KR20180025575A - Rf 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 어느 하나의 코일 안테나로는 정해진 주파수의 RF 신호를 출력하고 나머지 하나의 코일 안테나로는 매질을 통해 전달되는 주파수(RF) 유도 전류신호를 수신 받아 신호 세기 차이를 검출하고, 이 주파수의 신호 세기를 각 주파수별 신호 세기를 기준으로 매질상태에 따라 미리 측정하여 제어기에 저장해 놓은 각 주파수별 신호 세기 비교표와 비교하여 전도도 및 비전도체 특성변화를 검출할 수 있게 구성함으로써, 전도체 매질의 고형질 용해도TDS, 온도, 양에 따라 전도도가 변하는 특성과 비전도체의 유전율 변화 특성을 활용하여 정확하고 다양한 요소들의 측정이 가능 할 뿐만 아니라, 단순 구조로 제작과 설치가 쉽고 경제적이며, 비접촉 방식으로 안전하면서도 편리하게 전도도 및 비전도체 특성변화를 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 전도유체의 전도도 및 비전도 유체의 특성(유전율)변화를 측정하는 장치에 관한 것으로, 특히 RF 신호를 이용하여 측정장치가 직접 유체에 접촉하지 않고도 전도유체의 전도도 및 비전도 유체의 특성(유전율)변화를 측정할 수 있게 구성하므로 측정 대상물과 접촉하는 프로브(PROBE) 부분이 산화나 오염 등의 변질 등으로 정확한 측정이 어렵게 만드는 문제를 방지하고, RF 신호의 주파수에 따른 신호 세기 차이 및 동일 주파수 내에서의 신호 세기 변화측정을 통해 측정 전도성 대상물의 전도도나 탁도 온도변화 유량 등을 검출하고 비전도체 측정물의 특성(유전율)변화를 검출할 수 있게 하여 정수기와 세탁기 그리고 보일러와 같이 통상적으로 전도성 유체를 사용하는 기기와 비전도성 액체인 엔진오일 및 각종 기름과 관련된 기기에서 안전하면서도 편리하게 여러 분야에서 폭넓게 활용할 수 있게 한 것이다.
전기 전도도는 물질이나 용액이 전하를 운반할 수 있는 정도로 비저항의 역수로 표시한다. 특히, 금속은 전기 저항이 작아 전도도가 좋고, 전해질 용액은 이온의 농도, 전극 사이의 거리, 전극의 단면적, 이온의 전하 크기, 그리고 온도 등에 영향을 받는다.
이러한 전기 전도도는 유체 내에 이물 등의 혼합으로 전도도 변화가 생기는 현상을 이용하며, 비전도성 유체의 측정은 비전도체는 전기가 통하지는 않으나 내부에 전하를 축적하여 전파신호가 통과하는 유전체로서의 특성을 활용하여 유전율 변화시 센서용 안테나의 임피던스(교류저항 값)가 변해 공진 중심 주파수가 변하는 특성을 이용한다. 아래의 특허문헌 1 내지 특허문헌 3과 같이 다양한 분야에서 응용하고 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제1440444호
생체 신호를 측정하기 위한 전극 구조체 및 이를 이용한 심전도 측정 장치에 관한 것으로, 전극 구조체는 신체의 피부면과 용량성 결합을 이루어 생체 신호를 획득하는 전극판; 전극판의 일면에 형성된 흡습층; 및 전극판에 전기적으로 연결되어 전극판을 통해 입력되는 생체 신호를 잡음 필터링 및 증폭하여 출력하는 초단 증폭기를 포함한다. 심전도 측정 장치는 이러한 전극 구조체의 구성을 적용하여 생체 신호를 측정하는 제1 전극 및 제2 전극, 제1 전극 및 제2 전극의 출력 신호들이 입력되어 차동 증폭되는 차동 계측 증폭기; 차동 계측 증폭기의 출력 신호를 입력받아 잡음을 필터링하고, 필터링된 신호를 증폭하는 신호 처리부; 및 신호 처리부의 출력 신호에 대한 아날로그-디지털 변환을 수행하여 무선 전송하는 무선 센서 노드를 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 초기의 잡음 안정화 시간을 줄여, 짧은 시간 내에 잡음없이 안정적인 심전도 신호를 획득할 수 있게 된다.
(특허문헌 2) 한국등록특허 제1512107호
전기전도도 측정을 위해 인가되는 전류에 의한 측정장치의 온도변화에 따른 전기전도도의 측정오차를 보정하여 정확한 전기전도도 측정이 가능하도록 하는 전기측정장치 및 이를 이용한 전기전도도 측정방법에 관한 것으로, 전기측정장치는, 측정하고자 하는 물질에 설치된 입력전극 및 출력전극을 포함하는 센서부; 전기신호를 발생시키는 신호발생부; 상기 전기신호를 검출하는 신호검출부; 상기 신호발생부 및 신호검출부 사이에 서로 간에 병렬로 연결되어 상기 신호발생부에서의 전기신호를 상기 신호검출부로 각각 스위칭하는 N개(N≥1,정수)의 제1스위치; 상기 신호발생부 및 입력전극 사이에 연결되어 상기 신호발생부에서의 전기신호를 상기 입력전극으로 스위칭하는 제2스위치; 상기 N개의 제1스위치 및 제2 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부; 상기 N개의 제1스위치에 각각 직렬로 연결된 N개의 저항; 및 상기 스위칭제어부의 제어에 의한 상기 N개의 제1스위치 및 제2스위치의 각 위칭에 따라 상기 신호검출부에서 각각 검출된 전기신호를 이용하여 상기 물질의 전기전도도를 측정하는 신호처리부를 포함한다.
(특허문헌 3) 한국등록특허 제1624685호
심전도 측정 장치에 관한 것으로서, 피측정자의 심장이 운동함에 따라 발생하는 심전도 신호를 측정하는 장치로서, 피측정자의 왼손과 접촉하는 제1 심전도 센서와, 상기 제1 심전도 센서와 미리 정한 거리만큼 이격된 상태로 분리되어 있으며 피측정자의 오른손과 접촉하는 제2 심전도 센서를 포함하는 장치로서, 상기 제1 심전도 센서 또는 제2 심전도 센서 중 적어도 하나는, 미리 정한 전기 전도도를 가지는 전도성 섬유를 포함하며, 피측정자가 두 손으로 상기 제1 심전도 센서와 제2 심전도 센서를 각각 파지함으로써 피측정자의 심전도 신호가 측정되는 것을 특징으로 한다. 차량의 스티어링 핸들에 장착되어 사용되는 경우 금속 단자에 비하여 촉감이 우수하고 땀 흡수가 빠르며, 일반적인 스티어링 핸들의 외피 재질과 쉽게 조화될 수 있는 효과가 있다.
(특허문헌 4)
한국등록실용
제0354371호
토양 수분 측정 센서에 토양을 매질로 하는 토양 수분 센서용 콘덴서와 공기를 매질로 하는 표준 콘덴서를 구성하고, 각각의 콘덴서에 고주파 신호를 발진시켜 상기 두 콘덴서에서의 고주파 신호에 대한 주파수 또는 주기를 측정하고 비교하여 그 값을 정전용량으로 변환시키고 상기 토양 내의 수분 함유량을 정량화시킴으로써, 토양 수분을 자동으로 감응하고 수분 측정 데이터를 기록하며 출력하여 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 실시간으로 파악할 수 있는 토양 수분 측정 센서에 관한 것이다. 이에, 토양 수분 측정 센서에 토양을 매질로 하는 토양 수분 센서용 콘덴서와 공기를 매질로 하는 표준 콘덴서를 구성하고, 각각의 콘덴서에 고주파 신호를 발진시켜 상기 두 콘덴서에서의 고주파 신호에 대한 주파수 또는 주기를 측정하고 비교하여 그 값을 정전용량으로 변환시키고 상기 토양 내의 수분 함유량을 정량화 시킴으로써, 토양 수분을 자동으로 감응하고 수분 측정 데이터를 기록하며 출력하여 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 실시간으로 파악할 수 있는 토양 수분 측정 센서가 제공되는 효과가 있다.
(특허문헌 5) 한국등록특허 제0972563호
효율적으로 교량 슬래브면 전체에 대하여 짧은 시간 내에 정확하게 교량 슬래브면의 상태를 파악할 수 있는 유전율을 이용한 교량 슬래브의 상태 평가 장치를 제공하는 것이다. 또한, 다른 목적은 교량 내부의 다양한 조건에 관계없이 정확히 교량 슬래브 내부의 열화 여부를 판단할 수 있는 유전율을 이용한 교량 슬래브의 상태 평가 장치를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 주위의 기후 환경에 관계없이 교량 슬래브 내부의 열화 여부를 판단할 수 있는 유전율을 이용한 교량 슬래브의 상태 평가 장치를 제공하는 것이다
하지만, 이러한 전도도를 검출하는 장치는 다음과 같은 문제가 생긴다.
(1) 전도도를 검출하는 검출 부분이 전도도를 검출할 대상물에 접촉하게 한 다음 전도도를 검출하므로, 오랫동안 검출 장치를 사용하면 이 검출 부분이 오염되거나 훼손 또는 파손의 위험이 있다.
(2) 이처럼 검출 부분에서의 파손 및 변형은 정확한 전도도 검출이 이루어지지 않아 정밀도에 영향을 준다.
(3) 특히, 이런 문제는 상수도나 정수기 에어컨 제습기와 같이 수분을 많이 포함한 유체나 하수나 세제 등을 함유한 유체에 이처럼 검출 부분이 노출될 때 이러한 문제가 더 크게 나타난다.
(4) 이에, 전도도 자체를 그대로 검출하거나, 전도도를 검출하여 고형질 용해도 TDS(Total Dissolved Solid) 등에 응용하여 사용하는 장치의 경우, 전도도를 검출하는 검출 부분의 이상으로 전도도 검출이 안 되거나 검출되더라도 정밀도가 떨어지는 문제가 발생한다.
(5) 또한 단순한 직접 접촉방식으로 비전도체 특성 측정을 위하여 적정한 RF 신호를 송신할 수 없어 비전도체의 특성변화를 검출할 수 없다. 즉 직접 접촉 부분이 RF 신호를 송/수신할 수 있는 안테나 구조를 갖추어야 하나 주파수에 따른 소형화 및 단순 구조화하기가 어렵다.
본 발명은 이러한 점을 고려한 것으로, 무선주파수(RF) 신호를 이용하여 전도도를 감지하는 검출 부분이 유체에 직접 닿지 않는 구조의 장치를 구성하므로, 검출 부분이 유체에 오염되거나 파손 또는 훼손 등으로 감지능이 떨어지거나 검출 부분 자체의 기능 상실을 방지하여 편리하면서도 정확하게 전도도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 화학 약품과 같이 해로운 물질이 함유된 유체의 경우도 안전하고 정확하게 전도도 및 비전도체 유체의 유전율 특성변화를 측정할 수 있게 하며, 설치 및 교환 수리 등이 용이하게 구성한 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 두 개의 코일 안테나를 이용하여 어느 하나의 코일 안테나로는 기준 주파수(RF) 신호를 출력하고 나머지 하나의 코일 안테나로는 매질을 통해 전달되는 주파수(RF) 신호를 수신받아 주파수(RF) 신호 세기 차이를 검출하고, 이 주파수(RF) 신호 세기 차이를 기준 주파수(RF) 신호 세기를 기준으로 매질의 종류와 양에 따라 미리 측정하여 제어기에 저장해 놓은 주파수(RF) 신호 세기 기준 표를 비교하여 전도도를 검출할 수 있게 하며, 송/수신 코일 안테나가 수용하는 주파수 범위 내에서 일정 지정 간격으로 주파수를 바꿔가며 각 지점에서의 신호 세기를 측정 비교하여 탁도 에 따라 주파수들의 신호 세기가 변하는 특성을 활용하여 탁도 정도를 파악하고, 비전도체 매질의 측정 경우 전류가 흐르지 않는 물체는 전하를 축적할 수 있는 유전체로서 전파를 통과시키며 각각 고유의 유전율을 가짐에 따라 통과하는 전파의 주파수 값에 따른 임피던스 값이 변화하여 그 통과 신호의 세기가 틀려지는 특성을 활용하여 통과 매질의 특성 변화를 검출할 수 있게 되어 구조가 간단하면서도 정확한 전도도 및 비전도체 유체의 유전율 특성변화 검출이 가능할 뿐만 아니라 이들 두 개의 코일 안테나 중앙에 삽입한 비도체관을 통해 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화를 측정할 유체가 흐르게 구성하므로 비접촉 방식으로 안전하면서도 편리하게 전도도를 측정할 수 있게 한 측정장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 방식의 측정장치는, 유체를 흐르게 하기 위한 부도체관(100); 상기 부도체관(100)에 미리 정한 간격(W)을 두고 끼워서 설치한 두 개의 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b); 및 주파수(RF) 신호의 주파수 및 신호 세기를 분석하여 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화를 측정 제어하는 제어기(300)를 포함하되;, 상기 제어기(300)는, 상기 제1코일 안테나(200a)에서 유도한 자기장을 통해 주파수(RF) 신호를 부도체관(100) 안의 매질로 전달하여 유도 전류화하고;, 상기 제2코일 안테나(200b)에서 매질을 통해 전달된 주파수(RF)를 갖는 유도전류 신호를 수신하게 하며;, 상기 제1코일 안테나(200a)에서 송신한 주파수 신호와 상기 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 주파수 신호 세기의 차이와, 제어기(300)에 미리 저장해 놓은 송신한 주파수(RF) 신호의 주파수 및 신호 세기를 기준으로 매질의 상태에 따라 달라지는 각 주파수(RF) 신호 세기의 차이를 비교하여 유체의 전도도 및 비전도체 특성변화(유전율변화)를 검출하게 하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 부도체관(100)은, 유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무로 제작하고, 양단에는 매질을 공급을 위해 다른 관을 연결할 수 있도록 커넥터(110)를 갖춘 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는, 각각 토로이달 코일 형태이며, 에어 토로이달 또는 각 중앙에 페라이트 코어가 삽입되어 있는 페라이트 토로이달 방식인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어기(300)는, 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 및 유량 중에서 적어도 하나를 디스플레이시켜 주는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상술한 본 발명에 따른 측정 장치로 검출한 전도도를 통해, 정수기의 전도도(고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염 물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)를 검출, 유체의 온도와 유량 검출, 그리고 비전도체인 엔진 오일의 사용시간에 따른 유전율 변화 검출과 교환 시기 검출에 이용할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치는 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 전도도 검출에 활용하는 주파수(RF) 신호를 발생/검출하는 검출 부분이 유체에 직접 닿지 않으므로 본 발명에 따른 측정장치를 오랫동안 사용하더라도 이 검출 부분이 유체에 노출되거나 접촉함에 따라 생길 수 있는 파손이나 훼손 문제를 미리 방지할 수 있어 그만큼 내구성을 높일 수 있다.
(2) 특히, 검출 부분은 측정을 위해 공기나 액체 등에 오랫동안 반복적으로 노출되면 산화막이 생길 수 있고, 산화막은 검출 신호를 제대로 검출하지 못하거나 잘못된 신호를 검출하여 정밀도를 떨어뜨리는 한 가지 요인으로 작용한다. 하지만, 본 발명은 검출 부분이 이처럼 공기나 액체 등에 접촉하지 않고 측정하므로, 이러한 문제가 생기는 것을 미리 방지할 수 있다.
(3) 본 발명에서 검출 부분으로 사용하는 코일 안테나는 처음 제작할 때 코일의 권수와 권선의 지름 그리고 그 중앙에 자기장을 집중시키고, 형상 유지 등을 목적으로 사용하는 페라이트 코어를 통해 자기장의 세기를 달리할 수 있으므로, 본 발명에 따른 측정장치를 사용하는 목적에 알맞은 적절한 주파수 및 자기장을 갖도록 제작하여 사용할 수 있다.
(4) 따라서, 본 발명에 따른 측정장치는 측정한 전도도를 통해 온도 변화나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 유량 그리고 특정 이온을 검출하는 장치 등 여러 방면에 걸쳐 편리하게 적용할 수 있으므로, 정수기의 전도도(고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염 물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 유량 등을 검출하는 데도 유용하게 활용할 수 있으며 유전체의 유전율 값 변화에 따라 임피던스 값이 변화하여 통과 주파수(RF)신호의 세기가 변하는 특성을 활용하여 자동차의 엔진오일과 같은 비전도체 유체의 상태(유전율) 변화 측정에도 활용할 수 있다.
[도 1]은 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화 측정장치의 전체 구성을 보여주는 사시도이다.
[도 2]는 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화 측정장치의 전체 구성을 보여주는 측면도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화 측정장치에서 제어기의 내부 구성을 함께 보여주는 측면도이다.
[도 2]는 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화 측정장치의 전체 구성을 보여주는 측면도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화 측정장치에서 제어기의 내부 구성을 함께 보여주는 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(구성)
본 발명에 따른 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 부도체관(100), 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b), 그리고 제어기(300)를 포함한다.
이때, 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는 부도체관(100)에 미리 정한 간격만큼 떨어지게 설치하여 어느 하나에서는 주파수(RF) 신호를 송신하고, 다른 하나에서는 이 주파수 신호를 수신한다. 특히, 상기 제어기(300)는 이 송신 주파수 신호와 수신 주파수 신호의 세기 차이와, 이 제어기(300)에 미리 저장한 주파수에 따른 신호 세기 변화값표를 비교하여 유체의 전도도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있게 한 것으로 이 전도도 값을 분석하여 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 유량, 사용시간 등을 분석해 낼 수 있도록 한 것이며 비전도 매질의 경우 통과 주파수별 신호 세기를 분석하여 측정물의 상태 변화를 측정할 수 있도록 한 것이다.
이하, 이러한 구성에 관해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
부도체관(100)은, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 전도도 및 비전도체 물질의 특성 변화를 측정하려고 하는 유체가 흐르게 하기 위한 관을 말한다. 특히, 부도체관(100)은 후술할 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 통해서 주파수(RF) 신호를 송수신해야 하므로, 이때 주파수(RF) 신호의 송수신에 방해가 되지 않도록 부도체로 제작하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 부도체관(100)은 이처럼 주파수(RF) 신호를 송수신할 때 방해가 되지 않는 재질이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예시적으로, 유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무 등을 예로 들 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 부도체관(100)은, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 미리 정한 길이를 가진 직선 형태로 제작하여 유체가 직선 형태로 통과하게 구성함으로써, 부도체관(100)을 지나는 매질도 직진성을 갖게 하여 송수신하는 주파수(RF) 신호가 정확도를 높일 수 있게 구성하는 것이 바람직하나, 전도도 측정만을 위한다면 곡선형태와 같이 구부러진 형태의 부도체관 형태도 사용할 수 있다.
마지막으로, 상기 부도체관(100)에는, [도 1] 및 [도 2]와 같이, 양단에 각각 커넥터(110)를 갖춘다. 커넥터(110)는 측정을 위한 유체를 부도체관(100)에 공급할 때 사용하는 다른 관을 이 부도체관(100)에 쉽게 연결하거나 분리할 수 있게 구성한 연결구를 말한다. 이러한 커넥터(110)는 통상 커플링이나 피팅으로 불리는 통상의 기술로 제작한 것을 사용할 수 있다.
제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 루프 안테나(Loop Antenna)라고도 하며, 구리선을 코일 형태로 감고 그 양쪽 끝을 한 곳으로 모아서 원형으로 만들어서 코일 내부에 인가하는 전류의 세기에 따라 자기장이 유도되게 구성한 통상의 코일 안테나를 말한다.
이러한 코일 안테나는 전체적인 형상이 도넛과 유사한 형태가 되므로 외부에서 코일 안테나에 약한 충격이 가해짐에 따라 쉽게 변형될 우려가 있다. 이에, 코일 안테나 내부에는 철심, 예를 들어서 페라이트 코어를 제작하여 여기에 코일을 감아서 코일 안테나를 제작한다. 이때, 페라이트 코어는 코일 안테나의 전체적인 형상을 유지하는 기능과 더불어 자기장 유도가 잘 이루어질 수 있게 적정 투자율을 가진 것을 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는 각각 토로이달 코일을 이용하는 것이 바람직하다. 토로이달 코일은 통상 "E"형 철심을 사용하는 것과 비교하여 누설 자속이 적어 주변 전자기기 등에 영향을 덜 주며, 특히 이처럼 자속 누설이 적어 정밀한 측정이 가능하기 때문이다. 이때 철심은 주파수나 안테나의 크기 등을 고려하여 적절한 투자율을 가진 페라이트 코어를 사용하는 것이 바람직하다.
도면에서, 미설명부호 "210"은 제어기(300) 위에 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 지지할 수 있게 고정하는 지지대를 각각 나타낸다.
제어기(300)는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 상술한 상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)를 제어하고, 이들을 통해 얻은 주파수(RF) 신호 세기를 미리 만들어 저장한 이 주파수(RF)신호들의 신호 세기 기준표를 기준으로 매질상태에 따라 달라지는 주파수(RF) 신호들의 세기 차이를 비교하여 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화를 검출한다.
여기서, 상기 제어기(300)는, [도 1] 및 [도 2]에서, 플레이트 형태로 형성한 예를 보여주고 있으나, 이는 제어기(300)를 기판 형태로 제작한 예를 보여주는 것으로 다른 구성을 지지할 수 있는 형태라면 어떤 형상으로라도 제작할 수 있음을 해당 업계 종사자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
한편, 상기 제어기(300)는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 상술한 제1코일 안테나(200a)를 통해 미리 정한 주파수(RF) 신호를 송신하고, 제2코일 안테나(200b)를 통해 부도체관(100) 안의 매질을 통해 전달된 주파수(RF) 신호를 수신하게 한다. 이를 위해, 제어기(300)는 [도3]과 같이 제1코일 안테나에 원하는 여러 주파수의 RF 신호를 인가하기 위하여 주파수 합성기(330)를 구성 제어하고, 주파수 합성기에서의 신호를 사인파 형태에 가깝고 불필요한 고조파 신호를 억압하기 위한 파형변환기(310)를 통과시킨 후 제1코일 안테나(200a)에 공급한다.
그리고, 상기 제어기(300)는, [도 1] 내지 [도 3]과 같이, 상술한 제2코일 안테나(200b)를 통해 미리 부도체관(100)을 통과하는 유체를 통해 전달된 주파수(RF) 신호를 수신한다. 이때, 제2코일 안테나(200b)를 통해 픽업된 RF 신호는 수신신호 변환기(320)을 통하여 증폭 처리 후 직류 전압으로 변환 하여 다음 단계 처리부에서 각 용도에 맞춰 사용 될 수 있도록 한다. 수신신호 변환기(320)를 거친 직류전압 신호는 주파수별 신호처리부(340), 온도관련 신호처리부(350), 유량관련 신호처리부(360)에서 정해진 값들과 비교 분석 처리 한 후 MCU로 보내져 ADC(Analog to Digital Conversion)후 정해진 통신 프로토골에 맞추어 FORMAT(정형)화 한 후 RS-232, USB 등의 디지털 통신포트를 사용하여 외부에서 제어 신호를 받거나 측정 DATA값을 내줄 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어기(300)는 이처럼 제1코일 안테나(200a)에 인가한 주파수 신호와 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 주파수 신호 세기를 비교하여 그 차이를 검출하고, 이 검출 값과 제어기(300)에 미리 저장한 주파수별 신호 신호 세기 비교표와의 비교를 통하여 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화를 검출한다. 여기서, "제어기(300)에 미리 저장한 주파수별 신호 세기 비교표와의 차이"는, 제1코일 안테나(200a)에 인가하는 주파수를 기준으로 매질의 상태에 따라 달라지는 주파수(RF)신호 세기 차이를 미리 얻은 다음, 이 데이터를 제어기(300)에 저장하여 사용하게 한 것으로 이러한 비교표의 구성은 사용되는 여러 주파수 별로 신호 세기를 측정 구성된다.
즉, 부도체관(100)을 흐르는 유체가 완전도체 이면 주파수 신호 세기의 차이 변화는 거의 없으나, 순수성분 물의 경우 부도체에서 이 유체에 이물이 많아짐에 따라 도전성 매질이 늘어나서 전도도가 높아짐에 따라 주파수에 따라 신호 세기의 차이가 커진다. 이에, 본 발명에서는 정수(淨水)에 미리 정한 신호 세기의 주파수 신호를 인가하고, 여기에 전도도를 달리하면서 미리 전도도에 따라 주파수 신호 세기가 어느 만큼 차이를 보이는지 미리 표와 같은 형태로 만들어 이를 제어기(300)에 저장한 다음, 이때 인가했던 같은 특정 주파수 및 세기의 신호를 제1코일 안테나(200a)에 인가한 뒤 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 다음 그 신호 세기 차이를 알면, 미리 표 형태로 제어기(300)에 저장한 데이터를 바탕으로 대조하여 전도도를 알 수 있게 한 것이다. 여기서, 전도도는 유체에 전해질이 많아짐에 따라 높아지고 전해질은 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)가 높아짐에 따라 많아지므로 전도도와 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)는 비례 관계에 있고, 이에 전도도나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid) 중에서 어느 하나를 알면 다른 하나도 쉽게 알 수 있음을 해당 업계 종사자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
또한, 전도도는 매질의 온도에 따라 제안된 범위 내에서 변화함으로 이러한 변화를 분석하여 매질의 온도를 측정 할 수 있다. 여기에 일정한 온도와 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)를 유지하는 매질일 경우 전도도 값을 통하여 통과 유량을 파악 할 수도 있다.
특히, 이러한 본 발명에 따른 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화 측정장치는, 유체를 이용하는 곳이라면 어디든 손쉽게 장착하여 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화를 검출할 수 있고, 이렇게 검출한 전도도를 통해 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 온도 유량 사용 시간 등을 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 정수기의 전도도(혼탁도)를 통해 수질의 온도, 유량, 사용시간 등의 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 공기 중의 용해성 오염 물질량을 측정하여 실내공기의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 순도에 따른 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)를 검출하는 데 활용할 수 있고 비전도체(유전체)를 통과하는 RF 신호의 세기가 주파수에 따라 변하는 특성을 활용하여 엔진 오일 등의 상태변화(유전율 변화)와 비전도체인 기름(연료 등) 종류의 상태변화를 검출 활용 할 수 있다.
100 : 부도체관
200a, 200b : 제1, 제2코일 안테나
300 : 제어기
310 : 파형 변환기
320 : 수신신호변환기
330 : 주파수 합성기
340 : 주파수별 신호처리부
350 : 온도관련 신호처리부
360 : 유량관련 신호처리부
200a, 200b : 제1, 제2코일 안테나
300 : 제어기
310 : 파형 변환기
320 : 수신신호변환기
330 : 주파수 합성기
340 : 주파수별 신호처리부
350 : 온도관련 신호처리부
360 : 유량관련 신호처리부
Claims (5)
- 유체를 흐르게 하기 위한 부도체관(100); 상기 부도체관(100)에 미리 정한 간격(W)을 두고 끼워서 설치한 두 개의 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b); 및 주파수(RF) 신호의 주파수 및 신호 세기를 분석하여 전도도 및 비전도체 물질의 특성변화를 측정 제어하는 제어기(300)를 포함하되,
상기 제어기(300)는,
상기 제1코일 안테나(200a)에서 유도한 자기장을 통해 주파수(RF) 신호를 부도체관(100) 안의 매질로 전달하여 유도 전류화하고,
상기 제2코일 안테나(200b)에서 매질을 통해 전달된 주파수(RF)를 갖는 유도전류 신호를 수신하게 하며,
상기 제1코일 안테나(200a)에서 송신한 주파수 신호와 상기 제2코일 안테나(200b)에서 수신한 주파수 신호 세기의 차이와, 제어기(300)에 미리 저장해 놓은 송신한 주파수(RF) 신호의 주파수 및 신호 세기를 기준으로 매질의 상태에 따라 달라지는 각 주파수(RF) 신호 세기의 차이를 비교하여 유체의 전도도 및 비전도체 특성변화(유전율변화)를 검출하게 하는 것을 특징으로 하는 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치.
- 제1 항에서,
상기 부도체관(100)은,
유리, 도자기, 합성수지, 또는 고무로 제작하고,
양단에는 매질을 공급을 위해 다른 관을 연결할 수 있도록 커넥터(110)를 갖춘 것을 특징으로 하는 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치.
- 제1 항에서,
상기 제1 및 제2코일 안테나(200a, 200b)는,
각각 토로이달 코일 형태이며, 에어 토로이달 또는 각 중앙에 페라이트 코어가 삽입되어 있는 페라이트 토로이달 방식인 것을 특징으로 하는 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치.
- 제1 항에서,
상기 제어기(300)는,
고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid), 온도, 및 유량 중에서 적어도 하나를 디스플레이시켜 주는 것을 특징으로 하는 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치.
- 제1항 내지 제4 항 중 어느 한 항하에서,
상기 측정 장치로 검출한 전도도를 통해,
정수기의 전도도(고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid))를 통해 수질 검사, 세탁기에 입수하는 물과 배수하는 물의 순수도를 비교하여 세탁기의 헹굼 정도나 세제의 잔존 정도를 검출, 에어컨과 제습기에서 배출하는 배출수의 전도도를 측정하여 오염 물질량을 검출하여 실내의 오염 정도 검출, 상수도의 입구와 출구 사이의 전도도를 통해 수질 상태 검출, 보일러의 순환수에 이물 함유량을 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)로 검출하여 순환수의 교환 주기 등을 검출, 커피 머신의 농도 검출, 그리고 산업용 용수의 전도도나 고형질 용해도TDS(Total Dissolved Solid)를 검출, 유체의 온도와 유량 검출, 그리고 비전도체인 엔진 오일의 사용시간에 따른 유전율 변화 검출과 교환 시기 검출에 이용할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 RF 신호를 이용한 비접촉 방식의 전도도 및 비전도체 유전율 특성변화 측정장치.
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