KR20070074197A

KR20070074197A - 가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치 및 농도측정 장치의 위상차 측정 오차를 감소시키는 방법

Info

Publication number: KR20070074197A
Application number: KR1020060002019A
Authority: KR
Inventors: 김성욱; 김용석; 이시동; 민위식
Original assignee: (주)하모닉스
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2007-07-12

Abstract

본 발명은, 측정 물질을 통과한 고주파인 측정 신호와 기준 신호의 위상 차이를 증가시킬 수 있는 가변 위상 증폭 회로를 포함하는 농도 측정 장치를 제공하기 위하여, 가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치에 있어서, 신호 생성부와, 피측정 물질을 수용하고, 상기 신호 생성부에 의해 발생된 신호를 상기 피측정 물질에 대해 송신하는 송신기와 상기 피측정 물질을 통과한 신호를 수신하는 수신기를 포함하는 피측정 물질 수용부와, 상기 수신기에 의해 수신된 신호의 위상을 소정의 배율로 크기 조정하는 위상 크기 조정부와, 위상 기준 신호를 생성하는 위상 기준 신호 생성부와, 상기 위상 크기 조정부로부터 출력되는 신호의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 상기 소정의 배율을 기초로 크기 조정되기 전의 값으로 환산한 후, 상기 환산된 값과 상기 위상 기준 신호의 위상을 비교함으로써, 위상차를 측정하는 위상차 측정부와, 상기 위상차 측정부에 의해 측정된 위상차에 기초하여 상기 피측정 물질의 농도를 연산하는 연산부를 포함하는 농도 측정 장치를 제공한다.

위상, 농도, 측정, 크기 조정, PLL 회로

Description

가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치 및 농도 측정 장치의 위상차 측정 오차를 감소시키는 방법 {Concentration Measuring Apparatus Using Variable Phase Variation Expansion Circuit and Method for Reducing Phase Variation Detection Error Thereof}

도 1은 종래의 마이크로파를 이용한 농도계의 구성을 도시한다.

도 2는 본 발명에 의한 가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치의 구성의 일 예를 도시한 블록도이다.

도 3a 및 도 3b는 일반적인 PLL 회로의 구성을 도시한다.

본 발명은 고주파 신호의 위상 차이를 이용하여 측정 대상에 포함되어 있는 특정 물질의 농도를 측정하는 장치에 관한 것으로서, 특히, 위상 측정의 오차를 줄임으로써 정확한 농도를 측정할 수 있는 농도 측정 장치에 관한 것이다.

종래 마이크로파를 이용하여 측정 대상 중의 특정 물질의 농도를 측정하는 피파괴 농도계가 알려져 있다. 이러한 농도계는, 물질에 따라 흡수하는 마이크로파의 주파수 대역이 서로 다르며, 마이크로파의 위상은 매질인 피측정 물질의 농도값에 거의 비례하여 변화한다는 특성을 이용한 것으로서, 매질을 통과한 마이크로파의 위상 변화를 계측함으로써 피측정 물질의 농도를 측정한다. 보다 구체적으로 살펴보면, 예를 들어, 농도를 측정하고자 하는 특정 물질이 주파수 f의 마이크로파의 위상을 변화시키며, 주파수 f의 마이크로파의 매질을 통과하기 전의 위상과 매질을 통과한 후의 위상의 차이를 Φ, 특정 물질의 농도값을 D라고 한다. 농도값을 변화시켜 가면서 위상의 차이를 측정하고 회귀 분석을 실행하면, Φ와 D 사이에는 실질적으로 다음과 같은 일차식이 성립한다.

여기서, a와 b는 상수이다.

따라서, 피측정 물질이 어떤 주파수를 갖는 고주파의 위상을 변화시키는지, 그리고 이러한 고주파의 위상의 변화와 농도값 사이의 관계를 파악해 둠으로써, 위상의 차이를 측정하는 것으로부터 농도의 계측이 가능하게 되는 것이다.

이와 같이 마이크로파를 이용하는 농도계는 측정 기기가 피측정 물질과 직접 접촉하거나 시료를 사용할 필요가 없고, 피측정 물질을 변화시키지 않으면서 농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 농도 측정 방법에 비해 정확도가 상대적으로 높기 때문에 점차 많이 이용되고 있는 추세이다. 그런데, 정확한 농도 계측을 위 해서는 위상 차이를 정확히 측정할 수 있어야 하고, 위상 차이를 정확히 측정하기 위해서는 (1) 측정 조건의 변화에 의해 발생하는 가변 측정 오차를 보상할 수 있어야 하고, (2) 매질을 통과한 신호의 위상이 360도 이상 변화한 경우에도 위상 차이를 정확히 측정할 수 있어야 하며, (3) 위상의 변화가 위상차 검출부가 갖는 위상 오차, 즉 정적(static) 위상 오차와 큰 차이가 없는 경우에도 정확한 측정이 이루어질 수 있어야 한다. (1)에 있어서, 측정 조건의 변화는, 예를 들면, 회로 내부의 온도가 변화하는 경우, 측정 대상의 온도와 도전율이 변화하는 경우, 측정 대상이 액체인 경우 액체 중에 기포가 발생하는 경우에 발생한다. 또한, (3)에 있어서는, 측정값의 크기가 측정 장치 자체의 위상 오차보다 작거나 그와 큰 차이가 없는 경우 정확한 측정을 보장할 수 없다.

한국특허출원공개 제2000-28714호는 상기한 문제점들 중 측정 조건의 변화에 의한 측정 오차 및 360도 이상의 위상 차이에 의한 농도 측정의 오류를 보완하기 위한 농도계를 개시하고 있다. 상기 선행기술문헌에 개시된 마이크로파를 이용한 농도계는, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로파 안테나인 배관(8)에 배치된 송신용 및 수신용 어플리케이터(7, 9)와, 전자 회로인 마이크로파 회로(101)와, 연산부(19)를 포함하며, 송신용 어플리케이터(7)에 인접하여 기준용 단자(20)가 설치된다. 기준용 단자(20)에서 얻을 수 있는 고정 기준 데이터는 송수신 어플리케이터(7, 9) 간의 케이블에 의한 위상 지연을 보상할 수 있기 때문에, 회로 내부의 온도 변화에 의한 위상의 변화를 보상할 수 있다. 다시 말해, 송신용 어플리케이터(7)에 인접하여 설치된 기준용 단자(20)에 의해 수신되는 신호를 고정 기 준으로 하고, 고정 기준을 통한 위상차를 계측하여 위상차(Φ_V)로부터 뺌으로써 회로 내부의 온도 변화 등에 의한 오차를 보상할 수 있도록 한다.

한편, 상기 선행 특허 문헌에 의하면, 발진기(3)가 두 개의 주파수(f₁, f₂)를 발생시키고, 참조용 발진기(11)가 이들 각각과 동일한 차이를 갖는 주파수, 즉, (f₁+△f, f₂+△f)를 발생시켜, 이들 조합에 의한 위상차를 구함으로써, 위상이 360도 넘게 변화하는 경우에도 위상의 변화를 바르게 측정할 수 있는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 종래 기술에 의하더라도 상기한 문제점들 중 (3)은 해결할 수 없다. 즉, 위상의 차이가 농도계의 위상차 측정의 오차와 큰 차이가 없는 경우에는 위상 차이, 결과적으로 농도를 정확히 계측할 수 없다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로, 측정 물질을 통과한 고주파인 측정 신호와 기준 신호의 위상 차이를 증가시킬 수 있는 가변 위상 증폭 회로를 포함하는 농도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, PLL(Phase-Locked Loop) 회로를 이용하여 기준 신호에 대한 측정 신호의 위상 변화의 크기를 임의의 크기로 제어할 수 있는 가변 위상 증폭 회로를 포함하는 농도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 기준 신호에 대한 측정 신호의 위상 변화의 폭이 작은 경 우에도 위상 변화의 크기를 소정의 비율로 증가시켜 측정함으로써 세밀한 위상 변화의 폭까지 정밀하게 측정할 수 있고, 위상차 검출부의 정적 측정 오차를 이용하여 이를 보상할 수 있는 농도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치에 있어서, 신호 생성부와, 피측정 물질을 수용하고, 상기 신호 생성부에 의해 발생된 신호를 상기 피측정 물질에 대해 송신하는 송신기와 상기 피측정 물질을 통과한 신호를 수신하는 수신기를 포함하는 피측정 물질 수용부와, 상기 수신기에 의해 수신된 신호의 위상을 소정의 배율로 크기 조정하는 위상 크기 조정부와, 위상 기준 신호를 생성하는 위상 기준 신호 생성부와, 상기 위상 크기 조정부로부터 출력되는 신호의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 상기 소정의 배율을 기초로 크기 조정되기 전의 값으로 환산한 후, 상기 환산된 값과 상기 위상 기준 신호의 위상을 비교함으로써, 위상차를 측정하는 위상차 측정부와, 상기 위상차 측정부에 의해 측정된 위상차에 기초하여 상기 피측정 물질의 농도를 연산하는 연산부를 포함하는 농도 측정 장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장 치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 실시예의 농도 측정 장치는 고주파가 측정 대상을 거치면서 발생하는 위상의 변화와 함께 측정 대상에 의해 흡수되는 에너지를 측정할 수 있도록 구성되어 있으며, 그 내부에 측정 대상을 수용하고 양단에 고주파를 송신하고 수신하는 안테나를 구비한 도관(10), 스위치(12), 스위치(14), 업 컨버터(20), 다운 컨버터(22), RF VCO(Radio Frequency Voltage Controlled Oscillator)(24), 로우패스필터(26), RF PLL(Radio Frequency Phase-Locked Loop) 회로(28), 기준 발진기(30), 제1 PLL 회로(40), VCO (38), 위상 지연 라인(32), 제2 PLL 회로(34), VCO (36), 및 위상차 검출부(50)을 포함한다. 위상차 검출부(50)는 피측정 물질의 에너지 흡수도를 측정하는 에너지 흡수도 검출부로도 기능하며, 이에 관하여서는 후술한다.

기준 발진기(30)은 측정 장치 전체의 기준 위상 발진기로 사용된다. 기준 발진기(30)로부터 출력되고 증폭기에 의해 증폭된 고주파 신호는 다음과 같은 두 개의 주요 경로를 거쳐 위상차 검출부(50)로 입력된다. 이러한 두 개의 주요 경로는, 첫째로, 위상 지연 라인(32), 제2 PLL 회로(34), 로우패스필터, 및 VCO(36)를 통과한 후 기준 위상(Phase_ref)의 신호로서 위상차 검출부(50)에 입력되는 경로(이하, 경로 A)와, 둘째로, 업 컨버터(20), 스위치(14), 도관(10), 스위치(12), 다운 컨버터(22), 제1 PLL 회로(40), 로우패스필터, 및 VCO(38)를 거쳐 측정 위상(Phase_in)의 신호로서 위상 검출부(50)에 입력되는 경로(이하, 경로 B)이다.

경로 A는 측정 대상을 거치지 않은 신호, 즉 기준 신호를 위상 검출기로 전달한다. 기준 발진기(30)의 출력 신호는, 위상 지연 라인(32), 제2 PLL 회로(34), 로우패스필터, 및 VCO(36)를 거쳐 위상 기준 디지털 신호로 변환된다. 이하에서는, 기준 신호의 위상을 Φ_ref라고 한다.

경로 B는 측정 대상을 거치면서 위상이 변화된 신호를 위상 검출기로 전달한다. 경로 B를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 우선, 기준 발진기(30)에 의해 생성된 신호는 업 컨버터(20)에 의해, 측정 대상에 포함된, 농도를 계측하고자 하는 특정 물질에 의해 위상이 변화하는 주파수 대역의 입력 신호로 변환된다. 업 컨버터에 의해 주파수가 상향 조정된 입력 신호는 스위치(14)로 입력된다. 이하에서는 입력 신호의 위상을 Φ_in라, 기준 신호와 입력 신호의 위상의 차이, 즉, 를 Φ_in-Φ_ref를 Φ_V라고 한다.

스위치(12, 14)는 회로 내부의 온도 변화 등에 의해 위상이 변화하여 발생하는 위상 크기 변화를 보상하기 위해 사용된다. 스위치(12, 14)를 도 2와 반대로 전환하였을 때의 위상을 위상 변화의 기준값으로 하고, 스위치(12, 14)를 도 2의 상태로 하여 측정한 위상으로부터 상기 기준값을 뺌으로써 위상 크기 변화를 보상할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 회로 내부의 온도 변화 등에 따른 위상의 변화를 보상할 수 있고, 따라서 위상의 차이를 보다 정확하게 계측하는 것이 가능하다.

다운 컨버터(22)는 업 컨버터(20)에 의해 주파수가 상향 조정된 신호를 기저 대역으로 주파수 변환시킨다. 이 때의 IF(Intermediate Frequency) 주파수는 임의로 선택할 수 있는데, 이를 위해 경로 A에 제2 PLL 회로(34)와 VCO(36)을 둔다.

다운 컨버터(22)를 거치면서 주파수 변환된 신호의 위상은 가변적 위상 크기 조정부인 제1 PLL 회로(40)에 의해 로우패스필터를 통해 VCO(38)의 위상을 조정하여 위상의 크기 조정되어 위상차 검출부(50)로 입력된다.

이하에서는, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 가변적 위상 크기 조정부의 동작에 관하여 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 PLL 회로의 일반적인 구성을 도시한다. 위상 비교기에서 검출되는 위상 차이 θ_Diff는 기준 발진기의 위상 θ_ref를 R 카운터로 나누고, RF 발진기의 위상 θ_RF를 N 카운터로 나눈 값의 차이다. 즉, 다음과 같은 등식이 성립한다.

여기서, θ_Diff가 0이 되도록 RF VCO를 튜닝하면, 다음과 같은 등식이 성립한다.

따라서, 기준 발진기의 위상 변화는 N/R 만큼 커지게 되며, 이하에서는 N/R을 위상 크기 조정 인자 β라고 한다.

다시 도 2를 참조하여 설명하면, 다운 컨버터(22)에 의해 주파수 변환된 신 호는 제1 PLL 회로(40)로 입력되어 제1 PLL 회로의 위상 크기 조정 인자 β 만큼 크기 조정된 후 위상차 검출부(50)로 입력된다. 이때, 위상차 검출부(50)가 갖는 정적 위상 오차를 △Φ_Error라고 하고, 위상의 차이를 △Φ라고 하면, △Φ의 크기가 △Φ_Error의 크기보다 작거나 비슷할 경우에는 △Φ_Error때문에 △Φ를 정확히 측정하는 것이 불가능하다. 다시 말해, △Φ_Error/△Φ ≥1 이면 △Φ를 정확히 측정할 수 없다. 본 발명에서는 이러한 측정 오차를 막기 위해 △Φ를 위상 크기 조정 인자 β 만큼 크기 조정한다. 이러한 경우에는, △Φ가 크지 않아서 △Φ_Error와 △Φ의 크기에 큰 차이가 없는 경우에도 △Φ_Error/β△Φ ≒ 1/β 가 되기 때문에 β를 크게 할수록 △Φ_Error에 의한 영향을 최소화할 수 있다.

위상검출부가 위상차를 검출한 후에는, β를 미리 알고 있으므로, 측정된 값을 다시 β로 나누어 주면 실제 위상차를 알 수 있다. 또한, β를 측정 범위에 따라 달리 적용하여 측정하면 정밀도를 높일 수 있다.

예를 들어, 전체 위상 감지 범위가 180도이고 정적 위상 오차가 2도인 위상차 검출부를 사용하는 경우, 측정 물질에 의한 위상 변화가 10도인 경우 20%의 위상 감지 에러가 발생된다. 이 경우, 10도의 위상 변화를 위상 크기 조정 인자를 18로 해 주면 10도의 위상이 180도가 되므로, 에러가 1.1%로 대폭 감소된다. 18배의 위상 변화를 해주었음을 미리 알고 있으므로, 측정값이 180도 일 경우 이를 10도의 위상 차이로 환산할 수 있다. 본 예와 같이 위상 측정 범위를 나누고 각 구 간마다 다른 위상 크기 조정 인자를 적용하여 측정치를 얻으면, 위상차 검출부의 정적 위상 오차에 따른 낮은 위상 변화의 측정 오차를 줄일 수 있다.

상기한 바와 같이 검출된 위상 차이 △Φ와 기준 위상의 차이를 계측하면, 농도를 측정하고자하는 물질에 의한 위상의 변화를 파악할 수 있다.

위상차 검출부(50)는 또한, 상기 위상 차이를 이용하여 농도를 연산하는 연산부를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 특정 물질의 농도값과 그 물질을 통과한 고주파의 위상 변화 사이에는 실질적으로 일차식의 관계가 성립하고([수학식1] 참조), 그러한 관계식을 실제 측정 전에 검량선 데이터에 의해 파악해두면, 위상 차이를 측정하는 것에 의해 농도값을 연산할 수 있다.

한편, 본 실시예의 농도 검출 장치는 특정 물질의 농도와 함께 이 물질의 에너지 흡수도, 즉 진폭의 변화를 측정할 수 있는 구성을 포함하고 있다. 에너지의 흡수도는 신호의 진폭의 변화로부터 파악할 수 있으므로 진폭의 변화를 측정하면 에너지의 흡수량을 파악할 수 있다. 이러한 경우에는 복사에 의한 에너지 손실을 막기 위해 도파관(wavegauide)을 도관(10)으로서 사용하는 것이 바람직하다.

경로 C는 기준 발진기(30)의 출력 신호를 증폭한 신호를 위상차 검출부(50)의 기준 신호 진폭 측정부로 입력한다.

경로 D는 기준 발진기(30)의 출력 신호가 증폭기, 업 컨버터(20), , 도관(10), 스위치(14, 12), 다운 컨버터(22), 및 진폭 옵셋 조정부를 거쳐 위상차 검출부(50)의 입력 신호 진폭 측정부로 입력한다. 입력 신호 진폭 측정부에서 측정한 진폭과 기준 신호 진폭 측정부에서 측정한 진폭으로부터 에너지의 흡수량을 산출할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 결정되며, 본 발명의 기술적 범위 이내에서 상기한 실시예들의 다양한 변형 및 수정이 가능할 것이기 때문이다.

본 발명에 의하면, 고주파의 위상 변화를 이용한 농도 측정 장치에 있어서, PLL 회로를 이용하여 농도를 측정하고자 하는 물질에 의한 고주파 신호의 위상 변화의 크기를 임의의 크기로 제어할 수 있는 가변 위상 증폭 회로를 포함한다. 따라서, 기준 신호에 대한 측정 신호의 위상 변화의 크기를 소정의 비율로 증가시켜 측정할 수 있다.

이로 인해, 기준 신호에 대한 측정 신호의 위상 변화의 폭이 작은 경우, 즉 이러한 위상 변화가 위상차 검출부의 위상 오차보다 작거나 그와 큰 차이가 없는 경우에도, 위상차 검출부의 위상 오차에 의해 거의 영향을 받지 않고 세밀한 위상 변화의 폭까지 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 위상차 검출부의 정적 위상 오차를 보상할 수 있는 농도 측정 장치를 제공할 수 있다.

Claims

가변 위상 증폭 회로를 이용한 농도 측정 장치에 있어서,

신호 생성부와,

피측정 물질을 수용하고, 상기 신호 생성부에 의해 발생된 신호를 상기 피측정 물질에 대해 송신하는 송신기와 상기 피측정 물질을 통과한 신호를 수신하는 수신기를 포함하는 피측정 물질 수용부와,

상기 수신기에 의해 수신된 신호의 위상을 소정의 배율로 크기 조정하는 위상 크기 조정부와,

위상 기준 신호를 생성하는 위상 기준 신호 생성부와,

상기 위상 크기 조정부로부터 출력되는 신호의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 상기 소정의 배율을 기초로 크기 조정되기 전의 값으로 환산한 후, 상기 환산된 값과 상기 위상 기준 신호의 위상을 비교함으로써, 위상차를 측정하는 위상차 측정부와,

상기 위상차 측정부에 의해 측정된 위상차에 기초하여 상기 피측정 물질의 농도를 연산하는 연산부를 포함하는 농도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 위상 크기 조정부는 PLL 회로인 것을 특징으로 하는 농도 측정 장치.
제2항에 있어서,

상기 PLL 회로는 기준 발진기와, 상기 기준 발진기의 위상을 R로 나누는 카운터와, RF 발진기, 및 상기 RF 발진기의 위상을 N으로 나누는 카운터를 포함하며,

상기 소정의 배율은 N/R인 것을 특징으로 하는 농도 측정 장치.
고주파의 위상 변화를 이용하는 농도 측정 장치의 위상차 측정 오차를 감소시키는 방법에 있어서,

피측정 물질에 의해 위상이 변화하는 주파수 대역의 신호를 생성하는 단계와,

상기 신호를 피측정 물질에 입사시키는 단계와,

상기 피측정 물질을 통과한 신호의 위상을 소정의 배율로 크기 조정하는 단계와,

상기 크기 조정된 위상을 측정하는 단계와,

위상 기준 신호를 생성하는 단계와,

상기 위상 기준 신호의 위상을 측정하는 단계와,

상기 크기 조정된 위상을 상기 소정의 배율을 기초로 크기 조정되기 전의 값으로 환산한 후, 상기 환산된 값과 상기 위상 기준 신호의 위상을 비교함으로써, 위상차를 측정하는 단계와,

상기 측정된 위상차에 기초하여 상기 피측정 물질의 농도를 연산하는 단계를 포함하는 방법.