KR20110133609A

KR20110133609A - 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20110133609A
Application number: KR1020117024379A
Authority: KR
Inventors: 하이오니 벵고에체아 아페즈테구이아; 마크 카파이즈; 알렉산더 반 데르 리; 울리히 바이흐만
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-12-13
Also published as: US20120002189A1; WO2010106483A3; JP2012521003A; EP2409115A2; CN102356297A; WO2010106483A2

Abstract

본 발명은 유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 장치(1)에 관한 것이다. 상기 장치는 거리 및 속도 결정 유닛(3)을 포함하며, 거리 및 속도 결정 유닛은 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 유체의 요소들의 거리들을 결정하고 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 동시에 상기 요소들의 속도들을 결정한다. 상기 장치(1)는 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 유동 결정 유닛(4)을 더 포함한다. 이것은, 유체(2)가 광학적으로 두꺼운 경우에도, 유동 특성을 결정하는 것을 허용한다.

Description

유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치{APPARATUS FOR DETERMINING A FLOW PROPERTY OF A FLUID}

본 발명은 유체의 유동 특성(flow property)을 결정하기 위한 장치, 방법, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.

논문 "Detection of small particles in fluid flow using a self-mixing laser"(S. Sudo et al., Optics Express, Vol. 115, Issue 13, pp. 8135-8145)는 매우 높은 광 감도를 갖는 레이저 다이오드 펌프형의, 얇은 슬라이스 솔리드 스테이트 레이저(laser-diode-pumped, thin-slice solid state laser)를 이용한 자기 혼합 레이저 도플러 측정(self-mixing laser Doppler measurement)에 의해 유체 유동 내의 작은 입자들을 검출하기 위한 실시간 방법을 개시하고 있다. 작은 직경의 유리 파이프를 통하여, 묽은 샘플 유동에서 이동하는 작은 입자들로부터의 재주입된 산란 광에 의해 변조된 레이저 출력의 비대칭 전력 스펙트럼이 관찰되고, 푸아죄유의 법칙(Poiseuille's law)을 따르는, 유체 유동의 속도 분포를 반영하는 것으로 증명된다. 비대칭 전력 스펙트럼에 대한 유체 유동의 속도 분포의 의존성이 결정되고 측정된 비대칭 전력 스펙트럼에 기초하여 유체 유동의 속도 분포를 결정하기 위해 이용된다.

이 방법은 유체 유동이 작은 광학적 두께를 갖는 경우에만 유체 유동이 결정될 수 있다는 단점이 있다. 보다 큰 광학적 두께에 대해서는 유체 유동이 결정될 수 없다.

본 발명의 목적은 유체의 보다 큰 광학적 두께에 대한 유동 특성을 결정하는 것을 가능케 하는, 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치, 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에서 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치가 제공되고, 그 장치는,

· 거리 및 속도 결정 유닛 - 상기 거리 및 속도 결정 유닛은 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 유체의 요소들의 거리들을 결정하고 동시에 상기 요소들의 속도들을 결정하며, 상기 거리 및 속도 결정 유닛은 레이저 캐비티(laser cavity)를 갖는 레이저를 포함하고, 상기 거리 및 속도 결정 유닛은 상기 레이저 캐비티 내에서 생성된 레이저 방사선을 상기 유체에 의해 반사되도록 상기 유체로 향하게 하고 반사된 방사선을 상기 레이저 캐비티 내의 방사선과 혼합하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호(self-mixing interference signal)를 생성하고 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 상기 거리들 및 상기 속도들을 결정하도록 구성됨 -,

· 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 유동 결정 유닛을 포함한다.

상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 유체의 요소들의 거리들 및 상기 요소들의 속도들은 동시에 결정되기 때문에, 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 어떤 거리들에 상기 요소들이 위치하고 이 거리들에서 이들 요소들이 어떤 속도들을 갖는지가 알려진다. 이는 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체의 유동 특성을 결정하는 것을 가능케 한다. 예를 들면, 상기 유체의 광학적 두께가, 예를 들면, 원하는 유동 특성을 결정하기 위해 상기 요소들의 상기 결정된 거리들이 반드시 필요하지 않을 정도로 낮다면, 상기 원하는 유동 특성을 결정하기에 충분한 속도들이 결정되도록 상기 레이저 방사선이 상기 유체 안으로 깊이 침투할 수 있기 때문에, 상기 유동 결정 유닛은 상기 결정된 속도들에만 기초하여 상기 유동 특성을 결정할 수 있다. 그러나, 만일 상기 광학적 두께가, 예를 들면, 상기 결정된 속도들이 상기 유동 특성을 결정하기에 충분하지 않은 정도라면, 상기 레이저 방사선이 상기 유체 안으로 충분히 깊이 침투할 수 없기 때문에, 상기 유동 결정 유닛은 상기 유동 특성을 결정하기 위해 상기 결정된 속도들 및 상기 결정된 거리들을 이용할 수 있다. 따라서, 비록 상기 광학적 두께가 클지라도, 동시에 결정된, 상기 속도들 및 거리들을 이용하여 결정될 수 있다.

상기 거리 및 속도 결정 유닛은 레이저 캐비티 내에서 생성된 레이저 방사선을 상기 유체에 의해 반사되도록 상기 유체로 향하게 하고 반사된 방사선을 상기 레이저 캐비티 내의 상기 방사선과 혼합하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 캐비티 내의 이러한 혼합은 레이저 전력의 파동으로 귀결되고, 이것은 상기 자기 혼합 간섭 신호로서 검출될 수 있다. 이 자기 혼합 간섭 신호는 상기 유체의 요소들의 속도들 및 거리들에 의존하고, 상기 거리 및 속도 결정 유닛은 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호로부터 상기 유체의 이들 요소들의 거리들 및 속도들을 결정하도록 구성된다.

상기 유체의 요소들의 거리들 및 속도들을 동시에 결정하는 것은 요소에 의해 반사된 동일한 반사된 방사선이 이 요소의 거리 및 속도를 결정하기 위해 이용된다는 것, 즉, 이 요소의 결정된 거리 및 속도는 동시에 이 요소의 거리 및 속도를 기술한다는 것을 의미한다.

상기 유체의 요소들은, 예를 들면, 상기 유체 자체의 요소들 및/또는 상기 유체에 추가된 요소들이다.

상기 유동 결정 유닛이 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체의 유동 특성을 결정하도록 구성된다는 것은 상기 거리들, 상기 속도들 또는 상기 거리들 및 상기 속도들 양쪽 모두가 상기 유체의 유동 특성을 결정하기 위해 이용된다는 것을 의미한다.

상기 유동 결정 유닛은 상기 유체의 특성으로서 최대 유동 속도 및 체적 유량(volume flow) 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 체적 유량은 바람직하게는, 미리 정의된 시간 간격에서, 상기 유체의 단면을 통하여 흐르는, 상기 유체의 체적으로서 정의된다. 따라서, 상기 체적 유량은 또한 체적 유속(volume flow rate)으로 간주될 수 있다.

상기 거리 및 속도 결정 유닛은,

· 상기 자기 혼합 간섭 신호로부터 도플러 주파수들을 결정하고,

· 상기 결정된 도플러 주파수들 중 최대 도플러 주파수를 결정하고,

· 상기 결정된 최대 도플러 주파수로부터 상기 유체의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하도록 구성되고,

상기 유동 결정 유닛은 상기 최대 유동 속도를 상기 유동 특성으로서 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다. 이것은 상기 최대 유동 속도를 쉽게 그리고 높은 정확도로 결정하는 것을 허용한다.

상기 유동 결정 유닛은,

· 상기 최대 유동 속도와 체적 유량 사이의 관계를 정의하는 체적 유량 함수(volume flow function)를 제공하고,

· 상기 체적 유량 함수 및 상기 최대 유동 속도를 이용하여 상기 체적 유량을 상기 유동 특성으로서 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다.

상기 장치는 상기 요소들의 상기 결정된 거리들로부터 상기 유동의 폭을 결정하기 위한 유동 폭 결정 유닛을 더 포함하는 것이 또한 바람직하다.

만일 상기 레이저 방사선이 상기 유동을 가로지른다면, 상기 유동 너머에 어떤 반사하는 또는 산란하는 요소도 존재하지 않고, 또는, 만일 상기 유체가 튜브 안에 위치한다면, 상기 튜브의 가장자리 너머에 어떤 반사하는 또는 산란하는 요소도 존재하지 않고, 따라서 상기 유동 너머 또는 상기 튜브 너머로부터 각각 어떤 거리 정보도 돌아오지 않을 것이다. 또한, 방출된 레이저 방사선의 전파 방향에 관하여, 상기 유동의 앞에, 또는, 만일 상기 유체가 상기 튜브 안에 위치하는 경우, 상기 튜브의 앞에, 유체의 어떤 산란하는 또는 반사하는 요소들도 존재하지 않고 따라서 이 위치로부터 어떤 거리 정보도 돌아오지 않을 것이다. 따라서, 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 가장 가까운 거리 또는 최대 거리를 결정함으로써 상기 유동의 폭이 결정될 수 있다. 이 결정된 폭은, 예를 들면, 그 결정된 폭을 상기 유동의 알려진 폭과 비교하는 것에 의해, 예를 들면, 상기 레이저 방사선이 상기 유동을 완전히 관통하는지 여부를 결정하기 위해 이용될 수 있다.

상기 유동 결정 유닛은,

· 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 요소들의 거리들에 따라서 상기 유체의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고,

· 상기 유동 모델 함수를 상기 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고(fit),

· 상기 피팅된 유동 모델 함수로부터 상기 유동 특성을 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다.

상기 유동 모델은 바람직하게는, 최대 유동 속도는 상기 유동의 중앙에 위치하고 제로 속도 값들은 상기 유동의 가장자리에 위치하는 것을 가정하는, 층류 모델(laminar flow model)이다.

상기 유체의 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에의 상기 유동 모델 함수의 피팅은, 상기 유체의 소수의 요소들의 거리들 및 속도들만이 결정된 경우에도, 수행될 수 있다. 따라서, 이 피팅은, 상기 유체가 광학적으로 두꺼운 경우에도, 수행될 수 있다. 따라서 이것은 큰 광학적 두께를 갖는 유체들에 대한 유동 특성을 결정하는 능력을 향상시킨다.

상기 장치는,

· 상기 요소들의 상기 결정된 거리들로부터 상기 유동의 폭을 결정하기 위한 유동 폭 결정 유닛을 더 포함하고,

상기 거리 및 속도 결정 유닛 및 상기 유동 결정 유닛은,

a) 만일 상기 결정된 폭이 미리 정의된 최대 속도 폭과 같거나 그보다 크다면, 상기 거리 및 속도 결정 유닛은 상기 자기 혼합 간섭 신호의 최대 주파수를 결정하고 상기 결정된 최대 주파수로부터 상기 유체의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하고, 상기 유동 결정 유닛은 상기 최대 유동 속도를 상기 유동 특성으로서 결정하고,

b) 만일 상기 결정된 폭이 상기 미리 정의된 최대 속도 폭보다 작다면, 상기 유동 결정 유닛은 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 요소들의 거리들에 따라서 상기 유체의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고, 상기 유동 모델 함수를 상기 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고, 상기 피팅된 유동 모델 함수로부터 상기 유동 특성을 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다.

상기 미리 정의된 최대 속도 폭은, 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호로부터 상기 최대 유동 속도를 결정하는 것을 허용하기 위하여, 상기 유동 폭 결정 유닛에 의해 적어도 결정되어야 하는, 상기 유동의 폭을 정의한다. 이 결정된 상기 유동의 폭은 상기 유체의 광학적 두께, 즉, 상기 유체 내의 상기 방사선의 관통 깊이에 의존한다. 따라서, 상기 결정된 유동의 폭에 따라서 상기 유체의 유동 특성을 결정함으로써, 상기 유동 특성의 결정은 상기 유체의 광학적 두께에 의존한다. 만일 상기 광학적 두께가 상기 레이저 방사선이 상기 최대 속도 폭에 도달할 정도로 작다면, 상기 거리 및 속도 결정 유닛 및 상기 유동 결정 유닛은 상기 자기 혼합 간섭 신호로부터 도플러 주파수들을 결정하는 것에 의해, 상기 결정된 도플러 주파수들 중 최대 도플러 주파수를 결정하는 것에 의해, 상기 결정된 최대 도플러 주파수로부터 상기 유체의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하는 것에 의해 최대 유동 속도를 결정하도록 구성된다. 만일 상기 광학적 두께가 상기 레이저 방사선이 상기 최대 속도 폭에 도달할 수 없을 정도로 크다면, 상기 유동 결정 유닛은 상기 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 요소들의 거리들에 따라서 상기 유체의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고, 상기 유동 모델 함수를 상기 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고, 상기 피팅된 유동 모델 함수로부터 상기 유동 특성을 결정한다. 이것은 상기 유체의 광학적 두께에 따라서 상기 유체의 유동 특성을 결정하는 것을 허용한다.

상기 유동 결정 유닛은 상기 유동 특성으로서 상기 자기 혼합 간섭 신호로부터 상기 유체의 유동이 층류인지 난류인지를 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다. 상기 유체의 유동이 층류인지 난류인지의 결정은 상기 유동이 층류로 남거나 층류가 되도록 상기 유체의 유동을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 만일 상기 유체가 튜브를 통하여 펌핑된다면, 펌프 압력은, 만일 상기 유체가 난류이면, 상기 유동이 층류가 되도록 상기 펌프 압력이 감소되도록 제어될 수 있다. 이것은 내부 마찰로 인한 상기 유동의 손실을 최적화한다.

바람직하게는, 상기 유동 결정 유닛은, 만일 상기 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖는다면, 상기 유동이 난류라고 결정하도록 구성되고, 상기 유동 결정 유닛은, 만일 상기 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖지 않는다면, 상기 유동이 층류라고 결정하도록 구성된다.

본 발명의 추가적인 양태에서는 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 방법이 제공되고, 그 방법은,

· 거리 및 속도 결정 유닛까지의 상기 유체의 요소들의 거리들을 결정하고 동시에 상기 요소들의 속도들을 결정하는 단계 - 레이저 캐비티 내에서 생성된 레이저 방사선을 상기 유체에 의해 반사되도록 상기 유체로 향하게 하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호가 생성되고, 상기 반사된 방사선은 상기 레이저 캐비티 내의 방사선과 혼합되고, 상기 거리들 및 상기 속도들은 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 결정됨 -,

· 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체의 유동 특성을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가적인 양태에서는 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램이 제공되고, 그 컴퓨터 프로그램은 청구항 1에서 한정된 장치가, 상기 컴퓨터 프로그램이 상기 장치를 제어하는 컴퓨터에서 실행될 때, 청구항 10에서 한정된 방법의 단계들을 수행하게 하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 또한 각각의 독립 청구항과 종속 청구항들의 임의의 조합일 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하에서 설명된 실시예들로부터 명백할 것이고 그 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치의 실시예를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 2는 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치의 거리 및 속도 결정 유닛의 실시예를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 3은 유체의 유동 내의 정규화된 위치들에 따른 정규화된 속도를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 4는 유체의 유동 내의 정규화된 속도에 따른 요소들의 수를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 5는 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼을 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 6은 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 배열을 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다.
도 7은 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 방법의 실시예를 예시하는 순서도를 예시적으로 도시한다.

도 1은 유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 장치(1)를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다. 이 장치는 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 유체의 요소들의 거리들을 결정하고 동시에 상기 요소들의 속도들을 결정하기 위한 거리 및 속도 결정 유닛(3)을 포함한다. 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 레이저 캐비티(6)(도 2에 도시됨)를 갖는 레이저(5)를 포함한다. 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 레이저 캐비티(6) 내에서 생성된 레이저 방사선(7)을 유체(2)에 의해 반사되도록 유체(2)로 향하게 하고 반사된 방사선(8)을 레이저 캐비티(6) 내의 방사선과 혼합하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호를 생성하도록 구성된다. 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 또한 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 상기 거리들 및 상기 속도들을 결정하도록 구성된다.

유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 장치(1)는 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 유동 결정 유닛(4)을 더 포함한다.

이 실시예에서, 유체(2)는 튜브(10) 안에서 흐른다.

도 1에서 개략적으로만 도시되어 있는 펌프(11)는 튜브(10) 내의 유체(2)의 유동을 제어하기 위해 존재할 수 있다. 펌프(11)는, 미리 결정된 유동 값이 획득되도록 펌프(11)를 제어하기 위하여, 유동 결정 유닛(4)과 연결될 수 있다.

거리 및 속도 결정 유닛(3)은 레이저 캐비티(6) 내에서 생성된 레이저 방사선(7)을 유체(2)에 의해 반사되도록 유체(2)로 향하게 하고 반사된 방사선(8)을 레이저 캐비티(6) 내의 방사선과 혼합하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호를 생성하도록 구성된다. 레이저 캐비티(6) 내의 이 혼합은 레이저 전력의 파동으로 귀결되고, 그것은 도 2에서 도시된 검출기(12)에 의해 검출된다. 검출기(12)는 레이저 캐비티(6)의 외부에 결합된 방사선(13)의 강도를 검출하는 것에 의해 레이저 전력을 검출한다. 검출기(12)에 의해 검출된 자기 혼합 간섭 신호는 유체(2)의 요소들의 속도들 및 거리들에 의존하고 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 생성된 자기 혼합 간섭 신호로부터 유체(2)의 이들 요소들의 거리들 및 속도들을 결정하도록 구성되는 분석 유닛(14)을 포함한다.

거리 및 속도 결정 유닛은 첫째로 방사선(7)의 방향에서의 속도의 성분을 결정하고, 유동 방향에서의 속도는, 유동 방향과 방사선(7)의 방향 사이의 각도를 아는 것에 의해 삼각법에 의해, 예를 들면, 방사선(7)의 방향에서의 성분을 이 각도의 코사인과 곱하는 것에 의해 결정된다.

유동 결정 유닛(4)은 유체의 속성으로서 최대 유동 속도 및 체적 유량 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된다. 체적 유량은 바람직하게는 미리 정의된 시간 간격에서, 유체의 단면을 통하여 흐르는, 유체(2)의 체적으로서 정의된다. 따라서, 체적 유량은 또한 체적 유속으로 간주될 수 있다.

유체(2)의 유동은 바람직하게는 층류이고, 이것은 포물선 속도 분포를 특징으로 한다. 튜브(10) 내의 액체들의 층류에 대하여 튜브 경계에서의 속도들은 제로이고 튜브(10)의 중심에서 최대 값을 갖는다. 이것은 도 3에서 예시적으로 그리고 개략적으로 도시되어 있다.

도 3은 튜브(10)의 정규화된 반경

에 따른 정규화된 속도

를 도시한다. 0,0의 정규화된 반경은 튜브(10)의 중심을 나타내고 -1,0 및 1,0의 정규화된 반경은 튜브 경계를 나타낸다. 도 3에 도시된 속도 분포는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서

는 반경

에서의 유체(2)의 요소들의 속도를 나타내고,

는 튜브(10)의 중심에서의 최대 속도를 나타내고, P는 튜브(10)의 반경을 나타낸다.

만일 유체(2) 내의 균일한 밀도의 산란하는 요소들이 가정된다면, 상이한 속도들

에서의 입자들의 수

의 분포는 도 4에서 개략적으로 그리고 예시적으로 도시된 것과 같이 획득된다.

도 4에서 층류에서의 속도 프로파일의 포물선 특징으로 인해 최대 속도에서 가장 많은 요소들이 이동한다는 것을 확인할 수 있다. 이 도면에서의 최대 속도는 유체 요소들의 수가 최대 속도 쪽으로 가파르게 증가하는 것을 특징으로 한다. 특정한 속도에서의 측정된 자기 혼합 간섭 신호의 강도는 이 속도에서의 유체 요소들의 수에 비례한다. 최대 속도 점은 광학적으로 얇은 유체들에 대하여 자기 혼합 간섭 신호에서 강한 피크로 표시될 것이다.

체적 유량

는 바람직하게는 수학식 1에서 정의된 속도 프로파일을 튜브 면적에 걸쳐서 적분하는 것에 의해 결정된다. 이것은 다음의 수학식으로 귀결된다:

실시예에서, 거리 및 속도 결정 유닛(3), 특히, 분석 유닛(14)은 자기 혼합 간섭 신호로부터 도플러 주파수들을 결정하도록 구성된다. 바람직하게는, 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 도플러 주파수로부터 속도를 결정하기 위해 다음의 수학식을 이용한다:

여기서

는 도플러 주파수를 나타내고,

는 도 1에서 레이저 빔(7)의 방향을 따르는 속도 성분을 나타내고,

는 방해받지 않은 레이저(5)의 파장을 나타낸다. 유체(2)에서 흐르는 요소들로부터의 피드백은 자기 혼합 간섭 신호인 이 도플러 주파수를 갖는 레이저 캐비티(6) 내부의 변화하는 간섭 신호를 생성한다. 따라서, 검출기(12)에 의해 검출된 레이저 출력 전력은 주파수로 변조되고, 이로부터 유체 내의 산란하는 요소들의 속도가 도출될 수 있다. 따라서, 수학식 3을 이용함으로써 유체(2)의 요소들의 속도들은 결정된 도플러 주파수들로부터 결정될 수 있다.

실시예에서, 거리 및 속도 결정 유닛(3), 특히, 분석 유닛(14)은 결정된 도플러 주파수들 중 최대 도플러 주파수를 결정하고 수학식 3을 이용함으로써 결정된 최대 도플러 주파수로부터 유체(2)의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하도록 구성된다. 이 실시예에서, 유동 결정 유닛(4)은 유동 특성으로서 최대 유동 속도를 결정하도록 구성된다. 또한, 바람직하게는 유동 결정 유닛(4)은 결정된 최대 유동 속도 및 수학식 2를 이용함으로써 체적 유량을 결정하도록 구성된다.

투명한 유체에 대한 임의의 유닛들에서의 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼에 대한 예가 도 5에 도시되어 있다. 이 예에서, 변조 장치(15)는 레이저(5)의 주파수를 변조하지 않는다(즉, 도시된 스펙트럼은 또한 도플러 주파수들의 스펙트럼이다). 이 스펙트럼은 바람직하게는 자기 혼합 간섭 신호의 다수의 개별 전력 스펙트럼들에 걸쳐서 평균하는 것에 의해 획득된다. 도 5에 도시된 예에서 주파수 스펙트럼은 명백한 피크를 가지며 관찰된 주파수들이 급속히 감쇠한 후에, 최대 주파수는 약 0.22 MHz에 있다. 바람직하게는, 자기 혼합 간섭 신호를 측정하기 위해 증폭기가 사용된다. 그러한 증폭기의 사용은, 예를 들면, 도 5에서 확인할 수 있는 것과 같이 DC에서 피크인 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼에서 아티팩트를 도입할 수 있다.

바람직하게는, 만일 레이저(5)의 방사선(7)이 최대 유동 속도를 갖는 유체의 요소들에 도달한다면, 특히, 만일 레이저(5)의 방사선(7)이 튜브(10)의 중심에 도달한다면, 유체는 투명한 것으로 간주된다.

최대 유동 속도에 따른 체적 유량을 결정하기 위하여, 유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는 최대 유동 속도와 체적 유량 사이의 관계를 정의하는 체적 유량 함수를 포함한다. 이 함수는 바람직하게는 수학식 2에서 정의된다. 유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는 체적 유량 함수 및 최대 유동 속도를 이용함으로써 유동 특성으로서 체적 유량을 결정하도록 구성된다.

장치(1)는 요소들의 결정된 거리들로부터 유동의 폭을 결정하기 위한 유동 폭 결정 유닛(9)을 더 포함한다. 만일 레이저 방사선(7)이 유동을 가로지르지 않는다면, 유동 너머에 어떤 반사하는 또는 산란하는 요소도 존재하지 않고, 특히, 튜브(10)의 가장자리 너머에 어떤 반사하는 또는 산란하는 요소도 존재하지 않고, 따라서 튜브(10) 너머로부터 어떤 거리 정보도 돌아오지 않을 것이다. 또한, 방출된 레이저 방사선(7)의 전파 방향에 관하여, 튜브의 앞에, 유체(2)의 어떤 산란하는 또는 반사하는 요소들도 존재하지 않고 따라서 이 위치로부터 어떤 거리 정보도 돌아오지 않을 것이다.

따라서, 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지, 특히, 거리 및 속도 결정 유닛(3)의 레이저(5)까지의 가장 가까운 거리 또는 최대 거리를 결정함으로써 유동의 폭이 결정될 수 있다. 이 결정된 폭은, 예를 들면, 그 결정된 폭을 유체(2)의 알려진 폭과 비교하는 것에 의해, 예를 들면, 레이저 방사선(7)이 유체(2)를 완전히 관통하는지 여부를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 이 실시예에서는, 결정된 폭을 튜브(10)의 폭과 비교하는 것에 의해 레이저 방사선(7)이 유체(2)를 완전히 관통하는지 여부가 결정될 수 있다.

또한, 상기 결정된 유동의 폭은 튜브(10)의 직경을 결정하기 위해 이용될 수 있고 이것은 속도 프로파일을 결정하기 위해 중요하고, 일단 이용 가능하면 교정을 불필요하게(superfluous) 만든다. 또한, 결정된 유동의 폭은 조사 중인 유체가 튜브(10)의 전체 단면으로부터 산란 전력이 획득될 정도로 투명하다는 것을 보증하기 위한 제어 파라미터로서 이용될 수 있다.

거리 및 속도 결정 유닛(3) 및 유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는 유체(2)의 요소들의 거리들을 결정하기 위해 주파수 변조 기법을 이용하도록 구성된다. 이러한 이유로, 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 바람직하게는 레이저(5)의 주파수를 변조하기 위한 변조 장치(15)를 포함한다. 변조 장치(15)는 바람직하게는 레이저 구동 회로에 삼각 변조를 가하는 전류 구동 유닛이다. 이 전류 변조는, 만일 레이저(5)가 이 바람직한 실시예에서와 같이 반도체 레이저이면, 방출된 방사선(7)의 파장의 대응하는 변조를 초래한다. 그 결과, 주입 전류 I를 변경할 때, 레이저(5)로부터 유체(2)의 각각의 요소까지의 왕복 길이(round-trip length)에 맞는 모든 추가적인 파장마다 방사선의 위상은 360°만큼 증가한다. 모든 360°위상 회전은 방출된 방사선(7)의 전력에서 하나의 최소치 및 하나의 최대치를 초래한다. 파장 변화

의 함수로서 이들 "파동들"의 수

은 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다:

여기서

는 레이저로부터 각각의 유체 요소까지의 길이를 나타낸다.

파장의 감소는 레이저(5)로부터 떨어져 이동하는 산란하는 요소와 유사한 효과를 갖는 반면, 파장의 증가는 레이저(5) 쪽으로 이동하는 산란하는 요소를 흉내낸다. 만일 레이저 전류의 삼각 변조가 이용된다면, 파장은 주기적으로 감소 및 증가할 것이고, 레이저(5)로부터 떨어져 이동하고 레이저(5) 쪽으로 이동하는 주기적인 이동을 흉내낼 것이다. 검출기(12)에 의해 측정된 전력, 즉, 레이저 캐비티(6) 외부에 결합된 방사선(13)의 강도는 이 삼각 변조의 주파수와 함께 시간에서 변화하지만, 다음의 수학식을 이용하여 결정될 수 있는 주파수

를 갖는 파동들이 그 위에 겹쳐 있다:

의 아래 첨자는 산란하는 요소들이 이동하지 않는 것, 즉, 산란하는 요소가 방사선(7)의 방향에서 속도 성분을 갖지 않는 것을 의미한다. 이 경우, 파동 주파수는 삼각 변조의 업 및 다운 세그먼트 동안에 동일하다. 이동하는 요소를 고려하여 주파수는, 또한, 도플러 주파수만큼 변경된다. 요소가 떨어져 이동하고 있을 때, 도플러 주파수는 파장의 감소 동안에

에 더해질 것인 반면, 파장이 증가할 때 그것은

로부터 빼진다. 이것은 다음의 수학식들로 표현될 수 있다:

수학식 6에서

은 삼각 변조의 업 세그먼트에서의 자기 혼합 간섭 신호의 주파수를 나타내고

은 삼각 변조의 다운 세그먼트에서의 자기 혼합 간섭 신호의 주파수를 나타낸다.

거리 및 속도 결정 유닛(3)까지, 특히, 레이저(5)까지의 요소의 거리는 다음의 수학식:

에 따라 주파수

를 계산하고 그 계산된 주파수

와 함께 수학식 5를 이용하여 결정될 수 있다.

방사선(7)의 방향을 따르는 요소의 속도는 다음의 수학식:

에 따라

를 계산하고 그 계산된 주파수

와 함께 수학식 1을 이용하여 결정될 수 있다.

유체의 단일 요소의 거리 및 속도의 자기 혼합 간섭 신호에 대한 의존성은, 예를 들면, 상기 수학식들 1 내지 7에 의해 알려져 있으므로, 유체의 몇 개의 요소들의 거리들 및 속도들의 자기 혼합 간섭 신호의 대응하는 주파수 스펙트럼에 대한 의존성도, 예를 들면, 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼에 대한 유체들의 요소들의, 즉, 거리들 및 속도들의 기여들을 선형적으로 조합하는 것에 알려진다. 이 알려진 의존성은 바람직하게는 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼으로부터 거리 분포 및 속도 분포를 결정하기 위해 이용된다. 예를 들면, 자기 혼합 간섭 신호 스펙트럼의 거리 및 속도 분포들에 대한 위에 언급한 알려진 의존성을 알고 몬테-카를로 시뮬레이션과 같은 시뮬레이션이 수행될 수 있고, 여기서는 상이한 거리 및 속도 분포들을 이용하여 자기 혼합 간섭 신호의 상이한 스펙트럼들이 시뮬레이션되고, 이것은 제곱된 차이들의 합계 또는 상관 같은 유사성 측정에 관하여 자기 혼합 간섭 신호의 측정된 스펙트럼 및 시뮬레이션된 스펙트럼이 유사할 때까지 행해진다. 또한 피팅 절차가 이용될 수 있고, 여기서는 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼의 거리 및 속도 분포들에 대한 위에 언급한 알려진 의존성을 이용하여 결정되는, 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼이 자기 혼합 간섭 신호의 측정된 스펙트럼에 피팅되도록 거리 분포 및 속도 분포가 결정된다. 상기 언급한 알려진 의존성을 이용하여 자기 혼합 간섭 신호의 측정된 스펙트럼으로부터 거리 및 속도 분포들을 분석적으로 계산하는 것도 가능하다.

상기 시뮬레이션 절차 또는 상기 피팅 절차를 수행하기 위하여 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼의 거리 및 속도 분포들에 대한 의존성은 모델로서 간주될 수 있다. 이 모델은, 자기 혼합 간섭 신호의 스펙트럼에 대한 유체의 단일 요소들의 속도들 및 거리들의 기여들의 조합, 특히, 선형 조합에 더하여, 유체 내의 감소의 고려 및/또는 주어진 속도에서의 유체 요소들의 밀도의 고려를 포함할 수 있다. 이들 추가적인 고려들은 아래에 더 상세히 설명될 것이다.

만일 전류의 변조 없이 스펙트럼들이 형상

를 갖는다고 가정하면, 만일 전류가 변조되면, 상향 측면(upward flank) 상의 스펙트럼은

에 의해 표시되고 하향 측면(downward flank) 상의 스펙트럼은

에 의해 표시될 수 있고, 여기서

는 비례 상수이고

는 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지, 특히, 레이저(5)까지의 각각의 요소의 거리이다. 산란하는 입자가 생성하는 주파수는 입자의 속도 및 전류 변조로 인한 레이저의 주파수의 변화와 함께 레이저까지의 거리에 의해 결정된다. 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 바람직하게는, 위에 설명한 바와 같이, 2개의 스펙트럼들

및

로부터 시뮬레이션, 피팅 또는 분석적 계산에 의해 거리 정보 및 속도 정보를 추출하도록 구성된다.

유체 내의 요소들의 거리들의 및 속도들의 결정의 실시예는 이하에서 도 6에 관련하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 6은 거리 및 속도 결정 유닛(3)의 레이저(5)만을 보여준다. 레이저(5)의 방사선(7)은 그 방사선(7)이 튜브(10)를 통하여 전파하면서 유체의 내부에 포커싱되도록 렌즈(16)를 가로지른다. 렌즈는 유체로부터의 자기 혼합 신호를 최적화하는 기능을 갖는다.

레이저(5)는 그것의 광학체(optics)(16)와 함께 튜브(10)의 외부에 배치된다. 거리

는 레이저(5), 특히, 레이저 캐비티의 아웃-커플링 레이저 미러(out-coupling laser mirror)로부터 튜브(10)의 중심 쪽으로의 길이이다. 문자

은 방사선(7)의 방향을 따라 튜브(10)의 중심으로부터 각각의 요소(17)의 위치를 기술한다. 유동 속도는 일반적으로 튜브(10)의 중심을 따라서 더 높고

에서 벽들에서 제로로 감소한다. 튜브(10)는 산란하는 요소들(17)을 갖는 유체(2)를 포함한다.

유체는 층류를 갖는 것으로 가정되고, 튜브(10) 내의 위치의 함수로서의 유체(2)의 속도는 튜브 표면에 대해 비수직인 입사 각도를 보정하는 보정을 이용하여 수학식 1에 의해 주어진다.

만일 유체(2)가 방사선(7)에 대해 완전히 투명하지 않다면, 튜브(10) 내의 깊이

로부터 오는 후방산란된 광의 양은,

에 의해 주어지고, 여기서

는 유체(2) 내의 광의 감쇠 계수를 나타낸다.

이하에서 요소들(17)의 밀도는 튜브 길이에 걸쳐서 일정하고, 즉, 유동 방향에서 일정하고, 거리

에 대한 및 튜브 길이에 대한 자기 혼합 간섭 신호의 의존성도 일정하다고 가정된다. 이것은 바람직하게는 렌즈(16)의 포커싱 액션은 다소 약하다는 것, 즉, 큰 초점 심도(depth of focus)를 의미한다.

깊이

에 있는 요소는 방사선(7)의 방향을 따라 그것의 속도의 그것의 투영된 성분이 수학식 3에 정의된 바와 같이 후방산란된 광에서 도플러 주파수 시프트를 발생시키도록 광을 산란시킬 것이다.

만일 레이저(5)의 전류의 변조도 적용된다면, 레이저(5)의 파장은 변조되고, 이것은 후방산란된 광에서 추가적인 주파수 시프트를 초래하고, 이것은 다음의 수학식에 의해 기술될 수 있다:

여기서

은 추가적인 주파수 시프트를 나타내고

는 방해받지 않은 레이저(5)의 파장을 나타내고,

는 튜브의 중심 쪽으로 레이저의 거리이다.

위치

에 있는 요소(17)는 다음의 수학식에 의해 기술될 수 있는 전력 스펙트럼을 초래한다:

여기서

는 검출기(12)에 의해 측정된, 전력 스펙트럼, 특히, 강도 스펙트럼을 나타내고

는 자기 혼합 간섭 신호의 응답 함수를 나타낸다. 전력 스펙트럼은 음의 주파수를 갖지 않는다는 것에 유의한다. 따라서 결과의 주파수의 절대 값이 고려된다. 도플러 주파수 시프트 및 변조 주파수 시프트 양쪽 모두는 유체(2) 내의 위치에 의존한다. 또한, 신호는 유체 내에서 감쇠된다.

레이저 캐비티(6) 안으로 광을 후방 산란시키는 모든 요소들의 기여로 이루어지는 검출기(12)에 의해 측정된 신호는 다음의 수학식에 의해 기술될 수 있다:

수학식 14는 수학식 13을 위치

에 걸쳐서 적분하는 것에 의해 획득된다.

만일 삼각 변조가 이용된다면, 시간당 주파수 변화는 상향 및 하향 기울기 동안에 일정하고, 주파수 시프트들만 정반대 부호들을 갖는다.

거리 및 속도 결정 유닛(3)은 바람직하게는 삼각 변조의 상향 측면 상에서 및 별도로 삼각 변조의 하향 측면 상에서 자기 혼합 간섭 신호를 획득하도록 구성된다. 이들 자기 혼합 간섭 신호들로부터, 상향 측면에 대하여 전력 스펙트럼이 계산될 수 있고 하향 측면에 대하여 전력 스펙트럼이 계산될 수 있다. 바람직하게는, 거리 및 속도 결정 유닛은 전력 스펙트럼의 신호 대 잡음비를 증가시키기 위하여, 몇 개의 상향 측면들 및 몇 개의 하향 측면들에 걸쳐서, 각각, 평균하도록 구성된다.

상향 측면에 대하여 전력 스펙트럼은 다음의 수학식에 의해 정의된다:

하향 측면에 대하여 전력 스펙트럼은 다음의 수학식에 의해 정의된다:

응답 함수

에 대한 안자츠(ansatz)를 취하는 것에 의해, 예를 들면, 주어진 속도에서의 유체 요소들의 밀도와 가우시안 함수의 컨볼루션을 취하는 것에 의해, 수학식 15 및 16은 상향 측면 및 하향 측면에 대하여 검출기(12)에 의해 측정된 전력 스펙트럼들에 피팅될 수 있다. 피팅 절차는 안자츠 응답 함수에서 피팅 파라미터들의 적응으로 이루어진다. 만일 피팅 파라미터들이 최대 유동 속도 및

이면, 이들 파라미터들은 이 피팅 절차에 의해 결정된다. 최대 유동 속도는, 예를 들면, 수학식 2에 따라, 체적 유량을 결정하기 위해 이용될 수 있다.

바람직하게는, 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 전력 스펙트럼이 제로 주파수를 통과하는 것은 속도 및 거리 프로파일을 검색하는 데 얼마간의 모호함을 초래할 수 있으므로 전력 스펙트럼이 제로 주파수를 통과하지 않도록 변조 유닛(15)의 변조 주파수를 선택하도록 구성된다. 특히, 변조 주파수는 바람직하게는 도플러 주파수 및 변조 주파수가 동일한 값을 갖지 않도록 선택된다. 그것은, 만일 도플러 주파수가 특정한 주파수 범위 내에만 있을 수 있다는 것이 알려져 있다면, 변조 주파수는 바람직하게는 그것이 이 주파수 범위 내에 있지 않도록 선택된다는 것을 의미한다.

피팅으로부터 전력 스펙트럼은, 요소들의 속도 분포에 대응하는,

에만 의존하는, 제1 부분, 및 요소들의 거리 분포에 대응하는,

에만 의존하는, 제2 부분으로 분리될 수 있다.

유체가 광학적으로 두꺼운 경우에는, 광은 최대 속도를 갖는 요소에 도달할 정도로 유체 안으로 충분히 깊이 관통하지 않을 것이다. 이 경우 피팅 파라미터로서 최대 유동 속도를 사용하는 것은 더 이상 유용하지 않다. 그러나, 상향 및 하향 측면의 2개의 스펙트럼들로부터, 유체 요소들의 대응하는 속도 및 거리, 즉, 위치가 결정될 수 있다. 스펙트럼들의 형태는

및

에 의해 주어지고, 여기서

는 속도 분포에 의해서만 주어지고

에 의존하는 부분은 유체 요소의 위치만의 함수이다. 피팅 절차를 이용하여, 2개의 기여들이 풀릴 수 있다. 예를 들면, 2개의 미지의 파라미터들은 흡수 계수 및 최대 유동 속도이다. 흡수 및 속도 프로파일의

에 대한 의존성이 알려지고 피팅 절차에서 사용된다. 피팅 곡선들은 상향 측면 및 하향 측면의 2개의 측정된 스펙트럼들과 가장 잘 대응하도록 최적화된다. 피팅으로부터 거리의 함수로서의 속도의 분포, 즉, 속도 분포 및 거리 분포는 동시에 획득된다.

특히, 수학식 1에서 정의되고 도 3에서 도시된, 유동 모델 함수는 바람직하게는 결정된 속도 및 거리 분포에 피팅되고, 피팅된 유동 모델 함수로부터 원하는 유동 특성들이 결정될 수 있다.

변조 주파수는 바람직하게는 자기 혼합 간섭 신호에 대하여 흥미 있는 스펙트럼의 부분과 간섭하지 않도록 선택된다(즉, 이미 언급한 바와 같이, 변조 주파수는 바람직하게는 전력 스펙트럼이 제로 주파수를 통과하지 않도록 선택된다). 또한, 이 변조의 진폭은 삼각 변조의 상향 또는 하향 부분 상의 움직이지 않는 물체의 검출에서 소수의 변조 주기들이 발견될 수 있을 정도로 커야 한다.

거리 및 속도 결정 유닛(3), 특히, 분석 유닛(14)은 바람직하게는 삼각 변조의 상향 및 하향 부분들에서 개별적으로 획득된 전력 스펙트럼을 통합한다. 양쪽 측면들의 전력 스펙트럼들은 바람직하게는 동일한 형상을 갖지만 주파수 축은 위치 의존성,

,

로 인해 각각 상이하게 스케일링된다.

유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지, 특히, 레이저(5)까지의 요소들의 거리들에 따라서 유체의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하도록 구성된다. 유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 유동 모델 함수를 피팅하고 피팅된 유동 모델 함수로부터 유동 특성을 결정하도록 더 구성된다.

유동 모델은 바람직하게는, 최대 유동 속도는 유동의 중앙에 위치하고 제로 유동 값들은 유동의 가장자리에 위치하는 것을 가정하는, 층류 모델이다. 그러한 바람직한 유동 모델 함수는 도 3에 개략적으로 그리고 예시적으로 도시되어 있다. 유체의 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에의 유동 모델 함수의 이러한 피팅은, 유체의 소수의 요소들의 거리들 및 속도들만이 결정된 경우에도 수행될 수 있다. 따라서, 유체가 광학적으로 두꺼운 경우에도. 만일, 예를 들면, -1,0과 -0,5 사이의 정규화된 반경에 대응하는, 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 거리를 갖는, 요소들의 거리들 및 속도들만이 결정될 수 있다면, 유동 모델 함수는 이들 요소들의 거리들 및 속도들에 피팅될 수 있고, 예를 들면, 최대 유동 속도 및, 따라서, 체적 유량도 피팅된 유동 모델 함수에 기초하여 결정될 수 있다.

실시예에서, 거리 및 속도 결정 유닛(3) 및 유동 결정 유닛(4)은,

a) 만일 상기 결정된 폭이 미리 정의된 최대 속도 폭과 같거나 그보다 크다면, 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 자기 혼합 간섭 신호의 최대 주파수를 결정하고 결정된 최대 주파수로부터 유체의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하고, 유동 결정 유닛(4)은 최대 유동 속도를 유동 특성으로서 결정하고,

b) 만일 상기 결정된 폭이 미리 정의된 최대 속도 폭보다 작다면, 유동 결정 유닛은 거리 및 속도 결정 유닛까지의 요소들의 거리들에 따라서 유체의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고, 유동 모델 함수를 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고, 피팅된 유동 모델 함수로부터 유동 특성을 결정하도록 구성된다.

미리 정의된 최대 속도 폭은, 생성된 자기 혼합 간섭 신호로부터 최대 유동 속도를 결정하는 것을 허용하기 위하여, 유동 폭 결정 유닛(9)에 의해 적어도 결정되어야 하는, 유동의 폭을 정의한다. 이 결정된 유동의 폭은 유체(2)의 광학적 두께, 즉, 유체(2) 내의 방사선(7)의 관통 깊이에 의존한다. 따라서, 상기 결정된 유동의 폭에 따라서 유체(2)의 유동 특성을 결정함으로써, 유동 특성의 결정은 유체(2)의 광학적 두께에 의존한다. 만일 그 광학적 두께가 레이저 방사선(7)이 최대 속도 폭에 도달할 정도로 작다면, 거리 및 속도 결정 유닛(3) 및 유동 결정 유닛(4)은 자기 혼합 간섭 신호로부터 도플러 주파수들을 결정하는 것에 의해, 결정된 도플러 주파수들 중 최대 도플러 주파수를 결정하는 것에 의해, 결정된 최대 도플러 주파수로부터 유체(2)의 요소들의 최대 유동 속도를 결정하는 것에 의해 최대 유동 속도를 결정하도록 구성된다. 만일 광학적 두께가 레이저 방사선(7)이 상기 최대 속도 폭에 도달할 수 없을 정도로 크다면, 유동 결정 유닛(4)은 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 요소들의 거리들에 따라서 유체(2)의 요소들의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고, 유동 모델 함수를 요소들의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고, 피팅된 유동 모델 함수로부터 유동 특성을 결정한다. 이것은 유체(2)의 광학적 두께에 따라서 유체(2)의 유동 특성을 결정하는 것을 허용한다.

유동 결정 유닛(4)은 유동 특성으로서 자기 혼합 간섭 신호로부터 유체(2)의 유동이 층류인지 난류인지를 결정하도록 구성되는 것이 또한 바람직하다. 유동 결정 유닛(4)은 바람직하게는, 만일 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖는다면, 유동이 난류라고 결정하고, 만일 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖지 않는다면, 특히, 만일 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 확립된 형상을 갖는다면, 유동이 층류라고 결정하도록 구성된다. 유동 결정 유닛(4)은 펌프(11)에 연결되고, 만일 유동 결정 유닛(4)이 유체(2)의 유동이 난류라고 결정하면, 펌프(11)는 유체(2)의 유동이 층류가 되도록 제어된다. 따라서, 장치(1)는 거리 및 속도 결정 유닛(3), 유동 결정 유닛(4) 및 펌프(11)를 포함하는 제어 루프를 이용하는 것에 의해 튜브(10) 내의 유체(2)의 층류가 획득 및/또는 유지되도록 구성될 수 있다.

이하에서는 도 7에 도시된 순서도에 관련하여 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 방법이 설명될 것이다.

단계 101에서, 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 유체(2)의 요소들(17)의 거리들 및 동시에 요소들(17)의 속도들을 결정한다. 레이저 캐비티(6) 내에서 생성된 레이저 방사선(7)을 유체(2)에 의해 반사되도록 유체(2)로 향하게 하는 것에 의해 자기 혼합 간섭 신호가 생성된다. 반사된 방사선(8)은 레이저 캐비티(6) 내의 방사선과 혼합되고, 유체(2) 내의 요소들(17)의 거리들 및 속도들은 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 결정된다.

단계 102에서, 유동 특성 결정 유닛(4)은 상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 유체의 유동 특성을 결정한다. 바람직하게는, 유동 특성 결정 유닛은 요소들(17)의 결정된 거리들 및 결정된 속도들에 기초하여 최대 유동 속도 및 체적 유량을 결정한다.

유동의 정확한 측정은, 산업 프로세스, 예를 들면, 화학 또는 식품 가공으로부터, 예를 들면, 자동차 엔진과 같은 기계들에 걸쳐서 혈액 수혈 또는 주입과 같은 의료 응용까지 이르는, 많은 상이한 응용들에서 중요하고 결정적인 과제이다. 대부분의 경우에, 사용되는 액체 또는 기체의 상이한 특징으로 인해, 상이한 응용들은 특정한 튜브를 통과한 액체 또는 기체의 양(체적 유량)의 정확한 결정을 위해, 기계적 유량계로부터 열 검출기들에 걸쳐서 초음파 장치까지 이르는, 상이한 해법들을 요구한다. 이와는 다르게, 본 발명에 따른 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치는 현저히 상이한 특징의 매체들에서 유동 속도들을 정확히 측정할 수 있다. 센서, 즉, 거리 및 속도 결정 유닛은, 바람직하게는 반도체 레이저인, 레이저(5)의 레이저 캐비티(6) 내의 자기 혼합 간섭에 기초한다. 본 발명에 따른 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치는 투명한 매체들에서뿐만 아니라 레이저 방사선(7)의 높은 감쇠를 갖는 매체들에서 유동 속도들 및 체적 유량을 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치는 매우 다양한 응용들에서, 특히, 위에 언급한 응용들에서 사용될 수 있다.

이미 위에서 설명한 바와 같이, 자기 혼합 간섭 신호를 생성하기 위해 레이저 광과 외부 피드백 사이의 레이저 캐비티(6) 내부의 간섭이 이용된다. 레이저 자기 혼합 간섭의 원리는 비접촉 속도 및 거리 측정을 허용한다. 만일 레이저(5)가 산란하는 요소(17)에 겨냥된다면 산란된 광의 작은 부분은 레이저 캐비티(6) 안으로 반사하고 거기서 그것은 강한 레이저 필드와 혼합된다. 요소(17)의 움직임이 레이저 빔(7)의 방향을 따르는 성분을 갖는 경우, 반사된 광의 위상은 원래의 레이저 광에 관하여 연속적으로 시프트하여, 도플러 주파수와 같은 주파수에서 레이저 캐비티(6)에서 피드백의 주기적인 변화로 귀결된다. 이것은 위에서 더 상세히 설명되었고 여기에 참고로 통합되는 논문 "Laser diode self-mixing technique for sensing applications"(G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati 및 T. Bosch, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4, 283-294, 2002)에서도 상세히 설명된다.

유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치는 바람직하게는 매체의 특징에 관계없이 액체 또는 기체의 층류를 측정하기 위해 자기 혼합 간섭의 원리에 기초하는 센서를 이용한다. 이 장치는 산란하는 또는 흡수하는 매체들뿐만 아니라 투명한 매체들의 유동의 측정을 위해 이용될 수 있다. 이 장치는 산란하는 요소들의 거리 분포의 측정과 산란하는 요소들의 거리 분포의 측정을 조합함으로써 이를 달성한다. 큰 감쇠를 갖는 매체들, 즉 유체들에 대하여, 방사선(7)은 최대 속도의 영역에 도달할 정도로 유체(2) 안으로 충분히 깊이 관통하지 않을 것이다. 따라서, 최대 속도는 직접 결정될 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해, 장치는 유체(2) 내의 산란하는 요소들(17)의 위치 분포, 예를 들면, 거리 분포와 함께 이들 요소들(17)의 속도 분포를 결정한다. 이것은 유체(2) 내의 방사선(7)의 관통 깊이 및 측정된 자기 혼합 간섭 신호에서의 최대 속도의 위치, 즉, 그로부터 방사선이 후방산란되는 요소들(17)의 속도들 중 최대 속도의 위치를 산출한다. 유동 모델 함수를 이용하여, 특히, 도 3에 도시된 유동 모델 함수를 이용하여, 이 최대 획득된 속도 및 대응하는 위치는 유동 모델 함수를 그 최대 획득된 속도 및 대응하는 위치에 피팅하는 것에 의해 유동 내의 전체 최대 속도를 결정하기 위해 이용될 수 있다.

동일한 장치, 특히, 동일한 레이저 센서가 요소들의 속도들 및 거리들을 결정하기 위해 이용된다는 것에 유의해야 한다.

레이저(5)는 바람직하게는 반도체 레이저, 특히, VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)이다.

위에 설명한 실시예들에서는 자기 혼합 간섭 신호를 결정하기 위한 특정한 구성이 설명되었지만, 다른 실시예들에서는, 자기 혼합 간섭 신호를 결정하기 위한 다른 구성들이 이용될 수 있다.

위에 설명한 실시예들에서는 튜브 내의 유체의 유동 특성들이 결정되지만, 다른 실시예들에서는 튜브 안에서 흐르고 있지 않은 유체들의 유동 특성들이 결정될 수 있다. 예를 들면, 자유로이 또는 튜브와 다른 채널 또는 캐비티에서 흐르는 유체의 유동 특성들이 본 발명에 따른 장치에 의해 결정될 수 있다.

도면, 명세서, 및 첨부된 특허청구범위의 검토로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어서 숙련된 당업자들에 의해 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 이해되고 실행될 수 있다.

특허청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다.

단일 유닛 또는 장치들이 특허청구범위에서 언급된 몇몇 항목들의 기능들을 이행할 수 있다. 특정한 수단들이 서로 다른 종속 청구항들에서 열거된다는 단순한 사실은 이들 수단들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

하나 또는 몇몇 유닛들 또는 장치들에 의해 수행되는, 유체 내의 요소들의 거리들 및 속도들의 결정과 같은 또는 최대 유동 속도 또는 체적 유량의 결정과 같은, 계산들 및/또는 결정들은 임의의 다른 수의 유닛들 또는 장치들에 의해 수행될 수 있다. 그 계산들 및/또는 결정들 및/또는 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 위에 설명한 방법에 따라 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치의 제어는 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드 수단으로서 및/또는 전용 하드웨어로서 구현될 수 있다.

컴퓨터 프로그램은 다른 하드웨어와 함께 또는 그의 일부로서 공급된, 광 저장 매체 또는 솔리드-스테이트 매체와 같은 적합한 매체 상에 저장/배포될 수 있지만, 다른 형태로, 예를 들면 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 통신 시스템을 통해 배포될 수도 있다.

특허청구범위 내의 임의의 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims

유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 장치(1)로서,
거리 및 속도 결정 유닛(3) - 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 상기 유체(2)의 요소들(17)의 거리들을 결정하고 동시에 상기 요소들(17)의 속도들을 결정하며, 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 레이저 캐비티(laser cavity)(6)를 갖는 레이저(5)를 포함하고, 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 상기 레이저 캐비티(6) 내에서 생성된 레이저 방사선(7)을 상기 유체(2)에 의해 반사되도록 상기 유체(2)로 향하게 하고 반사된 방사선(8)을 상기 레이저 캐비티(6) 내의 방사선과 혼합함으로써 자기 혼합 간섭 신호(self-mixing interference signal)를 생성하고 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 상기 거리들 및 상기 속도들을 결정하도록 구성됨 -, 및
상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 유동 결정 유닛(4)
을 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 유동 결정 유닛(4)은 상기 유체(2)의 특성으로서 최대 유동 속도 및 체적 유량(volume flow) 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)은,
상기 자기 혼합 간섭 신호로부터 도플러 주파수들을 결정하고,
상기 결정된 도플러 주파수들 중 최대 도플러 주파수를 결정하고,
상기 결정된 최대 도플러 주파수로부터 상기 유체(2)의 요소들(17)의 최대 유동 속도를 결정하도록 구성되고,
상기 유동 결정 유닛(4)은 상기 최대 유동 속도를 상기 유동 특성으로서 결정하도록 구성되는 장치.
제3항에 있어서, 상기 유동 결정 유닛(4)은,
상기 최대 유동 속도와 체적 유량 사이의 관계를 정의하는 체적 유량 함수(volume flow function)를 제공하고,
상기 체적 유량 함수 및 상기 최대 유동 속도를 이용하여 상기 체적 유량을 상기 유동 특성으로서 결정하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 요소들(17)의 상기 결정된 거리들로부터 상기 유동의 폭을 결정하기 위한 유동 폭 결정 유닛(9)을 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 유동 결정 유닛(4)은,
상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 상기 요소들(17)의 거리들에 따라서 상기 유체(2)의 요소들(17)의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고,
상기 유동 모델 함수를 상기 요소들(17)의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고(fit),
상기 피팅된 유동 모델 함수로부터 상기 유동 특성을 결정하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는,
상기 요소들(17)의 상기 결정된 거리들로부터 상기 유동의 폭을 결정하기 위한 유동 폭 결정 유닛(9)을 더 포함하고,
상기 거리 및 속도 결정 유닛(9) 및 상기 유동 결정 유닛(4)은,
a) 상기 결정된 폭이 미리 정의된 최대 속도 폭과 같거나 그보다 크다면, 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)은 상기 자기 혼합 간섭 신호의 최대 주파수를 결정하고 상기 결정된 최대 주파수로부터 상기 유체(2)의 요소들(17)의 최대 유동 속도를 결정하고, 상기 유동 결정 유닛(4)은 상기 최대 유동 속도를 상기 유동 특성으로서 결정하고,
b) 상기 결정된 폭이 상기 미리 정의된 최대 속도 폭보다 작다면, 상기 유동 결정 유닛(4)은 상기 거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 상기 요소들(17)의 거리들에 따라서 상기 유체(2)의 요소들(17)의 속도들을 정의하는 유동 모델 함수를 제공하고, 상기 유동 모델 함수를 상기 요소들(17)의 결정된 거리들 및 속도들에 피팅하고, 상기 피팅된 유동 모델 함수로부터 상기 유동 특성을 결정하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 유동 결정 유닛(4)은 상기 유동 특성으로서 상기 자기 혼합 간섭 신호로부터 상기 유체의 유동이 층류(laminar)인지 난류(turbulent)인지를 결정하도록 구성되는 장치.
제8항에 있어서, 상기 유동 결정 유닛(4)은, 상기 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖는다면, 상기 유동이 난류라고 결정하도록 구성되고, 상기 유동 결정 유닛(4)은, 상기 자기 혼합 간섭 신호의 주파수 스펙트럼이 혼란한 거동을 갖지 않는다면, 상기 유동이 층류라고 결정하도록 구성되는 장치.
유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 방법으로서,
거리 및 속도 결정 유닛(3)까지의 상기 유체(2)의 요소들(17)의 거리들을 결정하고 동시에 상기 요소들(17)의 속도들을 결정하는 단계 - 레이저 캐비티(6) 내에서 생성된 레이저 방사선(7)을 상기 유체(2)에 의해 반사되도록 상기 유체(2)로 향하게 함으로써 자기 혼합 간섭 신호가 생성되고, 상기 반사된 방사선(8)은 상기 레이저 캐비티(6) 내의 방사선과 혼합되고, 상기 거리들 및 상기 속도들은 상기 생성된 자기 혼합 간섭 신호에 기초하여 결정됨 -, 및
상기 결정된 거리들 및 속도들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유체(2)의 유동 특성을 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
유체(2)의 유동 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
상기 컴퓨터 프로그램이 상기 장치를 제어하는 컴퓨터에서 실행될 때, 제1항의 장치가, 제10항의 방법의 단계들을 수행하게 하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램.