KR102366427B1 - 도전율 및 임피던스 센서 - Google Patents

Abstract

도전율 센서, 바람직하게는, 두 코어의 공유 부재 주변의 1차 코일 와이어, 및 각 코어의 비공유 부분 주변의 2차 코일 와이어를 갖는 한 쌍의 자기 코어를 포함하는 구조. 일 코어의 일부가 유체에 침지되고, 전류가 1차 코일에 인가될 때, 2차 코일에서 수행되는 측정이 유치의 도전율을 나타낸다. 동일한 구조가 유치의 레벨을 측정하고 임피던스를 판단하는 데에 사용될 수 있다.

Description

도전율 및 임피던스 센서{CONDUCTIVITY AND IMPEDANCE SENSOR}

유체의 도전율을 검출 및 측정하는 센서는 다양한 목적에서 유용하다. 예를 들어, Guest의 미국특허출원 11/402,0062 은 전해 생산물의 산화 환원 전위 또는 pH에 대한 보다 전통적인 측정법 대신에, 이러한 도전율 측정을 통해 순수하게 전해법을 제어하기 위한 새로운 방법 및 장치를 제공한다. 상기 발명은 이러한 프로세스를 제어하기 위한 보다 간단하고 보다 신뢰성 있는 방법을 제공하며, 보다 간단한 - 그리고 이에 따라 내재적으로 보다 신뢰성 있는 - 전도율 센서는 혁신을 향상시키며, 다양한 다른 애플리케이션에서 많은 이점을 낳는다. 현재 센서는 복잡한 회로 및 측정을 필요로 하고, 센서 표면 상의 증착 축적에 의해 열화될 수 있으며; 또한, - 물과 같은 - 저 전도율을 갖는 물질의 전도율을 측정하는 데에 사용될 때, 수신기 코일에서 매우 낮은 전압을 확인할 수 있고, 환경 등에서 유전자기 파로부터의 백그라운드 "노이즈"에 의해 압도된 부정확한 측정을 야기한다. 본 발명은 이러한 단점을 가지지 않는다.

가장 간단한 형태에서, 본 발명은 숫자 8의 디지털 리드아웃 렌더링과 같이, 함께 배치되는 2개의 사각형 자기 코어로 구성된다. 이 숫자 8은 2개 코어의 공통 부재, 즉, 8의 중앙 크로스바 주변에 감겨지는 1차 와이어 코일, 및 공통 부재를 제외한 숫자 8의 일부 주변에 감겨지는 2개의 2차 와이어 코일로서 제공된다. 일 코어는 도전율이 측정될 물질 - 타깃 물질 - 에 적어도 부분적으로 침전되거나 둘러싸여지고, 전압이 1차 코일에 인가된다 - 실제로, AC가 일반적으로 바람직하나, 특정 애플리케이션, 예를 들면 높은 저항을 나타내는 타깃 물질인 경우, DC가 유리하게 이용될 수 있다. 측정은 3가지 방식 중 하나에 의해 수행된다: 증폭기 및 아날로그 회로의 지원을 통해, 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 2차 코일의 신호를 측정하는 방식; 차동 증폭기의 지원을 통해, 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 2차 코일의 차동 신호를 측정하는 방식; 그렇지 않으면 2차 코일을 직렬로 연결하여 직렬 연결된 코일의 양단에서 신호르르 측정하는 방식.

도 1a, 1b, 1c 및 1d는 단일 유닛으로서, 함께 배치된 2개의 통합 코어로서의 4개의 듀얼 코어, 및 사각형이 아닌, 함께 배치된 다중 조각으로 구성된 코어들의 형상을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 2개의 변형으로 배선된 코일을 포함하는 통합된 듀얼 코어 실시형태를 나타낸다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h 및 3i는 상이한 코일 배열, 자기 센서의 채용, 단일 코어 실시형태 및 2개 이상의 코어를 채용한 매트릭스를 포함하는 다양한 실시형태를 나타낸다.
도 4는 코어들 중 하나가 부분적으로 타깃 물질에 의해 부분적으로 둘러싸이고, 다른 코어는 상기 물질에 의해 둘러싸이지 않은 도 2b에 따른 센서를 나타낸다.
도 5는 코어들 중 하나가 부분적으로 타깃 물질에 의해 부분적으로 둘러싸이고, 다른 코어는 다른 타깃 물질에 의해 부분적으로 둘러싸이는 도 2b에 따른 센서를 나타내며, 이 도면에서 타깃 물질들은 모두 유체이다.
도 6은 타깃 물질 유체가 코어의 벽 주변을 도관하는 실시형태를 나타낸다.
도 7은 각 코어 상에 2개의 코어의 자기 플럭스를 밸런싱하기 위한 목적으로 포텐셔미터에 연결된 추가 코일을 갖는 도 2b의 실시형태를 나타낸다.
도 8은 기준 저항을 채용한 알려지지 않은 회로에서 저항을 측정하는 본 발명의 실시형태를 나타낸다.
도 9는 유체의 레벨을 측정하는 본 발명의 실시형태를 나타낸다.
도 10a 및 10b는 공통 부재 없이 부분적으로 분리되며 단지 전기적으로만 연결되는 코어들을 포함하는 본 발명의 실시형태를 나타낸다.

기본적 형태에서, 본 발명은 함께 배치되는 2개의 마그네틱 코어를 포함한다. 이러한 형태는 함께 사각형의 8자형 모양을 형성하는 한 쌍의 사각형으로써(도 1a, 1c 및 1d) 보다 용이하게 이해되고 설명되며, 이러한 코어들은 효과적으로 폭넓은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이들은 상호 동일할 필요가 없다(도 1b)는 것이 쉽게 이해된다; 유일한 요구사항은 코어들 각각이 폐경로를 그리는 것이다.

유사하게, 도 1a는 근접하게 쌍을 이루는 2개의 통합된 코어들을 나타내며, 이러한 개별적인 코어들은 여러 부분으로 이루어질 수도 있다(도 1c).

실제로, 특이한 형태 또는 다수의 부분으로 이루어지는 센서 코어들의 사용을 필요로 하는 통상적이지 않은 애플리케이션 요구사항을 제외하면, 이러한 설명들이 다른 변형예에 어떻게 적용되는지 쉽게 이해될 수도 있지만, 특히 제조, 사용, 가장 확실하게, 하나의 사각형의 8자 센서(도 1d)를 설명하는 것이 용이해진다.

도 2는 기본적인 배선 배열을 나타낸다. 결합 또는 공통 전기적 코일(L3)은 - 심선분리형(separate-core) 실시형태에서, 코어들이 짝을 이루는 영역인, 8자 모양의 크로스바, 즉, 공통 부재 주위에 감겨진다. 또한, 제1 개별 코일(L1)은 공통 부재 외에 제1 코어(C1)의 일부 영역 주변에 감겨지며, 제2 개별 코일(L2)은 공통 부재 외에 제2 코어(C2)의 일부 영역 주변에 감겨진다.

이러한 배선 배열은 도 2a와 같이 3개의 분리된 코일로 유지될 수 있고, 이 경우 센서는 타깃 물질에 코어들 중 하나를 침지하는 단계, 선택적으로 제2 타깃 물질에 다른 코어를 침지하는 단계, 전기적 신호를 공통 코일(L3)에 인가하는 단계, 및 차동 증폭기 또는 - 및 본 문자에서의 역설이 이해된다 - 소프트웨어 연산과 결합된 이의 디지털 아날로그, 디지털 샘플링을 채용한 전자 회로를 이용하여 개별 코일(L1 및 L2)에서 판독하여 차동 신호를 측정하는 단계에 의해 동작한다.

도 2b에 도시된 바람직한 실시형태에서, 개별 코일(L1 및 L2)은 직렬로 연결된다. 본 실시형태에서 센서는 코어들 중 하나를 타깃 물질에 침지하는 단계, 선택적으로 다른 코어를 제2 타킷 물질에 침지하는 단계, 공통 코일(L3)에 전기적 신호를 인가하는 단계, 및 포인트 C 및 D, 즉, 함께 배치된 개별 코일(L1, L2)의 종단에서 신호를 측정하는 단계에 의해 동작한다.

두 문단 앞에서 설명된 스킴은: 바람직한 실시형태에서 함께 배치된 개별 코일(L1 및 L2) 상의 포인트 C 및 D에 전기적 신호를 인가하는 단계, 및 공통 코일(L3) 상의 포인트 A 및 B에서 신호를 측정하는 단계, 또는 전술한 실시형태에서 동일할 필요가 없는 2개의 신호를 개별 코일(L1 및 L2) 각각에 인가하는 단계, 공통 코일(L3)에서 신호를 측정하는 단계에 의해 전기적으로 반대가 될 수도 있다. 바람작한 실시형태는 앞선 문단에서 설명된 바와 같고, 어떻게 전술한 다른 실시형태에 적용이 될 수 있는지 쉽게 이해가 되더라도, 추가적인 설명이 그 실시형태가 될 것이다.

수행되는 신호 측정은 간단한 전압 또는 전류 진폭, 또는 전압 또는 전류 위상, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어질 수 있고, 이 모두는 타깃 물질의 도전율에 대해 유용한 정보이다. 측정법은 시간 도메인 또는 주파수 도메인 중 하나에서, 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Tranform) 또는 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 이용하여 행해질 수 있다.

이러한 센서의 가장 일반적인 애플리케이션은 유체에 코어를 침지시킴으로써 유체의 도전율을 측정하게 되는 것이고, 센서 주변에 고체 물질을 주입하거나 성장시키는 것도 가능하다. 코어들 중 하나의 자기 경로를 통해 통과하는 호스 또는 파이프 또는 전선관, 예를 들면, 도 6에 도시되는 바와 같이, 공통 부재를 제외한 C1의 측부들 중 하나의 주변에 코일링된 호스를 통해 도관되는 유체 타깃 물질을 가짐에 의해 센서가 사용되는 것도 가능하다. 거의 동일한 방식으로, 고체 타깃 물질은 코어들 중 하나의 자기 경로, 예를 들면, 공통 부재를 제외한 C1의 측부들 중 하나를 둘러싸는 플라스틱 막대에 위치될 수 있다.

도 3d, 3e 및 3f에 도시된 바와 같이, 본 발명은 신호 수신기로서의 2차 코일 대신, 또는 이에 추가적으로, 종래의 자기 센서(S1, S2, S3 등)와 함께 실시될 수도 있다. 이러한 애플리케이션에서, 자기 센서는 코어들의 홀 또는 갭 내에 위치되고, 물론, 전송 코일 - 전기적 신호가 인가되는 코일 - 은 도 3f에 도시되는 바와 같이 공통 부재에 배치될 필요가 없으나, 대신 도 3d 및 3e에 도시되는 바와 같이 코어의 비공통 측부들 중 하나에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명은 각각 도 3g/3h 및 도 3i에 도시되는 바와 같이, 2개 보다 더 많거나 적은 자기 코어와 함께 실시될 수 있다. 또 다시, 수신 코일과 함께 또는 그 대신에 자기 센서를 채용하는 것이 가능하다. 단일 및 2개를 초과하는 코어 실시형태가 실시 가능하고, 정확성 및 감도는 단일 코일 실시형태에서 악화되는 경향이 있으며, 2개를 초과하는 코어 실시형태에서 일반적으로 주목할만큼 충분히 향상되지는 않고, 본 발명에 있어서의 "스위트 스팟" 및 바람직한 실시형태는 듀얼 코어 상호작용이다.

공통 부재를 공유하는 것은 코어들에 있어서 일반적으로 도움이 되고, 효과적이고, 효율적이며, 이는 전적으로 필요하다. 도 10a 및 10b는 완전히 물리적으로 분리되고, 오직 전기적으로만 연결된 코어들을 갖는 실시형태를 나타낸다. 도 10a에서의 배선 배열은 도 2a에서의 그것과 유사하고, 도 10b에서의 그것은 도 2b에서의 그것과 유사하다; 그러나, 전술한 바와 같이, L3-a 및 L3-b의 직렬 연결 대신 L3-a 및 L3-b의 자기 플럭스를 제어하기 위한 아날로그 또는 디지털 회로가 이용될 수 있다.

하나 또는 두개의 코어(C1 및 C2)의 자기 경로에서의 타깃 물질의 존재는 타깃 물질이 없는 경우의 판독과 비교하여 보았을 때 신호 판독에 영향을 준다. 이는, 가변 저항과 연결된 적어도 하나의 추가 코일을 포함하여 하나 또는 2개의 코어를 구비함에 의해 2개의 코어에 있어서 베이스라인 특성에서의 임의의 차이점을 밸런싱하는 데에 유용할 수 있고, 이는 도 7에 대해, C1 및 C2의 자기 플럭스를 균등하게 조절할 수 있다.

도 8에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 추가 애플리케이션은 저항을 측정하는 것이다. 본 실시형태에서 기준 저항은 일 코어 상에서 코일에 연결된다. 타킷 물질은 타 코어 상에서 다른 코일에 연결되고, 그 저항은 수신기 코일 및/또는 자기 센서에서의 판독에 영향을 주어, 타깃 물질의 저항이 연산될 수 있도록 한다. 유사한 구조가 2개의 알지 못하는 저항의 차동 저항값을 측정하는 데에 사용될 수 있다.

본 발명은 도 9에 도시되는 바와 같이, 용기 내 유체의 레벨을 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 이러한 애플리케이션에서, 코어 구조는 도시된 바와 같이 타깃 물질 유체 내에 부분적으로 잠기게 되고, 하부 코어는 유체 내에 완전히 잠기며, 상부 코어의 적어도 일부는 잠기지 않는다. 유체의 도전율 판독이 이의 레벨이 저하 - 또는 상승 - 됨에 따라 변화하기 때문에 레벨은 용이하게 연산될 수 있다. 레벨 측정의 보다 넓은 범위를 획득하고 빈 공간에 근접한 레벨을 측정하기 위해, 도 9에 도시되는 바와 같이, 코어들은 비대칭적인 것이 유리하며, 여기서, 상부 코어는 하부 코어보다 길게 형성된다. 이러한 비대칭은 판독을 왜곡할 수 있고, 판독은 수많은 방법, 예를 들면 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 코어의 벽을 대응되도록 얇게 형성하거나, 판독에 균등화 알고리즘을 적용함으로써, 코어들의 자기 코어를 동등하게 하여 보상될 수 있다.

Claims (16)

1. 적어도 부분적으로 테스트 물질에 침지되거나 둘러싸이며, 상기 테스트 물질에서 도전율 또는 임피던스를 측정하기 위한 센서로서,
   각각이 회로의 구성 요소를 구현하며 일 이상의 자기 물질 조각으로 구성되는 적어도 하나의 자기 코어;
   상기 적어도 하나의 자기 코어의 일부 주변에 감겨지며 전기적 전력 소스에 연결되는 1차 코일 와이어;
   상기 자기 코어에 부착된 적어도 하나의 자기 센서 또는 상기 적어도 하나의 자기 코어의 일부, 또는 둘 모두의 주변에 감겨지는 적어도 하나의 2차 코일 와이어; 및
   2차 코일 또는 자기 센서와 측정 기기 사이에 전기적 연결로서, 상기 측정 기기는 증폭기 및 아날로그 회로의 지원을 통해, 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 상기 2차 코일 또는 자기 센서에 나타나는 전기적 신호를 측정하고, 상기 전기적 신호의 측정은 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 수행될 수 있는, 전기적 연결; 또는
   복수의 자기 코어, 복수의 2차 코일 또는 자기 센서 또는 모두를 포함하는 실시형태에서, 상기 2차 코일 또는 자기 센서 또는 둘 모두 간 전기적 연결: 차동 증폭기의 지원을 통해 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 상기 2차 코일의 차동 신호를 측정하고, 상기 차동 신호의 측정은 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 수행될 수 있는, 기기;
   를 포함하고,
   상기 전기적 신호의 측정 및 상기 차동 신호의 측정은 상기 테스트 물질의 에너지 흡수로부터 유도되는, 센서.
2. 제1항에 있어서,
   8자 형상을 구현하는 자기 물질의 단일 조각 내 2개의 자기 코어를 포함하는, 센서.
3. 제2항에 있어서,
   각각의 자기 코어는 그의 일부 주변에 감겨지며 포텐셔미터에 연결되는 추가 코일 와이어를 갖고, 상기 2개의 자기 코어 플럭스의 밸런싱을 가능하게 하는, 센서.
4. 제1항에 있어서,
   2개의 자기 코어는 각각으로부터 완전히 분리되고, 상기 1차 코일은 각 자기 코어의 일부 주변에 감겨지는, 센서.
5. 자기 물질의 단일 조각 내 2개의 자기 코어로서, 각각의 자기 코어는 회로의 구성 요소를 구현하고 2개의 자기 코어는 8자 형상을 구현하며, 공통 부분을 공유하는 2개의 자기 코어;
   상기 공통 부분 주변에 감겨지고 AC 전기적 전력 소스에 연결되는 1차 코일 와이어;
   각 자기 코어의 일부 주변에 감겨지는 2차 코일 와이어;
   일 자기 코어의 일부 주변에 감겨지고, 제1 임피던스에 연결되며, 다른 자기 코어의 일부 주변에 감겨지고 제2 임피던스에 연결되는, 다른 코일 와이어; 및
   디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 2차 코일들의 양단에 나타나는 신호를 측정하고, 상기 신호의 측정은 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 수행될 수 있고, 모든 임피던스를 알지 못하는 경우 차동 저항을 연산하며 일 임피던스를 모르는 경우 타 임피던스의 실제 저항을 연산하는 기기 및 2차 코일들의 양단 사이의 전기적 연결
   을 포함하고,
   상기 신호의 측정은 테스트 물질의 에너지 흡수로부터 유도되는, 저항 측정 센서.
6. 각각이 회로의 구성 요소를 구현하며 일 이상의 자기 물질 조각으로 구성되는 적어도 하나의 자기 코어;
   상기 적어도 하나의 자기 코어의 일부 주변에 감겨지는 1차 코일 와이어; 및
   상기 자기 코어에 부착된 적어도 하나의 자기 센서 또는 상기 적어도 하나의 자기 코어의 일부, 또는 둘 모두의 주변에 감겨지는 적어도 하나의 2차 코일 와이어를 포함하는 센서를 활용하여, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법으로서,
   상기 1차 코일을 진기적 전력 소스에 연결하는 단계; 및
   2차 코일 또는 자기 센서를, 증폭기 및 아날로그 회로의 지원을 통해, 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 상기 2차 코일 또는 자기 센서에 나타나는 전기적 신호를 측정하는, 측정 기기에 전기적으로 연결시키는 단계; 또는
   복수의 자기 코어, 및 복수의 2차 코일 또는 자기 센서 또는 둘 모두를 포함하는 실시형태에서, 차동 증폭기의 지원을 통해 또는 디지털 샘플링 및 소프트웨어 연산에 의해 상기 2차 코일의 차동 신호를 측정하고, 상기 차동 신호의 측정은 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 이용하여 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 수행될 수 있는, 기기;
   적어도 부분적으로 상기 센서를 일 이상의 테스트 물질에 침지시키거나 일 이상의 테스트 물질로 둘러싸고, 상기 측정으로부터 일 이상의 테스트 물질의 도전율을 구하여 획득하는 단계
   를 포함하고,
   상기 전기적 신호의 측정 및 상기 차동 신호의 측정은 상기 테스트 물질의 에너지 흡수로부터 유도되는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 센서는 8자 형상을 구현하는 자기 물질의 단일 조각 내 2개의 자기 코어를 포함하는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   각각의 자기 코어는 그의 일부 주변에 감겨지며 포텐셔미터에 연결되는 추가 코일 와이어를 가지며, 포텐셔미터로 상기 2개의 자기 코어 플럭스를 밸런싱하는 단계를 더 포함하는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 센서는 각각으로부터 완전히 분리되는 2개의 자기 코어를 포함하고, 상기 1차 코일은 각 자기 코어의 일부 주변에 감겨지는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
10. 제7항에 있어서,
    일 자기 코어의 일부는 테스트 물질에 침지되는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
11. 제10항에 있어서,
    일 자기 코어의 일부는 테스트 물질에 침지되고, 다른 자기 코어의 일부는 다른 테스트 물질에 침지되는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
12. 제7항에 있어서,
    상기 테스트 물질은 상기 코어 중 하나의 자기 경로를 통해 통과하는 호스 또는 파이프 또는 유사한 전선관을 통해 도관되는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
13. 제7항에 있어서,
    상기 2개의 자기 코어 중 제1 자기 코어의 전부 또는 제2 자기 코어의 일부는 용기 내 테스트 물질에 침지되고, 상이한 도전율 판독은 상이한 테스트 물질 레벨과 연관되고, 상기 테스트 물질 레벨은 획득되는 상기 측정으로부터 판단되는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
14. 제7항에 있어서,
    상기 전력 소스는 AC이고,
    상기 센서는 일 자기 코어의 일부 주변에 감겨지고 제1 임피던스에 연결되며, 다른 자기 코어의 일부 주변에 감겨지고 제2 임피던스에 연결되는, 추가 코일을 포함하고;
    2차 코일들의 양단에서 신호를 측정하고 모든 임피던스를 알지 못하는 경우 차동 저항을 연산하며 일 임피던스를 모르는 경우 타 임피던스의 실제 저항을 연산하는 기기를 더 포함하는, 전도율 또는 저항을 측정하는 방법.
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