KR102490359B1 - 조합형 초음파 온도 및 도전율 센서 조립체 - Google Patents

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Abstract

센서 조립체는 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위해 제공된다. 상기 센서 조립체는 전자 기기 하우징으로부터 연장되는 종방향 축선을 따라서 정렬된 세장형 센서 몸체를 포함한다. 상기 센서 몸체는 측정 섹션을 규정하는 종방향 축선 주위에 배치된 복수의 세장형 전극들 및 상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착된 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (ultrasonic transceivers) 을 가지며, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 원위 단부에 부착된다. 상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 복수의 전극들 및 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들과 작동 가능하게 통신한다.

Description

조합형 초음파 온도 및 도전율 센서 조립체{COMBINED ULTRASONIC TEMPERATURE AND CONDUCTIVITY SENSOR ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 유체들을 측정하기 위한 센서들, 특히 온도 및 도전율 (conductivity)/저항률을 측정하기 위한 조합형 센서 조립체들에 관한 것이다.
센서 조립체들은 유체 유동, 밀도, 점도, 도전율, 온도 등과 같은 유체들의 특성들을 측정하는데 사용되었다. 게다가, 유체의 여러 특성들의 측정을 통하여 정확도가 개선될 수 있다.
예를 들면, 참조로 원용된 미국 특허 제 8,326,555 호는 온도 센서 및 도전율/저항률 센서 모두를 사용하여 높은 순도를 갖는 물의 도전율/저항률을 측정하는 시스템 및 관련 방법을 개시하고 있다. 상기 시스템은 사용 중에 실시간으로 연속적으로 센서를 보정하므로 정확도가 크게 개선된다. 특히, 상기 시스템은 수집된 온도 측정들과 수집된 저항률 측정들로부터 온도의 변화에 대한 저항률의 변화 (수집된 R/T 기울기) 를 결정한다. 상기 시스템은 미리 정해진 시간 간격에 대한 온도 측정들의 중간 온도에 해당하는 온도값에서 표준화된 R/T 기울기와 수집된 R/T 기울기를 비교한다. 비교에 근거하여, 상기 시스템은 물 공급원의 저항률 또는 도전율에 보정된 측정들을 제공한다. 결과적으로, 상기 시스템은 사용 중에 실시간으로 연속적으로 센서를 보정할 수 있으므로 수질 순도 측정 (water purity measurement) 의 정확도가 개선된다.
이런 조합형 측정 전략들은 시기 적절하고 정확한 측정들에 의존한다. 온도 및 도전율에 대한 현재의 센서들이 상기 시스템에 대해 일반적으로 효과적이었지만, 부족한 점이 존재한다. 예를 들면, 도전율과 온도 측정들 사이의 시간 지연은 프로세스가 너무 빠르게 변경되면 상관 관계로 인해 수질 순도의 결정이 부정확하거나 불가능하게 될 수 있다. 게다가, 종래의 온도 센서들은 제한된 해상도를 가질 수 있고, 그리고 비교적 높은 신호 잡음을 종종 발생시킬 수 있다.
따라서, 이들 우려들을 해소하는 센서 조립체가 여전히 필요하다는 것을 알아야 한다. 본 발명은 이런 요구들 등을 충족시킨다.
본 발명의 목적은 조합형 초음파 온도 및 도전율 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 독립 청구항들의 특징부들을 통하여 달성된다. 또한, 또 다른 유리한 실시 형태들은 종속 청구항들 및 상세한 설명에 따른다.
간단하게, 일반적으로, 본 발명은 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체를 제공한다. 상기 센서 조립체는 전자 기기 하우징으로부터 연장되는 종방향 축선을 따라서 정렬된 세장형 센서 몸체를 포함한다. 상기 센서 몸체는 측정 섹션을 규정하는 종방향 축선 주위에 배치된 복수의 세장형 전극들 및 상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착된 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (ultrasonic transceivers) 을 가지며, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 원위 단부에 부착된다. 상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 복수의 전극들 및 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들과 작동 가능하게 통신한다.
일 실시 형태에서, 상기 센서 몸체는 근위 단부 및 상기 근위 단부에 대해 이격된 관계로 상기 종방향 축선에 배치된 원위 단부를 포함한다. 상기 복수의 세장형 전극들은 상기 종방향 축선과 평행하게 배치되고 상기 종방향 축선에 대해 이격된 관계로 배치된 상기 근위 단부와 상기 원위 단부 사이에서 연장되어 상기 측정 섹션을 규정한다. 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착되고, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 원위 단부에 부착된다.
예시적인 실시 형태의 상세한 특징에서, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 유체의 온도를 결정하는데 사용되고, 그리고 상기 복수의 전극은 유체의 도전율을 결정하는데 사용된다.
일 실시 형태에서, 상기 센서 몸체는 상기 종방향 축선에 배치된 근위 단부 및 상기 근위 단부에 대해 이격된 관계로 상기 종방향 축선에 배치된 원위 단부를 포함한다. 상기 복수의 세장형 전극들은 상기 종방향 축선과 평행하게 배치되고 상기 종방향 축선에 대해 이격된 관계로 배치된 상기 근위 단부와 상기 원위 단부 사이에서 연장되어 상기 측정 섹션을 규정한다. 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착되고, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 원위 단부에 부착된다. 상기 전자 기기 하우징은 상기 센서 몸체의 상기 근위 단부에 커플링되고, 그리고 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 복수의 전극들 및 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들과 작동 가능하게 통신한다. 상기 복수의 전극들은 유체의 도전율을 결정하는데 사용되고, 그리고 상기 복수의 전극들은 유체의 도전율을 결정하는데 사용된다.
일부 실시 형태들에서, 전자 기기 하우징은 분리 가능한 방식으로 상기 센서 몸체에 장착되고, 장착시, 상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 및 상기 복수의 전극들과 작동 가능하게 통신한다.
일부 실시 형태들에서, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 유체의 온도를 결정하는데 사용된다.
일부 실시 형태들에서, 상기 복수의 전극들은 유체의 도전율을 결정하는데 사용된다.
일 변형예에서, 상기 복수의 전극들은 적어도 하나의 활성 전극 및 적어도 하나의 접지를 포함한다.
일 변형예에서, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 상기 센서 몸체의 상기 종방향 축선을 따라서 배치된다.
일 변형예에서, 상기 복수의 세장형 전극들은 상기 종방향 축선과 평행하고 상기 종방향 축선에 대해 이격된 관계로 배치된다.
일 변형예에서, 상기 복수의 세장형 전극들은 이격된 관계로 상기 측정 섹션을 둘러싸고 있다.
일부 실시 형태들에서, 상기 센서 조립체는 상기 센서 몸체가 파이프 내부의 유체 유동 내로 연장되고 상기 전자 기기 하우징이 상기 파이프 외부에 배치되는 삽입 센서로서 구성된다.
본 발명 및 선행 기술에 대해 달성된 이점들을 요약하기 위하여, 본 발명의 소정의 이점들이 본 명세서에서 설명되었다. 물론, 반드시 이런 이점들 모두가 본 발명의 임의의 특정한 실시 형태에 따라 달성될 수도 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들면, 이 분야의 당업자는 본 발명이 본 명세서에서 교시되거나 제안된 바와 같은 다른 이점들을 반드시 달성하지 않으면서 본 명세서에서 교시된 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수도 있음을 인식할 것이다.
이들 실시 형태들 모두는 본 명세서에 개시된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 발명의 이들 및 다른 실시 형태들은 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시 형태들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 이 분야의 당업자에게 쉽게 명백할 것이며, 본 발명은 개시된 임의의 특정한 바람직한 실시 형태로 한정되지 않는다.
본 개시의 이점들 및 특징들이 얻어질 수 있는 방식을 설명하기 위하여, 이하에서 간단히 전술한 원리들에 대한 보다 상세한 설명이 첨부된 도면들에 예시된 특정 실시 형태들을 참조하여 제공될 것이다. 이들 도면들은 본 개시의 예시적인 실시 형태들을 도시하고, 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 개시의 원리들은 첨부된 도면들의 사용을 통하여 추가의 특이성 및 상세로 기술되고 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따른 온도 및 도전율/저항률을 위한 조합형 센서 조립체의 부분 분해 사시도를 예시하며, 센서 몸체의 상부에 장착된 전자 기기 하우징을 도시한다.
도 2 는 도 1 의 센서 조립체의 센서 몸체의 근위 단부로부터의 사시도를 예시한다.
도 3 은 도 1 의 센서 조립체의 센서 몸체의 원위 단부로부터의 사시도를 예시한다.
도 4 는 파이프에 장착된 도 1 의 센서 조립체의 측면도를 예시한다 (단면으로 도시됨).
참고로, "저항률" 및 "도전율" 이라는 용어들은 이들 상호 관계에 대해 반복적으로 언급되지 않으면서 전체적으로 사용된다. 하지만, 달리 명시되지 않는 한, "저항률" 또는 "도전율" 에 대한 언급은 대응하는 상호 용어를 언급하도록 또한 의도된다.
이제 상기 도면들, 특히 도 1 을 참조하면, 도전율/저항률 및 온도를 측정하기 위한 삽입 센서 조립체 (10) 가 도시되어 있다. 센서 조립체는 유체가 유동하는 파이프에 연결되도록 구성된 전자 기기 하우징 (24) 에 장착된 센서 몸체 (14) 를 포함하여 센서 몸체가 유체 유동에 노출된다. 센서 몸체는 측정 섹션 (22) 주위에 동심원 배열로 근위 단부 (18) 와 원위 단부 (20) 사이에서 연장되는 복수의 튜브들 (전극들) (16a ~ 16h)) (도 2) 을 포함한다. 튜브들 (16a ~ 16h) 은 측정 섹션 내의 유체의 도전율/저항률을 측정하기 위하여 활성 전극들 및 접지 전극들을 포함한다. 센서 몸체는 온도와 같은 측정 섹션 내의 유체의 파라미터들을 측정하기 위하여 측정 섹션 (22) 을 가로질러서 이격된 관계로 근위 단부 (18) 및 원위 단부 (20) 각각에 커플링되는 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (21a, 21b) 을 더 포함한다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 전극들 (16a ~ 16h) 은 측정 섹션 내의 유체의 도전율/저항률을 측정하기 위하여 교번 배열로 4 개의 활성 전극들 (16a, 16c, 16e, 16g) 및 4 개의 접지 전극들 (16b, 16d, 16f, 16h) 을 포함한다. 유체 도전율은 결과로 얻어진 AC 전류를 측정하면서 전극들에 작은 AC 전압을 인가함으로써 측정된다. 전류를 전압으로 나눈 몫은 유체에서 전극들의 컨덕턴스를 제공할 것이다. 컨덕턴스 값에 전극 기하학적 구조 종속 셀 상수 (electrode geometry dependent cell constant) 를 적용한 후, 원하는 유체 도전율이 이런 측정들을 수행하는 표준 방법들의 문제로서 확립될 수 있다.
8 개의 전극들은 도전율이 측정되는 유체 체적과 초음파 측정이 수행되는 유체 체적 사이에서 최적의 조화를 달성하도록 초음파 신호의 경로 주위에 원형 패턴으로 배열된다. 하지만, 교번 전극 배열들은, 예로서, 내부에 설치되는 배관 시스템의 형상에 따라 이점들을 가질 수 있는 단지 4 개의 전극 로드들 또는 비대칭 배열들로만 가능하다.
계속해서 도 2 및 도 3 을 참조하면, 트랜시버들 (21) 은 근위 단부 (18) 및 원위 단부 (20) 의 중심 영역들에서 센서 캐비티들에 부착된 압전 디스크들이다. 트랜시버들은 하우징 (24) 내의 전자 기기에 와이어들을 사용하여 작동 가능하게 커플링된다. 예시적인 실시 형태에서, 원위 트랜시버로부터의 배선은 튜브들 (16a ~ 16h) 중 하나를 통하여 통과되어 전자 기기에 작동 가능하게 커플링된다. 압전 디스크들은 납 지르코늄 티탄산염, 수정 또는 압전 폴리머와 같은 압전 재료로 제조될 수 있다. 트랜시버들은 측정 섹션 (22) 을 가로질러서 이격되어 트랜시버들은 튜브들 (16a ~ 16h) 에 의해서 방해받지 않고 측정 섹션을 가로질러서 클리어한 통신을 한다. 일반적으로, 1 MHz ~ 5 MHz 범위의 초음파 주파수들은 액체 매체의 경우 가장 적합하다.
예시적인 실시 형태에서, 초음파 트랜시버들은 유체의 온도를 결정하는데 사용된다. 특히, 양 방향에서 트랜시버들 사이의 초음파 펄스의 통과 시간 (transit time) 은 표준 반도체 칩들 (ASIC) 에 포함된 타이밍 회로를 사용하여 측정될 것이다. 근위 단부와 원위 단부 (20) 의 표면들 사이의 공지된 거리가 주어지면, 유체 중의 소리의 속도가 계산된다. 유체 (순수한 물) 에서의 소리의 속도의 온도 의존성은 공지된 공개 정보 (문헌, 교과서로부터) 이기 때문에, 실제 유체 온도는 순람표 (lookup table) 또는 적절한 알고리즘을 사용하여 확립될 수 있다. 열전대들 또는 RTD 요소들과 같은 물리적 온도 센서들과 달리, 초음파 측정 방법은 시간 지연이 없고 유체의 온도를 즉시 측정한다. 다른 실시 형태에서, 측정 섹션 내의 유체의 다른 파라미터들이 결정될 수 있다. 예를 들면, 센서가 센서의 중심 축선을 따라서 유체의 유동을 강제하는 유동 셀 또는 파이프 내에 설치되는 경우, 2 개의 초음파 트랜시버들 사이의 상류 및 하류 통과 시간의 차이는 초음파 통과 시간 유량계들에 대한 일반적으로 공지된 방법들에 따라 유속, 그리고 최종적으로 체적 유량을 측정하는데 사용될 수 있다.
다시 도 1 을 참조하면, 센서 몸체 (14) 는 종방향 축선 (AL) 을 규정한다. 복수의 세장형 전극들 (16a ~ 16h) 은 종방향 축선 (AL) 과 평행하게, 그리고 상기 종방향 축선 (AL) 과 이격된 관계로 배치되어 측정 섹션을 이격된 관계로 둘러싸고 있다. 게다가, 한 쌍의 초음파 트랜시버들은 센서 몸체의 종방향 축선을 따라서 배치된다. 센서 몸체 (14) 는 하우징 (24) 및 유체 하우징 (예를 들면, 파이프) 에 센서 몸체를 커플링하기 위한 커플러들 (30, 32) 을 더 포함한다. 전자 기기 하우징은 분리 가능한 방식으로 상기 센서 몸체에 장착된다. 트랜시버들 (21) 및 전극들 (16) 의 배선은 커플러들을 통하여 하우징 내의 전자 기기 (미도시) 로 통과한다. 구체적으로, 센서 조립체의 원위 단부에서 트랜시버와 전자 기기 하우징을 연결하는 와이어들은 하나 이상의 관형 접지 전극들을 통하여 라우팅된다.
이제 도 4 를 참조하면, 센서 조립체 (10) 는 유체가 유동 (점선 화살표로 도시) 하는 파이프 (40) 에 장착된다. 예시적인 실시 형태에서, 센서 조립체 (10) 는 센서 몸체 (14) 가 파이프 내부로 연장되고 전자 기기 하우징이 파이프 외부에 배치되는 삽입 센서로서 구성된다. 유체는 센서 몸체 주위로 측정 섹션 내로 흐른다. 특히, 유동의 일부는 센서 몸체의 종방향 축선에 대해 비스듬하게 통과한다. 초음파 트랜시버들은 측정 섹션을 가로질러서 통신한다.
본 발명은 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 조합형 센서 조립체를 제공한다는 것을 상기로부터 알 수 있다. 상기 센서 조립체는 전자 기기 하우징으로부터 연장되는 종방향 축선을 따라서 정렬된 세장형 센서 몸체를 포함한다. 상기 센서 몸체는 측정 섹션을 규정하는 종방향 축선 주위에 배치된 복수의 세장형 전극들 및 상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착된 한 쌍의 초음파 트랜시버들을 가지며, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 원위 단부에 부착된다. 상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 복수의 전극들 및 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들과 작동 가능하게 통신한다.
본 발명은 본 발명의 이해가 전달될 수 있도록 현재의 바람직한 실시 형태들에 의해서 위에서 설명되었다. 하지만, 본 발명이 적용될 수 있는 다른 실시 형태들이 본 명세서에 구체적으로 기술되어 있지 않다. 따라서, 본 발명은 도시된 형태들로 한정되는 것으로 이해되어서는 안되고, 이는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (9)

  1. 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10) 로서,
    종방향 축선을 따라서 정렬된 세장형 센서 몸체 (14) 로서,
    측정 섹션 (22) 을 규정하는 상기 종방향 축선 주위에 배치된 복수의 세장형 전극들 (16) 로서, 상기 센서 몸체는 근위 단부 (18) 및 상기 근위 단부에 대해 이격된 관계로 상기 종방향 축선 상에 배치되는 원위 단부 (20) 를 포함하고, 상기 복수의 세장형 전극들은 상기 근위 단부 및 상기 원위 단부 사이에서 연장되고, 상기 종방향 축선과 평행하게 그리고 상기 종방향 축선과 이격된 관계로 배치되는, 상기 복수의 세장형 전극들 (16), 및
    상기 측정 섹션을 가로질러서 이격된 관계로 상기 센서 몸체에 장착되는 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (ultrasonic transceivers) (21) 로서, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 1 트랜시버는 상기 센서 몸체의 상기 근위 단부에 부착되고, 그리고 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 중 제 2 트랜시버는 상기 측정 섹션을 가로질러서 상기 센서 몸체의 상기 원위 단부에 부착되는, 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (21) 을 갖는, 상기 센서 몸체 (14) 와;
    상기 센서 몸체의 상기 근위 단부에 커플링되는 전자 기기 하우징 (24) 을 포함하고,
    상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 복수의 전극들 및 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들과 작동 가능하게 통신하는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 기기 하우징 (24) 은 분리 가능한 방식으로 상기 센서 몸체에 장착되고, 장착시, 상기 전자 기기 하우징은 상기 측정 섹션 내에서 유체 파라미터들을 측정하도록 상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (21) 및 상기 복수의 전극들 (16) 과 작동 가능하게 통신하는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (21) 은 유체의 온도를 결정하는데 사용되는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전극들 (16) 은 유체의 도전율을 결정하는데 사용되는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전극들 (16) 은 적어도 하나의 활성 전극 및 적어도 하나의 접지를 포함하는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 초음파 트랜시버들 (21) 은 상기 센서 몸체의 상기 종방향 축선을 따라서 배치되는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 세장형 전극들은 상기 종방향 축선과 평행하고 상기 종방향 축선에 대해 이격된 관계로 배치되는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 세장형 전극들은 이격된 관계로 상기 측정 섹션을 둘러싸는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 조립체는 상기 센서 몸체가 파이프 (40) 내부의 유체 유동 내로 연장되고 상기 전자 기기 하우징이 상기 파이프 (40) 외부에 배치되는 삽입 센서로서 구성되는, 도전율 측정 및 초음파 온도 측정을 위한 센서 조립체 (10).
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