KR102422193B1 - 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관의 외벽에 부착되는 고감도의 초음파 센서에 슬러지가 고착되어 발생하는 오작동을 방지하고, 초음파 센서를 슬러지로부터 보호하여 오작동 없이 장기간 사용 가능할 뿐만 아니라, 농도와 유량(유속)에 대한 변화량을 실시간으로 동시에 측정하여 다양한 환경 변화에 적응하고 신뢰성 있는 데이터를 산출할 수 있는, 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템에 관한 것이다.
개시된 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템은, 측정 대상 유체가 흐르는 배관의 일측 외벽에 설치되어 유체를 투과하는 초음파를 송신하는 초음파 송신 센서와, 상기 배관의 타측 외벽에 설치되어 상기 초음파 송신 센서에서 송신하는 초음파를 수신하는 초음파 수신 센서를 포함하는 초음파 센서기; 및 상기 초음파 센서기로부터 송신된 초음파가 상기 배관, 상기 측정 대상 유체, 상기 배관을 통과하여 수신되는 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하는 농도측정 장치를 포함하고, 상기 초음파 송신용 센서는 상기 송신된 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 송출되도록 상기 배관의 일측 외벽에 설치되고, 상기 초음파 수신용 센서는 상기 수신되는 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 수신되도록 상기 배관의 타측 외벽에 설치될 수 있다.

Description

외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템{Ultrasonic measure system for concentration to be attached on the wall}

본 발명은 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 배관의 외벽에 부착되는 고감도의 초음파 센서에 슬러지가 고착되어 발생하는 오작동을 방지하고, 초음파 센서를 슬러지로부터 보호하여 오작동 없이 장기간 사용 가능할 뿐만 아니라, 농도와 유량(유속)에 대한 변화량을 실시간으로 동시에 측정하여 다양한 환경 변화에 적합하고 신뢰성 있는 데이터를 산출할 수 있으며, 유속에 따른 신호 감쇠를 보정할 수 있는, 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적인, 초음파 농도측정장치는 각종 수처리현장, 정수장, 하수 처리장, 오폐수 처리장 등에서 침전되거나 혹은 배관 내에 액체와 함께 유동하는 각종 슬러지의 농도를 실시간으로 측정하는 계측기이다.

종래 기술에 따른 배관 내부에 삽입되는 초음파 농도측정장치는 측정에 사용되는 초음파 센서가 배관의 내부에 삽입되고, 초음파 송신용 센서에서 방사된 초음파가 유체(시료수)를 통과하면서 유체에 포함된 불순물, 이물질, 부유물질 등에 의한 산란, 흡수 등으로 인하여 감쇄를 거친 상태로 초음파 수신용 센서에서 수신되고, 수신된 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하게 된다.

이에 초음파 농도측정 장치의 농도 측정에 정확도를 높이기 위한 선행기술자료로서, 일본 공개특허공보 2003-202327호의 초음파식 오니 농도 측정 장치에서는 2 종류의 주파수(예를 들면, 1MHz와 3MHz)의 초음파를 피측정 오니(또는 슬러지)에 전반시키고 있다. 그리고, 각 주파수의 초음파의 감쇠량에 기초하여 피측정 오니에 포함되는 기포에 의한 감쇠량을 보정해서 피측정 오니의 농도를 산출하고 있다.

그런데, 하수도 시설이 정상적으로 운전되는 경우에 오니 농도는 3% 정도에서 11% 정도의 농도로 되지만, 하수도 시설의 처리가 비정상적인 경우에 오니 농도가 예를 들면 3% 이하로 되는 경우가 있다. 오니 농도가 3% 이하로 되면, 1MHz의 초음파에서는 감쇠가 거의 일어나지 않게 되고, 종래의 오니 농도 측정장치에서는 정확한 오니 농도를 측정할 수 없게 되는 문제점이 있다. 또한 하수도 시설의 이상 발생시에는, 오니 농도가 높아지는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우, 3MHz의 초음파는 오니 중의 이물질에서 확실히 반사하도록 되어 오니 농도에 따른 감쇠량이 포화해 버리기 때문에 오니 농도를 정확하게 측정할 수 없게 되는 문제점도 있다.

일본 공개특허공보 2003-202327호에는 초음파식 오니 농도 측정 장치가 개시되어 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 배관의 외벽에 부착되는 고감도의 초음파 센서에 슬러지가 고착되어 발생하는 오작동을 방지하고, 초음파 센서를 슬러지로부터 보호하여 오작동 없이 장기간 사용 가능할 뿐만 아니라, 농도와 유량(유속)에 대한 변화량을 실시간으로 동시에 측정하여 다양한 환경 변화에 적합하고 신뢰성 있는 데이터를 산출할 수 있으며, 유속에 따른 신호 감쇠를 보정할 수 있는, 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템은, 측정 대상 유체가 흐르는 배관의 일측 외벽에 설치되어 유체를 투과하는 초음파를 송신하는 초음파 송신 센서와, 상기 배관의 타측 외벽에 설치되어 상기 초음파 송신 센서에서 송신하는 초음파를 수신하는 초음파 수신 센서를 포함하는 초음파 센서기; 및 상기 초음파 센서기로부터 송신된 초음파가 상기 배관, 상기 측정 대상 유체, 상기 배관을 통과하여 수신되는 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하는 농도측정 장치를 포함하고, 상기 초음파 송신용 센서는 상기 송신된 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 송출되도록 상기 배관의 일측 외벽에 설치되고, 상기 초음파 수신용 센서는 상기 수신되는 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 수신되도록 상기 배관의 타측 외벽에 설치될 수 있다.

상기 농도측정장치는, 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변시키는 전압 가변 신호가 입력되면, 상기 전압 가변 신호에 따른 제어 전압값에 해당하는 제1 주파수 신호를 출력하는 전압 가변부; 상기 제1 주파수 신호를 증폭하여 초음파 송신 센서를 발진시키는 변압부; 초음파 수신 센서를 통해 수신된 제2 주파수의 신호를 상기 제1 주파수 신호와 혼합하여 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호의 차이를 이용한 비트 주파수 신호를 출력하는 믹싱부; 및 상기 비트 주파수 신호를 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법으로 음속과 농도를 환산하고, 상기 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 비트 주파수 신호를 사용하여 1차 FFT 과정을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 검출하는 1차 변환 모듈과, 상기 거시적인 주파수 성분을 주파수 변조값만큼 주파수 변조하여 기저대역으로 이동시켜 주파수 변조 신호(fmod)를 출력하는 주파수 변조 모듈과, 상기 주파수 변조 신호를 n차 데시메이션을 수행하는 데시메이션 모듈과 상기 n차 데시메이션을 수행한 신호(fde)에서 감소된 데이터 수만큼 '0'을 삽입시키는 제로패딩 모듈과 상기 제로패딩 모듈에서 출력되는 신호(fz)를 2차 FFT 과정을 수행하여 분석 주파수를 산출하는 2차 변환 모듈을 포함할 수 있다.

상기 전압 가변 신호에 대한 디지털/아날로그 변환 기능을 수행하여 상기 제어 전압값을 상기 전압 가변 모듈로 출력하는 디지털/아날로그 컨버터; 및 상기 차 주파수 신호에 대한 아날로그/디지털 변환 기능을 수행하는 아날로그/디지털 컨버터를 더 포함할 수 있다.

상기 믹싱부의 후단에는 상기 차주파수 신호에서 고주파 성분을 제거하는 아날로그 저역통과 필터가 설치될 수 있다.

상기 배관의 내부에 흐르는 측정 대상 유체에 대하여 초음파를 송신하고 도플러 방식을 이용하여 유속 변화량을 측정하는 제2 초음파 센서기를 더 포함할 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 방법은, 배관의 외벽에 부착된 초음파 송신 및 수신 센서에 의해 농도를 측정하고, 상기 초음파 송신 센서는 송신된 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 송출되도록 상기 배관의 일측 외벽에 설치되고, 상기 초음파 수신 센서는 수신되는 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 수신되도록 상기 배관의 타측 외벽에 설치된 시스템의 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 방법으로서, (a) 아날로그 신호를 디지털화하여 12비트의 디지털 값으로 변환하기 위해 상기 초음파 송신 센서로부터 출력되는 신호인 제1주파수(f1)와 상기 초음파 수신 센서에 입력되는 신호인 제2주파수(f2)의 차를 믹싱부를 통해 추출한 차주파수 신호(fLPF)를 아날로그 저역통과필터를 거쳐 12비트의 디지털 값으로 변환하여 제어부에 입력하는 디지털 신호처리 프로세싱 단계; (b) 상기 아날로그 저역통과 필터를 통과한 차주파수 신호(fLPF)를 정밀분석하기 위해 Zoom FFT 기법을 통하여 12비트 디지털화 된 차주파수 신호로 1차 고속 푸리에 변환을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 찾아내는 1차 고속 푸리에 변환 단계; (c) 상기 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 정밀분석하기 위해 기저대역(Baseband)으로 주파수를 이동할 때, 이동된 주파수가 0Hz 이하로 이동되는 것을 방지하기 위해 주파수 변조 신호(fmod)를 성생하는 주파수 변조 단계; (d) 상기 주파수 변조 신호(fmod)에 포함되어 있는 고주파 성분을 지닌 이미지 주파수(fi)를 디지털 저역통과 필터를 통하여 제거하는 디지털 저역통과 필터링 단계; (e) 상기 저역통과 필터를 거친 변조신호를 설정된 횟수인 N차로 주파수를 획득하기 위해 데시메이션을 반복시행하는 N차 데시메이션 단계; (f) 상기 N차 데시메이션을 거치면서 줄어든 데이터의 수 만큼 '0'을 삽입시켜 제로 패딩을 수행하는 제로패딩 단계; (g) 상기 제로패딩이 완료된 신호(fz)를 고속푸리에 변환하여 최종주파수(FFTsecond)를 획득하는 2차 고속 푸리에 변환 단계; 및 (h) 상기 최종주파수(FFTsecond)를 분석하는 최종 주파수 분석 단계를 포함할 수 있다.

상기 주파수 변조 신호(fmod)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)과 실제 주파 수 성분(FFTfactor)의 차이값일 수 있다.

본 발명에 의하면, 유체에 포함되는 슬러지 등의 이물질에 상관없이 보다 정밀하게 농도를 측정하고, 이를 모니터링할 수 있다.

또한, 본 발명은 배관의 외벽에 부착되는 고감도의 초음파 센서에 슬러지가 고착되어 발생하는 오작동을 방지하고, 초음파 센서를 슬러지로부터 보호하여 오작동 없이 장기간 사용 가능할 뿐만 아니라, 농도와 유량(유속)에 대한 변화량을 실시간으로 동시에 측정하여 다양한 환경 변화에 적합하고 신뢰성 있는 데이터를 산출할 수 있으며, 유속에 따른 신호 감쇠를 보정할 수 있다.

또한, 본 발명은 처리수의 유량, 처리수내 부유 고형물의 농도 및 총량을 동시에 측정할 수 있는 센서 및 센서의 취부 구조로 인해 농도계 및 유량계의 기능이 복합화된 장치를 실현할 수 있다. 따라서, 수처리 공정 산물인 슬러지의 정량적 관리가 가능하고, 부유 고형물의 총량에 따른 후공정 제어 및 최적 부하 결정을 통해 수처리 공정의 효율성을 극대화할 수 있고, 1인 운전자에 의한 공정 제어가 가능해 공정에 투입되는 인력비용이 경감되며, 기존의 수동적 공정제어에서 능동적 공정제어로의 제어 패턴 전환이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 농도계 및 유량계의 기능 융합으로 인한 포괄적 시장 공략 및 수익의 극대화가 가능하고, 수처리 공정 운영 및 유지 보수, 인건비의 비용이 절감될 수 있고, 수처리 기술의 질적 향상 및 수질 환경 개선에 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템에서 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 농도 측정 장치에서 측정된 농도를 외부 출력하는 외부 출력부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템(100)은, 초음파 센서기(110) 및 농도측정장치(120)를 포함할 수 있다.

초음파 센서기(110)는 초음파 송신 센서(112) 및 초음파 수신 센서(114)를 포함한다.

초음파 송신 센서(112)는 측정 대상 유체가 흐르는 배관의 일측 외벽에 설치되어 유체를 투과하는 초음파를 송신한다.

초음파 수신 센서(114)는 배관의 타측 외벽에 설치되어 상기 초음파 송신 센서에서 송신하는 초음파를 수신한다.

농도측정장치(120)는 초음파 센서기(110)로부터 송신된 초음파가 배관, 측정 대상 유체, 배관을 통과하여 수신되는 초음파의 세기에 따라 농도를 측정한다.

이때, 초음파 송신 센서(112)는 송신되는 초음파가 배관에 대해 45° 각도로 송출되도록 배관의 일측 외벽에 설치되고, 초음파 수신 센서(114)는 수신되는 초음파가 배관에 대해 45° 각도로 수신되도록 배관의 타측 외벽에 설치될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템은, 초음파 센서기(110), 농도측정장치(120) 및 제2 초음파 센서기(130)를 포함할 수 있다.

여기서, 초음파 센서기(110) 및 농도측정장치(120)는 도 1에서 설명한 초음파 센서기(110) 및 농도측정장치(120)와 동일한 기능을 수행하되, 초음파 송신 센서(112) 및 초음파 수신 센서(114)가 서로 마주보는 방식으로 배관의 외벽에 설치된다. 즉, 초음파 센서기(110)는 초음파 송신 센서(112) 및 초음파 수신 센서(114)에서 송출 및 수신되는 초음파가 배관에 대해 45° 각도를 갖는 것이 아니라, 배관에 대해 90° 각도를 갖도록 초음파가 송출 및 수신되도록 설치되는 것이다.

제2 초음파 센서기(130)는 배관의 내부에 흐르는 측정 대상 유체에 대하여 초음파를 송신하고 도플러 방식을 이용하여 유속 변화량을 측정하는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 농도측정장치(120)는, 전압 가변부(10), 변압부(20), 믹싱부(30), 제어부(40), 디지털/아날로그 컨버터(50), 아날로그/디지털 컨버터(60) 및 아날로그 저역통과필터(70)를 포함한다.

전압 가변부(10)는 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변시키는 전압 가변 신호가 입력되면, 전압 가변 신호에 따른 제어 전압값에 해당하는 제1 주파수 신호를 출력한다.

변압부(20)는 제1 주파수 신호를 증폭하여 초음파 송신 센서(112)를 발진시킨다.

믹싱부(30)는 초음파 수신 센서(114)를 통해 수신된 제2 주파수의 신호를 제1 주파수 신호와 혼합하여 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호의 차이를 이용한 비트 주파수 신호를 출력한다.

여기서, 제 1 주파수는 초음파 송신 센서(112)로부터 발신되는 신호 주파수를 말하는 것이고, 제 2 주파수는 초음파 수신 센서(114)로 수신되는 신호 주파수를 말하는 것이다.

이는 연속된 신호 주파수를 발신하고 유체 등의 대상 매질을 거쳐 수신되기 때문에 신호가 송신되고 수신되는 과정에서의 주파수 차이 즉, 차주파수를 도출하기 하기 위한 것이다.

제어부(40)는 비트 주파수 신호를 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법으로 음속과 농도를 환산하고, 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력한다. 즉, 제어부(40)는 비트 주파수 신호를 입력받아 비트 주파수 신호를 사용한 줌 고속 푸리에 변환(Zoom FFT) 기법을 적용하여 주파수 정밀 분석을 통해 음속 계산 및 농도 환산을 수행하여 농도 모니터링 기능을 제공하고, 설정 주파수 변화율을 결정하여 전압 가변 신호를 생성 출력하는 것이다.

디지털/아날로그 컨버터(50)는 전압 가변 신호에 대한 디지털/아날로그 변환 기능을 수행하여 제어 전압값을 전압 가변부(10)로 출력한다.

아날로그/디지털 컨버터(60)는 차 주파수 신호에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.

아날로그 저역통과 필터(70)는 믹싱부(30)의 후단에 설치되어, 차주파수 신호에서 고주파 성분을 제거한다. 이는 신호 처리에 필요한 저주파 성분만을 분리하여 신뢰도를 향상시키기 위한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템에서 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템의 제어부(40)는, 1차 변환 모듈(41), 주파수 변조 모듈(42), 데이메시션 모듈(43), 제로패딩 모듈(44) 및 2차 변환 모듈(45)을 포함한다.

1차 변환 모듈(41)은 비트 주파수 신호를 사용하여 1차 FFT 과정을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 검출한다.

주파수 변조 모듈(42)은 시적인 주파수 성분을 주파수 변조값만큼 주파수 변조하여 기저대역으로 이동시켜 주파수 변조 신호(fmod)를 출력한다. 또한, 주파수 변조 모듈(42)은 주파수 변조 과정에서 발생되는 고주파 성분의 이미지 주파수(fi)를 제거하는 디지털 저역 통과 필터를 더 포함하게 된다.

데이메시션 모듈(43)은 주파수 변조 신호를 n차 데시메이션을 수행한다.

제로패딩 모듈(44)은 n차 데시메이션을 수행한 신호(fde)에서 감소된 데이터 수만큼 '0'을 삽입시킨다.

2차 변환 모듈(45)은 제로패딩 모듈에서 출력되는 신호(fz)를 2차 FFT 과정을 수행하여 분석 주파수를 산출한다.

여기서, 제어부(40)는 비트 주파수를 하기 수학식 1에 의해 구하고, 음속을 하기 수학식 2에 의해 구하게 된다.

이때, 수학식 1 및 수학식 2에서 t는 초음파 송신 신호가 수신되기까지의 시간이고, R은 배관의 외경이며, C는 음속을 나타낸다.

또한 제어부(40)는 하기 수학식 3의 음속-농도 관계식을 이용하여 농도를 유추하게 되는 것이다.

여기서, 상기와 같은 수학식 3은 센서에 의해 측정되는 매질이 동일한 종류일 경우에 해당한다. 수학식 3에서, D는 매질의 농도를 말하는 것이며, a는 복수개의 측정에 따른 기울기값을 말하며, b는 매질의 최초농도값을 말하는 것이다.

상기와 같은 수학식 3의 음속-농도 관계식에 의해 유체의 농도변화를 감지할 수 있는 것이며, 상기 음속-농도 관계식을 이용하여 상기 수학식 2를 통해 구한 음속을 농도로 환산하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템은 Zoom FFT 기법을 활용하여 유체의 농도를 구할 수 있다.

이와 같은 Zoom FFT 기법은 설계 초기에 결정되는 신호처리부의 샘플링 주파수와 샘플링 수를 변경시키지 않고도 원하는 주파수 분해능을 얻을 수 있다. 또한, FFT 알고리즘이 가지는 특성상 입력신호수가 증가할수록 주파수 측정 오차가 줄어드는 특성이 있기 때문에, 입력신호의 FFT point 수를 늘이기 위해 추가적인 데이터 샘플링 없이 스플라인(Spline) 보간법을 적용함으로써 측정오차를 개선할 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 방법은, 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10), 1차 고속 푸리에 변환 단계(S20), 주파수 변조 단계(S30), 디지털 저역통과 필터링 단계(S40), N차 데시메이션 단계(S50), 제로패딩 단계(S60), 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70), 최종 주파수 분석 단계(S80)를 포함한다.

디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10)는, 아날로그 신호를 디지털화하여 12비트의 디지털 값으로 변환하기 위해 초음파 송신 센서로부터 출력되는 신호인 제1주파수(f1)와 초음파 수신 센서에 입력되는 신호인 제2주파수(f2)의 차를 믹싱부를 통해 추출한 차주파수 신호(fLPF)를 아날로그 저역통과필터를 거쳐 12비트의 디지털 값으로 변환하여 제어부에 입력한다.

즉, 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10)는 아날로그 신호를 디지털화 하여 12비트의 디지털 값으로 변환하는 것으로, 기 설정 시간(Tm)동안 설정 주파수 변화율(Fm)에 따라 주파수를 가변 즉, 증폭시키고 이를 이용하는 것이다.

보다 상세하게 설명하면, 디지털/아날로그 컨버터(50)를 통하여 전압 가변을 실시하고, 디지털/아날로그 컨버터(50)에 의해 제어되는 전압값은 전압가변부(10)로 입력되고, 입력 전압값에 해당하는 주파수의 신호인 제 1 주파수신호(f1)를 출력한다.

상기와 같이 제 1 주파수 신호(f1)를 출력한 후 변압부(20)를 통해 제 1 주파수 신호(f1)를 증폭시켜 초음파 송신 센서(112)를 발진시키며, 발진된 초음파 신호는 배관 등의 내부에 위치하는 유체를 통과한 뒤 초음파 수신 센서(114)를 통해 수신된다.

여기서, 변압부(20)는 통상의 복수 개의 권선비를 유지하는 변압기를 적용하게 되는데, 이를 한정하는 것은 아니다.

상기와 같이 초음파 수신 센서(114)를 통하여 수신된 신호인 제 2 주파수신호(f2)는 믹싱부(30)를 통하여 제 1 주파수신호(f1)와 믹싱되어 차주파수 신호(fLPF)를 출력하게 된다.

여기서 차주파수 신호(fLPF)는 제 1 주파수신호(f1)와 제 2 주파수신호(f2)의 차이 값이다.(fLPF = f1 - f2)

이와 같이 출력된 차주파수 신호(fLPF)는 신호처리에 필요한 저주파 성분과 불필요한 고주파 성분으로 나뉘게 되는데 불필요한 고주파 성분을 아날로그 저역통과 필터(70)를 거치게 되고 12 비트의 디지털 값으로 변환되어 제어부(40)에 입력되는 과정을 거쳐 디지털 신호처리 프로세싱 단계(S10)를 실행하게 된다.

1차 고속 푸리에 변환 단계(S20)는, 아날로그 저역통과 필터를 통과한 차주파수 신호(fLPF)를 정밀분석하기 위해 Zoom FFT 기법을 통하여 12비트 디지털화 된 차주파수 신호로 1차 고속 푸리에 변환을 수행하여 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 찾아낸다.

주파수 변조 단계(S30)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)을 정밀분석하기 위해 기저대역(Baseband)으로 주파수를 이동할 때, 이동된 주파수가 0Hz 이하로 이동되는 것을 방지하기 위해 주파수 변조 신호(fmod)를 생성한다.

여기서 주파수 변조 신호(fmod)는 거시적인 주파수 성분(FFTfirst)과 실제 주파수 성분(FFTfactor)의 차이값을 말하는 것이다.

디지털 저역통과 필터링 단계(S40)는 주파수 변조 신호(fmod)에 포함되어 있는 고주파 성분을 지닌 이미지 주파수(fi)를 디지털 저역통과 필터를 통하여 제거하는 것이다.

N차 데시메이션 단계(S50)는 저역통과 필터를 거친 변조신호를 설정된 횟수인 N차로 주파수를 획득하기 위해 데시메이션을 반복 시행하는 것이다.

여기서 N차는 설정된 횟수로 최적화된 주파수를 획득하기 위해 반복시행 되는 것을 말하는 것이다.

제로패딩 단계(S60)는 N차 데시메이션을 거치면서 줄어든 데이터의 수 만큼 '0'을 삽입시켜 제로 패딩을 수행한다.

2차 고속 푸리에 변환 단계(S70)는 제로패딩 단계(S60)에서 제로패딩이 완료된 신호(fz)를 고속푸리에 변환하여, 최종 주파수(FFTsecond)를 획득하게 된다.

최종 주파수 분석 단계(S80)는 2차 고속 푸리에 변환 단계(S70)에서 획득된 최종 주파수(FFTsecond)를 분석하는 일련의 과정을 거치게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템(100)에서, 농도측정장치(120)는 PCM(Process Condition Monitoring) 알고리즘을 탑재하여 현장에 맞는 농도 측정 모드를 구현하고, 공정의 이상 유무를 판단하는 동시에 농도 측정에 관련된 조작 및 제어를 수행할 수 있다.

농도측정장치(120)는 제어부(40) 및 초음파 센서기(110)에서 필요로 하는 전원을 공급하는 전원부와, 제어부(40)를 통해 측정된 농도를 외부 출력하는 외부 출력부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 외부 출력부는 디스플레이 수단과 연결되어, 숫자형 디스플레이, 공정 디스플레이, 진단 디스플레이, 데이터 트랜드 디스플레이 기능을 제공할 수 있다.

또한, PCM 알고리즘은, 측정 대상 유체의 음속을 측정하고, 음속의 변화를 판단하는 음속 필터와, 측정 대상 유체의 온도를 측정하고, 온도의 변화를 판단하는 온도 필터 및, 초음파 신호를 수신하여 신호의 크기 및 변화량을 판단하는 신호 필터를 포함할 수 있다.

이때, PCM 알고리즘은, 음속 필터를 통해 공정 상태를 체크하고, 온도 필터를 통해 공정 상태 및 배관 상태를 체크하며, 신호 필터를 통해 농도 측정의 대상이 되는 부유 고형물(Suspended Sludge, SS)의 분포 균일도를 체크한 후에 각 필터의 결과를 종합하여 공정의 운전 상태를 결정하고, SS의 분포 균일도를 판단하여 운전 중 유효 SS 농도 계측 및 공정운전상태, 배관의 충진도 정보를 운전자에게 제공할 수 있다.

이와 같이, PCM 알고리즘은 수신되는 초음파 신호와 온도 신호를 각종 필터를 통하여 현재 측정되고 있는 값의 유효성 여부를 판단하고, 기준에 부합되는 값만을 선택적으로 측정에 사용함으로써 공정 상태에 적합한 농도를 측정하여 제품의 신뢰성과 안정성을 극대화할 수 있다.

또한, PCM 알고리즘은, 현장의 운전 패턴에 따라 실시간 농도 변화를 측정하는 RT(Real Time) 모드와, 공장 진단 모니터링(Process Condition Monitoring, PCM) 결과에 근거하여 공정이 운전중 일때만 자동적으로 농도변화를 측정하는 PM(Process Monitoring) 모드로 측정할 수 있다.

이러한 PM 모드는 음속 필터, 온도 필터, 및 신호 필터를 통해 측정대상 유체의 온도 및 음속, 농도 측정의 대상이 되는 부유 고형물(Suspended Sludge, SS)의 분포 균일도(EEA) 값을 측정한다.

그리고, 초음파 센서기(110)를 통해 수신되는 초음파 신호와 온도 신호를 필터링하여 현재 측정되고 있는 측정값의 유효성을 판단하여, 측정값이 유효한 경우에 현재 배관이 비만관(Empty)이고 공정 중단(Stop)으로 측정하지만, 측정값이 유효하지 않은 경우에 온도(Ti), 음속(Si), EEAi를 측정한다.

측정된 Si가 기준 음속(S기준)을 초과하며, Ti가 제1 기준 온도(T기준1)를 초과하면 비만관 및 공정중단으로 측정한다.

그런데, 측정된 Si가 기준 음속(S기준)을 초과하지만, Ti가 제1 기준 온도(T기준1) 이하이면 만관 및 공정중단으로 측정한다.

한편, 측정된 Si가 기준 음속(S기준) 이하이면서, Ti가 제1 기준 온도(T기준1) 이하만이면 공정 운전의 판정 횟수(Count_R++)를 카운트하고, 상기 공정 운전의 판정 횟수(Count_R)가 공정 운전의 판정 기준수(CR) 이상이면 유효한 과거의 측정값을 유지한다.

그런데, 상기 공정 운전의 판정 횟수(Count_R)가 공정 운전의 판정 기준수(CR) 미만이면서 현재 Ti가 제2 기준 온도(T기준2)를 초과하면 유효한 과거의 측정값을 유지한다.

그러나, 상기 Ti가 제2 기준 온도(T기준2) 이하이고, PM의 상태변수가 '0'이 아닌 경우에 만관 및 공정 운전으로 측정하고, PM의 상태 변수를 '1'로 변경한다.

그리고, 상기에서 측정된 공정모드 상의 EEA 값을 리셋하고, 측정 EEA간의 변화 정도(d(EEA))가 기준 EEA 미만이면 유효한 과거 측정값을 유지하지만, 상기 d(EEA)가 기준 EEA 이상이면 PM 모드를 종료한다.

이때, 상기 S기준은 공정의 운전/중단(Run/Stop) 판정 기준 음속으로 공정의 운전 패턴에 따라 자동으로 조정된다. 그리고, 상기 T기준1은 공정의 운전/중단, 배관의 만관/비만관 판정 기준 온도이고, 상기 T기준2는 유효 EEA 선정 기준 온도이며, 상기 T기준1 및 T기준2은 공정의 운전 패턴에 따라 자동으로 조정된다.

상기 EEA기준은 EEA의 과도한 변화를 방지하는 기준으로 현장 경험치를 활용하고, PM_ID는 PM 상태 변수(1 : 운전, 0 : 중단)을 각각 나타낸다.

한편, 본 발명에 따른 농도측정장치(120)는 측정된 농도를 외부 출력부를 통해 표시할 수 있는데, 외부 출력부는 다음 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 도 6은 본 발명에 따른 농도 측정 장치에서 측정된 농도를 외부 출력하는 외부 출력부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명이 적용되는 농도측정장치의 외부 출력부는, 유기전계 발광표시장치로 구현되며, 기판(200) 상에 게이트 전극 및 신호배선을 포함하는 게이트 금속층(113)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(200)은 유기전계 발광표시장치가 종이처럼 휘어져도 표시 성능을 그대로 유지할 수 있도록 유연한 특성을 갖는 플렉서블(flexible) 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 게이트 금속층(113)은 저저항 특성을 갖는 제1 금속물질, 예를 들어 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리 합금, 몰리브덴(Mo) 및 몰리티타늄(MoTi) 중 어느 하나로 이루어지는 단일층 구조이거나 또는 둘 이상의 제1 금속물질들로 이루어짐으로써 이중층 또는 삼중층 구조로 형성될 수도 있다. 이러한 게이트 금속층(113)은 캐패시터(C1)의 하부전극을 이루고, 연장되어 구동 박막트랜지스터(DRT)의 게이트 전극(1131)을 이루게 된다.

그리고, 게이트 금속층(113)을 포함한 기판의 표시영역 전면에는 절연물질, 예를 들어 무기절연물질인 산화실리콘(SiO₂) 또는 질화 실리콘(SiNx)으로 이루어진 게이트 절연막(115) 및 식각 정지막(116)이 형성된다.

게이트 절연막(115)의 상부 및 식각 정지막(116) 사이에는, 각 박막트랜지스터(SWT, SST, DRT)에 대응하여 비정질 실리콘, 폴리실리콘 또는 반도체 산화물 중, 선택되는 어느 하나로 이루어지는 반도체층(121)이 형성된다. 이러한 반도체층(121)은 식각 정지막(116)상에 형성되는 콘택홀을 통해 일부 영역이 노출되며, 콘택홀을 포함하는 절연막(115) 및 식각 정지막(116) 상부에는 구동 박막트랜지스터(DRT)의 소스 및 드레인전극(1221), 데이터신호(Vdata) 인가배선(1222), 전원전압(ELVDD)인가배선(1223)을 포함하는 제1 소스 및 드레인 금속층(122)이 형성된다.

여기서, 제1 소스 및 드레인 금속층(122)은 예를 들어 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리 합금, 몰리브덴(Mo), 몰리 티타늄(MoTi), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질조합으로 이루어질 수 있다.

특히, 구동 박막트랜지스터(DRT)에는 서로 이격하며 콘택홀을 통해 노출된 반도체층(121)과 각각 접촉하며 상기 금속물질로 이루어진 소스전극 및 드레인 전극(1221)이 형성되어 있다. 이에 따라, 게이트 전극(1131), 게이트 절연막(115), 반도체층(121) 및 소스 및 드레인 전극(1221)은 하나의 구동 박막트랜지스터(DRT)를 이루게 된다. 또한, 구동 박막트랜지스터(DRT) 이외에 스위칭 박막트랜지스터(SWT) 및 센싱 박막트랜지스터(SST)도 동일 적층구조로 형성된다.

여기서, 스위칭 박막트랜지스터(SWT)의 게이트 전극 및 드레인 전극은 각각 스캔배선 및 데이터 배선과 연결되어 있으며, 스위칭 박막트랜지스터(SWT)의 소스전극은 구동 박막트랜지스터(DRT)의 게이트 전극과 전기적으로 연결되어 있고, 센싱 박막트랜지스터(SST) 및 구동 박막트랜지스터(DRT)의 소스 전극은 서로 연결되어 있다.

또한, 제1 소스 및 드레인 금속층(122)에서 데이터신호 인가배선(1222)은 캐패시터(C1)의 상부 전극을 이루게 된다.

한편, 도면에서는 제1 소스 및 드레인 금속층(122)은 모두 단일층 구조를 갖는 것을 일례로 나타내고 있지만, 이는 두 금속물질의 조합에 의한 이중층 또는 삼중층 구조를 이룰 수도 있다.

그리고, 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 상부로는 구동 박막트랜지스터(DRT)를 덮으며, 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 일부를 노출시키는 패시베이션 막(125)이 형성된다. 특히, 페시베이션 막(125)의 일부영역은 식각되어 하부의 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 전원전압 인가배선(1223)을 노출시키며, 상부의 제2 소스 및 드레인 금속층(127)과 접촉되도록 한다.

패시페이션 막(125)의 상부로는 제2 소스 및 드레인 금속층(127)이 형성된다. 이러한 제2 소스 및 드레인 금속층(127)은 상기의 제1 소스 및 드레인 금속층(122)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 특히 구동 박막트랜지스터(DRT)의 상부로 패터닝되어 게이트 전극(1131)과 동일한 전압이 인가됨으로서 듀얼 게이트(dual gate)구조를 이루게 되는 보조 게이트 전극(1271)을 포함한다.

이러한 제2 소스 및 드레인 금속층(127)은 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 전원전압 인가배선(1223)이 노출된 영역까지 연장되어 접촉됨에 따라, 그로부터 공급되는 신호가 애노드 금속층(143)까지 인가되도록 한다.

그리고, 제2 소스 및 드레인 금속층(127)의 상부로는 층간 절연막(131)이 형성된다. 이러한, 층간 절연막(131)의 일부영역에는 하부의 제2 소스 및 드레인 금속층(127)을 노출시키는 제1 콘택홀(141)이 형성되어 있으며, 제1 콘택홀(141)을 포함하여 층간 절연막(131) 상부로는 각 화소별로 분리된 형태를 가지는 애노드 금속층(143)이 형성되어 있다.

여기서, 제1 콘택홀(141)에 의해 노출되는 영역은 하부로 게이트 금속층(113)과 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 데이터신호 인가배선(1222)이 이루는 캐패시터(C1)와 중첩되며, 제2 소스 및 드레인 금속층(127)과 애노드 금속층(142)이 접촉되는 제1 영역으로 정의된다.

상기 제1 영역에서는 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 데이터신호 인가배선(1222)과 제2 소스 및 드레인 금속층(127)이 패시베이션막(125)에 의해 서로 절연되어 있다.

애노드 금속층(143)은 유기발광 다이오드의 애노드 전극을 이루는 것으로, 도시되어 있지는 않지만, 애노드 금속층(143)의 상부로는 각각 적, 녹 및 청색을 발광하는 유기발광 패턴(미도시)으로 구성된 유기발광층 및 캐소드 전극(미도시)이 형성되어 있다. 이에 따라, 애노드 금속층(143) 및 캐소드 전극과, 두 전극사이에 개재된 유기발광층은 유기발광 다이오드를 이루게 된다.

여기서, 유기 발광층은 유기 발광물질로 이루어진 단일층으로 구성될 수도 있으며, 또는 발광 효율을 높이기 위해 정공주입층(hole injection layer), 정공수송층(hole transporting layer), 발광 물질층(emitting material layer), 전자 수송층(electron transporting layer) 및 전자 주입층(electron injection layer)의 다중층으로 구성될 수도 있다.

특히, 본 발명의 애노드 금속층(143)은 일 방향으로 연장되어 제1 콘택홀(141)이 아닌, 패시베이션 막(125)과 중첩되지 않는 제2 소스 및 드레인 금속층(127)이 노출되는 층간 절연막(131)의 제2 콘택홀(142)까지 연장되어 제2 소스 및 드레인 금속층(127)과 이중으로 접촉되는 것을 특징으로 한다.

즉, 하나의 화소에 포함된 층간 절연막(131)에는 패시베이션막(125)와 중첩되는 영역에 형성되는 제1 콘택홀(141) 뿐만 아니라, 패시베이션 막(125)이 식각되어 제1 소스 및 드레인금속층(122)의 전원전압 인가배선(1223) 및 제2 소스 및 드레인 금속층(127)이 접촉되는 영역에 대응하여 제2 콘택홀(142)이 더 형성되고, 제2 콘택홀(142)까지 애노드 금속층(143)이 연장되어 이중(redundancy)으로 제2 소스 및 드레인 금속층(127)과 애노드 금속층(143)이 접촉되게 된다.

여기서, 제2 콘택홀(142)에 의해 노출되는 영역은 게이트 금속층(113), 제1 소스 및 드레인 금속층(122)의 전원전압 인가배선(1223), 제2 소스 및 드레인 금속층(127)과, 애노드 금속층(142)이 순차적으로 형성되어 서로 직접 접촉되는 제2 영역으로 정의된다.

이러한 구조에 따라, 제2 소스 및 드레인 금속층(127)의 식각공정에서 패시베이션 막(125)의 단차에 의해 제2 소스 및 드레인 금속층(127)의 단선(open)불량이 발생하게 되어도, 애노드 금속층(143) 및 제2 소스 및 드레인 금속층(127)간의 전기적 연결에는 변함이 없게 된다. 이러한 애노드 금속층(143)으로 공급되는 신호는 구동 박막트랜지스터(DRT)를 통해 인가되는 전원전압(ELVDD) 이다.

한편, 애노드 금속층(143)의 상부로는 상기 유기발광층으로의 수분침투를 방지하기 위한 적어도 하나의 패시베이션막, 유기막 및 보호필름 등이 더 구비되어 하나의 유기전계 발광표시장치를 이루게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 배관의 외벽에 부착되는 고감도의 초음파 센서에 슬러지가 고착되어 발생하는 오작동을 방지하고, 초음파 센서를 슬러지로부터 보호하여 오작동 없이 장기간 사용 가능할 뿐만 아니라, 농도와 유량(유속)에 대한 변화량을 실시간으로 동시에 측정하여 다양한 환경 변화에 적합하고 신뢰성 있는 데이터를 산출할 수 있으며, 유속에 따른 신호 감쇠를 보정할 수 있는, 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 전압 가변부 20 : 변압부
30 : 믹싱부 40 : 제어부
41 : 1차 변환 모듈 42 : 주파수 변조 모듈
43 : 데이메시션 모듈 44 : 제로패딩 모듈
45 : 2차 변환 모듈 50 : 디지털/아날로그 컨버터
60 : 아날로그/디지털 컨버터 70 : 아날로그 저역통과필터
100 : 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템
110 : 초음파 센서기 112 : 초음파 송신 센서
114 : 초음파 수신 센서 120 : 농도측정장치

Claims (8)

1. 측정 대상 유체가 흐르는 배관의 일측 외벽에 설치되어 유체를 투과하는 초음파를 송신하는 초음파 송신 센서와, 상기 배관의 타측 외벽에 설치되어 상기 초음파 송신 센서에서 송신하는 초음파를 수신하는 초음파 수신 센서를 포함하는 초음파 센서기; 및
   상기 초음파 센서기로부터 송신된 초음파가 상기 배관, 상기 측정 대상 유체, 상기 배관을 통과하여 수신되는 초음파의 세기에 따라 농도를 측정하는 농도측정 장치를 포함하고,
   상기 초음파 송신용 센서는 상기 송신된 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 송출되도록 상기 배관의 일측 외벽에 설치되고, 상기 초음파 수신용 센서는 상기 수신되는 초음파가 상기 배관에 대해 45° 각도로 수신되도록 상기 배관의 타측 외벽에 설치되어 송신용 센서와 수신용 센서가 일직선상에서 송수신되게 하고,
   상기 농도 측정 장치는 현장의 운전 패턴에 따라 실시간 농도 변화를 측정하는 RT(Real Time) 모드와, 공장 진단 모니터링(Process Condition Monitoring, PCM) 결과에 근거하여 공정이 운전 중일 때만 자동적으로 농도변화를 측정하는 PM(Process Monitoring) 모드로 측정할 수 있으며,
   상기 PM 모드는 측정 대상 유체의 음속의 변화를 판단하는 음속 필터를 통해 공정 상태를 체크하고, 온도의 변화를 판단하는 온도 필터를 통해 공정 상태 및 배관 상태를 체크하며, 초음파 신호의 크기 및 변화량을 판단하는 초음파 신호 필터를 통해 농도 측정의 대상이 되는 부유 고형물의 분포 균일도를 체크한 후에 각 필터의 결과를 종합하여 공정의 운전 상태를 결정하고, 부유 고형물의 분포 균일도를 판단하여 운전 중 유효 부유 고형물 농도 계측 및 공정운전 상태와 배관의 충진도 정보를 제공하되,
   상기 초음파 센서기를 통해 수신되는 초음파 신호와 온도 신호를 필터링하여 현재 측정값이 유효한 경우와 유효하지 않은 경우를 구분하고, 측정된 음파의 속도와 측정된 온도를 기준값과 비교하여 측정값이 유효한 경우에는 현재 배관이 비만관이며 공정중단으로 판단하고, 측정값이 유효하지 않은 경우에도 음속이 기준 음속을 초과하고 온도가 제1 기준 온도를 초과하면 비만관 및 공정중단으로 판단하고,
   음속이 기준 음속을 초과하지만, 온도가 제1 기준 온도 이하이면 만관 및 공정중단으로 판단하고, 음속이 기준 음속 이하이면서 온도가 제1 기준 온도 이하이면 공정 운전의 판정 횟수를 카운트하여, 상기 공정 운전의 판정 횟수가 공정 운전의 판정 기준수 이상이면 유효한 과거의 측정값을 유지하고,
   상기 공정 운전의 판정 횟수가 공정 운전의 판정 기준수 미만이면서 현재 온도가 제2 기준 온도를 초과하면 유효한 과거의 측정값으로 유지하고, 현재온도가 제2 기준 온도 이하이고, PM의 상태변수가 '0'이 아닌 경우에 만관 및 공정 운전으로 측정하고, PM의 상태 변수를 '1'로 변경하고, 측정된 공정모드 상의 분포균일도 값을 리셋하고, 측정 분포균일도간의 변화 정도가 기준 분포균일도 미만이면 유효한 과거 측정값을 유지하지만, 상기 분포균일도간의 변화 정도가 기준 분포균일도 이상이면 PM 모드를 종료하는 것을 특징으로 하는 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템.
   
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6. 제 1 항에 있어서,
   상기 배관의 내부에 흐르는 측정 대상 유체에 대하여 초음파를 송신하고 도플러 방식을 이용하여 유속 변화량을 측정하는 제2 초음파 센서기;
   를 더 포함하는, 외벽 부착형 초음파 유량 농도 측정 시스템.
   
   
   
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