KR20150100174A - 입자 크기 및 속도 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 두 개의 광섬유와 포토 다이오드만으로 이동하는 액체, 고체 또는 기체 입자의 크기 및 속도를 간편하게 측정할 수 있는 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

입자 크기 및 속도 측정 시스템{Measurement system of particle size and velocity}
본 발명은 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 두 개의 광섬유와 포토 다이오드만으로 이동하는 고체 또는 액체 입자의 크기 및 속도를 간편하게 측정할 수 있는 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 관한 것이다.
제약공장이나 각종 플랜트 설비에는 입자를 제조하는 공정이 존재하며 이 공정에서 움직이는 입자의 크기(수[㎛] ~ 수 천[㎛])와 속도를 실시간으로 측정하여 입자 생산과 관련된 운전변수를 최적조건으로 제어하는 것은 매우 중요한 요소이다.
입자 크기 및 속도 측정을 위한 대표적인 장치로써 제약공장에서 운영하는 그래뉼레이터(granulator)가 있다.
또한, 입자의 크기와 속도를 동시에 측정하는 방법은 주로 광학적인 원리가 이용되고 있으며, 예를 들면, PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer), SFV(Spatial Filter Velocimetry), PMA(Particle Motion Analyzer) 등이 있다.
PDPA는 도플러 효과에 의한 측정 방법이고 PMA는 이미지 처리를 통한 방법인데 이 두 가지 방법은 작은 프로브 형태로 제작하기가 어려워 그래뉼레이터와 같은 장치에 적용이 어렵고 주로 실험실에서 연구용 목적으로 주로 이용되고 있다.
SFV는 여러 형태가 있으나 Malvern사의 입자 크기 및 속도 측정 시스템이 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 Malvern사의 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 보여주는 것으로, 도 1을 참조하면, 종래의 입자 크기 및 속도 측정 시스템(10)은 광을 출력하는 광원부(11), 입자(P)가 이동하는 입자 이동 공간을 형성하는 보호 윈도우(12), 상기 보호 윈도우(12)를 사이에 두고, 상기 광원부(11)와 대향하여 구비되며, 상기 광원부(11)의 광을 수광하는 복수 개의 제1 광섬유(13), 상기 제1 광섬유들(13)과 나란하게 상기 제1 광섬유들(13)과 번갈아 위치하는 복수 개의 제2 광섬유(14), 상기 제1 광섬유들(13)에서 출력되는 광들을 동시에 수광하는 제1 포토 다이오드(16) 상기 제2 광섬유들(14)에서 출력되는 광들을 동시에 수광하는 제2 포토 다이오드(17), 상기 포토 다이오드들(16,17)에서 출력되는 전류의 차이를 증폭하여 버스트(burst) 신호를 출력하는 차동 증폭기(19)를 포함한다.
또한, 상기 제1 광섬유들(13)과 상기 제2 광섬유들(14)과는 별개로 상기 입자(P)의 크기를 측정하기 위한 한 가닥의 제3 광섬유(15)를 더 포함하고, 상기 제3 광섬유(15)에서 출력되는 광은 제3 포토 다이오드(18)에 수광되며, 상기 제3 포토 다이오드(18)는 펄스(pulse) 신호를 출력한다.
또한, 상기 입자(P)의 속도는 상기 차동 증폭기(19)의 버스트 출력의 주파수계산을 통해 이루어지며, 더욱 자세하게는 상기 입자(P)의 속도는 상기 제1 광섬유들(13) 간의 거리(g)에 버스트 신호의 주파수(f0)를 곱하여 얻어질 수 있으며, 버스트 신호의 주파수는 버스트 신호의 주기(T0)의 역수와 같다.
또한, 상기 입자(P)의 크기는 상기 입자(P)의 속도에 상기 펄스 신호의 발생시간(Δt0)을 곱하고 상기 제3 광섬유(15)의 직경(b)을 감하여 계산될 수 있다.
그러나 종래의 입자 크기 및 속도 측정 시스템(10)은 주파수 계산을 위해 고속 푸리에 변환(FFT:fast Fourier transform)이 필요하므로 고속 푸리에 변환을 수행하기 위한 별도의 하드웨어가 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 입자 크기 및 속도 측정 시스템(10)은 입자의 크기를 측정하기 위한 별도의 광섬유(15)가 필요하고, 속도측정을 위한 광섬유들의 수(18가닥)가 매우 많으므로 생산단가가 상승하는 단점이 있다.
또한, 19가닥의 광섬유를 일렬로 배치하기 위해서는 약 2.7[mm]의 두께가 요구되어 시스템의 부피가 커지는 문제점이 있다.
또한, 복수의 광섬유들이 하나의 포토 다이오드로 광을 전달하므로 광섬유의 직경보다 작은 직경의 입자가 통과할 경우 1가닥의 광섬유에 입사되는 광을 부분적으로 차단하게 되어 포토 다이오드로 입력되는 광량 변화가 매우 작아 입자측정이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 단 두 가닥의 광섬유만으로 입자의 속도 및 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 입자의 속도를 계산하기 위해 고속 푸리에 변환을 수행하지 않아도 되므로 단순한 하드웨어 구성만으로 입자의 크기 및 속도를 측정할 수 있는 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 입자의 크기가 광섬유의 직경보다 작더라도 입자의 속도 및 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고체 또는 액체 입자의 크기와 이동속도를 측정하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템으로서, 광을 출력하는 발광부; 상기 입자가 이동하는 공간인 입자 이동 공간을 사이에 두고 상기 발광부와 서로 마주보며 구비되고, 상기 발광부의 광을 수광하여 전기신호를 출력하는 수광부; 및 상기 수광부로부터 전기신호를 입력받아 입자측정 파형을 출력하는 수신 회로부;를 포함하고, 상기 수광부는 제1 포토 다이오드 및 제2 포토 다이오드를 포함하며, 상기 수신 회로부는 상기 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드에서 출력되는 전기신호를 가산하여 상기 입자측정 파형으로 출력하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 발광부는 상기 수광부로 평행광을 출력한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 발광부는 상기 평행광을 출력하는 레이저 다이오드를 포함한다.
그러나 상기 발광부는 광원 및 상기 광원의 광을 입력받아 평행광으로 출력하는 광 출력용 광섬유를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수광부는 서로 나란하게 구비되는 제1 광 수신용 광섬유 및 제2 광 수신용 광섬유를 포함하고, 상기 제1 광 수신용 광섬유는 상기 제1 포토 다이오드로 입력된 광을 전달하고, 상기 제2 광 수신용 광섬유는 상기 제2 포토 다이오드로 입력된 광을 전달한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드는 광을 수광하였을 때 서로 다른 방향의 전류를 출력하도록 서로 다른 극이 접지된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수신 회로부;는 상기 제1 포토 다이오드의 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 제1 전류-전압(current to voltage) 변환기; 및 상기 제2 포토 다이오드의 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 제2 전류-전압 변환기;를 더 포함하고, 상기 가산기는 상기 제1 전류 전압 변환기 및 상기 제2 전류 전압 변환기에서 출력되는 전압을 가산하여 상기 입자측정 파형으로 출력한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수신 회로부로부터 상기 입자측정 파형을 입력받아 상기 입자 이동 공간을 지나가는 입자의 크기 및 이동속도를 계산하는 입자 크기 및 속도 분석기를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 광 수신용 광섬유와 상기 제2 광 수신용 광섬유의 직경(d)(이하 '광섬유 직경'이라 함)은 서로 동일하고, 상기 제1 광 수신용 광섬유와 상기 제2 광 수신용 광섬유는 서로 일정한 거리(L)(이하 '광섬유 거리'라 함) 이격되며, 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 상기 입자의 직경(dp)(이하 '입자 직경'이라 함)이 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 뺀 값보다 클 경우, 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 입자 직경 및 상기 입자의 이동속도를 계산한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, V는 입자의 이동속도, dp는 입자 직경, L은 광섬유 거리, d는 광섬유 직경, Δt1은 상기 입자 측정파형이 '0'에서 증가하거나 감소하기 시작하여 최초 변곡점인 제1 변곡점이 측정될 때까지 걸린 시간, Δt2는 상기 제1 변곡점이 측정된 시점에서 상기 제1 변곡점 다음의 제2 변곡점이 측정된 후, 상기 입자 측정 파형이 '0'이 될 때까지 걸린 시간이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 상기 입자 직경이 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 뺀 값보다 작을 경우, 아래의 수학식 2을 이용하여 상기 입자 직경 및 상기 입자의 이동속도를 계산한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, Δt1은 상기 입자 측정파형에서 최초 펄스가 발생하여 소멸할 때까지 걸린 시간, Δt2은 상기 최초 펄스가 소멸된 시점부터 다음 펄스가 발생한 후 소멸될 때까지 걸린 시간이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 의하면, 두 가닥의 광섬유와 서로 역방향으로 접지된 두 개의 포토 다이오드를 통해 입자의 크기에 따라 다양한 형태의 입자 측정 파형을 출력할 수 있으므로 입자의 크기에 관계없이 이동하는 입자의 속도 및 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 의하면, 변곡점의 발생시점이나 펄스신호의 발생 시점 및 종료시점을 이용하여 입자의 속도를 계산할 수 있으므로 때문에 주파수 계산을 위한 고속 푸리에 변환이 필요없어 단순한 하드웨어 구성만으로 입자의 크기 및 속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 입자 크기 및 속도 측정 시스템에 의하면, 두 개의 포토 다이오드들에서 출력되는 신호를 합산한 입자 측정 파형으로부터 입자의 크기 및 속도를 측정할 수 있으므로 입자의 크기가 광섬유의 직경보다 작더라도 입자의 속도 및 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 크기 및 속도 측정 시스템을 보여주는 도면,
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 크기 및 속도 측정 시스템이 입자의 크기 및 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 크기 및 속도 측정 시스템(100)은 이동하는 입자(P)의 크기와 이동 속도를 측정하기 위한 것으로 발광부(110), 수광부(120) 및 수신 회로부(130)로 구성되며, 상기 수신 회로부(130)의 출력 파형인 입자 측정파형을 입력받아 입자의 크기 및 이동속도를 계산하는 입자 크기 및 속도 분석기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 데이터 획득장치를 포함하는 컴퓨터 또는 상기 입자 측정파형을 입력받아 분석하기 위한 전용 컨트롤러일 수 있다.
또한, 상기 입자(P)는 고체 또는 액체 입자일 수 있다.
상기 발광부(110)는 광을 출력한다.
바람직하게는 상기 발광부(110)는 평행광을 출력하며, 상기 평행광은 레이저일 수 있다.
또한, 상기 발광부(110)는 평행광을 출력하는 레이저 다이오드를 포함한다.
그러나, 상기 발광부(110)는 레이저 다이오드인 광원(111)과 상기 광원(111)의 광을 평행광(110a)으로 출력하기 위한 광 출력용 광섬유(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 광 출력용 광섬유(112)는 한 개 또는 나란하게 이격된 두 개의 광섬유로 구성될 수 있다.
상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 광을 수광하여 전기신호를 출력한다.
또한, 상기 발광부(110)와 상기 수광부(120)는 일정한 거리 이격되어 입자가 이동할 수 있는 입자 이동 공간을 형성한다.
즉, 상기 발광부(110)와 상기 수광부(120) 사이를 입자(P)가 통과하고, 상기 수광부(120)는 입자(P)의 이동에 따라 수신되는 광량의 변화에 따라 가변하는 전기신호를 출력한다.
또한, 상기 수광부(120)는 서로 나란하게 구비되는 제1 광 수신용 광섬유(121), 제2 광 수신용 광섬유(122), 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)에서 출력되는 광을 수광하여 전기신호를 출력하는 제1 포토 다이오드(123) 및 상기 제2 광 수신용 광섬유(121)에서 출력되는 광을 수광하여 전기신호를 출력하는 제2 포토 다이오드(124)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)는 서로 일정한 거리 이격되고 직경은 서로 동일하다.
또한, 상기 제1 포토 다이오드(123)와 상기 제2 포토 다이오드(124)는 광을 수광하였을때 서로 다른 방향의 전류를 출력하도록 서로 다른 극이 접지된다.
예를 들면, 상기 제1 포토 다이오드(123)는 캐소드가 접지되게 하고 상기 제2 포토 다이오드(124)는 애노드가 접지되게 할 수 있다.
즉, 상기 제1 포토 다이오드(123)는 입자가 광을 가려 수광되는 광량이 작아지면 출력되는 전기신호는 감소하게 하고, 상기 제2 포토 다이오드(124)는 수광되는 광량이 작아지면 출력되는 전기신호가 증가하게 한다.
이러한 전기신호 출력 기법은 아래에서 설명할 수신 회로부(130)의 가산기(133)가 전기신호를 가산하였을 때 여러 형태의 입자측정 파형을 출력하기 위한 것으로 본 발명의 핵심적인 기술특징이다.
상기 수신 회로부(130)는 상기 제1 포토 다이오드(123) 및 상기 제2 포토 다이오드(124)로부터 전기신호를 입력받아 입자측정 파형(133a)을 출력한다.
또한, 상기 수신 회로부(130)는 상기 제1 포토 다이오드(123)로부터 출력되는 전류를 전압(131a)으로 변환하여 출력하는 제1 전류-전압 변환기(131), 상기 제2 포토 다이오드(124)로부터 출력되는 전류를 전압(132a)으로 변환하여 출력하는 제2 전류-전압 변환기(132) 및 상기 제1 전류-전압 변환기(131)와 상기 제2 전류-전압 변환기(132)의 출력 전압을 가산하여 상기 입자측정 파형(133a)을 출력하는 가산기(133)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제1 전류-전압 변환기(131)와 상기 제2 전류-전압 변환기(132)는 각각 하나의 op앰프와 두 개의 저항, 커패시터로 구성되나 공지된 어떠한 전류-전압 변환기도 사용이 가능하며, 상기 가산기(133) 역시 공지된 어떠한 가산기 회로도 이용이 가능하다.
도 3은 상기 입자(P)의 직경(dp)이 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)가 이격된 거리(L)(이하 '광섬유 거리'라 함)에 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)의 직경(d)(이하 '광섬유 직경'이라 함)을 더한 값보다 클 경우에 입자측정 파형(133a-1)을 보여 주는 것으로 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 상기 입자측정 파형(133a-1)으로부터 입자(P)의 크기와 속도를 계산할 수 있다.
먼저, 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광을 차단하기 시작하는 시점(A)에서 상기 입자측정 파형(133a-1)은 감소하기 시작한다.
또한, 감소율에는 차이가 있으나 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광을 전부 차단할 때까지 감소가 지속된다.
다음, 상기 입자(P)가 이동하여 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 차단하기 시작하는 시점(B)에서 상기 입자측정 파형(133a-1)은 급격히 감소하여 제1 변곡점이 발생한다.
이는 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 동시에 모두 차단할 때까지 지속되며, 그 후, 상기 입자측정 파형(133a-1)은 '0'이 된다.
다음, 상기 입자(P)가 이동하여 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 광이 서서히 입사되면 상기 입자측정 파형(133a-1)은 급격히 증가하며, 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광의 차단이 해제되는 시점(C)까지 지속되며, 이때, 제2 변곡점이 발생한다.
다음, 상기 입자측정 파형(133a-1)은 서서히 감소하기 시작하여 상기 입자(P)가 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)를 완전히 통과는 시점(D)에서 '0'이 된다.
여기서 변곡점이 발생하는 시점 'B'와 'C'는 상기 입자측정 파형(133a-1)의 기울기 변화로부터 간단하게 계산이 가능하다.
이러한 입자측정 파형(133a-1)의 변화로부터 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 아래의 수학식 1과 같이 상기 입자(P)의 크기와 이동 속도를 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서, V는 상기 입자(P)의 이동속도, dp는 입자 직경(크기), L은 상기 광섬유 거리, d는 상기 광섬유 직경, Δt1은 상기 제1 변곡점이 발생할 때까지 걸린 시간, Δt2는 상기 제1 변곡점이 발생된 시점에서 상기 제2 변곡점이 발생한 후, 상기 입자 측정 파형이 '0'이 될 때까지 걸린 시간이다.
도 4은 상기 입자(P)의 직경(dp)이 상기 광섬유 거리(L)에서 상기 광섬유 직경(d)을 뺀 값보다 크고 상기 광섬유 거리(L)에서 상기 광섬유 직경(d)을 더한 값보다 작을 경우 입자측정 파형(133a-2)을 보여 주는 것이다.
즉, 도 4의 입자측정 파형(133a-2)은 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 동시에 전부 차단할 수는 없는 크기일 경우 출력되는 파형이다.
또한, 도 4의 입자측정 파형(133a-2)은 도 3의 입자측정 파형(133b)과 비교하여 상기 제1 변곡점이 발생하는 시점(B)과 상기 제2 변곡점이 발생하는 시점(C)간의 거리가 더 가깝고, 상기 제1 변곡점과 상기 제1 변곡점 사이에 크기가 '0'으로 지속되는 구간이 존재하지 않는 차이가 있을 뿐 상기 수학식 1에 의해 상기 입자(P)의 크기 및 이동 속도 계산이 가능하다
도 5는 상기 입자(P)의 직경(dp)이 상기 광섬유 거리(L)에서 상기 광섬유 직경(d)을 뺀 값보다 작을 경우 입자측정 파형(133a-3)을 보여 주는 것이다.
즉, 도 5의 입자측정 파형(133a-3)은 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)와 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 동시에 일부라도 차단할 수는 없는 크기일 경우에 출력되는 파형이다.
이 경우, 두 개의 펄스신호가 간섭없이 서로 독립적으로 이격되어 발생한다.
더욱 자세하게는 먼저, 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광을 차단하기 시작하는 시점(A)에서 입자측정 파형(133a-3)이 감소하기 시작하여 상기 입자(P)가 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광을 모두 차단하면 입자측정 파형(133a-3)의 감소가 중단된다.
다음, 상기 입자(P)가 이동하여 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광의 차단이 서서히 해제되는 시점에서 입자측정 파형(133c)은 증가하기 시작하고, 상기 제1 광 수신용 광섬유(121)로 입사되는 광의 차단이 완전히 해제되는 시점(B) 이후로 입자측정 파형(133a-3)은 '0'이 된다.
다음, 상기 입자(P)가 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 차단하기 시작하는 시점(C)까지 입자측정 파형(133a-3)은 '0'으로 유지된다.
다음, 상기 입자(P)가 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 차단하기 시작하는 시점(C)에서 입자측정 파형(133a-3)이 증가하기 시작하여 상기 입자(P)가 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광을 모두 차단하면 입자측정 파형(133a-3)의 증가가 중단되고, 상기 입자(P)가 이동하여 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광의 차단이 서서히 해제되는 시점에서 입자측정 파형(133a-3)은 감소하기 시작하고, 상기 제2 광 수신용 광섬유(122)로 입사되는 광의 차단이 완전히 해제되는 시점(D) 이후로 입자측정 파형(133a-3)은 '0'이 된다.
즉, 상기 입자(P)의 직경(dp)이 상기 광섬유 거리(L)에서 상기 광섬유 직경(d)을 뺀 값보다 작을 경우에는 아래로 볼록한 펄스신호와 위로 볼록한 펄스신호가 서로 이격되어 발생한다.
이 경우, 상기 입자 크기 및 속도 분석기는 아래의 수학식 2와 같이 상기 입자(P)의 크기와 이동 속도를 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
여기서, Δt은 상기 입자측정 파형에서 최초 펄스가 발생하여 소멸할 때까지 걸린 시간, Δt은 상기 최초 펄스가 소멸된 시점부터 다음 펄스가 발생한 후 소멸될 때까지 걸린 시간이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:입자 크기 및 속도 측정 시스템 110:발광부
111:광원 112:광 출력용 광섬유
120:수광부 121:제1 광 수신용 광섬유
122:제2 광 수신용 광섬유 123:제1 포토 다이오드
124:제2 포토 다이오드 130:수신 회로부
131:제1 전류-전압 변환기 132:제2 전류-전압 변환기
133:가산기

Claims (10)

  1. 고체 또는 액체인 입자의 크기와 이동속도를 측정하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템으로서,
    광을 출력하는 발광부;
    상기 입자가 이동하는 공간인 입자 이동 공간을 사이에 두고 상기 발광부와 서로 마주보며 구비되고, 상기 발광부의 광을 수광하여 전기신호를 출력하는 수광부; 및
    상기 수광부로부터 전기신호를 입력받아 입자측정 파형을 출력하는 수신 회로부;를 포함하고,
    상기 수광부는 제1 포토 다이오드 및 제2 포토 다이오드를 포함하며,
    상기 수신 회로부는 상기 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드에서 출력되는 전기신호를 가산하여 상기 입자측정 파형으로 출력하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 수광부로 평행광을 출력하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 평행광을 출력하는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광부는 광원 및 상기 광원의 광을 입력받아 평행광으로 출력하는 광 출력용 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광부는 서로 나란하게 구비되는 제1 광 수신용 광섬유 및 제2 광 수신용 광섬유를 포함하고, 상기 제1 광 수신용 광섬유는 상기 제1 포토 다이오드로 입력된 광을 전달하고, 상기 제2 광 수신용 광섬유는 상기 제2 포토 다이오드로 입력된 광을 전달하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드는 광을 수광하였을 때 서로 다른 방향의 전류를 출력하도록 서로 다른 극이 접지되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신 회로부;는
    상기 제1 포토 다이오드의 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 제1 전류-전압(current to voltage) 변환기; 및
    상기 제2 포토 다이오드의 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 제2 전류-전압 변환기;를 더 포함하고,
    상기 가산기는 상기 제1 전류 전압 변환기 및 상기 제2 전류 전압 변환기에서 출력되는 전압을 가산하여 상기 입자측정 파형으로 출력하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수신 회로부로부터 상기 입자측정 파형을 입력받아 상기 입자 이동 공간을 지나가는 입자의 크기 및 이동속도를 계산하는 입자 크기 및 속도 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 광 수신용 광섬유와 상기 제2 광 수신용 광섬유의 직경(d)(이하 '광섬유 직경'이라 함)은 서로 동일하고, 상기 제1 광 수신용 광섬유와 상기 제2 광 수신용 광섬유는 서로 일정한 거리(L)(이하 '광섬유 거리'라 함) 이격되며,
    상기 입자 크기 및 속도 분석기는 상기 입자의 직경(dp)(이하 '입자 직경'이라 함)이 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 더한 값보다 크거나, 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 뺀 값보다 크고 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 더한 값보다 작을 경우, 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 입자 직경 및 상기 입자의 이동속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00005

    여기서, V는 입자의 이동속도, dp는 입자 직경, L은 광섬유 거리, d는 광섬유 직경, Δt1은 상기 입자 측정파형이 '0'에서 증가하거나 감소하기 시작하여 최초 변곡점인 제1 변곡점이 측정될 때까지 걸린 시간, Δt2는 상기 제1 변곡점이 측정된 시점에서 상기 제1 변곡점 다음의 제2 변곡점이 측정된 후, 상기 입자 측정 파형이 '0'이 될 때까지 걸린 시간이다.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 입자 크기 및 속도 분석기는 상기 입자 직경이 상기 광섬유 거리에 상기 광섬유 직경을 뺀 값보다 작을 경우, 아래의 수학식 2을 이용하여 상기 입자 직경 및 상기 입자의 이동속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 속도 측정 시스템.
    [수학식 2]
    Figure pat00006

    여기서, Δt1은 상기 입자 측정파형에서 최초 펄스가 발생하여 소멸할 때까지 걸린 시간, Δt2은 상기 최초 펄스가 소멸된 시점부터 다음 펄스가 발생한 후 소멸될 때까지 걸린 시간이다.
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