도 6의 농도 측정 기구(100A)의 설명이 중단되고, 도 6의 농도 측정 기구(100A) 내 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리가 설명된다.
도 7은 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램이다.
상기 압전 바이브레이터는 도 7에 도시된 직렬 병렬 공진 회로(E)로 표현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 규칙적인 간격으로 배치된 다수의 캐비티 공진들 각각은 코일(L), 커패시턴스(C) 및 저항(R)의 직렬 공진으로 표현된다. 상기 캐비티 공진의 하나의 공진 모드에 의한 변화를 검출하기 위해, 상기 직렬-병렬 공진 회로(E)에서 높은 정확도로 병렬 커패시턴스 성분(C0)을 상쇄할 필요가 있다.
원칙적으로, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)는 서로 반전 된 위상을 갖지만 동일한 진폭을 갖는 두 개의 신호 원 (Vin1, -Vin2)에 의해 구동 및 연결되고, 이어서 상기 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 상쇄되고, 상기 직렬 공진의 신호 성분은 꺼내질(taken out) 수 있다. 그러나, 커패시터(C1)로서 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터를 준비하는 것은 어렵고, 따라서 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)가 준비된다. 이 경우, 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 커패시턴스 차이를 상쇄(offset)하기 위해 하나의 신호 소스의 진폭을 조정함으로써 상쇄될 수 있다.
상기 설명은 도 6을 참조하여 계속된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, 도 7을 참조하여 설명된 원리에 기초하여, 도 7의 Vin1과 동등한 신호가 진폭 조정 회로 (33)에서 생성되고 도 7의 -Vin2와 동등한 신호가 또한 상기 위상 반전 회로(34)에서 생성된다. 상기 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 도 7의 커패시터와 동등하다. 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분(도 7의 병렬 커패시턴스 성분(C0))과 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터이다. 그러나, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 병렬 커패시턴스 성분과 동일한 커패시턴스가 아니기 때문에, 커패시턴스 차이로 인한 에러를 상쇄하기 위해 진폭 조정 회로(33)에 의해 진폭이 조정된다. 진폭 조정 회로(33)를 이용한 진폭 조정 방법에 대해서는 후술한다.
구동 증폭기(35)로부터 출력된 제1 구동 신호는 비교기(41)에 입력되어 이진화 된 신호로 변환되고 위상 비교기(44)에 입력된다. 또한, 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)에서의 검출 신호는 전치 증폭기(42)에서 증폭되고, 비교기(43)에 입력되어 이진화 된 신호로 변환되고 위상 비교기(44)에 입력된다.
도 8(A)부터 8(C)는 하나의 캐비티 공진점에서 임피던스 및 위상의 변화를 도시하는 차트들이다. 도 8(A)부터 8(C)에 도시된 상기 캐비티 공진점은 도 4에서 약 0.9MHz의 공진점이라는 점에 유의해야한다.
도 8(A)는 도 4(A)의 경우와 같이, 캐비티 공진점에서 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 간 전압을 그 안에 흐르는 전류로 나눔으로써 얻어지는 임피던스를 나타낸다.
도 8(B)는 후술한다.
도 8(C)는 도 4(B)의 경우와 같이 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극(111)과 제2 전극(112) 간 전압 파형이 기준으로 설정될 때, 상기 캐비티 공진점에서 그 안에 흐르는 전류의 파형의 위상을 나타낸다.
도 8(B)는 도 6(C)에 도시된 구동 증폭기(35)로부터 출력 된 제1 구동 신호가 기준으로 설정될 때 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극 (111)에서의 검출 신호의 위상을 나타낸다. 상기 검출 신호의 위상은 상기 공진점에서 180 °부터 0 °까지 크게 변한다.
상기 설명은 다시 도 6을 참조하여 계속된다.
위상 비교기(44)는 공진점에서 도 8(B)에 도시된 바와 같은 위상 변화를 포착하는 기능을 한다. 상기 위상 비교기(44)의 출력은 필터(45)를 통해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31) 및 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된다.
하나의 공진 모드에서도, 용액의 농도 및/또는 온도가 변함에 따라 공진 주파수가 변한다. 상기 공진 주파수가 변함에 따라, 주파수 상한 및 하한 설정 회로 (31)의 입력 및 출력 전압 값이 공진 주파수의 변동에 따라 변하고, 그로 인해 전압 제어 발진 회로 (32)에서 생성된 발진 신호의 주파수가 변한다. 이러한 방식으로, 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, PLL(Phase Locked Loop) 회로가 구성된다.
또한, 전치 증폭기(42)의 출력은 전파 정류 회로(full-wave rectification circuit)(46)에 입력되어 전파 정류되고, 저역 통과 필터(low pass filter)(47)를 통해 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에는 전술한 회로 구성이 제공된다.
다음으로, 도 6의 농도 측정 기구(100A)의 동작이 설명된다.
초기 조정이 먼저 수행된다. 상기 초기 조정은 농도 측정 기구(100A)의 수송 전 또는 농도 측정 기구(100A)의 유지보수 동안과 같이 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)(도 1 참조)가 비어(공기) 있을 때 수행된다.
상기 초기 조정은 실제 작동 중에 사용되는 것으로 의도되는 주파수 주변의 주파수를 사용하여 수행된다. 그리고, 진폭 조정 회로(33)에 의한 발진 신호의 진폭 조정은 저역 통과 필터(47)로부터 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된 신호가 한없이 영에 근접하도록 수행된다.
상기 진폭 조정에 의해, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 커패시턴스가 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분과 약간 다른 경우라도, 압전 바이브레이터(11)의 상기 병렬 커패시턴스 성분은 높은 정확도로 상쇄된다.
상기 초기 조정이 완료되면, 상기 초기 조정 후의 동작에서 진폭 조정 회로(33)에 의한 진폭 조정은 초기 조정시의 진폭 조정과 동일한 조건으로 유지된다.
캐비티 공진기 (10)의 캐비티 (15)가 용액으로 채워진 후 실제 작동에서, 도 6의 농도 측정 기구(100A)에 전원이 공급될 때, 우선, 도 5에 도시된 그래프 “a”의 공진 모드의 공진 주파수를 찾기 위한 주파수가 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에 의해 설정된다. 이와 관련해서, 동일한 하나의 주파수는 주파수의 상한 및 하한 값으로 설정된다. 그리고, 그때의 위상 비교기(44)로부터의 출력 신호는 필터(45)를 통해 마이크로 컴퓨터(20)에 의해 모니터링된다. 이 동작은 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된 주파수가 메모리 회로(25)에 저장된 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 주파수 주변의 주파수 대역 내에서 점진적으로 변화되는 동안 반복된다. 그 결과, 그래프 "a"의 공진 모드에서 현재 공진 주파수가 검출된다. 그리고, 상기 검출된 공진 주파수로부터, 용액의 농도가 밝혀진다. 그러나, 전술한 바와 같이, 그래프 "a"에서, 농도 변동에 대한 주파수의 변동 폭은 작으므로, 정확한 농도는 여전히 알 수 없다.
이와 관련하여, 잠정적 농도가 밝혀 지기 때문에, 다음으로, 잠정 농도에서의 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 포함하는 주파수 상한 및 하한 값이 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정된다. 그리고, 주파수 상한 및 하한 설정 회로 (31)는 결국 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 캡처하기 위해 PLL 회로로서 동작한다. 상기 PLL 회로는 농도 또는 온도의 변화에 따라 변하는 공진 주파수에 따라 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 계속 캡처한다. 마이크로 컴퓨터(20)는 그래프 b의 공진 모드의 현재 공진 주파수를 검출하기 위해 필터(45)로부터의 출력을 지속적으로 모니터링 한다. 마이크로 컴퓨터(20)에서, 용액의 농도는 변환 데이터 맵(21)을 참조함으로써 검출된 공진 주파수 및 용액의 온도로부터 밝혀지고, 호스트 디바이스로 전송된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)에서, 용액의 농도는 따라서 지속적으로 모니터링 된다.
이상에서, PLL 회로가 도 5에 도시된 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 전에, 우선 그래프 "a"로 표시된 공진 모드의 공진 주파수 검출의 예가 설명되었다. 그래프 "a"로 표시된 공진 모드의 공진 주파수는 접한 공진 모드의 공진 주파수와 겹치지 않는다. 따라서, 일단 공진 주파수가 검출되면, 검출된 공진 주파수는 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 모드의 공진 주파수임을 알 수 있다. 한편, 도 5의 그래프 b로 표시된 공진 모드는 농도가 무시될 때 인접한 공진 모드와 동일한 공진 주파수를 가질 수 있는 공진 모드이다. 또한, 인접한 공진 모드와 동일한 공진 주파수를 가질 수 있는 공진 모드를 사용함으로써 농도가 밝혀질 수 있다.
이 경우, 그래프 "a"의 공진 모드의 공진 주파수의 상기 검출과 동일한 기술을 사용함으로써, 예를 들어, 그래프 b의 공진모드를 목표로 하는 공진 모드의 공진 주파수(농도에 따라, 그래프 b의 공진 모드와 인접한 공진 모드일 수 있는)가 검출된다. 그리고, 더 나아가, 그 공진 모드에 인접한 공진 모드의 공진 주파수가 검출된다. 그리고 이 두 공진 주파수의 차이가 계산된다. 전술한 바와 같이, 이 차이의 값은 농도가 증가함에 따라 커져서, 농도는 이 차이의 값으로부터 밝혀진다. 농도가 밝혀지면, 검출된 2개의 공진 주파수 각각이 속하는 공진 모드가 또한 밝혀진다. 이러한 방식으로, 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 위해 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)에서 설정될 주파수 상한 및 하한 값이 밝혀진다. 그 후, 주파수 상한 및 하한 설정 회로(31)는 그래프 b의 공진 모드의 공진 주파수를 따르기 위해 전술한 바와 동일한 방식으로 PLL 회로로서 동작하고, 용액의 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있다.
도 9는 제2 예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다. 도 9에 도시된 제2 예의 농도 측정 기구(100B)를 설명하기 위해, 도 6에 도시된 제1 예로서의 농도 측정 기구(100A)와의 차이점이 설명된다.
도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)의 경우, 구동 증폭기(35)로부터 출력된 제1 구동 신호가 비교기(41)에 입력된다. 반대로, 도 9에 도시된 농도 측정 기구(100B)의 경우, 구동 증폭기(36)로부터 출력된 제2 구동 신호가 비교기(41)에 입력된다. 2개의 구동 증폭기(35, 36)로부터 출력된 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호는 서로 반전된 위상을 갖는 구동 신호이다. 도 9의 농도 측정 기구(100B)는 도 6의 농도 측정 기구(100A)와 비교하여 위상 비교기(44)에 입력된 2개의 이진화 된 신호 사이의 반전된 위상 관계를 갖는다. 그러나, 도 9의 농도 측정 기구(100B)는 또한 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)와 정확히 동일한 방식으로 작동한다.
도 10은 제3예로서, 농도 측정 기구의 회로 블록 다이어그램이다. 제3 예의 농도 측정 기구(100C)를 설명하기 위해, 도 9에 도시된 제2 예의 경우와 같이, 도 6에 도시된 제1 예와 같은 농도 측정 기구(100A)와의 차이가 설명된다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)의 경우, 압전 바이브레이터(11)의 제1 전극 (111)은 연산 증폭기(operational amplifier)(51)의 마이너스 입력 단자에 연결된다. 더욱이, 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)는 그 연산 증폭기(51)의 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결된다. 높은 저항을 가지는 저항(52)은 또한 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결된다. 연산 증폭기(51)의 플러스 입력 단자는 접지 되어있다.
또한, 전압 제어 발진 회로(32)로부터 출력된 발진 신호는 구동 증폭기(35)에 직접 입력되고, 그 구동 증폭기 (35)로부터 구동 신호로서 출력된다. 상기 구동 신호는 압전 바이브레이터(11)의 제2 전극 (112)에 입력되고, 상기 구동 신호에 의해 압전 바이브레이터(11)가 구동된다. 또한, 구동 증폭기 (35)로부터 출력된 구동 신호도 비교기(41)에 입력된다.
연산 증폭기(51)의 출력 단자는 저항(53)을 통해 다른 연산 증폭기(55)의 마이너스 입력 단자에 연결된다. 또한, 상기 마이너스 입력 단자에는 감쇠기(54)도 연결된다. 상기 감쇠기(54)에서, 구동 증폭기(35)로부터 출력된 구동 신호의 이득은 대략 반으로 감쇠된다. 상기 감쇠의 이득은 마이크로 컴퓨터(20)에 의해 제어된다. 상기 연산 증폭기(55)의 플러스 입력 단자는 접지되어 있다. 또한, 상기 연산 증폭기(55)의 마이너스 입력 단자와 출력 단자 사이에는 저항(56)이 연결되어 있다.
압전 바이브레이터(11)와 연결된 연산 증폭기(51)의 마이너스 입력 단자는 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)와 연결된 압전 바이브레이터(11)의 제1 단자(111)에 연결된다. 따라서, 다른 연산 증폭기 (55)에서, 압전 바이브레이터(11)에서 검출된 병렬 커패시턴스 성분 상쇄 전의 신호의 반전된 신호 및 감쇠기(54)에서 대략 절반으로 감쇠된 구동 신호는 더해지고 더 반전된다. 즉, 압전 바이브레이터(11)에서 검출된 병렬 커패시턴스 성분 상쇄 전의 신호로부터 구동 신호의 대략 절반을 감산하여 얻어진 검출 신호는 연산 증폭기(55)로부터 출력된다. 연산 증폭기(55)로부터 출력된 상기 검출 신호는 전치 증폭기(42)를 통해 비교기(43)에 입력된다.
도 11(A) 및 11(B)는 도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구 내 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분 상쇄의 원리를 도시하는 다이어그램들이다.
도 7의 경우와 같이, 도 11에서도, 압전 바이브레이터(11)는 직렬 병렬 공진 회로(E)로 표현된다. 도 4에 도시된 규칙적인 간격으로 배치된 다수의 캐비티 공진들 각각은 코일 (L), 커패시턴스 (C) 및 저항 (R)의 직렬 공진으로 표현된다. 상기 캐비티 공진의 하나의 공진 모드에 의한 변화를 검출하기 위해, 상기 직렬-병렬 공진 회로에서 높은 정확도로 병렬 커패시턴스 성분(C0)을 상쇄할 필요가 있다.
이와 관련하여, 도 11(A)에 도시된 바와 같이, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 브리지 회로(bridge circuit)에 의해 상쇄되도록 의도된다. 도 11(A)에 도시된 브리지 회로에서, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0) 및 세 커패시터(C1, C2 C3)의 각각의 커패시턴스(C1, C2 C3)가 C0 = C1 = C2 = C3를 만족한다면, 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 점 (a)의 신호로부터 점 (b)의 신호를 감산함으로써 상쇄되므로, 직렬 공진 만이 관찰될 수 있다.
이와 관련하여, C2 = C3이므로, 점(b)에서의 신호는 지속적으로 구동 소스(drive source)의 신호(V)의 절반이다.
따라서, 커패시터(C2, C3)를 제거하고, 도 11(B)에 도시된 바와 같이, 구동 소스의 신호(Vin)를 감쇠 시키고 점(a)에서 신호로부터 이를 감산하는 것만이 필요하다.
그러나, 커패시터(C1)로서 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)과 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터를 준비하는 것은 어렵고, 따라서 근접한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)가 준비된다. 이 경우, 커패시턴스 차이를 상쇄하기 위해 구동 소스의 신호(Vin)의 감쇠율을 1/2로부터 약간 조정함으로써 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분(C0)은 상쇄될 수 있다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)에서, 상기 원리는 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분을 높은 정확도로 상쇄하는데 사용된다.
도 10에 도시된 농도 측정 기구(100C)에서, 우선, 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)가 비어(공기) 있을 때 초기 조정이 수행된다. 상기 초기 조정은 농도 측정 기구(100A)의 수송 전 또는 농도 측정 기구(100A)의 유지보수 동안과 같이 캐비티 공진기(10)의 캐비티(15)(도 1 참조)가 비어(공기) 있을 때 수행된다.
상기 초기 조정은 실제 작동 시 사용되는 것으로 의도되는 주파수 주변의 주파수를 사용하여 수행된다. 그리고, 저역 통과 필터(47)로부터 마이크로 컴퓨터(20)에 입력된 신호가 영에 근접하도록 감쇠기(54)에 의한 구동 신호의 감쇠 이득 조정이 수행된다. 상기 이득 조정에 의해, 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분은 커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터(37)의 커패시턴스가 압전 바이브레이터(11)의 병렬 커패시턴스 성분과 약간 다른 경우라도 높은 정확도로 상쇄된다. 일단 상기 초기 조정이 완료되면, 초기 조정 후의 동작에서 감쇠기(54)에 의한 구동 신호의 감쇠 이득 조정은 상기 초기 조정 시점에서의 감쇠 이득 조정과 동일한 조건으로 유지된다.
도 10에 도시된 상기 농도 측정 기구(100C)의 초기 조정 후 동작은 도 6에 도시된 농도 측정 기구(100A)의 동작과 동일하고, 따라서 중복된 설명은 여기서 생략된다. 이러한 방식으로, 전술한 각각의 농도 측정 기구(100A, 100B, 100C)에 따라, 용액의 농도는 이러한 작은 회로에 의해 높은 정확도로 그리고 연속적으로 모니터링된다.
10…캐비티 공진기
11…압전 바이브레이터
12, 16…스테인리스 강판
15…캐비티
17…고무 부재
18…온도 센서
19…전치 증폭기
20…마이크로 컴퓨터
21…변환 데이터 맵
22, 23 A/D 변환기
24…D/A 변환기 24
25…메모리 회로31…주파수 상한 및 하한 설정 회로
32…전압 제어 발진 회로
33…진폭 조정 회로
34…위상 반전 회로
35, 36…구동 증폭기
37…커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터
41, 43…비교기
42…전치 증폭기
44…위상 비교기
45…필터
46…전파 정류 회로
47…저역 통과 필터
51, 55…연산 증폭기
52, 53, 56…저항
54…감쇠기
111…제1 전극
112…제2 전극
11…압전 바이브레이터
12, 16…스테인리스 강판
15…캐비티
17…고무 부재
18…온도 센서
19…전치 증폭기
20…마이크로 컴퓨터
21…변환 데이터 맵
22, 23 A/D 변환기
24…D/A 변환기 24
25…메모리 회로31…주파수 상한 및 하한 설정 회로
32…전압 제어 발진 회로
33…진폭 조정 회로
34…위상 반전 회로
35, 36…구동 증폭기
37…커패시턴스 상쇄를 위한 커패시터
41, 43…비교기
42…전치 증폭기
44…위상 비교기
45…필터
46…전파 정류 회로
47…저역 통과 필터
51, 55…연산 증폭기
52, 53, 56…저항
54…감쇠기
111…제1 전극
112…제2 전극
Claims (12)
- 농도 측정 기구에 있어서,
캐비티(cavity)에 담긴 용액에 초음파를 전송하고 또한 반사된 초음파를 검출하기 위한 압전 바이브레이터;
상기 캐비티 내 상기 용액의 온도를 측정하기 위한 온도 센서;
상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 구동 회로 - 상기 구동 신호에 의하여 상기 압전 바이브레이터를 구동하여 상기 압전 바이브레이터가 상기 초음파를 전송하도록 함 -;
상기 압전 바이브레이터에서 반사된 초음파를 검출함으로써 얻어진 검출 신호와 상기 구동 신호 간의 위상 비교를 수행하기 위한 위상 비교 회로;
상기 구동 회로가 순차적으로 상이한 주파수를 갖는 구동 신호를 생성하게 하는 주파수 검출 회로 - 상기 주파수 검출 회로는 또한, 측정될 공진 모드의 공진 주파수를 검출하기 위하여 상기 압전 바이브레이터가 상기 구동 신호에 의하여 구동되는 동안 상기 위상 비교 회로로부터의 위상 비교 결과를 모니터링함 -;
상기 구동 회로의 주파수가 상기 주파수 검출 회로에서 검출된 공진 주파수를 따르게 하기 위하여, 상기 위상 비교 회로 및 상기 구동 회로를 포함하는 PLL 회로; 및
상기 PLL 회로가 작동되는 동안 상기 구동 신호의 주파수 및 상기 온도 센서에 의한 온도 측정의 결과에 기초하여 상기 용액 내 용질의 농도를 검출하기 위한 농도 검출 회로
를 포함하고,
상기 구동 회로는,
발진 신호의 위상을 반전시키기 위한 위상 반전 회로,
상기 발진 신호의 진폭을 조정하기 위한 진폭 조정 회로,
상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터,
상기 진폭 조정 회로로부터 출력된 진폭 조정 후의 상기 발진 신호를 입력받고 상기 커패시터를 통하여 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제1 구동 증폭기, 및
상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결되고, 상기 위상 반전 회로에 의하여 반전된 위상을 가지는 상기 발진 신호에 의하여 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제2 구동 증폭기
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 제1항에 있어서,
상기 주파수 검출 회로는,
제1 공진 모드의 공진 주파수를 검출함으로써, 측정될 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는 회로인,
농도 측정 기구.
- 제1항에 있어서,
상기 주파수 검출 회로는,
제2 공진 모드의 공진 주파수를 검출하고,
상기 제2 공진 모드의 공진 주파수, 제3 공진 모드의 공진 주파수, 및 상기 제3 공진 모드의 공진 주파수와 상기 제2 공진 모드의 공진 주파수 간의 차 주파수(difference frequency) 중 적어도 하나에 기초하여 측정되는 공진 모드의 공진 주파수를 검출하기 위하여, 제3 공진 모드의 공진 주파수를 검출하는
회로이고,
상기 제3 공진 모드의 공진 주파수는 상기 제2 공진 모드의 공진 주파수와 다른,
농도 측정 기구.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 회로는,
상기 구동 신호를 감쇠시키기 위한 감쇠기, 및
상기 감쇠기에 의해 감쇠된 후의 상기 구동 신호와 상기 제1 전극의 신호 간의 차이를 계산하기 위한 계산부(computing unit)
를 더 포함하는 농도 측정 기구.
- 농도 측정 기구에 있어서,
캐비티(cavity)에 담긴 용액에 초음파를 전송하고 또한 반사된 초음파를 검출하기 위한 압전 바이브레이터;
상기 캐비티 내 상기 용액의 온도를 측정하기 위한 온도 센서;
상기 압전 바이브레이터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 구동 회로 - 상기 구동 신호에 의하여 상기 압전 바이브레이터를 구동하여 상기 압전 바이브레이터가 상기 초음파를 전송하도록 함 -;
상기 압전 바이브레이터에서 반사된 초음파를 검출함으로써 얻어진 검출 신호와 상기 구동 신호 간의 위상 비교를 수행하기 위한 위상 비교 회로;
상기 구동 회로가 순차적으로 상이한 주파수를 갖는 구동 신호를 생성하게 하는 주파수 검출 회로 - 상기 주파수 검출 회로는 또한, 측정될 공진 모드의 공진 주파수를 검출하기 위하여 상기 압전 바이브레이터가 상기 구동 신호에 의하여 구동되는 동안 상기 위상 비교 회로로부터의 위상 비교 결과를 모니터링함 -;
상기 구동 회로의 주파수가 상기 주파수 검출 회로에서 검출된 공진 주파수를 따르게 하기 위하여, 상기 위상 비교 회로 및 상기 구동 회로를 포함하는 PLL 회로; 및
상기 PLL 회로가 작동되는 동안 상기 구동 신호의 주파수 및 상기 온도 센서에 의한 온도 측정의 결과에 기초하여 상기 용액 내 용질의 농도를 검출하기 위한 농도 검출 회로
를 포함하고,
상기 구동 회로는,
상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결되고, 상기 압전 바이브레이터의 병렬 커패시턴스 성분을 상쇄(cancelling)하고 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호를 생성하기 위한 커패시터를 포함하고,
상기 커패시터를 통해 상기 제1 구동 신호에 의해 상기 제1 전극을 구동하고,
또한 상기 제2 구동 신호에 의해 상기 압전 바이브레이터의 제2 전극을 구동하고,
상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호는,
상호 반전된 위상들을 가지고 상기 구동 신호를 구성하고,
상기 구동 회로는,
상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결된 커패시터,
상기 구동 신호를 감쇠시키기 위한 감쇠기, 및
상기 감쇠기에 의해 감쇠된 후의 상기 구동 신호와 상기 제1 전극의 신호 간의 차이를 계산하기 위한 계산부(computing unit)
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 제5항에 있어서,
상기 구동 회로는,
상기 감쇠기로부터의 상기 구동 신호의 감쇠 이득을 조정하기 위한 이득 조정 회로
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 제1항에 있어서,
상기 구동 회로는,
감쇠기로부터의 상기 구동 신호의 감쇠 이득을 조정하기 위한 이득 조정 회로
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 제1항에 있어서,
상기 캐비티가 비어 있을 때 명령에 따라 상기 압전 바이브레이터의 상기 제1 전극의 검출 신호를 모니터링하고, 상기 검출 신호가 최소화되도록 상기 구동 회로를 제어하는 제1 초기 조정 회로
를 더 포함하는 농도 측정 기구.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 회로는,
발진 신호가 입력되고, 상기 압전 바이브레이터의 제1 전극에 연결되고, 상기 압전 바이브레이터를 구동하는 제3 구동 증폭기,
상기 압전 바이브레이터의 제2 전극에 연결되고, 상기 제2 전극에서 검출된 검출 신호의 위상을 반전시키기 위한 피드백 루프에 배치된 커패시터를 가지고, 반전된 위상을 가지는 상기 검출 신호를 출력하는 위상 반전 회로,
상기 제3 구동 증폭기로부터 출력된 구동 신호의 이득을 조정하기 위한 이득 조정 회로, 및
상기 위상 반전 회로로부터 출력되고 반전된 위상을 가지는 상기 검출 신호, 및 상기 이득 조정 회로에서 조정된 이득을 가지는 상기 구동 신호를 더하기 위한 가산 회로
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 제5항에 있어서,
상기 캐비티가 비어 있을 때 명령에 따라 가산 회로의 출력 신호를 모니터링하고, 상기 출력 신호가 최소화되도록 상기 구동 회로를 제어하기 위한 제2 초기 조정 회로
를 포함하는 농도 측정 기구.
- 삭제
- 삭제
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