KR20010020121A - 침강공정 분석장치 및 방법 - Google Patents

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KR20010020121A
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훼이챨스로버트
반즈랠프더블유.
로빈슨해롤드리온
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마이클 제이. 켈리
사이텍 테크놀러지 코포레이션
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Abstract

본 발명은 입자 침강속도를 포함한 액체-고체 매질에서의 입자운동 역학의 모니터링, 비침강 입자 클라우드의 확인, 및 침강기내 슬러리 중의 침강 입자의 베드 레벨의 확인 및 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템은 초음파 변환기 및 슬러리내 입자로부터의 반사파 검출용 리시버를 포함한다. 반사파를 프로세싱하여 침강 입자의 베드 레벨, 비침강 입자 클라우드의 위치, 및 입자 클라우드의 침강속도를 측정한다.

Description

침강공정 분석장치 및 방법{SETTLING PROCESS ANALYSIS DEVICE AND METHOD}
침강 입자의 베드 레벨(bed level)의 정확한 측정은 청정기, 침강농축기, 및 알루미늄 및 석탄 침강기와 같은 침강탱크 제어에 중요하다. 침강기 작동 중에, 알루미늄, 고형 폐기물 또는 석탄과 같은 입자가 담지된 액체로 구성된 슬러리는 파이프를 통해 침강탱크의 중앙 상부, 즉, "중심 웰(center well)"로 운반된다. 이어서, 슬러리는 중심 웰 중으로 배출되고, 입자는 탱크 바닥으로 침강되게 된다. 침강 입자는 베드를 형성하며, 그 위의 폐 현탁액과 액체 간의 액체-고체 접촉면이 베드 레벨이다. 그러나, 종종, 슬러리 중의 입자는 바로 바닥으로 침강하는 것이 아니라, 탱크 안에 현탁된 채로 잔류하여 동요(upset) 상태의 예보자를 발생시킬 수 있거나 이러한 예보자일 수 있는 "클라우드(cloud)"를 형성한다. 베드 레벨의 소재 및/또는 클라우드 크기와 강도에 대한 지식은 침강공정 제어를 위해 탱크에 첨가한 화학약품 또는 응집제의 양 제어에 중요하다.
침강농축기 및 청정기내 침강속도는 신뢰할 만한 측정장비의 부족으로 해서 수동 제어되어 왔다. 침강속도는 침강탱크에서 채취한 슬러리 샘플을 눈금 실린더에 넣고, 포토 셀을 이용하거나 육안 관찰로 현탁입자의 실린더 안 일정 거리 낙하 시간을 측정함으로써 수작업으로 측정하여왔다. 이러한 방법은 비록 간편하고 비용이 저렴하지만, 침강기로부터의 대표적인 샘플의 수득에 좌우되고, 침강기 밖에서 수행되며, 정확성이 관찰자인 사람에 좌우되기 때문에 신뢰할 만한 침강속도 측정수단이 되지 못한다.
침강 입자의 베드 레벨은 또한 간단한 비-간섭성 어군 탐지기(A 모드) 초음파 시스템을 사용하여 측정되어 왔다. A 모드 시스템의 경우, 변환기는 "침강기"에 들어있는 입자 현탁액 중으로 초음파 펄스를 보낸다. 침강 베드 표면으로부터 저레벨 반사파가 되돌아온다. 초음파 펄스의 속도를 알고 있으면, 잘 알려져있는 레인지(range) 공식을 이용하여 전송된 펄스와 되돌아온 반사파 간의 시간으로부터 침강 입자의 베드 레벨까지의 거리를 계산해낼 수 있다.
d = ct/2
식 중, d = 표적까지의 거리,
c = 액체 또는 기타 매질에서의 음속,
t = 변환기 펄스에서 반사파 복귀까지의 왕복시간.
당분야의 간단한 A 모드 시스템은 뚜렷한 베드 레벨 경계가 존재할 때 및 그러한 경계가 초음파 변환기 경로에 대해 본질적으로 수직일 경우에 유용하다. 그러나, 베드 레벨 경계가 변환기 경로에 대해 결코 수직이 아닌 경우, 또는 뚜렷한 베드 레벨 경계가 존재하지 않을 때, 이에 따라 베드 레벨로부터의 반사파는 희미해지거나 검출 불가능해질 수 있다. 더욱이, 베드 레벨이 존재할 수도 있는 비침강 입자에 있어서, A 모드 초음파 시스템은 침강기 성능에 대한 정보를 거의 또는 전혀 제공하지 않는다.
현재로서는, 비-간섭성 A 모드 시스템은 베드 레벨, 클라우드 층 및 클라우드 층 특성을 신뢰할 만하게 검출해낼 수 없다. 따라서, 베드 레벨과 클라우드 층 존재 및 클라우드 층 안에서의 입자 활성의 신뢰할 만하고 정확한 측정이 필요하다.
발명의 요약
본 발명은 슬러리내 침강 입자의 베드 레벨 검출 및 제어에 사용하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 또한, 슬러리내 입자의 침강속도 제어에 이용될 수 있다. 시스템은 침강탱크 안의 슬러리 중으로의 초음파 펄스 전송용 초음파 변환기를 포함한다. 시스템은 또한 슬러리내의 입자로부터의 반사파 검출용 프리앰프-리시버를 사용한다. 이러한 반사파는 침강 입자의 베드 레벨, 클라우드의 존재와 침강기내 클라우드 중의 입자 활성, 및 입자의 침강속도 측정을 위하여 프로세싱된다. 베드 레벨과 침강속도는 화학약품, 슬러리 첨가물 등의 침강탱크에의 첨가를 제어하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명에 사용되는 시스템은 임의의 하기 간섭성 모드로 작동할 수 있다: (i)존재할 경우 베드 레벨 검출을 위한 피크법(간섭성 A 모드), (ii)입자 클라우드 검출과 이의 특성 평가 및 또한 베드 레벨 검출을 위한 이동 표적 검출 모드, 및 (iii)침강탱크 안의 액체 현탁액 중에서의 상승 및 하강 입자속도 검출을 위한 도플러 프로세싱 모드. 피크법과 이동 표적 검출 모드는 이미지 모드로 불린다.
또다른 일면으로, 본 발명은 액체 슬러리 안의 침강 입자의 베드 레벨 위치 파악 시스템 및 방법을 제공한다. 본 방법은 변환기로부터의 제 1 주파수의 초음파를 침강 입자의 베드 및 침강 입자의 클라우드를 갖는 슬러리 중으로 전송하는 과정을 포함한다. 초음파는 베드로부터의 반사파 및 침강 입자로부터의 반사파를 발생시킨다. 디지털 및 아날로그 전기신호가 반사파로부터 발생되고, 전기신호는 베드 레벨과 입자의 침강을 특징규명하기 위하여 프로세싱된다.
다른 일면으로, 본 발명은 베드 레벨 및 침강 입자 확인 시스템을 제공한다. 본 시스템은 초음파 신호의 슬러리 중으로의 전송용 변환기를 이용한다. 초음파 신호는 프리앰프-리시버에 의해 포착되는 반사파로서 반영된다. 프리앰프-리시버는 반사파를 아날로그 전기신호로 변환시킨다. 이러한 신호는 개별적인 사인 및 코사인 채널로 지향되고, 여기에서 이들 신호는 믹서에서 사인 또는 코사인 신호로 증배되고 믹서의 고주파 산물 제거를 위해 필터링된다. 아날로그 스위치는 발생되는 새로운 아날로그 신호를, 이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터로 다중송신한다. 디지털 신호는 후술되는 피크법, 이동 입자법, 또는 도플러법에 따라 수치 프로세싱용 데이터 획득 메모리에 저장된다. 본 발명의 시스템은 배경잡음 또는 기저잡음의 시간-지연 버전 저장용 레인지 위상 소거 메모리를 포함한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 선행기술의 비-간섭성 A 모드 시스템에서 사용하였을 때보다 반사파 검출의 더 광범위한 동적 범위를 이용한다. 따라서, 반사파는 진폭과 위상 정보, 레인지 시간 지연 정보, 클라우드 층 활성 정보, 및 침강속도와 같은 입자속도 정보의 더 광범위한 범위를 산출하도록 프로세싱될 수 있다.
다른 일면으로, 본 발명의 시스템과 방법은 검출가능 베드 레벨의 존재와는 무관하게 침강기 성능과 상태의 모니터링에 사용될 수 있다. 또다른 일면으로서, 본 발명의 시스템과 방법은 내부 입자 활성 및 액체 레벨에서 침강기 바닥까지의 클라우드 두께와 같이 비침강 클라우드 특성의 신뢰할 만한 검출 및 특징규명을 가능케 한다. 따라서, 다수의 비침강 클라우드가 동시에 검출되고 특징규명될 수 있다. 결과는 침강기 동요 상태의 지시자로서 이용될 수 있다.
본 발명을 간략히 요약하면서, 본 발명은 하기 명세서 및 비-제한 실시예를 참조로 하여 상세하게 설명한다. 본원에서 사용되는 "침강기"라는 용어에는 청정기, 침강농축기 또는 기타 유사장치가 포함된다.
도 1a 및 1b는 베드 레벨 측정기술의 개략도이다. 도 1a 및 1b는 또한 단극성 반사파 진폭 대 침강탱크 안 깊이의 작도이다.
도 2a는 슬러리내 다양한 지점에서의 반사파 검출 개략도이다.
도 2b-2d는 도 2a에 나타낸 다양한 지점에서의 검출된 반사파 신호를 도시한다.
도 3a-3c는 본 발명에 의한 반사파 신호의 프로세싱 효과를 도시한다.
도 4는 본 발명 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 5는 베드 레벨 제어 공정의 개략도이다.
침강 입자의 베드 레벨은 침강 입자의 하향속도가 소정치, 예를 들면, 2"/분 미만인 제로에 가까운 속도이거나, 또는 비침강 입자 클라우드와 침강 베드 간에 뚜렷한 검출가능한 경계가 존재하는 레벨로서 정의될 수 있다.
도 1a는 비침강 입자 클라우드가 침강탱크 바닥 부근에 있지만 베드 레벨과 중첩되지 않는 잘 규정된 베드 레벨을 보여준다. 따라서, 베드 레벨로부터의 반사파는 분명하고 뚜렷하다. 베드 레벨로부터의 반사파 신호의 진폭도 도 1a에 도시하였다. 이와는 대조적으로 도 1b에 도시한 바와 같이, 비침강 입자 클라우드가 베드 레벨과 중첩될 때, 베드 레벨로부터의 반사파는 입자 클라우드로부터의 반사파에 의해 붕괴된다. 결과적으로, 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 베드 레벨로부터의 반사파는 희미해진다.
본 발명에 따라, 및 도 2a에 도시한 바와 같이, 초음파 변환기(T)는 침강탱크 안의 입자 클라우드(5) 중으로 초음파 펄스를 전송한다. 초음파 펄스가 입자 클라우드, 베드 레벨 또는 침강기 바닥과 만나게 될 때 초음파 펄스에 의해 발생된 입자로부터의 반사파는 변환기쪽으로 다시 반사되어 프리앰프-리시버(P-R)로 공급된다. 침강기에서 처리를 거치는 재료의 입자크기는 공정에 따라 변동될 수 있다. 직경이 약 500 내지 3000 마이크론인 재료의 경우, 약 200 내지 500 KHz의 초음파 주파수는 베드 레벨 및 비침강 입자의 "활성" 또는 "클라우드" 레벨을 높은 신호:잡음비로 검출해낼 수 있다. 직경이 약 200 내지 500 마이크론인 재료의 경우, 약 500 KHz 내지 2.25 MHz의 초음파 주파수도 베드 레벨 및 "활성" 또는 "클라우드" 레벨을 동등한 신호:잡음비로 검출해낼 수 있다. 침강기에서 처리를 거치는 좀더 작은 입자 크기의 재료, 예를 들면, 50 내지 200 마이크론 크기의 재료의 경우, 초음파 주파수는 동등한 신호:잡음비를 위해서는 2.25 내지 5 MHz로 증가시켜야 한다.
도 2b-d는 도 2a에서의 포인트 P1, P2 및 P3에 대해 본 발명에 사용된 도플러법 및 이동입자 검출법에 의해 발생된 신호를 제시한다. 도 2a에서의 포인트 P3는 침강탱크 바닥에서의 침강 베드 레벨을 나타낸다. 포인트 P2는 침강 베드 레벨의 표면 약간 위에서의 클라우드(5)내 위치를 나타내고, 포인트 P1은 입자 클라우드(5)내 위치를 나타낸다. 포인트 P1 및 P2에서, 반사파 신호는 제로 기준선 부근에서 시간에 따라 변동된다. 변동율은 입자의 속도, 변환기의 주파수 및 슬러리에서의 음속에 좌우된다. 이들 입자로부터 발생된 전형적인 파형을 도 2b와 2d에 도시하였다. 이러한 파형은 베드 레벨의 위치 파악을 위하여 도플러법 및 이동 표적 검출법에서 공지의 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 프로세싱될 수 있다. 이들 데이터는 뚜렷한 베드 레벨 경계가 존재하지 않을 때 베드 레벨의 평가에 사용된다. 이와는 대조적으로, 포인트 P3에서의 거의 고정적인 베드 레벨 경계로부터의 신호는 도 2c에 도시한 바와 같이 일정하거나 거의 일정한 신호를 산출한다. 도 2c에서의 파형은, FFT 또는 이동 표적 검출 모드로 분석하였을 때 제로 또는 제로에 가까운 입자속도를 부여한다.
본 발명의 도플러, 피크 및 이동 표적 간섭 검출 모드 각각에서, 사인(sin) 및 코사인(cos) 신호는 반사파 아날로그 신호로 증배된다. sin 및 cos 채널 각각에서의 생성되는 아날로그 신호의 주파수의 진폭과 엔벨로프는 변환기로부터의 초음파 경로를 따라 수득된 반사파 데이터를 나타낸다. 도 3a는 베드 레벨과 중첩되는 비침강 입자 클라우드가 없는 뚜렷하고 서서히 파동치는 베드 레벨로부터의 반사파에 의해 발생된 아날로그 신호를 나타낸다. 도 3b는 실질적으로 변환기의 전 경로를 따라 침강기 바닥까지 뻗어있는 비침강 클라우드 층으로부터 수득된 반사파 데이터의 진폭과 주파수를 나타낸다. 도 3c는 하나의 뚜렷한 고정 베드 레벨로부터 수득된 반사파 데이터의 진폭과 주파수를 도시한다. 탱크 안 변동되는 깊이에서의 반사파 진폭 데이터는 후술되는 sin 및 cos 채널 데이터로부터 계산해낼 수 있다.
도 4에 본 발명 시스템의 블록 다이아그램을 도시하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 매스터 발진기의 요소인 시판 크리스털 발진기가 시스템의 시간 및 로직 기능을 제어한다. 유용한 크리스털 발진기는 미국 미네소타 소재의 Digikey Co.에서 입수할 수 있다. 매스터 발진기 안의 주파수 공명 크리스털은 시스템에 안정한 기본 주파수를 제공한다. 매스터 발진기 및 로직은 또한 믹서에서 새로운 아날로그 신호를 발생시키기 위하여 반사파 신호로 증배하기 위한 sin 및 cos 주파수를 발생시킨다. 이러한 sin 및 cos 주파수는 변환기 초음파 주파수와 간섭성이고 90。 위상 변위만큼 상호 상이하다. 매스터 발진기에 의해 발생되고 펄서에 의해 증폭된 타임 게이팅 sin 채널 펄스 신호는 변환기 여기 신호로서 작용한다. 이러한 신호는 전부 크리스털 발진기와 간섭성이다. 동조 2진 카운터 체인(비도시, 매스터 발진기 블록의 일부)은 크리스털 발진기 주파수를 분할하여 목적하는 변환기 반복 주파수를 제공한다. 예를 들면, 10 ft 깊이의 침강기에 사용하기 위한 변환기 반복 주파수는 연속 변환기 펄스 간에 0.003초 지연을 이용할 수 있다. 시간 지연은 제 1 변환기 초음파 펄스로부터 되돌아오는 모든 반사파가, 후속 변환기 펄스가 전송되기 전에 프리앰프-리시버에 의해 수신되도록 한다.
sin/cos 채널 믹서로부터의 반사파 신호는 고차 주파수 제거를 위해 필터링되어, 증폭기로 보내진 다음, 아날로그 스위치를 통해 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 전송된다. ADC는 디지털 코드로의 변환용 아날로그 스위치를 통해 sin 및 cos 채널로부터 아날로그 신호를 교대로 샘플링한다. 생성되는 디지털 코드는 데이터 획득 메모리(Data Acquisition Memory)로 전송된다. 아날로그 스위치 선택, 아날로그-디지털 변환 및 데이터 획득 메모리내 저장 달성을 위한 모든 타이밍 및 로직 신호는 당업자에 의해 인식되듯 매스터 발진기 블록에서 발생된다. 이렇게 하여 시스템으로 하여금 매스터 크리스털 발진기와 동조되고 시스템이 간섭성이 되도록 한다.
반사파는 검출되어 프리앰프-리시버 블록에서 증폭된다. 프리앰프-리시버의 특성은 시간 이득 제어 전압조정의 제공이다. 시간 이득 제어 전압은 초음파 펄스가 침강기 바닥으로 주행함에 따라 변환기 초음파 경로 스프레딩을 보상하기 위해 프리앰프 이득을 증가시키도록 형상화된다. 따라서, 변환기 비임 경로를 따라 모든 표적에 대한 반사파 진폭이 등화되는 경향이 있으며, 이에 따라 더욱 신뢰할 만한 아날로그 반사파 데이터가 제공된다.
프리앰프-리시버로부터의 증폭된 반사파 신호는 sin 및 cos 믹서로 전송되며 여기에서 이들은 매스터 발진기로부터의 sin 및 cos 신호에 의해 증배된다. 각 믹서의 아날로그 신호 출력은 변환기 여기 주파수와 되돌아온 반사파 주파수 간의 차이에 해당하는 주파수를 갖는 반사파 진폭과, 고주파 텀(term)을 갖는 신호로 이루어진다. 고주파 텀은 도 4에 도시한 바와 같이 믹서 뒤에 있는 필터에 의해 제거된다. 필터로부터의 sin/cos 아날로그 신호 출력은 디지털 전기 신호로의 변환용 아날로그-디지털 컨버터로의 입력용 증폭기에서 증가시킬 수 있다.
침강 베드 레벨과 같은 고정 표적으로부터 되돌아오는 반사파는 최초의 변환기 초음파 펄스와 동일한 주파수를 갖는 반면에, 입자와 같은 이동 표적물로부터의 반사파는 도플러 변위 주파수에 해당하는 변위 주파수이다. 도플러 변위 주파수는 하기 공식으로 평가된다.
fd=(2vft/c)*cos(ø)
식중, fd= 도플러 변위 주파수,
v = 입자속도,
ft= 변환기 주파수,
c = 음속,
ø = 입자 방향과 변환기 초음파 경로 간의 각도. 예를 들면, 입자가 상하 어느 한 쪽으로 수직방향으로 유동할 경우, ø = 0 또는 180。이고 cos(ø) = ±1이다.
반사파가 침강 베드 레벨과 같은 고정 표적으로부터 되돌아오면, sin/cos 채널 아날로그 신호 출력은 도 3c에서와 같이 나타난다. 도 3c에 도시한 바와 같이, 변환기 초음파 주파수와 반사 주파수 간의 주파수 차는 대략 제로이다.
sin 또는 cos 아날로그 신호의 극성은 sin/cos 신호의 위상과 반사파의 위상 간의 관계에 좌우된다. 예를 들면, 도 1a에 도시된 바와 같은, 명확하게 규정된 베드 레벨로부터의 단극성 진폭 신호는 sin 채널의 제곱 + cos 채널의 제곱의 합의 제곱근을 계산해냄으로써 구해진다.
서행 이동 베드 레벨 경계로부터의 반사파와 같은 서행 이동하는 분리된 표적 반사파는 도 3a에서와 같이 나타난다. 또한 도 3a에 도시된 바와 같이, sin/cos 아날로그 출력 신호는 기준선 부근, 반사파 주파수와 전송된 펄스 주파수 간의 차이에 해당하는 주파수에서 진동한다. 도 1b에 도시된 바와 같은 단극성 아날로그 신호는 sin 및 cos 아날로그 신호의 제곱의 합의 제곱근을 구함으로써 수득된다.
비침강 클라우드로부터의 반사파는 도 3b에서와 같이 나타난다. 기준선 부근, 변환기 초음파 경로를 따라 있는 임의 지점에서의 반사파의 발진 주파수는 되돌아온 반사파와 그 지점에서의 전송된 펄스 주파수 간의 주파수 차에 좌우된다. 일반적으로, 비침강 클라우드 층에 대한 sin/cos 아날로그 신호 출력은 침강 베드 층에 대한 것보다 진폭이 더 낮다.
배경잡음 반사파는 스퓨리어스(spurious) 레인지 위상을 도입함으로써 비침강 클라우드 입자로부터의 목적하는 반사파를 간섭할 수도 있다. 이러한 스퓨리어스 레인지 위상은 변환기로부터의 초음파 펄스를 탱크 바닥에서 멀어지게 하여 배경잡음을 나타내고 레인지 위상 메모리에 저장하기 위한 반사파를 발생시킴으로써 확인될 수 있다. 변환기가 펄스를 발생시키는 동안, 스퓨리어스 레인지 위상 데이터는 레인지 위상 소거 메모리로부터 판독되고 반사파 신호로부터 간섭적으로 차감되어 스퓨리어스 레인지 위상 데이터를 제거시키게 된다. 레인지 위상 소거 메모리는 변동하는 침강기 상태를 규명하기 위하여 주기적인 업데이팅을 요한다. 업데이팅 빈도는 침강기 상태에 따라 당업자에 의해 손쉽게 결정될 수 있다.
데이터 수집 변수 및 모드는 연산자에 의한 컴퓨터 입력에 의해 설정된다. 연산자는 침강기 깊이, 변환기 반복속도 및 목적하는 연산모드, 즉, 피크 모드 및 이동 입자 모드, 및 도플러 모드에 대한 데이터를 입력한다. 도플러 모드가 선택되면, 연산자는 도플러 샘플의 번호와 깊이 위치를 입력한다. 편의상, 후술되는 바와 같이 피크법, 이동 입자법 및 도플러법 중 임의의 방법이 사용될 수 있다.
컴퓨터는 연산자 입력 데이터를 요약하고 이 데이터를 ADC 개시, 이미지 또는 도플러 모드 선택 등을 위해 하드 디스크 상에 화일로 저장한다. 작동 개시 때, 이러한 메모리 정보는 도플러 모드용 변환기의 사전 선택된 깊이를 위한 시스템 로직으로 판독된다. 시스템 작동을 위한 모든 후속 로직 및 타이밍 신호는 매스터 발진기 블록에서 유도된다. 이러한 후속 신호로는 ADC 타이밍 펄스, 메모리 어드레스와 라이트 펄스, 및 아날로그 스위치 제어 신호가 포함된다.
전술한 바와 같이, 침강기 상태는 일시적이다. 따라서, 베드 레벨 경계는 소정 변환기 펄스 포인트에서 만족스러운 검출위치에 있지 않을 수도 있다. 따라서, 특정 순간에, 변환기 초음파 경로에 대해 수직인 뚜렷한 베드 레벨이 존재할 수도 있지만, 다음 순간 베드 레벨은 덜 분명해질 수 있거나 더 이상 변환기 초음파 경로에 대해 수직이 아니다. 유리하게는, 두 이미지 모드에서, 반사파는 수 개의 변환기 펄스에 걸쳐서 수집되어 데이터 획득 메모리에 저장된다. 수 개의 변환기 펄스로부터의 데이터는 베드 레벨 경계의 관찰시간(존재할 경우), 및 베드 레벨 검출 확률을 증가시킨다.
데이터 획득 메모리 안의 데이터는 전술한 바와 같이 3 종의 뚜렷하게 상이한 방법에 의해 프로세싱될 수 있다. 피크 검출법의 경우, 아날로그 sin 및 cos 신호는 변환기 라인별로 메모리로부터 재호출된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 변환기 라인은 단일 초음파 펄스로부터 되돌아오는 반사파의 컬렉션이다.
유리하게는, 피크법은 데이터 획득 메모리내의 오직 하나의 변환기 라인만이 베드 레벨을 검출하였을 경우에도 베드 레벨 검출을 가능케 한다. 아울러, 침강 베드 레벨이 데이터 획득 메모리에서 수 개의 변환기 라인에 의해 검출되면, 베드 레벨 검출확률이 증가된다. 생성되는 라인은 변환기 초음파 경로상 각 레인지 증가에 대한 최대 반사파 지점을 보여주고 베드 레벨 측정을 위한 침강 베드 레벨로부터의 반사파를 제공한다.
피크법과 사용하기 위한 시스템을 초기화하기 위해서, sin 아날로그 신호 및 cos 아날로그 신호 각각에 대한 결과 라인상 각 데이터 포인트에서의 초기값을 제로에 맞춘다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 결과 라인은 각각의 sin 및 cos 채널에서 모든 기록된 변환기 라인으로부터의 침강탱크 안의 각각의 깊이에서 최고 신호값을 제시하는 라인이다. 각각의 변환기 라인에 대해, 침강탱크내 각각의 깊이에서의 신호값을 sin 및 cos 채널로부터의 그 상응하는 깊이에서의 값에 대한 그 깊이에서의 결과 라인상에 이미 존재하는 값과 비교한다. 이어서, 두 신호값 중 더 큰 값이 결과 라인에 할당된다. 물론, 제 1 변환기 라인은 결과 라인내 초기화 값보다 더 크게 될 것이다. 이러한 프로세스는 메모리에 기록된 다수의 변환기 라인에 대해 반복된다. sin 및 cos 채널 결과 라인은 다수의 변환기 라인으로부터 깊이별 최대값과 대등하다.
피크 검출법은 선행 결과 라인 각각을 따라 포인트별로 sin 채널 데이터의 제곱 + cos 채널 데이터의 제곱의 제곱근과 대등한 병합 결과 라인을 제공한다. 베드 레벨은 병합 결과 라인상 피크 진폭의 위치를 파악해냄으로써 찾아낸다. 베드 레벨 반사파 데이터가 랜덤 특성을 띠면, 목적하는 수의 초음파 펄스를 전송하기 위한 기간, 즉 호출신호 기간의 합한 기간 동안이든, 또는 그 동일 호출신호 기간 전역에 걸쳐 분해되든 간에, 피크법은 각 결과 라인 데이터 포인트에 대한 피크값을 선택함으로써 베드 레벨 검출 확률을 현저히 증가시킨다.
피크 검출법에서, 베드 레벨과 비침강 입자의 활성 레벨은 생성되는 변환기 라인 초음파 데이터를 분석함으로써 찾아낼 수 있다. 신경망이 바람직한 분석법이다. 이용할 수 있는 임의의 신경망 소프트웨어 개발 패키지를 본 발명에 사용할 수 있다. 초음파 데이터의 생성되는 변환기 라인을 입력으로 및 상응하는 측정된 실시간 베드 레벨과 입자 활성 레벨을 출력으로 제시함으로써, 신경망에 공급된 입력과 출력의 측정된 데이터 세트로부터 "학습하는" 신경망이 구축된다. 이어서, 생성되는 신경망 개발 모델이 본 발명의 제어부에 사용된다.
이동 표적법은 피크 검출법으로 침강 베드 레벨 반사파를 찾아낼 수 없을 때 또는 베드 레벨 반사파가 너무 배경잡음 레벨에 근접하여 신뢰할 수 없을 때 사용될 수 있다. 이러한 상태는 하나 이상의 입자 클라우드가 형성될 수 있는 동요 상태 동안과 같이, 적어도 있다 하여도 입자가 잘 침강될 수 없을 때 존재할 수 있다. 이러한 클라우드 안에서, 비침강 입자는 상이한 속도로 이동한다. 이러한 상태에서, 클라우드 수, 클라우드 내의 입자 활성, 및 클라우드의 크기와 위치의 확인은 침강기의 상태를 설명하는 데 유용하다.
이동 표적법은 이동 입자가 변환기 펄스 사이에 위치를 변화시켜, sin 및 cos 아날로그 신호에 변화를 초래하게 됨을 인식한다. 이동 표적법은 sin 및 cos 아날로그 신호 중 하나의 변환기 라인을 sin 및 cos 아날로그 신호의 데이터의 후속 변환기 라인으로부터 차감한 다음, 그 차이의 절대치를 구함으로써 입자 운동을 평가한다. 차이의 절대치를 다수의 변환기 라인에 대해 합산한다. 이러한 합계치는 변환기에서 침강기 바닥까지의 입자 활성의 적분 점수를 나타낸다. 침강기 깊이를 통한 적분한 입자 활성 점수는 sin 아날로그 신호의 제곱 + cos 아날로그 신호의 제곱의 합의 제곱근을 계산해냄으로써 구한다. 좀더 높은 진폭은 좀더 큰 입자 활성을 표시한다.
클라우드는 기준치 이상의 적분(총합) 활성을 갖는 비침강 입자를 확인함으로써 이동 표적법에 의해 구해진다. 기준치는 입자 활성의 적분 점수를 침강기내 깊이의 함수로서 작도함으로써 측정할 수 있다. 클라우드에 대한 적분 입자 활성 점수는 클라우드가 없는 액체 칼럼에 대한 점수보다 현저히 더 높다. 적분 점수가 기준선에서 편향하는 발생수는 탱크에 존재하는 클라우드 수와 같다. 더욱이, 이러한 편향의 위치는 또한 클라우드의 위치를 나타낸다. 따라서 적분 활성 점수를 사용하여 피크법 측정된 베드 레벨 수득 여부와 무관하게 침강기의 상태를 평가하기 위한 클라우드의 수, 개별 클라우드내의 입자 활성, 및 클라우드 형성 정도를 확인할 수 있다. 예를 들면, 높은 활성 점수는 개개 입자 활성 정도가 높은 클라우드를 표시한다. 대형 클라우드는 대범위에 걸쳐 입자 활성을 제공하지만, 소형 클라우드는 한정된 범위에 걸쳐 입자 활성을 제공한다. 클라우드 형성은 침강기 상태, 및 침강기내 화학물질 첨가물, 슬러리 첨가물의 양과 종류, 침강기 레이크(rake) 속도 등의 조정 필요성 평가를 위한 데이터를 제공한다.
특정 상황에서, 베드 레벨은 피크법으로 검출하기에는 충분히 조밀하지 않다. 이러한 베드 레벨은 입자밀도에 변화가 있거나 입자운동에 변화가 있을 때 존재한다. 이러한 유형의 베드 레벨은 소프트 베드 레벨로 불릴 수 있다. 적분 활성 점수를 이용하여 소프트 베드 레벨을 확인할 수 있다. 하나가 존재하고 중첩성 클라우드가 존재하지 않을 때, 소프트 베드 레벨은 클라우드 층에 의해 초래된 편향에 비해 기준선으로부터 더 뚜렷한 편향을 일으킬 것이다. 클라우드가 베드와 중첩될 때, 뚜렷한 편향은 존재하지 않겠지만, 베드 레벨은 클라우드에 의해 초래된 편향이 가파르게 또는 갑자기 기준선으로 되돌아올 경우 검출될 수 있다. 베드 레벨에서, 최소한의 입자 운동이 존재한다. 결과적으로, 적분 활성 점수는 기준선에 가깝다.
도플러 모드에서, 상승 및 하강 방향으로의 입자속도는 변환기 초음파 경로를 따라 특정 지점에서 계산된다. 상기의 잘 알려진 레인지 공식에 따라, 침강기내 깊이가 선택되고 초음파 신호가 전송되는 시간 T0가 기록된다. 소정시간 Tf에서, 입자 반사파의 주파수와 진폭이 기록된다. 시간 Tf는 액체에서의 음속을 토대로 슬러리 중의 특정 깊이에 대응하도록 프리세팅된다. Tf를 변동시킴으로써, 변환기 표면에서 탱크 중으로의 다양한 거리에서 입자의 침강속도가 모니터링될 수 있다. 상이한 깊이에서의 측정을 컴퓨터 제어하에 행하여 FFT에 의한 시간 함수로서 침강속도 프로필을 구축할 수 있다.
도플러 모드에서, 본 발명의 시스템은 도 2a의 P1및 P2와 같이 다수의 샘플 포인트를 수용할 수 있다. 편의상, 8개의 샘플링 포인트가 사용될 수 있다. sin 및 cos 채널에서의 오직 하나의 데이터 포인트만을 변환기 데이터의 각 라인에 대한 각각의 샘플 포인트에서 취할 필요가 있다. 데이터 획득이 완료된 후, 각 샘플 포인트에 대한 sin 및 cos 아날로그 신호가 데이터 획득 메모리로부터 검색된다. 이러한 sin 및 cos 아날로그 데이터는 고속 푸리에 변환(FFT) 또는 다른 주파수 스펙트럼 기술 또는 스펙트럼 분석기 알고리듬, 예를 들면, 자동회귀술을 이용하여 분석된다.
도플러법과의 사용에 요구되는 샘플링 기간 또는 호출신호 기간은 검출하고자 하는 최소 입자속도에 의해 결정된다. 침강기에서, 최소 입자속도는 1 내지 2 인치/분 정도이다. 따라서, 샘플링 기간은 (1/fd)이며, 여기에서 fd는 최소 입자속도에 해당하는 도플러 주파수이다. 저속은 FFT에서 저주파수에 해당한다. FFT에 의한 입자속도의 이러한 분석도를 달성하기 위해서는 10초 정도의 관측시간이 요구될 수 있다. 그러나, 최소 변환기 반복 주파수는 예상된 최대 입자속도에 의해 결정된다. 예를 들면, 500 KHz 변환기 및 0.5 ft/sec의 최대 입자속도를 이용하면, 도플러 주파수는 약 152 Hz로, 적어도 304 Hz의 변환기 반복 주파수가 요구된다.
도플러 모드에서, 도플러 샘플에 대한 레인지는 변환기 반복 주파수 레인지내에 있어야 한다. 또한, 한정된 길이의 도파관 또는 "콰이엇 박스(quiet box)"가 이용될 수 있다. 도파관은 회전 레이크에 의해 도입된 침강기 순환류와 중앙 웰로부터의 유입량이 현저히 감쇄되는 챔버로서 작용한다. 도파관이 없으면, 순환류는 입자를 수직 이외의 방향으로 이동시켜, 도플러 속도와 방향 정보를 해석하기 곤란하게 만든다. 도파관으로부터의 도플러 정보는 침강기 환경 바깥에서 눈금 실린더를 사용하여 수작업으로 측정한 침강속도와 밀접하게 대응한다.
대안의 양태에서, 침강 베드 레벨 및 입자 클라우드는 부가의 변환기를 탱크의 중앙 웰로부터 제 1 변환기보다 더 멀리에 배치함으로써 침강탱크 안 둘 이상의 장소에서 측정될 수 있다. 다중 변환기는 기포로 인한 베드 레벨 반사파내 감소된 신호:잡음비 문제를 극복하기 위하여 베드 레벨 반사파내 높은 신호:잡음비 유지에 사용될 수 있다. 기포가 변환기 표면의 충분히 큰 면적에 달라붙으면, 변환기는 작동한다손 치더라도 효율적으로 작동하지는 않게 될 것이다. 기포가 변환기의 어느 한쪽에 축적되면, 기포는 변환기 아래로 통과하는 와이퍼에 의해 제거시킬 수 있다. 기포 발생은 알루미늄 청정기에서 심각한 문제가 될 수 있다. 기포는 액체가 비점 근처 또는 그 이상의 온도로 가열될 때 발생할 수 있다. 기포는 액체 슬러리가 고압원에서 침강기 중으로 방출될 때도 또한 발생할 수 있다. 전 청정기가 비등액을 함유하지 않으면 제 2 변환기는 통상적으로 기포가 없다.
본 발명의 다른 모드는 배열상태의 다수 변환기의 사용을 수반한다. 변환기 배열은 하나 이상의 개별 변환기 또는 변환기 요소로 구성된다. 이러한 변환기 또는 변환기 요소는 단일 변환기 또는 변환기 요소에 비해 향상된 초음파 비임 특성을 발생시키도록 기하학적으로 배열된다.
발생된 초음파 비임은 침강기 바닥으로 나있는 경로를 따라 있는 단일 변환기의 것보다 더 큰 음 강도(음력) 및 압력을 갖는다. 이에 따라 매질에서의 음력 또는 음압 레벨 음 포화에 기인한, 매질, 또는 액체 슬러리로부터의 손실이 감소된다. 초음파원의 비교적 큰 유효 변환기 개구부가 제공된다. 초음파 비임 발산각도는 유효 변환기 기하학 및 작동 주파수에 의해 결정된다. 배열을 이용하여, 유효 개구부, 즉 변환기 배열의 면적이 증가된다. 개구부의 증가는 생성되는 초음파 비임의 발산각도를 감소시킨다. 또한, 프리앰프/리시버내 각 변환기 요소로부터의 수신된 반사파를 더함으로써 비임 발산각도가 효과적으로 재차 감소된다.
전체적인 시스템 감도는 이러한 신호 처리 기술에 의해 증가된다. 트랜짓 모드의 경우, 전체적인 초음파 압력 레벨이 증가된다. 음압 레벨은 각각의 변환기에 의해 생성된 압력 레벨의 합이며, 단 압력 레벨은 매질의 포화 레벨 이하이다. 결과적으로 전체적인 반사파 복귀 감도 및 강도가 증가하여, 침강기내 베드 레벨 및 비침강 입자 "활성" 또는 "클라우드" 레벨 반사파의 확인이 향상된다.
본 발명에 사용되는 배열은 예를 들면, 그러한 배치구성에 삼각형이나 사각형으로 공간배치된 2 내지 4개의 개별 변환기로 이루어질 수 있다. 1 내지 3 개의 배열이 슬러리 또는 침강기 반경을 따라 공간배치될 수 있다. 변환기의 스페이싱과 갯수도 슬러리 또는 침강기 깊이 및 침강기내 매질에 따라 변동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도파관 또는 "콰이엇 박스"가 침강기에 배치될 수 있다. 변환기를 포함하는 도파관은 침강기 현탁액 중으로 연장한다. 도파관은 침강 입자의 하향 운동 측정을 증진시키기 위해 침강기에 존재할 수 있는 랜덤 순환류의 효과를 감쇄시킨다.
도파관은 액체 슬러리가 도파관으로 유입되도록 하기 위한 슬롯이 있는 실린더일 수 있다. 도파관은 100℃ 이상의 온도와 부식액에 견딜수 있고 초음파 비임을 잘못 인도할 수 있는 순환류하에서 휘지 않는 재료로 제조된다.
도파관은 변환기 비임이, 반사파 진폭 및 검출 신뢰도의 유의할 만한 감소를 최소화하기 위하여 비임 확산을 감소시키도록 도파관의 길이 전반에 걸쳐서 본질적으로 일정하게 잔류하는 평면파에 도달하게 한다. 도파관은 또한 침강기에 존재하는 순환류를 감쇄시킨다. 순환류의 감쇄는 침강기 바깥에 있는 눈금 실린더내 현탁액과 초시계로 수작업으로 얻은 속도와 잘 상관되는 입자 수직 침강속도를 제공한다.
도파관 상단에 변환기의 배치는 변환기의 직경을 하단의 도파관 직경으로 효과적으로 감소시키고, 또한 도파관의 길이와 대등한 거리만큼 베드 레벨 입자 접촉면에 더 가까이 변환기를 효과적으로 배치한다. 도파관 상단에 변환기 설치에 의한 추가 이점은 침강속도 데이터 수득에 요하는 샘플량 측정이 도파관내 다양한 위치에서 전자공학적으로 취해질 수 있다는 점이다.
전술한 바와 같이, 탱크 안의 침강공정 상태는 일시적일 수 있다. 따라서, 침강공정 상태를 붕괴시킬 수 있는 동요 상태를 피하는 것이 중요하다. 유리하게는, 본 발명의 시스템과 방법에 의해 달성된 입자 침강속도 및 침강 베드 레벨의 위치를 이용하여 화학 첨가물 및 입자 슬러리의 탱크 첨가속도 제어에 이용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 베드 레벨과 침강속도를 이용하여, 홈통을 통해 침강 공정 탱크에 첨가된 고체의 슬러리(1)로의, 각각 밸브 CV1 및 CV2를 통한 화학약품 1과 2의 첨가속도를 제어하여 고체를 침전시키고 이에 따라 실질적으로 투명한 액체를 회수할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 침전된 폐고체는 펌프 PU2를 통해 침강탱크로부터 배출되며 잔액은 슬러리로 재순환된다.
결과적인 신경망 소프트웨어 개발 모델은 실시간 초음파 측정을 취하며 퍼지 로직 컨트롤러에 대한 대응하는 베드 레벨 및 활성 레벨 입력을 계산해낸다. 퍼지 로직 컨트롤러는 목적하는 베드 레벨 및 활성 레벨 셋 포인트를 부여하여 침강기의 역동상태를 제어하기 위해 화학약품 1과 2의 첨가 제어 밸브 CV1 및 CV1(도 5)에 대한 출력을 계산해낸다. 이러한 퍼지 로직 컨트롤러는 예를 들면, 퍼지 로직 컨트롤러에 입력을 제공하는 신경망 모델, C, FORTRAN, 또는 여타 휴대용 코딩 시스템에 프로그래밍된 퍼지 로직 및 신경망 모두에 대한 목적부호를 갖는, 임의의 시판 퍼지 로직 소프트웨어 제어 패키지를 기본으로 할 수 있다. 퍼지 로직 컨트롤러는 화학약품 1과 2, 및 여타 부수적인 화학약품의 첨가, 및/또는 언더플로우 펌프 아웃 속도를 제어하여, 침강기 셋 포인트를 제어하는, 도 5의 펌프 PU2와 같은 침강기의 기타 제어 파라미터를 관장하는 일련의 법칙으로 구성된다.

Claims (14)

  1. 초음파를 입자 슬러리 중으로 전송하여 입자로부터 반사파를 발생시키고;
    반사파로부터 아날로그 전기신호를 발생시키며;
    아날로그 전기신호를 sin 또는 cos 신호로 증배시켜 제 2 아날로그 신호를 생성시키며;
    제 2 아날로그 신호로부터 디지털 전기신호를 발생시킨 다음;
    디지털 전기신호를 프로세싱하여 침강 입자의 베드 레벨을 확인하는 단계를 포함하는, 액체 슬러리내 침강 입자의 베드 레벨 위치의 파악방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 프로세싱이 도플러법, 피크법 또는 이동 표적법 중 적어도 하나로 수행되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 피크법이
    반사파로부터의 신호를 sin 및 cos 채널 중으로 분배하고;
    sin 채널내의 신호를 초음파로서 동일 주파수의 sin 신호로 증배시키며;
    cos 채널내의 신호를 초음파로서 동일 주파수의 cos 신호로 증배시키며;
    각각의 sin 및 cos 채널내 신호를 디지털 신호로 변환시키며;
    변환기 라인에 따른 디지털 신호를 메모리에 저장하며;
    깊이의 함수로서 모든 변환기 라인으로부터의 최고 반사파 진폭을 각 채널에 대한 하나 이상의 결과 라인에 할당하며;
    하나 이상의 결과 라인으로부터 병합 결과 라인을 구축한 다음;
    병합 결과 라인상에서 최고치를 확인하여 베드 레벨의 위치를 파악하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 슬러리 중으로의 초음파 신호 전송수단;
    슬러리내 고체 입자로부터의 초음파 신호의 반사에 의해 초래된 반사파 수신수단;
    반사파의 아날로그 전기 신호 제 1 세트로의 변환수단;
    제 2 아날로그 신호를 발생시키기 위한 sin 및 cos 신호에 의한 아날로그 신호 제 1 세트의 증배수단;
    아날로그 신호의 디지털 신호로의 변환수단으로 제 2 아날로그 신호 다중전송 수단; 및
    수치 프로세싱을 위한 디지털 신호 저장용 데이터 획득 메모리를 포함하는, 슬러리내 침강 입자의 베드 레벨 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 수치 프로세싱이 도플러법, 피크법 또는 이동 표적법 중 적어도 하나에 의해 수행되는 시스템.
  6. 입자 슬러리 중으로 초음파를 전송하여 입자로부터 반사파를 발생시키고;
    반사파로부터 전기 신호를 발생시키며;
    전기 신호를 sin 및 cos 채널 중으로 분배하며;
    sin 채널 중의 전기신호를 초음파로서 동일 주파수의 sin 신호로 증배시켜 sin 채널 결과를 제공하며;
    cos 채널내 전기신호를 초음파로서 동일 주파수의 cos 신호로 증배시켜 cos 채널 결과를 제공하며;
    채널내 전기신호를 디지털 신호로 변환시키며;
    변환기 라인에 따른 디지털 신호를 메모리에 저장하며;
    각각의 변환기 라인으로부터의 디지털 신호를 연속 변환기 라인으로부터 깊이별로 차감하며;
    각 채널내 변환기 라인 간의 차이 절대치를 합산하며;
    sin 채널 결과의 제곱 및 cos 채널 결과의 제곱의 합의 제곱근을 구하여 상기 절대치로부터 병합 결과 라인을 구축한 다음;
    병합 결과 라인의 기준선으로부터 편향을 확인하여 입자 클라우드의 위치를 파악하는 단계를 포함하는, 침강탱크내 비침강 입자 클라우드의 확인방법.
  7. 제 1 항, 3 항, 6 항, 9 항 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 초음파가 2 내지 4 개의 변환기로 이루어진 배열로부터 방사되는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 변환기가 삼각형 또는 사각형 형태인 방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 병합 결과 라인상의 최고치가, 최고 반사파 진폭을 입력 데이터 화일 포맷으로 변환시키고, 입력 데이터 화일을 신경망에 의해 프로세싱하여 출력을 제공한 다음 출력을 베드 레벨 및 활성 레벨 신호로서 확인함으로써 확인되는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 베드 레벨 및 활성 레벨 신호를 퍼지 로직 컨트롤러 장치에 입력하여 하나 이상의 부수적인 출력신호를 발생시키는 방법.
  11. 초음파를 입자 슬러리 중으로 전송하여 입자로부터 반사파를 발생시키고,
    반사파로부터 전기신호를 발생시키며,
    전기신호를 프로세싱하여 피크법에 의해 침강 입자의 베드 레벨을 확인하는 단계를 포함하는 슬러리내 침강 입자의 베드 레벨 위치 파악방법에 있어서,
    반사파로부터의 신호를 sin 및 cos 채널 중으로 분배하고;
    sin 채널내의 신호를 초음파로서 동일 주파수의 sin 신호로 증배시키며;
    cos 채널내의 신호를 초음파로서 동일 주파수의 cos 신호로 증배시키며;
    각각의 sin 및 cos 채널내 신호를 디지털 신호로 변환시키며;
    변환기 라인에 따른 디지털 신호를 메모리에 저장하며;
    깊이의 함수로서 모든 변환기 라인으로부터의 최고 반사파 진폭을 각 채널에 대한 하나 이상의 결과 라인에 할당하며;
    하나 이상의 결과 라인으로부터 병합 결과 라인을 구축한 다음;
    최고 반사파 진폭을 입력 데이터 화일 포맷으로 변환시키고, 입력 데이터 화일을 신경망에 의해 프로세싱하여 출력을 제공한 다음 출력을 베드 레벨 및 활성 레벨 신호로서 확인함에 의한 병합 결과 라인상의 최고치 확인에 의해 베드 레벨 위치를 파악하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 베드 레벨 및 활성 레벨 신호를 퍼지 로직 컨트롤러 장치에 입력시켜 하나 이상의 부수적인 출력 신호를 발생시키는 방법.
  13. 제 6 항에 있어서, 병합 결과 라인의 기준선으로부터의 편향이, 최고 반사파 진폭을 입력 데이터 화일 포맷으로 변환시키고, 입력 데이터 화일을 신경망에 의해 프로세싱하여 출력을 제공한 다음 출력을 베드 레벨 및 활성 레벨 신호로서 확인함으로써 확인되는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 베드 레벨 및 활성 레벨 신호를 퍼지 로직 컨트롤러 장치에 입력시켜 하나 이상의 부수적인 출력 신호를 발생시키는 방법.
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