KR200292528Y1 - 고주파 2개 주파수 변화의 조합을 이용한 정밀 수분 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 토목, 건축, 시공, 관개, 시설원예, 농업, 식품, 화공, 제약산업 분야에서의 입자형태의 재료나 분말 재료의 함수비를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 재료의 다짐밀도에 상관없이 정확하게 시료의 수분함량을 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 고안의 구성은 바람직한 실시예로서 평행 실린더형을 수분측정센서로 이용하여 5MHz 및 20MHz의 고주파 LC 발진기에 병렬로 연결되는 발진기 내장 일체형 센서 구조로서 2개의 고주파수 변화의 차이값을 이용하여 재료의 다짐밀도와 무관하면서 동시에 정밀한 수분을 측정할 수 있는 장치이다.

Description

고주파 2개 주파수 변화의 조합을 이용한 정밀 수분 측정 장치{PRECISION MOISTURE METER USING COMBINATION OF DUAL HIGH FREQUENCY CHANGE}

본 고안은 토목, 건축, 시공, 관개, 시설원예, 농업, 식품, 화공, 제약 산업에서 입자형태의 재료나 분말 재료의 함수비를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 재료의 다짐밀도에 상관없이 정확하게 시료의 수분함량을 측정하는 장치에 관한 것이다.

각종 식품, 농산물, 유기물, 무기물, 공업용 재료에 함유되어 있는 수분은 각 재료의 물리적, 화학적 성질 및 생리적 작용에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 가공성 및 저장성 그리고 품질을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 이러한 함수율의 측정방법은 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나눌 수 있는데, 간접적인 방법은 그 이용기술에 따라 여러 가지 측정 방법이 있으나 주로 각 재료의 전기적인 특성을 이용한 전기저항식과 콘덴서식 수분측정방법이 주로 사용되고 있다. 최근에는 적외선, 근적외선 등을 이용한 광학식도 개발되어 일부 보급되고 있으며, 마이크로파나 핵자기공명을 이용하여 수분을 측정하는 방법도 사용된다.

전기저항식 수분 측정기는 재료의 수분함량 증가에 따라 전기저항이 대수적으로 감소하는 원리를 이용하는 것으로서 재료와 전극간의 접촉저항을 안정시키기 위한 별도의 접촉압력 안정화 장치가 필요하며 수동식 측정기의 경우 시료에 가하는 압력의 변화에 따라 측정값의 변동이 나타날 수 있으며 고함수율(20%이상)일 때에는 수분의 변화에 따른 전기저항의 변화가 낮은 수분함량 보다 상대적으로 작기 때문에 측정값의 오차가 크다는 단점이 있다.

콘덴서식은 재료의 수분함량에 따라 변하는 유전율을 고주파 정전용량으로 변환시켜 함수율을 결정하는 방법이다. 비교적 넓은 범위의 수분을 비파괴적으로 신속하고 정확하게 측정할 수 있으나 재료의 유전율은 주파수, 온도, 다짐밀도, 재료의 종류 등에 큰 영향을 받으므로 이들의 영향을 보상해야 한다. 상용화된 대부분의 장치들은 다짐밀도의 영향을 배제하기 위한 방법으로 반드시 일정한 무게를 계량하여 항상 동일한 다짐정도에서 측정해야 한다.

그외 적외선분광법을 이용한 방법으로서 적외선 영역에서 입사광의 파장에 따른 수분의 흡수율 차이를 이용하는 것으로 시료표면의 수분만을 측정한다는 단점이 있다.

핵자기공명법은 물분자가 포함하고 있는 수소 원자핵의 에너지 준위특성을 이용하여 수분을 측정하는 방법으로서 정확한 수분함량의 측정이 가능한 반면 장비가 고가이며 수소 원자핵의 에너지 준위 변화를 유발할 수 있는 고자장의 자석의 설계에 많은 어려움이 있다.

중성자 산란법은 수소원자에 의한 중성자 산란에너지 감쇠를 이용하는 방법으로 이들 방법은 함수율 측정의 정확도가 매우 높은 반면 장치의 개발 및 소요비용이 매우 높다는 단점이 있다.

마이크로파를 이용한 수분측정은 물분자의 회전에너지에 따른 유전특성을 이용하여 함수율을 측정하는 방법으로 비교적 넓은 범위의 함수율을 비파괴적으로 신속하게 온라인으로 측정할 수 있으나 측정 재료의 다짐밀도에 따라 측정값의 변동이 발생한다는 단점이 있다.

상기한 바와 같이, 선행 기술들은 재료의 다짐정도(밀도)에 따라 측정값의 변동이 크며, 높은 설치비용이 드는 단점이 있다.

상술한 종래의 문제점을 감안하여, 용량성 센서와 고주파의 2개 주파수를 사용하므로써 재료의 수분함량에 따른 정전용량의 변화를 각각의 측정주파수에서 주파수 변화값으로 출력하여, 상술한 종래 기술에서의 문제점인 재료의 다짐밀도의 영향을 최소화하고 정밀한 수분을 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 고안의 정밀 수분함량 측정장치는, 정전용량의 변화량을 출력하는 실린더형 정전용량 센서, 상기 정전용량 센서와 병렬로 연결되고 각종 고주파 발진자와 조합되어 상기 정전용량의 변화에 따라 고주파수를 발진시키는 각종 발진자 회로, 상기 발진자 회로와 연결되어 재료의 수분함량에 따라 센서의 정전용량 변화에 따른 고주파 발진자의 주파수 변화를 측정하기 위한 주파수 카운터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안의 정밀 수분 측정장치의 바람직한 실시예의 평행 실린더형 센서와 2개 주파수 고주파 발진회로가 결합된 개략적인 도면이다.

도 2는 본 고안의 정밀 수분 측정장치의 바람직한 실시예의 고주파수를 발생시키는 LC발진회로도이다.

도 3은 본 고안의 정밀 수분 측정장치의 2개 주파수 고주파 발진회로 및 센서와 주파수 카운터의 연결을 나타내는 개략적인 블록도이다.

본 고안은 각종 입자 재료 및 분말재료의 수분을 다짐 정도에 무관하게 정밀한 측정이 가능한 방법을 제시하는 것으로서, 재료내 수분의 변화로 인한 유전상수의 변화가 정전용량을 변화시켜 최종적으로 발진자의 발진주파수를 변하게 하는데, 발진자는 서로 다른 2개의 고주파 발진자로서 각 발진자의 발진주파수의 변화를 적절히 조합하여 다짐밀도에 상관없이 수분함량을 측정하는 방법에 관한 것이다.

본 고안의 정밀 수분 측정장치는 각종 재료가 함유하고 있는 수분함량을 측정하는 장치로서, 도면을 참고하면, 정전용량의 변화치를 측정하기 위한 실린더형 정전용량 센서(11), 상기 실린더형 정전용량 센서(11)를 평행하게 지지 고정시키기도록 센서 삽입구(13)가 형성되어 있는 결합용 센서 지지수단(31), 상기 센서 지지수단(31)을 통해 삽입된 상기 실린더형 정전용량 센서(11)와 병렬로 연결되어 상기 정전용량의 변화에 따라 고주파수를 변화 발진시키기 위한 두개의 고주파수 발진 회로(20), 상기 두개의 고주파수 발진회로(20)간을 스위칭하기 위한 스위칭회로(21), 상기 발진회로(20)의 주파수 변화치들을 측정하기 위한 주파수 카운터(23), 상기 발진회로(20)와 주파수카운터(23)를 밀봉하여 방수하도록 상기 결합용 센서 지지수단(31)과 밀봉 결합되는 밀봉케이스(33), 상기 스위칭회로(21)에 연결되어 스위칭 제어신호를 발생시켜 상기 스위칭회로(21)에 전달하며, 상기 주파수 카운터와 연결되어 상기 주파수카운터(23)로부터 주파수 변화치를 입력받아 소정식에 따라 수분함량을 연산하는 마이크로프로세서(40), 및 상기 마이크로프로세서에 의해 연산된 토양수분값을 표시하기 위한 디스플레이장치(50)를 포함한다.

본 고안에 따른 재료의 수분을 측정하기 위한 정전용량 센서(11)는 바람직한 실시예로 평행 실린더형 센서(11)를 사용한다. 상기 평행 실린더형 센서(11)는 두 실린더의 간격과 길이를 조절함으로써, 정전용량의 측정대역을 크게 할 수 있어 안정화된 정전용량이 검출될 수 있다.

본 고안의 평행 실린더형 센서(11)는 수분에 따른 부식을 방지하기 위하여 스텐레스 강에 부식 방지 도료가 점착되어 있으며 2개의 고주파 발진기 기판과의 연결길이를 짧게 하므로써 고주파수 발진시 발생하는 노이즈의 영향이 최소화된다.

상기 평행하게 배치된 실린더형 센서(11)는 결합용 센서지지수단(31)을 통해 평행하게 지지 고정되어 있다. 센서 지지수단(31)은 두개의 삽입구가 형성되어 있어 상기 실린더형 센서(11)들이 삽입고정되며 삽입된 센서(11)의 단부가 상기한 바와 같이 노이즈의 영향을 최소화 하기 위해 연결 길이가 짧게 발진기와 병렬연결 되어 있다.

본 고안의 바람직한 실시예로서, 2개의 고주파수를 이용하기 위한 발진자 회로(20)는 코일과 가변콘덴서가 연결된 LC발진기 회로가 사용될 수 있으며, 5MHz와 20MHz의 2개 고주파 신호를 발진하게 되며 평행 실린더형 센서(11)와 일체로 구성된다. 센서(11)와 각 발진기 연결부위에 방수처리를 하므로써 수분이 발진회로(20)쪽으로 스며드는 것을 방지하게 된다.

본 고안의 바람직한 실시예에서 센서(11)와 결합된 발진기에 대하여 1차적으로 각 발진회로(20)를 알루미늄 박으로 전체를 둘러쌈으로써 외부의 전기적 노이즈를 차폐하였으며 전원부를 포함하는 전체 발진기부분을 보호하기 위하여 밀봉케이스(33), 즉, 본 고안의 바람직한 실시예에 따라 FRP 원통 케이스(33)에 수납한 다음 발진 주파수 변화 신호를 검출하기 위한 BNC 커넥터(35)가 상기 원통 케이스에 가공된다. 상기 전원부를 포함하는 발진기부분을 밀봉시키기 위해, 대응하는 나사산이 상기 센서지지수단(31)과 FRP 원통 케이스(33)에 가공되어 상기 센서지지수단(31)과 FRP 원통케이스(33)가 밀봉결합된다.

도 3에 예시된 것과 같이, 상기 각 발진회로(20)는 재료의 수분에 따라 센서(11)의 정전용량이 변화는 경우의 고주파 발진기의 주파수 변화를, 주파수 카운터(23), 실예로, 흥창(주)으로부터 입수 가능한 주파수 카운터(Universial 1000)에 입력하므로써, 각각의 주파수 변화 값들이 주파수 카운터에 의해 측정될 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 본 고안에 있어, 재료의 다짐밀도에 무관하게 다음과 같은 각 고주파 발진기의 고주파 신호의 주파수 변화값의 차이값으로 결정된다.

MC(%) = a×(f'₂₀- f'₅)²+ b×(f'₂₀- f'₅) + c (1)

여기서, MC(%)는 재료의 수분함량이고 단위는 %(퍼센트)이며,

a, b, c는 상기 식(1)의 계수로서 실험에 의하여 결정되는 값이고,

f'₅는 본 고안의 바람직한 최적의 실시에 따라, 5MHz 발진기에서의 주파수 변화값이고 공학단위는 MHz이다.

f'₂₀는 본 고안의 바람직한 최적의 실시에 따라, 20MHz 발진기에서의 주파수 변화값이고 공학단위는 MHz이다.

재료의 수분함량을 구하기 위해서는, 상기 식(10)에서 미지수, 즉, a, b, c, f'₅및 f'₂₀값을 얻어야 하는데, a, b, c 는 상기한 바와 같이 실험에 의해 구해지는 계수이며, f'₅및 f'₂₀은 이하 상세히 설명되는 수식에 의해 구해진다.

도 1에서의 센서 정전용량은 다음과 같이 유도된다.

(2)

여기서, C_m은 센서의 정전용량이고 공학단위는 pF이며,

ε_s는 재료의 유전상수이고 공학단위는 무차원이며,

ε_o는 공기의 유전율이고 그 값은 8.854×10^-12F/m이며,

r 은 도면 1에서 실린더의 반경이고 공학단위는 m이며,

d 는 도면 1에서 각 실린더 중심간의 거리이고 공학단위는 m이며,

L 은 실린더의 길이이고 공학단위는 H이다.

상기 식(2)에서, 재료의 유전상수가 포함된 센서(11)의 정전용량 변화를 수분함량 변화로 감지하기 위하여 도 2와 같은 LC발진자의 콘덴서에 센서(11)를 병렬로 연결한다. 도 2에서 LC 발진기의 발진주파수는 다음 식(3)과 같이 유도된다.

(3)

식(3)에서, f'_p는 센서(11)가 각 발진자에 병렬로 결합될 때 발진주파수의 변화이고 공학단위는 MHz이며,

L 는 LC 발진기에 포함된 코일이고 공학단위는 H이며,

C_v는 LC 발진기의 발진주파수를 가변하기 위한 가변콘덴서이며 공학단위는 pF이며,

C_m은 센서의 등가 정전용량이고 공학단위는 pF이다.

상기 식(3)에 따라, 센서(11)에 포함되는 재료의 수분함량에 따라 유전상수가 변하게 되며 이에 따라 정전용량이 변하게 되어 최종적으로 LC 발진기의 발진주파수가 변하게 되어 이 값을 측정함으로써, 즉 식(1)의 f'₅및 f'₂₀값을 구하게 되어 재료의 수분을 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

미이크로프로세서(40)의 포터커플러 제어신호에 의해 포토커플러(27)가 발진회로를 선택하고 마이크로프로세서의 제어신호에 따라 스위칭회로(21)가 스위치되므로써, 상기 2개의 고주파 신호를 각각 발생시켜 각각의 발진회로(20)로부터의 주파수 변화량을 측정하기 위해, 도 3과 같이 LC 발진회로(20)에 수분측정 센서(11)가 병렬로 연결되어 5MHz와 20MHz의 고주파 신호를 발진한다.

재료의 수분에 따른 센서(11)의 정전용량 변화에 따른 2개의 고주파 발진기의 주파수 변화를 주파수 측정 장치(흥창(주) Universial Counter U1000)로 각각 검출한 다음 상기 식(1)에 입력하므로써 수분함량을 마이크로프로세서(40)를 통해 연산하며 디스플레이장치(50)를 통해 표시하게 된다..

변형적으로, 상술한 제 나-(1) 목적달성 수단에서 주파수 변화는 실예로, 흥창(주)의 모델명 U1000 주파수 카운터를 이용하는 것으로 설명되었으나 다른 회사의 주파수 카운터로 사용하여도 본 고안의 구성에 지장이 없을 것이다.

이와 같이 본 고안에 따라, 각종 입자형태 재료 및 분말재료에서 다짐밀도에 무관하게 정밀한 수분함량을 측정할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 고안의 몇 가지 특정한 실시 예를 설명하였으나, 이것은 예시의 목적일 뿐 본 고안은 이에 한정되는 것은 아니며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 범위를 벗어나지 않고 다수의 변형 및 수정을 가할 수 있다.

Claims (3)

1. 정전용량의 변화를 측정하기 위해 배치되는 제1 및 제2 정전용량 센서;

   상기 제1 및 제2 정전용량 센서와 각각 병렬로 연결되어 상기 정전용량의 변화에 따라 고주파수를 변화 발진시키기 위한 제1 및 제2 고주파수 발진 회로;

   상기 제1 및 제2 고주파수 발진회로간을 스위칭하기 위한 스위칭부;

   상기 제1 및 제2 발진회로의 주파수 변화치들을 측정하기 위한 주파수 카운터;

   상기 스위칭부에 연결되어 스위칭 제어신호를 발생시켜 상기 스위칭부에 전달하며, 상기 주파수 카운터와 연결되어 상기 주파수카운터로부터 주파수 변화치를 입력받아 소정식에 따라 수분함량을 연산하는 마이크로프로세서; 및

   상기 마이크로프로세서에 의해 연산된 토양수분값을 표시하기 위한 디스플레이장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수분 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서를 지지 고정시키는 센서 지지수단과, 외부의 수분 및 전기적 노이즈로부터 차폐되어 발진부를 보호하고 수납가능하도록 각 발진회로를 알루미늄 박으로 밀봉시키는 밀봉케이스는, 상호 밀봉결합되는 것을 특징으로 하는 수분 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소정식은 2개 주파수 변화치의 차이에 대한 2차 다항식인 것을 특징으로 하는 수분 측정장치.