KR20140022753A

KR20140022753A - 초음파를 이용하여 유체에 부유하는 입자 및 유체 유동 패턴을 가시화하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140022753A
Application number: KR1020137008486A
Authority: KR
Inventors: 디펜 엔. 신하; 커티스 에프. 오스테르후드트; 크리스찬 팬테아
Original assignee: 로스 알라모스 내셔널 씨큐어리티 엘엘씨
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-02-25
Also published as: WO2012031292A1; BR112013004992A2; US20120227473A1; PL2612113T3; CN103201598B; AU2011295663B2; US10605640B2; EP2612113B1; CN103201598A; EP2612113A4; AU2011295663A1; EP2612113A1

Abstract

정지상태(static) 또는 유동하는 유체에 부유하는 미세입자 물질 및 파이프, 튜브, 도관 또는 다른 컨테이너에서의 유동 패턴을 실시간으로 시각화하는 장치 및 방법이 기술된다. 초음파 스캐닝(ultrasonic scanning) 및 유체 내 입자들로부터의 산란된 음파는 액체에서의 입자들 또는 유동 패턴들의 실시간 이미지를 만들어 낸다. 이미지는 초당 30 프레임(frame)의 표준 비디오 속도로 촬영되었고, 입자들은 상용 비디오 트래킹 소프트웨어(commercial video tracking software)를 사용하여 시간에 대한 함수로 트래킹되었다. 기계식 와블러(mechanical wobbler)는 왕복하는 방식으로 선택된 각도의 범위에 걸쳐 압전 변환기(piezoelectric transducer)를 유도한다. 변환기는 펄스-에코 모드(pulse-echo mode)로 동작하며, 이는 같은 변환기가 대상 영역으로부터의 귀로 신호(return signal)를 검출하는 것으로, 이 영역을 통해 입자들이 지나가고 유동이 존재하며 또는 이들 중 어느 하나가 발생한다. 펄스-에코 측정은 선택된 각도에 걸쳐 변환기가 한 번 스윕하는 동안 빠르게 연속적으로 이뤄진다.

Description

초음파를 이용하여 유체에 부유하는 입자 및 유체 유동 패턴을 가시화하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR VISUALIZATION OF PARTICLES SUSPENDED IN A FLUID AND FLUID FLOW PATTERNS USING ULTRASOUND}

본 출원은 2010년 9월 3일에 출원된 미국 가출원 제 61/379,888호 (발명의 명칭: "Method And Apparatus For Visualization Of Particles And Flow Patterns Using Ultrasound")를 기초로 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원에 개시되고 교시된 모든 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 발명은 미국 에너지 부(U.S. Department of Energy)와의 계약(계약번호: DE-AC52-06NA25396)에 따라 미국 정부의 지원 하에 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 가진다.

본 발명은 유체 내의 입자를 검출하는 것에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 내의 입자의 크기, 농도 및 크기 분포를 측정하고, 유체의 유동 패턴을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

유체 내의 입자를 검출하고 그 크기 분포를 결정하는 것은 종종 필요하다. 만약 액체가 투명하다면 상기 측정을 하기 위해서 현미경 및 카메라를 사용할 수 있고, 측정 장치에 의해서 액체를 살펴볼 수 있다. 빛의 산란이 입자를 검출하기 위해 또한 사용될 수 있지만, 빛에 대한 액체의 투명성은 여전히 필요조건이다. 전자기 스펙트럼의 광학적 영역에서의 비간섭성 광(incoherent light)뿐만 아니라 (예를 들어, 레이저와 같은) 간섭성 광(coherent light)을 사용하는 다양한 광학적 방법이, 투명하거나 또는 반투명한 유체 및 입자의 농도가 검토하기에 낮은 경우에서의 입자 측정을 위해 유용하다는 것이 보고되어 왔다. 원유처럼 액체가 광학적으로 불투명하면서, 투명하거나 또는 불투명한 파이프를 통해 유동하는 액체에서 미세입자 물질의 존재 여부를 검출하는 경우, 종래의 기술들은 기능을 하지 못한다.

또한, 유체의 유동 및 유체의 유동 패턴을 모니터링하는 것도 관심을 끌고 있다. 이는 시각적 관찰에 의해서 또한 달성될 수 있지만, 조사하는 액체가 광학적으로 투명해야만 한다.

초음파 이미징(ultrasonic imaging)이 균열 및 기타 결함을 검출하기 위한 비파괴 검사(nondestructive testing)에서 광범위하게 사용되고 있다. 의료 이미징(medical imaging)은 인간 또는 동물에서의 여러 내부 장기를 가시화하기 위해 또한 사용된다.

본 발명의 실시예는 액체 내에서의 입자의 특성 및 액체의 유동 패턴을 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하여 종래 기술의 단점과 한계를 극복하도록 한다.

본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 액체 내에서의 입자의 특성 및 액체의 유동 패턴을 비침투적으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 광학적으로 불투명한 액체 내에서의 입자의 특성 및 액체의 유동 패턴을 비침투적으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 오일/기체 생산 파이프의 임의의 위치에 부착될 수 있고, 필요한 경우 다른 위치로 쉽게 이동 가능한, 비침투적 미세입자를 검출 및 가시화하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적들, 본 발명의 장점 및 새로운 특징들은 이하의 설명에 일부는 명시될 것이고, 일부는 이하의 설명으로부터 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 분명하거나 또는 본 발명의 실시를 통해 습득 가능하다. 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 청구항에서 특별히 언급된 수단 및 조합에 의해 실현되거나 획득될 수 있다.

전술한 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명의 목적에 따라, 여기에서 구체화되고 넓게 기술된 것처럼 정지상태(static) 또는 유동하는 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 변환기(transducer)로부터의 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을, 제2 유체를 함유하는 커플러(coupler)를 통해서 유도하며 상기 초음파 에너지를 상기 제1 유체로 송신하는 단계; 상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트(rate)로 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록, 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑(sweeping)하는 단계; 및 상기 변환기를 스위핑 하는 동안 상기 제1 유체로부터의 펄스-에코 귀로 신호(pulse-echo return signal)를 검출하여 상기 입자들을 검출하는 단계.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 파이프 또는 컨테이너 내의 제1 정지상태 또는 유동하는 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 장치는 다음을 포함한다: 상기 제1 유체로 유도되는 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 생성하고, 상기 제1 유체로부터 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하기 위한 변환기; 상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트로 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑하기 위한 와블러(wobbler); 상기 변환기 및 상기 와블러를 밀봉하는 돔(dome); 및 상기 파이프 또는 다른 컨테이너의 벽을 통해 상기 제1 유체의 내부로 그리고 상기 제1 유체의 외부로 상기 초음파 에너지를 초음파적으로 커플링(coupling)하기 위한 제2 유체로 채워진 커플러.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 제1 정지상태 또는 유동하는 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 제1 변환기로부터 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 상기 유체로 유도하는 단계; 상기 초음파 에너지 빔이 선택된 레이트로 선택된 각도를 통해 상기 유체를 통과하도록 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑하는 단계; 및 상기 제1 변환기를 스위핑하는 동안 상기 제1 유체로부터 펄스-에코 귀로 신호들을 수신하여 상기 입자들을 검출하는 단계.

본 발명의 실시예의 혜택 및 장점은 정지상태 또는 유동하는 유체 내에서 부유하는 입자를 비침투적으로 검출하고 식별하며, 유체의 유동 패턴을 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 포함하며, 이에 한정되지 되지 않는데, 상기 장치 및 방법은, 예를 들어 파이프 또는 튜브에서의 원유 및 굴착 이수(drilling mud)와 같은 불투명한 유체에 적용할 수 있다. 상용 가능한 초음파 스캐닝(ultrasonic scanning) 및 이미징 장치가 두꺼운 벽을 통해 실시간으로 미세한 입자 및 액체의 유동을 이미징하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 특징은 스캐닝 헤드가 단단한 금속 컨테이너(container) 또는 파이프 내에 동봉될 수 있으므로 땅 속에서의 응용례들에 본 장치를 사용할 수 있도록 한다. 장치는 광학적으로 불투명한 유체에서의 작은 입자 및 유체 유동{예를 들어, 와류(vortex) 및 교란(disturbance)}을 이미징하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 종래 기술을 사용해서는 불가능하다.

첨부 도면은 본 명세서에 포함되거나 일부분을 이루는 것으로 본 발명의 실시예들을 도시하고 있으며, 본 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 제공된다.
도 1a는 본 발명 장치의 일 실시예의 투시도를 개략적으로 도시하는 도면으로, 초음파 스캐너 전자장치, 스캐너 헤드 및 파이프 또는 유동하는 액체 및 입자들로 채워진 튜브를 도시하며, 상기 스캐너 헤드는 액체와 직접 접속되어 있음. 도 1b는 파이프 벽을 관통하지 않고 결합용 겔(coupling gel) 또는 다른 유체를 사용하여 파이프의 외면에 스캐너 헤드가 결합한 것을 도시하는 본 발명 장치의 또 다른 실시예의 개략적인 도면. 도 1c는 입체적인 3차원 유동 입자의 가시화를 위한 두 개의 스캐너 장치의 투시도를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따라 물을 통해 이동하는 적은 수의 100㎛ 지름의 석영 입자의 수 초 동안에 걸친 순차적인 초음파 이미지를 도시하는 도면.
도 3의 (a) 및 (b)는 중력의 영향 하에서 정지상태의 액체를 통해 두 개의 다른 크기의 입자의 이동 패턴 및 이들이 하강 중 분리됨을 도시하는 수 초 동안에 걸친 순차적인 초음파 이미지를 도시하는 도면이며, 도 3의 (c)는 액체에서의 뒤이은 유동 패턴을 도시하는 도면.
도 4의 (a) 및 (b)는 물에서 부유하는 적은 수의 5㎚ 크기의 입자에 대해, 영상 카메라(visual camera)를 사용한 이미지를 도 4의 (c) 및 (d) 각각의 초음파 스캐너 이미지와 비교하는 것을 도시하는 도면.

본 발명의 실시예는 정지상태 또는 유동하는 액체 내에서 부유하는 미세입자 물질의 존재 여부 및 파이프, 튜브, 도관 또는 다른 컨테이너에서의 유체의 유동 패턴을 비침투적으로 검출하고 가시화하기 위한 장치 및 방법을 포함한다. 초음파 스캐닝 및 유체 내 입자들로부터의 음파의 산란은 액체에서의 입자들 또는 유동 패턴들의 실시간 이미지를 만들어 낸다. 이미지는 초당 30 프레임(frame)의 표준 비디오 속도로 촬영되었고, 입자들은 상용 비디오 트래킹 소프트웨어(commercial video tracking software)를 사용하여 시간에 대한 함수로 트래킹되었다. 프레임 속도는 탐색할 액체 내에서의 깊이에 따라 달라지며, 경로길이가 길수록 더 느린 프레임 속도가 필요하다. 본 발명은 DNA 가닥을 포함하여, 나노미터 크기의 입자를 이미징 할 수 있다.

사용되는 스캐너는 왕복하는 방식(oscillatory manner)으로 선택된 각도(예를 들어, 약 120°)에 걸쳐 (예를 들어, 지름이 1.5㎝인) 압전 디스크 변환기(piezoelectric disc transducer)에서 생성된 음파 빔을 유도하는 기계식 와블러{mechanical wobbler; 또한 기계식 섹터 스캐너(mechanical sector scanner)로도 알려짐}를 포함한다. 변환기의 앞 표면은 필요하다면 빔 포커싱(beam focusing)을 제공하기 위해 약간 오목하게 될 수 있다. 물에서 변환기로부터 생성된 음파 빔의 (3㏈) 폭은 약 20°이다. 결과적으로, 음파 빔은 변환기의 회전 축에 대해 아크 수직(arc perpendicular)한 120°내에서 약 20°폭의 영역을 포함하게 된다. 변환기는, 약 3.5㎒의 중심 주파수를 가질 수 있는데 적절한 변환기를 사용하면 더 높거나 낮은 주파수를 얻을 수 있으며 (감쇠가 크고 광학적으로 불투명한 유체의 경우, 낮은 초음파 주파수가 효과적으로 사용될 있다), 펄스-에코 모드(pulse-echo mode)로 동작하는데, 이는 같은 변환기가 대상 영역으로부터의 귀로 신호(return signal)를 검출하는 것으로, 이 영역을 통해 입자들이 지나가고 유동이 존재하며 또는 이들 중 어느 하나가 발생한다. 펄스-에코 측정은 선택된 각도에 걸쳐 변환기가 한 번 스윕하는 동안 빠르게 연속적으로 행하여진다. 수신된 신호는 초음파 스캐너 전자장치 모듈에서 처리되며 실시간으로 이미지가 표시된다.

초음파 스캐너의 위상 배열(phased-array)이 이와 같은 목적을 위해 또한 사용될 수 있다. 위상 배열 시스템에서, 변환기 요소들(elements)의 선형 배열이, 예를 들어 64개 또는 128개 요소가, 사용된다. 각 인접한 요소 사이에 약간의 고정된 시간지연을 두고서 각 변환기 요소에 전압 펄스를 인가함으로써, 배열에 의해 생성된 음파 빔을 좌우로 각도 방식(angular manner)으로 조정할 수 있다. 지연은 조정 각도를 결정한다. 단일 수신기 또는 다중 수신기가 귀로 신호를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 이는 기계적으로 움직이는 단일 변환기 대신에 음파 빔의 전자식 조정을 가능하도록 한다.

스캐너 헤드는, 변환기의 손쉬운 움직임 및 음파 전송이 가능하도록 하기 위해, 저점도 유체로 채워진 음파를 전송하는 돔(dome) 형태의 플라스틱 덮개를 가진 실린더형 격실(cylindrical compartment) 내에서, 왕복 운동(oscillatory motion)을 하기 위한 기어(gear) 또는 다른 기계 시스템과 함께 압전 디스크 변환기를 포함한다. 돔 형태의 덮개는 빔의 음향 렌징(lensing)을 도우며, 액체와 접촉되어 위치하거나 또는 컨테이너 또는 파이프의 외벽에 결합하게 된다. 일례로, 보다 일반적인 측정은 예를 들어 약 2㎜ 두께의 훨씬 얇은 벽을 통해 이루어졌지만, 1㎝ 두께의 쇠로 된 벽을 통해서도 훌륭한 가시화가 관찰되었다.

유체의 유속은 추적 입자(tracer particle)로 작용하는 입자 이미지의 궤적을 추적함으로써 결정할 수 있다. 유체에서의 구형 입자의 종단 속도는 V_t = gd²(ρ_s-ρ)/18μ의 스톡스 방정식(Stokes equation)을 사용해서 결정할 수 있는데, 여기서 g는 중력 가속도이고, d는 입자의 지름이고, μ는 액체의 점도이고, ρ는 액체의 밀도이며, ρ_s는 고체 입자의 밀도를 각각 나타낸다. 이 속도는 액체의 유속, 특별히 오일에서의 유속보다 수십 배 낮으며, 따라서 입자들은 액체와 함께 유동한다. 또한, 스톡스 방정식은 만약 입자들이 정지상태의 유체에 떨어뜨려 지고 입자의 크기를 안다면, 액체의 점도가 입자의 종단 속도로부터 결정될 수 있음을 나타낸다. 반대로, 만약 호스트 유체(host fluid)의 점도 및 물리적 특성들을 안다면, 입자의 크기를 결정할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 대한 자세한 참조가 이루어지며, 본 발명의 실시예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 도면에서 유사한 구조는 동일한 참조 기호들을 사용해서 확인할 수 있다. 도면들은 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로 이해되어 지며, 그러한 실시예에 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 도 1a로 돌아가면, 스캐너(10)는, 생성된 초음파 빔이 정해진 속도로 선택된 각도에 걸쳐 스캔이 될 수 있도록, 평면상에서 디스크 변환기(disk transducer; 14)를 스위핑하기 위한 기계식 와블러를 구비한 스캐너 헤드(12)를 포함한다. 변환기(14)는 펄스열(a train of pulses)을 이용하여 전기적으로 여기되며, 음파 빔이 생성되고 송신된다. 귀로 신호(returning signals)는 변환기(14)에 의해 또한 검출된다. 변환기(14)는, 음파 빔의 포커싱을 향상시키기 위해 약간 오목하게 될 수 있고, 결합용 유체 또는 겔(16)로 채워지고 음파 빔의 포커싱을 또한 돕는 단단한 플라스틱 돔(15)의 내부에 밀봉되어 있다. 돔(15)은 귀로 신호에 대한 수렴 렌즈(converging lens)로서 또한 작용한다. 수의과용(veterinary use)으로 설계된 상용 초음파 스캐너가 본 발명의 교시에 따라 입자 이미징을 위해 적용되었으나, 임의의 적절한 스캐너를 입자 이미징을 위해 사용할 수 있다. 상기 언급된 것처럼, 변환기 요소의 위상 배열은 가동부(moving parts)가 없는 와블러 및 변환기(14)를 대신해 효과적으로 사용될 수 있다. 위상 배열은 스캐너 전자장치(17)와 전기적으로 접속된 스캐너 헤드(12)에 배치되며, 변환기(14)로부터 수신된 펄스-에코 거리 측정 신호를 이미지로 변환하고, 와블러를 구동한다. 검출된 신호는, 목표물로 송신된 신호 및 목표물로부터의 반사에 따른 그것의 귀로 신호의 전파 시간(time-of-flight)으로부터 결정되는 변환기(14)로부터의 거리의 형태가 된다. 스캐닝 헤드(12)는 파이프, 튜브, 도관 또는 다른 유체 컨테이너(20)에서의 유체(18)와 그곳 벽(22)의 구멍을 통해 연통하므로, 변환기(14)를 포함하는 플라스틱 돔(15)은 파이프(20) 내의 유체(18)와 직접 접촉해 있는다. 스캐너 헤드 지지부(23)는 헤드를 파이프에 부착시키고, 구멍 둘레의 스캐너 헤드 돔(15)을 밀봉하기 위한 고무 와셔(rubber washer)를 포함하는데, 이로써 유체의 유출을 막는다. 유체(18)는 입자들(24)이 그곳에 부유하게 되고, 표시된 아래쪽 방향(26)으로 유동할 수 있다.

스캐너 헤드(12)가 유체(18)와 직접적인 접촉이 바람직하지 않거나 불가능한 응용례에서, 도 1b에 도시된 것처럼, 돔(15)은, 예를 들어 물 또는 겔과 같은 초음파 진동 전송용 접촉물질(ultrasonic vibration transmitting couplant material)로 채워진 저장부(28)로서 또한 역할을 하는 지지부(23)를 사용하여 컨테이너(20)의 컨테이너 벽(22)과 결합한다. 스캐너 헤드(12)로부터의 음파 빔은 컨테이너(18)의 축(30)에 대해 일반적으로 수직 방향으로 유체에 들어간다. 이는 도 1b에 수직으로 배향된 것으로 도시된 파이프(18)에 대해 수평방향으로 유체(18)에 들어가는 것이다. 다른 종류 및 크기의 입자들(24)이 컨테이너(20)의 위쪽에서부터 유체로 떨어지며, 이는 입자의 운동을 종적으로(vertical) 되게 한다. 파이프(18)의 벽 두께는 이미지의 큰 열화 없이 1㎝ 정도 될 수 있다.

하나의 스캐닝 헤드를 사용하여 얻는 이미지는 스캐너 헤드가 배치되는 방법에 기초하여, 그 평면상에서의 목적물의 수평 단면을 도시한다. 신호 복귀(signal return)를 위한 시간 측면에서 심도(depth) 정보가 제공된다. 그러나 입체적인 3차원 이미지는, 만약 두 개의 동일한 스캐닝 헤드가 전자적으로 동기화된다면(electronically synchronized), 입자의 유동 및 궤적을 얻기 위해 생성될 수 있다. 도 1c에 도시된 것처럼, 스캐닝 헤드들(12 및 32)은 파이프(20)의 크기에 따른 거리상에서 서로 가까이 배치된다. 사각 형상의 컨테이너의 경우, 스캐너 헤드는 서로 직교하도록 배치될 수 있다. 이 측정을 위해 사용된 펄스는 톤 버스트(tone burst)로, 수 사이클의, 예를 들면 5 사이클의 사인파 신호이다. 헤드(12 및 32)에 있는 두 개의 변환기는 약간 다른 주파수로 동작하며, 각 스캐너 헤드로부터 수신된 신호는 도 1c에 도시되진 않았지만 측정을 위해 대역 통과 필터링되어 한 스캐너의 측정이 다른 것과 간섭이 없게 된다. 도 1c에 도시되진 않은 스캐닝 전자장치 및 관련된 데이터 획득 시스템은 양 스캐닝 헤드로부터의 동기화된 데이터의 각 프레임을 저장하여 입체적인 출력 화면이 나타날 수 있다. 이 측정방법의 변형으로 한 스캐너 헤드는 축(30)과 수직인 영역을 스캔하고, 한편 다른 스캐너 헤드는 축(30)과 나란하게 스캔하는 것이다. 이는 입자의 궤적 및 유체 유동의 또 다른 관찰결과를 3차원으로 제공한다. 또 다른 3차원 측정은 축(30)에 수직인 면에 스캐닝을 하기 위한 한 개의 스캐너 헤드를 사용하되, 스캐너 헤드를 축(30)을 따라 위아래로 움직임으로써 가능하다. 이는 2차원 스캐닝 및 3차원 이미징 둘 다 가능하며, 복수의 단면을 3차원 이미지를 만들기 위해 결합한다. 그러나 이와 같은 구성은 빠르게 움직이는 입자를 관찰하기엔, 스캐너 헤드의 기계적 왕복(oscillation)이 입자의 움직임을 따라갈 수 없어 비현실적이 된다. 이와 같은 상황에서는, 파이프 또는 컨테이너의 벽을 통한, 특히 2㎜보다 두꺼운 벽을 통한 빔의 굴절에 대한 보정이 불필요한, 전자적으로 스캔이되는 압전 변환기들의 2차원 위상 배열을 사용할 수 있다.

도 2의 (a) 내지 (c)는 정지상태의 물기둥을 따라 떨어지며 종단 속도에 도달한 수 개의 50㎛ 크기 입자의 실시간 이미지 시퀀스(sequence)를 도시하고 있다. 각각의 입자를 명확하게 식별할 수 있고, 추적할 수 있다. 초음파 빔이 선택된 각도에서 앞뒤로 스캔되므로, 검출된 입자의 경로는 이미지의 시퀀스에서 약간 휘어져 나타나게 된다. 그러나 이러한 만곡(curvature)은 쉽게 보정할 수 있다. 또한, 입자가 움직이는 동안의 변환기의 와블링(wobbling) 때문에, 각각의 입자의 이미지는 희미하게 나타난다. 이는 종래의 디블러링(de-blurring) 알고리즘을 적용함으로써 또한 보정될 수 있다. 각각의 입자의 위치 또는 입자의 총체의 질량 중심을 추적함으로써, 입자의 속도가 결정될 수 있다. 만약 입자가 유동하는 액체에 부유하고 있다면, 액체의 유속을 결정할 수 있다.

약 ±5㎛의 크기 분포를 갖는 약 250㎛ 및 약 45㎛의 공칭 크기를 갖는 분말 혼합물이, 정지상태의 물기둥을 통해 혼합물 내의 입자가 낙하하는 동안의 입자의 분리 과정에서의 역학을 가시화하기 위해 사용된다. 도 3의 (a) 내지 (c)는 수 초간에 걸쳐 촬영한 이미지 시퀀스를 도시하고 있다. 도 3의 (a) 및 (b)에서 관찰할 수 있듯이, 커다란 크기의 입자들과 작은 크기의 입자들이 빠르게 분리된다. 도 3의 (c)는 두 가지 입자 크기에 대해 완전히 분리되었음을 도시하며, 이에 큰 입자들은 더 이상 보이지 않는다. 큰 입자들의 빠른 움직임은 소용돌이를 만들며, 이는 도 3의 (c)에서 관찰할 수 있다. 만약 컨테이너(20) 내의 물(18)을 저으면, 입자들이 없는 유동 패턴 및 와류를 관찰할 수 있다. 초음파 가시화에 관한 연구가 10W-40 자동차 오일 및 굴착 이수와 같은 불투명한 액체에서, 육안으로 식별되는 물체, 예를 들면 렌치(wrench)나 스프링에 대해 직접 접촉식 및 비침투식 둘 다를 사용하여 또한 수행되었다.

도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 장치를 사용한 나노 크기 입자들의 가시화를 도시한다. 물에 5㎚ 크기의 탄소 코팅된 다이아몬드 입자가 든 현탁액이 준비되었고, 이 현탁액 한 방울이 물이 채워진 투명한 컨테이너(20)의 상단 표면에 놓여졌다. 시각 이미지 및 초음파 이미지 둘 다 동시에 만들어졌지만, 영상 카메라 및 초음파 스캐너가 서로 대략 직교하게 배치되었기 때문에 두 세트의 도면의 축적이 다르다. 도 4의 (a) 및 (b)는 시각 사진들을 도시하며, 도 4의 (c) 및 (d)는 이에 해당하는 초음파 사진들을 도시한다. 초음파 사진들이 비스듬히 있으므로, 형성된 와류 링이 두 개의 분리된 덩어리처럼 나타난다. 소의 DNA 사슬(bovine DNA strands)이 본 발명에 의해 또한 성공적으로 이미징되었으며, 이는 본 발명의 실시예가 나노 크기의 입자를 이미징하는데 효과가 있음을 나타낸다. 본 발명의 실시예는 광학적으로 불투명한 호스트 유체에 부유하는 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 및 기타 나노와이어(nanowire)를 이미징 하기 위해 사용될 수 있지만, 이는 물에서의 음파 파장이 30pm인 50㎒과 같은 매우 높은 주파수가 필요할 수 있다는 점은 예측할 수 있다. 각각의 탄소 나노튜브는 분석하기 어려울 수 있지만, 5㎚ 다이아몬드 입자가 본 발명의 실시예의 교시에 따라 관찰되었기 때문에, 그러한 입자의 작은 무리들은 관찰될 가능성이 크다.

광학적으로 투명한 액체에서의 모든 액체 유동 연구는 시각적인 관찰을 위해 유동 패턴을 강조하기 위한 색채 염료를 사용한다. 그러나 원유 또는 기타 광학적으로 불투명한 유체에서의 유동 패턴은 그와 같은 방법을 사용해서는 연구할 수 없다. 본 발명은 그와 같은 측정이 가능하도록 한다.

본 발명의 실시예의 많은 개선이 가능하다. 예를 들어, 더 향상된 품질의 이미지가 더 높은 주파수의 스캐너 사용으로 만들어 질 수 있다. 즉, 가까운 거리에 대해, 50㎒까지의 주파수가 고해상도 이미지를 얻기 위해 사용될 수 있다. 상용 스캐너는 펄스-에코 측정으로부터 전달시간을 결정하며, 변환기로부터의 거리에 대한 함수로 입자의 위치를 도시하는 이미지를 생성한다. 만약 두 개의 스캐너가 동기화되었고 서로 비스듬히 다른 위치에 놓인다면, 3차원 이미징을 얻을 수 있게 된다. 복귀하는 에코 신호는 주파수 변환에 의해 또한 분석할 수 있으며, 주파수 의존 감쇠는 이미지 보정 목적으로 사용할 수 있다.

본 발명의 전술한 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공된 것으로, 빠진 것 없는 철저한 것이 아니고 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 분명히 다른 변형 또는 변경도 상기 교시에 비춰 가능할 수 있다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 용례를 가장 잘 설명하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들이 고려되는 특정 용도에 맞춰진 여러 변형물로써 본 발명을 다양한 실시예에서 가장 잘 사용할 수 있게 하기 위해 선택 및 개시되었다. 본 발명의 범위는 여기 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims

정지상태(static)이거나 유동하는 제1 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 방법으로서,
제1 변환기(transducer)로부터의 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을, 제2 유체를 함유하는 커플러(coupler)를 통해서 유도하여 상기 초음파 에너지를 상기 제1 유체로 송신하는 단계;
상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트(rate)로 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록, 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑(sweeping)하는 단계; 및
상기 변환기를 스위핑 하는 동안 상기 제1 유체로부터의 펄스-에코 귀로 신호들(pulse-echo return signals)을 검출하는 단계
를 포함하며, 이에 의해 상기 입자들이 검출되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하는 단계는 상기 제1 변환기를 사용하여 행하여지는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 변환기는 오목한, 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 유체는 파이프 또는 다른 컨테이너(other container)에 위치하며,
변환기로부터의 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 상기 유체로 유도하는 단계 및 상기 펄스-에코 귀로 신호를 검출하는 단계는 비침투적으로 수행되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 변환기를 평면상에서 왕복하는 방식(oscillatory manner)으로 스위핑하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
초음파 스캐너 전자장치(ultrasound scanner electronics)를 사용해서 상기 귀로 신호를 처리하여 상기 입자들의 이미지를 실시간으로 생성하는 단계; 및
상기 입자들이 시각화되도록 상기 실시간 이미지를 표시하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 귀로 신호를 처리하는 단계는 상기 제1 유체에서의 유동 패턴을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
시간에 대해 상기 입자들의 움직임을 추적하는 단계; 및
상기 제1 유체의 유속을 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 입자들의 종단 속도를 측정하는 단계; 및
상기 제1 유체의 점도를 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 입자들의 크기를 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
제2 변환기로부터 제2 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을, 상기 제1 초음파 에너지의 빔으로부터의 선택된 고정된 각도에서 제3 유체로 채워진 커플러를 통해 유도하여 상기 초음파 에너지를 상기 제1 유체로 송신하는 단계;
상기 제2 초음파 에너지의 빔이 제2 선택된 레이트로 제2 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록 상기 제2 선택된 레이트로 상기 제2 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제2 변환기를 스위핑하는 단계; 및
상기 제2 변환기를 스위핑하는 동안 상기 제1 유체로부터의 제2 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하는 단계
를 더 포함하며, 이에 의해 상기 입자들의 입체적인 이미징을 얻음으로써 3차원 가시화가 가능한, 방법.
파이프 또는 컨테이너 내의 정지상태이거나 유동하는 제1 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 장치로서,
상기 제1 유체로 유도되는 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 생성하고, 상기 제1 유체로부터 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하기 위한 제1 변환기;
상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트로 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑하기 위한 제1 와블러(wobbler);
상기 변환기 및 상기 와블러를 밀봉하는 제1 돔(dome); 및
상기 파이프 또는 다른 컨테이너의 벽을 통해 상기 제1 유체의 내부로 그리고 상기 제1 유체의 외부로 상기 초음파 에너지를 초음파적으로 커플링(coupling)하기 위한 제2 유체로 채워진 제1 커플러
를 포함하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1 변환기는 오목한, 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2 유체는 물 및 겔들(gels)로부터 선택되는, 장치.
제12항에 있어서,
상기 돔은 초음파를 전송하는 유체로 채워진, 장치.
제12항에 있어서,
상기 와블러는 평면 왕복 방식(planar oscillatory manner)으로 상기 변환기를 스위핑하는, 장치.
제12항에 있어서,
이미지를 실시간으로 생성하기 위한 초음파 스캐너 전자장치; 및
상기 입자들이 관찰되도록 실시간 이미지를 시각화하기 위한 디스플레이
를 더 포함하는 장치.
제17항에 있어서,
상기 초음파 스캐너 전자장치 및 상기 디스플레이는 상기 제1 유체에서의 유동 패턴을 시각화하는, 장치.
제17항에 있어서,
펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 생성하고, 상기 제1 유체로부터 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하며, 상기 제1 변환기와 선택된 각도를 이루며 배치되는 제2 변환기;
상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트로 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제2 변환기를 스위핑하기 위한 제2 와블러;
상기 제2 변환기 및 상기 제2 와블러를 밀봉하는 제2 돔; 및
상기 파이프 또는 다른 컨테이너의 벽을 통해 상기 제1 유체 내부로 상기 초음파 에너지를 초음파적으로 커플링하기 위한 제3 유체가 채워진 제2 커플러
를 더 포함하는 장치.
정지상태이거나 유동하는 제1 유체에 부유하는 입자들을 검출하는 방법으로서,
제1 변환기로부터 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 상기 유체로 유도하는 단계;
상기 초음파 에너지의 빔이 선택된 레이트로 선택된 각도를 통해 상기 유체를 통과하도록 상기 선택된 레이트로 상기 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제1 변환기를 스위핑하는 단계; 및
상기 제1 변환기를 스위핑하는 동안 상기 제1 유체로부터 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하는 단계
를 포함하며, 이에 의해 상기 입자들이 검출되는, 방법.
제20항에 있어서,
상기 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하는 단계는 상기 제1 변환기를 사용하여 행하여지는 방법.
제20항에 있어서,
상기 제1 변환기는 오목한, 방법.
제20항에 있어서,
상기 유체는 파이프 또는 다른 컨테이너에 위치하며,
변환기로부터의 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을 상기 유체로 유도하는 단계 및 상기 펄스-에코 귀로 신호를 검출하는 단계는 상기 파이프 또는 다른 컨테이너에서의 구멍을 통해 수행되는, 방법.
제20항에 있어서,
평면 왕복 방식으로 상기 제1 변환기를 스위핑하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서,
초음파 스캐너 전자장치를 사용해서 상기 귀로 신호를 처리하여 이미지를 실시간으로 생성하는 단계; 및
상기 입자들이 시각화되도록 상기 실시간 이미지를 표시하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제25항에 있어서,
상기 귀로 신호를 처리하는 단계는 상기 유체의 유동 패턴을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
제20항에 있어서,
시간에 대해 상기 입자들의 움직임을 추적하는 단계; 및
상기 유체의 유속을 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서,
상기 입자들의 종단 속도를 측정하는 단계; 및
상기 유체의 점도를 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서,
상기 입자들의 크기를 결정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서,
제2 변환기로부터 제2 펄스형 초음파 에너지의 좁은 빔을, 상기 제1 초음파 에너지의 빔으로부터의 선택된 고정된 각도에서 상기 유체로 유도하는 단계;
상기 제2 초음파 에너지의 빔이 제2 선택된 레이트로 제2 선택된 각도를 통해 상기 제1 유체를 통과하도록 상기 제2 선택된 레이트로 상기 제2 선택된 각도의 범위에 걸쳐 상기 제2 변환기를 스위핑하는 단계; 및
상기 제2 변환기를 스위핑하는 동안 상기 유체로부터의 제2 펄스-에코 귀로 신호들을 검출하는 단계
를 더 포함하며, 이에 의해 상기 입자들의 입체적인 이미징을 얻음으로써 3차원 가시화가 가능한, 방법.