KR20180030929A - 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 - Google Patents
여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20180030929A KR20180030929A KR1020187006845A KR20187006845A KR20180030929A KR 20180030929 A KR20180030929 A KR 20180030929A KR 1020187006845 A KR1020187006845 A KR 1020187006845A KR 20187006845 A KR20187006845 A KR 20187006845A KR 20180030929 A KR20180030929 A KR 20180030929A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- filter
- sensor
- antenna
- filter media
- controller
- Prior art date
Links
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title abstract description 148
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 73
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 76
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 75
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 12
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000645 desinfectant Substances 0.000 claims description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 claims description 2
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 claims description 2
- 239000000955 prescription drug Substances 0.000 claims description 2
- 239000003599 detergent Substances 0.000 claims 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 99
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 82
- 230000008859 change Effects 0.000 description 75
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 49
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 40
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 37
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 37
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 33
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 32
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 description 28
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 25
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 25
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 25
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 24
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 20
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 19
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 230000004044 response Effects 0.000 description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 13
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 13
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 13
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 11
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 10
- 238000006298 dechlorination reaction Methods 0.000 description 10
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 9
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 9
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 9
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 5
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 5
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L calcium sulfate Chemical compound [Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N hypochlorite Chemical compound Cl[O-] WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 2
- 235000019645 odor Nutrition 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- ZKQDCIXGCQPQNV-UHFFFAOYSA-N Calcium hypochlorite Chemical compound [Ca+2].Cl[O-].Cl[O-] ZKQDCIXGCQPQNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical class [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QDHHCQZDFGDHMP-UHFFFAOYSA-N Chloramine Chemical compound ClN QDHHCQZDFGDHMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910019093 NaOCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005267 amalgamation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000013523 data management Methods 0.000 description 1
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 description 1
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000000796 flavoring agent Substances 0.000 description 1
- 235000019634 flavors Nutrition 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 208000006278 hypochromic anemia Diseases 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000012500 ion exchange media Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 239000013028 medium composition Substances 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical class C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 1
- 238000001728 nano-filtration Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009972 noncorrosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 238000004375 physisorption Methods 0.000 description 1
- 238000009428 plumbing Methods 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000379 polypropylene carbonate Polymers 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 230000009291 secondary effect Effects 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D35/00—Filtering devices having features not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00, or for applications not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00; Auxiliary devices for filtration; Filter housing constructions
- B01D35/14—Safety devices specially adapted for filtration; Devices for indicating clogging
- B01D35/143—Filter condition indicators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D27/00—Cartridge filters of the throw-away type
- B01D27/10—Safety devices, e.g. by-passes
- B01D27/101—Filter condition indicators
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage
- C02F9/20—Portable or detachable small-scale multistage treatment devices, e.g. point of use or laboratory water purification systems
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2201/00—Details relating to filtering apparatus
- B01D2201/52—Filter identification means
Abstract
일반적으로, 여과 시스템 내에서의 필터 매체 모니터링을 위한 기술이 설명된다. 본 명세서에 설명된 필터 매체 모니터링 기술은 예를 들어 필터 매체와의 직접 접촉 - 예컨대, 센서가 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계 내부에 위치될 수 있음 -, 또는 필터 매체와의 간접 접촉 - 예컨대, 센서가 모니터링되는 필터 매체와 직접 물리적으로 접촉하지 않도록 센서가 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계 외부에 위치될 수 있음 - 을 포함한다.
Description
본 개시는 여과 시스템 및 필터 매체 모니터링에 관한 것이다.
여과는 기체 및 액체를 비롯한 유체로부터의 하나 이상의 입자의 분리이다. 매우 다양한 여과 공정이 다양한 주거, 상업, 및 산업 응용에 사용된다. 특정 응용에 따라, 여과 공정은 하나 이상의 필터 매체를 사용하여 미립자, 불순물, 화합물(chemical compound) 등을 포획하거나 달리 제거할 수 있다. 예를 들어, 충분한 순도 및 수질을 가진 물의 제공이 많은 주거, 상업, 및 산업 응용에 중요하다. 물 여과는 예를 들어 필터 매체로서 활성탄(activated carbon)을 사용할 수 있다. 활성탄에 의한 물 여과는 물 스트림을 활성탄 필터 매체의 베드(bed)로 통과시키는 것을 수반할 수 있다. 활성탄은 순도 또는 수질에 영향을 미치는 다양한 미립자, 불순물, 화합물 등을 물로부터 제거할 수 있다. 이러한 방식으로, 활성탄 여과가 물 안전, 맛, 냄새, 외양 등을 개선할 수 있다.
일반적으로, 여과 시스템 내에서의 필터 매체 모니터링을 위한 기술이 설명된다. 본 명세서에 설명된 필터 매체 모니터링 기술은 예를 들어 필터 매체와의 직접 접촉 - 예컨대, 센서가 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계 내부에 위치될 수 있음 -, 또는 필터 매체와의 간접 접촉 - 예컨대, 센서가 모니터링되는 필터 매체와 직접 물리적으로 접촉하지 않도록 센서가 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계 외부에 위치될 수 있음 - 을 포함한다.
일례로서, 필터 매체의 용량을 능동적으로 모니터링하기 위해 전자기장을 발생시키고 이용하는 센서가 기술된다. 다른 예에서, 필터 매체를 포함한 하우징을 공진 공동(resonant cavity)으로서 이용하고 공진 공동으로부터의 감지된 측정치에 기초하여 필터 매체의 특성을 결정하도록 작동가능한 센서가 기술된다. 따라서, 필터 매체의 현재 상태의 능동적 모니터링을 비-침습적으로(non-invasively) 제공하기 위해, 용이하게 필터 매체를 포함한 하우징 상에 장착되거나 그것에 근접하게 위치되거나 그것 내에 통합될 수 있는 다양한 센서가 기술된다.
다른 예로서, 필터 매체와의 전기 접촉을 제공하기 위한 전도성 접촉 프로브(probe)에 의해 여과 매체의 잔여 용량(remaining capacity)을 결정하는 센서가 기술된다. 프로브는 예를 들어 하우징 내에 통합되거나 달리 하우징을 통해 연장되어 필터 매체와 접촉할 수 있다.
추가의 예에서, 다수의 센서의 어레이가 여과 시스템 내에 위치되는 여과 시스템이 기술된다. 다수의 센서는 유동 경로를 따라 직렬로 그리고/또는 다수의 유동 경로를 따라 병렬로 위치되어 여과 시스템 내의 다양한 위치에서 모니터링을 제공할 수 있다. 또한, 다수의 센서가 공통 필터 매체에 대한 유동 경로를 따라 위치될 수 있어, 센서는 필터 매체에 대한 공간 모니터링을 제공한다.
다른 예에서, 여과 시스템 내에 현재 전개된 필터 매체에 대한 자동화된 식별을 제공하는 감지 시스템이 기술된다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 비-접촉 식별 밴드(non-contact identification band)가 필터 매체를 포함한 하우징 내에 통합되거나 달리 그것에 근접하게 부착될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 식별 밴드는 하우징 상에 장착된 센서에 의한 필터 매체의 자기 감지에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 식별 밴드는 센서에 의해 감지되도록 전기 전도성 및/또는 자성(magnetic)일 수 있다. 또한, 밴드는 예컨대 필터 매체가 여과 시스템 내로 삽입되고 센서의 감지 필드(sensing field)로 통과될 때, 필터 매체의 고유 식별을 제공하도록 기하학적으로 또는 공간적으로 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 식별 밴드는 필터 매체의 적극적 식별(affirmative identification)을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 컨트롤러가 예를 들어 필터 매체 전도율, 유전 강도(dielectric strength), 투자율(magnetic permeability) 등을 비롯한 필터 매체의 하나 이상의 특성을 본 명세서에 설명된 기술에 따라 감지하고 능동적으로 모니터링하기 위해 센서와 통신할 수 있다. 본 명세서에 설명된 필터 매체 모니터링 기술은 다양한 유체 여과 응용, 예를 들어 기체 또는 액체의 여과에 적용될 수 있다.
센서로부터의 측정치에 응답하여, 컨트롤러는 여과 시스템 전체에 걸쳐 전개된 필터 매체의 예측 필터 매체 수명 또는 결정된 현재 용량을 나타내는 경보 또는 다른 신호를 출력할 수 있다.
이러한 기술의 하나 이상의 예의 상세 사항이 첨부 도면 및 아래의 설명에 기재된다. 이러한 기술의 다른 특징, 목적 및 이점은 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 모니터가 필터 매체를 포함하는 복수의 필터 하우징과 관련된 필터 매체 센서에 결합된 예시적인 여과 시스템을 예시한 블록 다이어그램.
도 2는 필터 하우징에 결합된 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서를 예시한 개략도.
도 3은 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서에 의해 생성된 전자기장을 더욱 상세히 예시한 개략도.
도 4는 필터 하우징 내에 포함된 필터 매체의 잔여 용량을 감지하도록 구성되는 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서를 더욱 상세히 예시한 블록 다이어그램.
도 5a 내지 도 5k는 본 명세서에 기술된 감지 시스템의 예시적인 배열을 예시한 블록 다이어그램이고, 특히 필터 센서의 안테나와 필터 매체 사이의 예시적인 상대 위치 및 배향을 예시한 도면.
도 6a 내지 도 6d는 안테나가 필터 하우징의 외부에 위치되고 배향된 센서 시스템에서 수행된 추가 실험의 구성을 예시한 도면.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 작동 중 도 2 및 도 3으로부터의 센서(20)의 안테나의 전기적 특성을 논리적으로 예시한 회로도.
도 8a는 본 명세서에 기술된 예시적인 필터 감지 시스템에 관한 예시적인 사용자 작업(user operation)을 예시한 순서도.
도 8b는 본 명세서에 기술된 필터 매체 감지 시스템에 의해 수행되는 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 9는 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 불순물의 통과 퍼센트(percent pass) 대 총 유체 처리량(total fluid throughput) 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 10은 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 유출 불순물 농도 대 총 유체 처리량 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 11은 필터의 작동 중 불순물의 통과 퍼센트 대 필터 매체 저항에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 12는 물이 건조한 필터 매체에 도입된 중의 기간에 걸친 안테나 공진 주파수 대 센서 시스템의 시(hour) 단위의 시간에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 13은 필터의 작동 중 센서 시스템의 안테나 공진 주파수 및 필터 저항 대 여과된 유체의 체적에 대한 추가의 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 14는 전도성 하우징에 부착된 센서가 전도성 하우징을 공진 공동으로서 이용하여 그 내부에 포함된 필터 매체의 특성을 감지하는 데 도움을 주는 예시적인 실시예를 예시한 개략도.
도 15는 필터 하우징을 공진 공동으로서 이용하여 필터 모니터링을 돕는 센서 시스템을 사용하여 필터 매체를 모니터링하기 위한 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 16은 예시적인 필터 하우징 및 직접 전기 접촉 센서 시스템을 예시한 개략도.
도 17은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항 대 총 유체 처리량에 대한 실험 결과를 예시한 그래프.
도 18은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항 대 총 유체 처리량에 대한 실험 결과를 예시한 그래프.
도 19는 집적 접촉 센서 시스템을 사용하여 필터 매체를 모니터링하기 위한 예시적인 기술을 예시한 순서도.
도 20은 필터 매체가 여과 시스템 내에 처음으로 설치될 때 본 명세서에 기술된 바와 같은 센서의 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 21은 필터 매체 내에 유동 방향에 대해 직렬로 위치된 복수의 필터 매체 센서를 포함하는 예시적인 필터 하우징 및 센서 시스템을 예시한 개략도.
도 22는 복수의 센서가 정보를 교환하고 하나 이상의 필터 매체를 갖는 여과 시스템을 모니터링하도록 작동하는 감지 시스템의 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 23은 예시적인 필터 하우징 식별 시스템을 예시한 개략도.
도 24는 특정 유형의 필터 하우징을 식별하기 위해 본 명세서에 기술된 센서에 의해 감지된 공진 주파수 편이(resonant frequency shift)의 다른 예를 예시한 그래프.
도 25는 필터 하우징의 하나 이상의 식별 스트립(identification strip)(전도성 및/또는 자기)에 의해 유도되는 안테나의 공진 주파수의 편이를 검출함으로써 필터의 유형을 자동으로 식별하기 위해 본 명세서에 기술된 센서 중 임의의 것에 의해 수행되는 예시적인 공정을 예시한 순서도.
도 26은 전도성 또는 자기 식별 스트립이 없는 필터 하우징과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 예시한 단면도.
도 27은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 전도성 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 단면도.
도 28은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 단면도.
도 29는 필터 하우징의 내부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 예시한 단면도.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d는 필터 매니폴드(filter manifold) 내로 삽입될 때 시간 경과에 따른 필터 하우징의 일련의 위치를 예시한 개략도.
도 31은 도 30a 내지 도 30d의 필터 하우징 삽입 공정에 대한 안테나 공진 주파수의 감지된 변화의 일례를 예시한 그래프.
도 32a, 도 32b, 도 32c는 필터 하우징이 필터 매니폴드 내로 삽입되고 그것 내에 안착됨에 따른 일련의 위치를 예시한 개략도.
도 33은 도 32a 내지 도 32c의 필터 하우징 삽입 공정에 대한 안테나 공진 주파수의 감지된 변화의 일례를 예시한 그래프.
도 34a 및 도 34b는 필터 하우징 식별 시스템의 식별 스트립 및 안테나를 갖는 예시적인 필터 하우징을 예시한 개략도.
도 35는 도 34a의 필터 식별 시스템의 단면도를 예시한 개략도.
도 36, 도 37, 도 38a, 도 38b는 도 34a의 예시적인 필터 하우징 식별 시스템의 컴퓨터 모델에 대한 예시적인 시뮬레이션된 결과를 예시한 그래프.
도 39는 시뮬레이션된 필터 식별 시스템의 자기장의 4가지 등고선 플롯(contour plot).
도 40은 필터의 장축을 따른 축방향 거리의 함수로서 도 39의 자기장을 도시한 그래프.
도 41은 자기장 분포 및 센서 감도에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드의 영향을 모델링하기 위해 사용되는 필터 배열 및 기하학적 구조의 개략도.
도 42는 공진 안테나가 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드와 함께 사용되는 도 41의 필터 배열에 의해 발생된 시뮬레이션된 자기장의 등고선 플롯.
도 43은 공진 안테나의 실수 임피던스(real impedance)와 공진 주파수에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 모델링된 전도성 및 자기 밴드의 영향을 도시한 4가지 그래프.
도 44는 전도성 링이 플라스틱 필터 하우징 내에 매립된(즉, 그것 내에 통합된) 공진 안테나에 대해 수행된 시뮬레이션에 대한 모델링 기하학적 구조, 자기장 등고선 플롯, 모델링 기하학적 구조, 실수 임피던스, 및 자기장을 도시한 도면.
도 2는 필터 하우징에 결합된 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서를 예시한 개략도.
도 3은 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서에 의해 생성된 전자기장을 더욱 상세히 예시한 개략도.
도 4는 필터 하우징 내에 포함된 필터 매체의 잔여 용량을 감지하도록 구성되는 예시적인 간접 접촉 필터 매체 센서를 더욱 상세히 예시한 블록 다이어그램.
도 5a 내지 도 5k는 본 명세서에 기술된 감지 시스템의 예시적인 배열을 예시한 블록 다이어그램이고, 특히 필터 센서의 안테나와 필터 매체 사이의 예시적인 상대 위치 및 배향을 예시한 도면.
도 6a 내지 도 6d는 안테나가 필터 하우징의 외부에 위치되고 배향된 센서 시스템에서 수행된 추가 실험의 구성을 예시한 도면.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 작동 중 도 2 및 도 3으로부터의 센서(20)의 안테나의 전기적 특성을 논리적으로 예시한 회로도.
도 8a는 본 명세서에 기술된 예시적인 필터 감지 시스템에 관한 예시적인 사용자 작업(user operation)을 예시한 순서도.
도 8b는 본 명세서에 기술된 필터 매체 감지 시스템에 의해 수행되는 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 9는 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 불순물의 통과 퍼센트(percent pass) 대 총 유체 처리량(total fluid throughput) 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 10은 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 유출 불순물 농도 대 총 유체 처리량 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 11은 필터의 작동 중 불순물의 통과 퍼센트 대 필터 매체 저항에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 12는 물이 건조한 필터 매체에 도입된 중의 기간에 걸친 안테나 공진 주파수 대 센서 시스템의 시(hour) 단위의 시간에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 13은 필터의 작동 중 센서 시스템의 안테나 공진 주파수 및 필터 저항 대 여과된 유체의 체적에 대한 추가의 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프.
도 14는 전도성 하우징에 부착된 센서가 전도성 하우징을 공진 공동으로서 이용하여 그 내부에 포함된 필터 매체의 특성을 감지하는 데 도움을 주는 예시적인 실시예를 예시한 개략도.
도 15는 필터 하우징을 공진 공동으로서 이용하여 필터 모니터링을 돕는 센서 시스템을 사용하여 필터 매체를 모니터링하기 위한 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 16은 예시적인 필터 하우징 및 직접 전기 접촉 센서 시스템을 예시한 개략도.
도 17은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항 대 총 유체 처리량에 대한 실험 결과를 예시한 그래프.
도 18은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항 대 총 유체 처리량에 대한 실험 결과를 예시한 그래프.
도 19는 집적 접촉 센서 시스템을 사용하여 필터 매체를 모니터링하기 위한 예시적인 기술을 예시한 순서도.
도 20은 필터 매체가 여과 시스템 내에 처음으로 설치될 때 본 명세서에 기술된 바와 같은 센서의 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 21은 필터 매체 내에 유동 방향에 대해 직렬로 위치된 복수의 필터 매체 센서를 포함하는 예시적인 필터 하우징 및 센서 시스템을 예시한 개략도.
도 22는 복수의 센서가 정보를 교환하고 하나 이상의 필터 매체를 갖는 여과 시스템을 모니터링하도록 작동하는 감지 시스템의 예시적인 작동을 예시한 순서도.
도 23은 예시적인 필터 하우징 식별 시스템을 예시한 개략도.
도 24는 특정 유형의 필터 하우징을 식별하기 위해 본 명세서에 기술된 센서에 의해 감지된 공진 주파수 편이(resonant frequency shift)의 다른 예를 예시한 그래프.
도 25는 필터 하우징의 하나 이상의 식별 스트립(identification strip)(전도성 및/또는 자기)에 의해 유도되는 안테나의 공진 주파수의 편이를 검출함으로써 필터의 유형을 자동으로 식별하기 위해 본 명세서에 기술된 센서 중 임의의 것에 의해 수행되는 예시적인 공정을 예시한 순서도.
도 26은 전도성 또는 자기 식별 스트립이 없는 필터 하우징과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 예시한 단면도.
도 27은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 전도성 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 단면도.
도 28은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 단면도.
도 29는 필터 하우징의 내부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 예시한 단면도.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d는 필터 매니폴드(filter manifold) 내로 삽입될 때 시간 경과에 따른 필터 하우징의 일련의 위치를 예시한 개략도.
도 31은 도 30a 내지 도 30d의 필터 하우징 삽입 공정에 대한 안테나 공진 주파수의 감지된 변화의 일례를 예시한 그래프.
도 32a, 도 32b, 도 32c는 필터 하우징이 필터 매니폴드 내로 삽입되고 그것 내에 안착됨에 따른 일련의 위치를 예시한 개략도.
도 33은 도 32a 내지 도 32c의 필터 하우징 삽입 공정에 대한 안테나 공진 주파수의 감지된 변화의 일례를 예시한 그래프.
도 34a 및 도 34b는 필터 하우징 식별 시스템의 식별 스트립 및 안테나를 갖는 예시적인 필터 하우징을 예시한 개략도.
도 35는 도 34a의 필터 식별 시스템의 단면도를 예시한 개략도.
도 36, 도 37, 도 38a, 도 38b는 도 34a의 예시적인 필터 하우징 식별 시스템의 컴퓨터 모델에 대한 예시적인 시뮬레이션된 결과를 예시한 그래프.
도 39는 시뮬레이션된 필터 식별 시스템의 자기장의 4가지 등고선 플롯(contour plot).
도 40은 필터의 장축을 따른 축방향 거리의 함수로서 도 39의 자기장을 도시한 그래프.
도 41은 자기장 분포 및 센서 감도에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드의 영향을 모델링하기 위해 사용되는 필터 배열 및 기하학적 구조의 개략도.
도 42는 공진 안테나가 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드와 함께 사용되는 도 41의 필터 배열에 의해 발생된 시뮬레이션된 자기장의 등고선 플롯.
도 43은 공진 안테나의 실수 임피던스(real impedance)와 공진 주파수에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 모델링된 전도성 및 자기 밴드의 영향을 도시한 4가지 그래프.
도 44는 전도성 링이 플라스틱 필터 하우징 내에 매립된(즉, 그것 내에 통합된) 공진 안테나에 대해 수행된 시뮬레이션에 대한 모델링 기하학적 구조, 자기장 등고선 플롯, 모델링 기하학적 구조, 실수 임피던스, 및 자기장을 도시한 도면.
도 1은 모니터(12)가 필터 하우징(14, 16)과 관련된 센서(18)에 통신가능하게 결합된 여과 모니터링 시스템(10)을 예시한 블록 다이어그램이다. 도 1의 예에서, 필터 모니터링 시스템(10)은 예를 들어 각각의 필터 하우징(14A 내지 14N)(집합적으로, "필터 하우징(14)") 및 필터 하우징(16A 내지 16N)(집합적으로, "필터 하우징(16)") 상에 장착되는 모니터(12) 인터페이싱된(interfaced) 센서(18)를 포함한다. 몇몇 예에서, 모니터(12)는 보다 적은 센서, 예컨대 하나의 센서, 또는 보다 많은 센서에 접속될 수 있다. 또한, 센서(18)는 예를 들어 데이터 버스(data bus), 별개의 전기 와이어 등에 의해 모니터(12)에 직접적으로 접속될 수 있다. 다른 예에서, 센서(18) 중 임의의 것이 예를 들어 무선 주파수 통신, 무선 근거리 통신망(wireless local area network, WLAN) 접속 등에 의해 모니터(12)에 간접적으로 접속될 수 있다. 몇몇 예에서, 센서(18)는 필터 하우징(14, 16)에 인접하게 그리고 그것의 외부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 센서(18)는 필터 하우징(14, 16) 상에 물리적으로 그리고 견고하게 장착되도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 센서(18)는 필터 하우징(14, 16) 내에 통합될 수 있다.
도 1의 예에서, 필터 하우징(14)은 유체(예컨대, 기체 또는 액체)가 일련의 필터 하우징(14)을 통해 제1 유동 경로를 따라 순차적으로 유동하도록 유체 연통한다. 유사하게, 필터 하우징(16)은 여과 모니터링 시스템(10)의 제2 유동 경로를 따라 유체 연통한다. 또한, 단지 예시의 목적을 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 필터 하우징(14)이 그것을 따라 위치되는 제1 유동 경로와 필터 하우징(16)이 그것을 따라 위치되는 제2 유동 경로는 서로 평행하다. 이러한 방식으로, 센서(18)는 여과 시스템 내의 다양한 위치에서 모니터링을 제공하도록 전개될 수 있다. 또한, 필터 하우징(16A)에 관하여 도시된 바와 같이, 다수의 센서가 (예컨대, 공통 하우징에 부착되는) 공통 필터 매체에 대한 유동 경로를 따라 위치될 수 있어, 센서(18)는 공통 필터 매체에 대한 공간 모니터링을 제공한다. 다른 예에서, 다수의 필터 하우징(14, 16)은 단일 연속 필터 매체의 하우징을 위한 상이한 섹션을 한정할 수 있다. 또한, 필터 하우징(14, 16)은 동일할 필요가 없고, 상이한 유형의 필터 매체를 포함하도록 구성될 수 있다.
몇몇 경우에, 여과 모니터링 시스템(10)은 유체 연통 상태로 결합되는 복수의 여과 시스템으로서 구현되며, 이 경우 여과 시스템은 필터 매니폴드, 필터 하우징, 및 필터 매체를 포함한다. 일반적으로, 필터 매체는 필터 하우징 내에 포함되고, 하우징은 유체 유동을 제어하고 필터 매체를 위한 기계적 지지를 제공하며 필터 매체와 필터 매니폴드 사이의 연결 방법을 가능하게 하기 위한 수단이다. 다양한 예에서, 각각의 필터 하우징(14)은 처리가능 유체의 공급원(source), 예를 들어 미처리 음용수(untreated drinking water)의 공급원과 직접 연통하는 커넥터 헤드와 상호작용하고 달리 그것과 탈착가능하게 상호연결되도록 적합화되고 구성되는 카트리지일 수 있다. 여과 시스템과 탈착가능하게 상호연결되는 필터 카트리지를 비롯한 예시적인 필터 시스템의 추가의 상세 사항이 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 공개 제20030168389호에 기술된다.
일례에서, 물 여과 응용에 대해, 필터 하우징은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리카르보네이트와 같은 플라스틱 재료로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 하우징은 금속 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 제2 예에서, 공기 여과에 대해, 필터 하우징은 판지(cardboard), 플라스틱, 또는 금속성 프레임으로 구성될 수 있다. 필터 하우징은 원통형, 원추형, 및 프리즘형을 비롯한 매우 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 필터 하우징은 일회용으로 또는 재사용가능하게 설계될 수 있고, 재사용가능한 경우에, 필터 매체의 교체를 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 필터 하우징은 필터 매니폴드 내에 부착되거나 연결되거나 스크류 체결되도록 그리고 하우징과 매니폴드 사이의 유밀(fluid tight) 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성된 하우징은 정렬 및 정확한 필터 하우징 스타일이 특정 매니폴드 유형에 이용되는 것을 보장하기 위해 기계적 및/또는 광학적 특징부를 포함할 수 있다. 일반적으로, 필터 하우징 및 필터 매체의 정확한 분류가 여과의 적절한 구성 및 여과 공정의 개선을 보장하는 데 도움을 준다. 예시적인 필터 분류는 여과될 설계 최대 체적, 유량, 압력 강하, 필터 매체 유형, 및 하우징 유형을 포함할 수 있다.
다양한 센서(18)가 본 명세서에 상세히 기술된다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 센서(18)는 필터 하우징(14, 16) 내에 포함된 필터 매체와의 임의의 직접, 물리적 접촉에 의존할 필요가 없는 간접 접촉 센서의 형태를 취할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 센서(18) 중 임의의 것이 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계 외부에서 필터 하우징 외부에 위치되거나 필터 하우징 내에 통합되거나 달리 필터 하우징에 부착될 수 있다. 예를 들어, 주어진 하우징이 비-전도성이거나 달리 차폐되지 않는 몇몇 구현예에서, 하우징 내에 포함된 필터 매체의 잔여 필터 용량(remaining filter capacity)을 능동적으로 모니터링하기 위해 전자기장을 발생시키는 센서가 이용될 수 있다. 예를 들어, 센서는 비전도성 필터 하우징을 통해 필터 매체 내로 전파되는 그리고 센서에 결합된 안테나에 의해 감지되는 자기장을 생성할 수 있다. 즉, 센서 내의 컨트롤러가 필터 매체 내로의 입사 자기장을 주기적으로 발생시키고 유체가 필터를 통해 유동함에 따라 시간 경과에 따른 필터 매체의 하나 이상의 특성(예컨대, 전도율, 유전 강도, 투자율 등)의 변화에 의해 유발되는 자기장의 하나 이상의 특성의 임의의 변화를 측정함으로써 필터 매체의 잔여 용량을 결정한다. 일반적으로, 필터 용량 또는 효율(efficacy)은 미여과 유체로부터 여과물(filtrate)을 제거하는 필터 매체의 잔여 능력을 지칭한다. 용어 잔여 필터 용량 또는 현재 용량은 일정 시점에서의 또는 측정 시의 필터 용량을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 필터 용량은 체적, 시간, 초기 질량의 퍼센트, 또는 입자 수 또는 다른 단위로 표현될 수 있다.
주어진 하우징이 적어도 부분적으로 전도성인, 본 명세서에 기술된 센서(18)의 다른 구현예에서, 센서(18)는 예를 들어 포트, 전도성 윈도우, 도파관, 직접 전기 또는 전자기 결합 등에 의해 전도성 필터 하우징 내로 지향되는 무선 주파수(radio frequency, RF) 신호를 생성할 수 있다. RF 신호는 정상파(standing wave)가 필터 매체를 통해 전파되도록 그러한 정상파를 생성하기 위해 신호가 전도성 필터 하우징의 내부 경계에 의해 한정되는 공진 공동 내에서 공진하도록 특정 주파수로 센서에 의해 선택되고 발생될 수 있다. RF 신호를 주기적으로 발생시킴으로써, 센서 내의 컨트롤러는 유체가 필터를 통해 유동함에 따라 시간 경과에 따른 필터 매체의 하나 이상의 특성(예컨대, 전도율, 유전 강도, 투자율 등)의 변화에 의해 유발되는 공진 공동의 하나 이상의 특성의 임의의 변화에 기초하여 필터 매체의 잔여 용량을 결정한다.
다른 예에서, 센서(18) 중 임의의 것이 필터 매체와 직접 접촉하도록 필터 매체의 표면에 의해 한정되는 경계에 또는 그것 내부에 위치되는 물리적 전기 프로브 또는 접점을 갖는 직접 접촉 센서일 수 있다. 즉, 필터 매체와의 전기 접촉을 제공하는 전도성 접점(예컨대, 프로브)에 의해 여과 매체의 잔여 용량을 결정하는 센서(18)에 대한 예시적인 구현예가 본 명세서에 기술된다. 프로브는 예를 들어 하우징 내에 통합되거나 달리 하우징을 통해 연장되어 필터 매체와 접촉할 수 있다.
추가의 예에서, 여과 시스템(10) 내에 현재 전개된 필터 매체에 대한 자동화된 식별을 제공하는 감지 시스템이 기술된다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 비-접촉 식별 밴드가 필터 매체를 포함한 하우징(14, 16) 내에 통합되거나 달리 그것에 근접하게 부착될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 식별 밴드는 하우징(14, 16) 상에 장착된 센서(18)에 의한 필터 매체의 자기 감지에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 식별 밴드는 센서(18) 내의 안테나에 의해 감지되는 전자기장 또는 공진 공동에 영향을 미치도록 전기 전도성 및/또는 자성일 수 있다. 또한, 밴드는, 예컨대 필터 매체 및 관련 하우징이 센서에 의해 생성되는 감지 필드를 통과하도록 함께 또는 개별적으로 여과 시스템 내로 삽입될 때, 필터 매체의 고유 식별을 제공하도록 하우징(14, 16) 상에 기하학적으로 또는 공간적으로 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 식별 밴드는 필터 매체의 적극적 식별을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 몇몇 예에서, 식별 스트립 재료, 위치, 기하학적 구조, 스트립 수 등이 필터군(filter family), 필터군 하위범주 등을 식별할 수 있다.
여기에 기술된 센서, 방법 및 센서 시스템은 여과 기술을 이용하는 매우 다양한 응용에 적용된다. 일례에서, 센서, 방법, 및 시스템은 상업용 물 여과 시스템을 위한 필터 매체를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 여과 시스템은 입구, 및 출구, 하나 이상의 필터를 가진 필터 매니폴드, 물 유동을 제어하기 위한 밸브 및 배관(plumbing), 전력 공급 장치, 추가의 센서 요소, 및 여과 공정을 모니터링하기 위한 전자 컨트롤러 요소를 포함할 수 있고, 사용자 인터페이스, 무선 접속성, 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 제2 예에서, 센서, 방법, 및 시스템은 개인용 호흡기에 사용되어 필터 카트리지의 잔여 필터 용량을 모니터링할 수 있다. 필터 카트리지는 교체가능할 수 있고, 센서는 사용자가 카트리지의 교체가 요구되는지를 결정할 수 있게 한다. 다른 예에서, 센서는 가전제품(appliance), 난방, 환기 및 공기 조화(heating ventilating and air conditioning, HVAC) 시스템, 천연 가스 여과 시스템, 및 개인용 공기 여과에서의 유체 처리를 위한 응용에 채용될 수 있다.
또한, 필터 매체의 전도율, 유전율(dielectric), 또는 투자율(permeability) 변화를 모니터링함으로써 필터 용량을 직접적으로 측정하는 것에 더하여(또는 그것에 대해 대안적으로), 필터 용량은 또한 동일한 유체 유동에 연결되는 대용 재료(surrogate material)의 전도율, 유전율, 또는 투자율의 변화를 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러면, 필터 용량은 대용 재료의 측정된 전도율, 유전율, 또는 투자율 변화 및 필터 매체의 전도율, 유전율, 또는 투자율 변화에 의해 알려진 관계에 기초하여 계산될 수 있다. 대용 재료는 동일한 필터 매체, 상이한 필터 매체, 비-필터 매체 재료, 또는 임의의 조합으로 구성될 수 있고, 상이한 형태 인자(form factor)를 가질 수 있다. 하나 이상의 대용 재료가 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 대용 재료는 여과 기능을 제공하거나 여과 기능을 제공하지 않을 수 있다. 대용 재료를 이용하는 것의 이점은 대용 재료가 보다 높은 감도, 보다 낮은 감도를 갖고, 보다 간단한 시스템, 개선된 안정성을 가능하게 하며, 재사용가능하다는 것일 수 있다.
도 2는 예시적인 필터 하우징(21)에 결합된 센서(20)의 하나의 예시적인 구현예를 더욱 상세히 예시한 개략도이다. 센서(20)는 예를 들어 하우징(14, 16) 중 임의의 것에 결합된 도 1의 센서(18) 중 임의의 것의 예시적인 구현예를 나타낼 수 있다.
이러한 예시적인 구현예에서, 필터 하우징(21)은 액체 또는 기체의 여과를 위한 필터 매체를 포함하는 비-전도성 하우징이다. 몇몇 예에서, 필터 하우징(14)은 예를 들어 플라스틱, 유리, 자기(porcelain), 고무 등과 같은 비전도성 재료일 수 있다. 도 2의 예에서, 필터 하우징(21)은 형상이 원통형이다. 다른 예에서, 필터 하우징(21)은 예를 들어 입방형, 프리즘형, 원추형 등일 수 있다. 몇몇 예에서, 필터 하우징(21)은 기존의 물 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 비전도성 필터 하우징(21)은 새로운 물 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다.
도 2의 예에서, 센서(20)가 필터 하우징(21)에 인접하게 그리고 그것의 외부에 위치된다. 예를 들어, 센서(20)는 하우징(21)의 외부 표면에 견고하게 장착되도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21) 외부에 위치될 수 있고, 센서(20)의 내측 표면과 필터 하우징(21)의 외측 표면 사이에 갭(gap)이 존재할 수 있다. 다른 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)의 표면의 적어도 일부분 내에 통합되거나 심지어 필터 하우징의 표면 내부에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다. 센서(20)는 접합, 예를 들어 접착제 접합, 열 접합, 레이저 접합 등에 의해 필터 하우징(21)에 결합될 수 있다. 다른 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)의 재료 내에 통합되어 단일 연속 필터 시스템 부재를 형성할 수 있다. 다른 예에서, 센서(20)는 예를 들어 하나 이상의 체결구, 하나 이상의 클램프(clamp), 필터 하우징(21)과 센서(20)의 표면 내의 하나 이상의 리지(ridge) 또는 홈(groove) 등에 의한 기계적 연결에 의해 필터 하우징(21)에 연결될 수 있다. 도 2의 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)의 종축의 중심에 위치된다. 다른 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)의 단부 부근에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)의 단부와 중심 사이에 가변적으로 위치될 수 있다.
일반적으로, 센서(20)는 필터(20)의 현재 용량의 시각 및/또는 가청 표시를 제공하는 사용자 인터페이스 요소를 포함할 수 있다. 도 2의 예에서, 시험/리셋(test/reset) 버튼(22)이 센서(20)의 외측 표면 상에 위치된다. 다른 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 필터 하우징(21)의 외측 표면 상에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 센서(20) 또는 필터 하우징(21) 중 어느 것 상에도 위치되지 않을 수 있다. 몇몇 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 예를 들어 "test" 및/또는 "reset"을 표시하는 문자를 동반할 수 있다. 몇몇 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 예를 들어 발광 다이오드, 백열 전구 등과 같은 표시등(indicator light)을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 센서(20)의 표면으로부터 융기될 수 있다. 다른 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 센서(20)의 표면으로부터 리세스될(recessed) 수 있다. 몇몇 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 사용자 인터페이스(24)를 켜거나 끄도록 구성될 수 있다. 몇몇 예에서, 시험/리셋 버튼(22)은 센서(20)와 사용자 인터페이스(24)를 리셋하도록 구성될 수 있다.
도 2의 예에서, 사용자 인터페이스 요소(24)는 예를 들어 발광 다이오드, 백열 전구 등과 같은, 예를 들어 복수의 발광체를 포함한다. 다른 예에서, 사용자 인터페이스(24)는 예를 들어 그래픽 인터페이스, 터치 스크린 등을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 표시등은 필터 매체 수명 또는 용량에 대응한다. 예를 들어, 최대 필터 매체 수명 또는 용량(예컨대, 새로운 필터)이 모든 표시등의 조명에 의해 표시될 수 있는 반면에, 필터 매체 수명 또는 용량이 감소함에 따라 보다 적은 발광체가 조명될 수 있다. 몇몇 예에서, 표시등은 지정된 색 및/또는 명암(shading) 변동이 최대 용량으로부터 빈 용량으로 전이되는 하나 이상의 색일 수 있다. 몇몇 예에서, 사용자 인터페이스(24)는 예를 들어 "lifetime" 또는 잔여 필터 매체 수명 또는 용량에 대응하는 일련의 백분율(예컨대, 0%, 25%, 50%, 75%, 및 100%)을 표시하는 문자를 동반할 수 있다. 몇몇 예에서, 그래픽 인터페이스로서의 사용자 인터페이스(24)는 원 그래프(pie chart)(예컨대, 원형 게이지(circular gauge)), 막대 그래프(bar chart) 등으로 표현될 수 있다. 다른 예에서, 측정된 잔여 필터 매체 수명 또는 용량은 시간 간격(예컨대, 일수) 또는 사전결정된 순도 또는 품질로 여과될 수 있는 유체의 잔여 체적(예컨대, 갤런(gallon))으로 표시될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 센서(20)는 필터 하우징(21)을 둘러싸는 전도성 루프를 형성하도록 배열되는 내부 안테나(도시되지 않음)를 포함한다. 배터리와 같은 내부 전원 및 센서(20)의 RF 발생기가 안테나를 통해 교류 전류(alternating electrical current)(26)를 구동시켜 자기장(28)을 생성한다. 일반적으로, 자기장(28)은 필터 하우징(21) 내에 포함된 필터 매체의 적어도 일부분을 통해 전파된다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 센서(20)의 안테나(또는 복수의 안테나)는 하우징(21) 내에 포함된 여과 매체와 결합될 수 있는 근접장 방사선(near-field radiation)을 발생시킬 수 있는 전자 구성요소이다. 예는 단일 권선 인덕터(single turn inductor), 다중-권선 인덕터(multi-turn inductor), 2차원 전도성 루프, 3차원 특징부를 가진 전도성 루프, 및 용량성 요소를 포함한다. 안테나는 비-공진성, 공진성, 또는 자기-공진성(self-resonant)일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 하우징(21) 내의 필터 매체는 센서(20)에 의해 생성되는 자기장(28)과 상호작용한다. 예를 들어, 자기장(28)은 필터 매체 내에 와전류(eddy current)를 유도하도록 필터 매체와 상호작용할 수 있다. 필드 와전류(field eddy current)의 생성은 이어서 센서(20)의 안테나에 의해 생성되는 자기장의 강도를 감소시키도록 작용한다. 센서(20) 내의 컨트롤러가 자기장(28)을 생성하는 동안에 안테나의 특성을 모니터링하고, 그들 특성에 기초하여, 생성되는 합성 자기장(resultant magnetic field)의 품질(강도, 진폭, 위상 등)을 결정한다. 자기장(28)의 소정 품질의 변화를 모니터링함으로써, 컨트롤러는 이어서 미립자의 여과로 인한 시간 경과에 따른 필터 매체 전도율, 유전 상수, 또는 투자율의 변화와 같은 포함된 필터 매체의 특성의 변화를 검출한다.
컨트롤러는 센서의 안테나에 전기적으로 결합되고, 안테나를 통해 전기 신호를 구동시켜, 근접장 결합(near-field coupling)을 통해 필터 매체의 적어도 일부분에 결합되도록 구성되는 전자기 신호를 발생시키도록 구성된다. 컨트롤러는 필터 하우징 내에 포함된 필터 매체에 의해 영향을 받는 안테나의 적어도 하나의 특성을 검출하도록, 그리고 검출된 특성에 응답하여, 필터 매체의 현재 용량을 결정하도록 구성된다. 컨트롤러에 의해 검출되도록 필터 매체와 전자기장 사이의 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있는 안테나의 예시적인 특성은 안테나의 인덕턴스(inductance), 커패시턴스(capacitance), 리액턴스(reactance), 임피던스(impedance), 등가 직렬 저항(equivalent series resistance), 등가 병렬 저항(equivalent parallel resistance), 품질 계수(quality factor), 및 공진 주파수를 포함한다. 바꾸어 말하면, 컨트롤러는 필터 매체에 의한 유체의 여과 중에 시간 경과에 따라 변화하는 필터 매체의 재료 특성에 의해 영향을 받는 안테나의 하나 이상의 특성을 검출하도록 구성된다. 필터 매체의 재료 특성은 예를 들어 필터 매체의 전기 전도율, 투자율, 자기 손실 탄젠트(magnetic loss tangent), 자기 보자력(magnetic coercivity), 자기 포화(magnetic saturation), 유전 상수, 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent), 또는 유전 강도일 수 있다.
형상, 크기, 및 재료 선택과 같은 안테나의 설계가 공진 주파수 및 방사 패턴과 같은 안테나 특성을 결정한다. 일례에서, 극초단파 무선 주파수 식별(ultrahigh frequency radio frequency identification, UHF RFID) 안테나가 915 ㎒로 효율적으로 방사하여 915 ㎒로 작동하는 UHF RFID 판독기와 통신하도록 설계될 수 있다. 내부 루프 및 사행형 패턴(serpentine pattern)과 같은 안테나의 물리적 특징부가 주어진 주파수에서 안테나의 방사 효율 또는 지향성(directionality)을 개선하거나 안테나의 대역폭을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 일례에서, UHF RFID 안테나의 하나 이상의 특징부가 필터 매체에 근접장 결합되도록 설계될 수 있다. 전도율, 유전 상수, 및 투자율과 같은 필터 매체의 전자기 특성은 공진 주파수, 대역폭, 및 효율과 같은 안테나의 하나 이상의 특성의 영향을 변화시킬 수 있다. 여과 매체와의 이러한 근접장 상호작용에 의해 유발되는 안테나 특성의 이러한 변화를 모니터링함으로써, 필터 매체의 전자기 특성이 모니터링될 수 있다. 모니터링은 안테나 상에 위치되는 집적 회로에 의해 또는 안테나로부터 떨어져, 예컨대 외부 판독기 장치 내에 위치되는 전자 장치에 의해 수행될 수 있다.
일반적으로, 여과 매체는 유체(액체 및 기체)의 여과, 분리, 및 정화를 수반하는 광범위한 응용에 사용될 수 있다. 예시적인 매체는 물 여과 매체, 활성탄, 개질 활성탄(modified activated carbon), 촉매 탄소, 탄소, 목탄(charcoal), 이산화 티타늄, 부직포, 일렉트릿(electret), 공기 여과 매체, 물 소독제 제거 매체, 미립자 제거 매체, 유기 함유물 제거, 이온-교환 매체, 역삼투 매체, 철분 제거 매체, 반투과성 막(semipermeable membrane), 분자체(molecular sieve), 모래, 자석, 스크린, 및 장벽 매체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에 기술된 센서가 함께 사용될 수 있는 예시적인 여과 기술은 예로서 흡수, 화학흡착(chemisorption), 물리흡착(physisorption), 흡착, 침전(precipitation), 승화, 이온-교환, 배제, 추출, 전기영동, 전기분해, 역삼투, 장벽 막(barrier membrane), 침강, 증류, 및 가스 교환을 포함한다. 표 1은 예시적인 안테나 특성을 예시하며, 이는 그들 안테나 특성에 대한 변화가 본 명세서에 기술된 센서에 따라 컨트롤러에 의해 검출될 수 있도록 필터 매체 특성에 의해 영향을 받을 수 있다:
[표 1]
일례로서, 활성탄 물 여과에서, 센서(20)는 필터의 수명에 걸쳐 필터 매체의 전도율에 대한 변화를 검출하도록 구성될 수 있다. 일례로서, 물 여과 시스템은 흔히 이전에 첨가된 염소를 제거하기 위한 탈염소(dechlorination)를 위해 전개된다. 즉, 물 소독은 전형적으로 차아염소산 나트륨 용액(NaOCl), 고체 차아염소산 칼슘(Ca(OCl)2), 염소 가스(Cl2), 또는 모노클로라민(NH2Cl)의 첨가에 의해 달성된다. 염소는 물의 존재 시에 하기의 반응에 의해 표시되는 바와 같이 차아염소산염(OCl-) 및 차아염소산(HOCl)을 형성하도록 해리된다:
물 여과 시스템은 흔히 물 내의 과잉 염소의 존재가 바람직하지 않은 맛, 냄새, 역삼투 및 나노여과 시스템에서의 막 열화(membrane degradation) 등을 생성하기 때문에 염소를 제거하기 위한 후속 탈염소를 위해 전개된다. 물을 고 다공성 활성탄 필터를 통해 유동시키는 것이 예를 들어 활성탄 필터 매체의 산화를 통해 염소를 염화물로 환원시킴으로써 탈염소를 돕는다. 대표적인 화학 반응식이 아래에 표시되며:
여기서 CO*는 활성탄 필터 매체 상의 산화성 탄소 자리(oxidative carbon site)를 나타낸다. 이러한 방식으로 염소가 염화물로 환원되며, 이러한 염화물은 사람이 소비하기에 안전하고, 바람직하지 않은 맛과 냄새를 감소시키며, 추가의 물 처리(water conditioning) 방법에 안전하다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 탈염소 공정에 응답하여, 활성탄 필터의 전기 전도율이 시간 경과에 따라 감소한다. 또한, 시간 경과에 따른 표면 산화가 활성탄 필터의 전기 전도율의 상당한 감소를 유발한다. 또한, 필터 매체의 전도율의 임의의 변화가 이어서 센서(20)에 의해 발생되는 자기장(28)에 영향을 미치며, 이는 센서(20)에 의해 검출된다. 합성 자기장(28)을 주기적으로 생성하고 감지함으로써, 센서(20)가 탈염소 중에 활성탄 필터의 전도율 감소를 측정하여 산화된 표면 자리의 백분율과 필터의 잔여 수명 또는 용량을 결정할 수 있다. 측정된 잔여 필터 용량은 사용자 인터페이스(24) 상에 표시되며, 이는 총 용량의 백분율, 일수와 같은 시간 간격, 또는 물의 체적(양(measurement))을 나타낼 수 있다. 대안적으로, 센서(20)는 결과를 중앙집중식 보고 및 경보를 위해 도 1의 모니터(12)와 같은 중앙 모니터에 전달할 수 있다.
이러한 예시적인 시나리오에서, 센서(20)는 여과물 염소 농도가 임계 염소 농도를 초과할 때로 특징지어지는, 활성탄 필터 매체에 대한 앞으로의(upcoming) 염소 파과(chlorine breakthrough)를 예측하고 경보를 발생시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 센서(20)는 염소 파과의 능동적 결정 및 조기 통지를 용이하게 할 수 있다.
도 3은 도 2의 예시적인 간접 접촉 필터 센서(20)에 의해 생성된 예시적인 전자기장을 더욱 상세히 예시한 개략도이다. 도 3의 예에서, 센서(20)의 내부 안테나(도시되지 않음)는 센서(20)의 환상(annular) 형상에 의해 한정되는 내부 공간의 적어도 일부분을 통해 이동하는 자기장(28)을 형성한다. 몇몇 예에서, 필터 매체 내의 전도성 재료가 제1 자기장(28)의 존재 시에 와전류(도시되지 않음)를 발생시킨다. 필터 매체 내의 와전류는 제1 자기장(28)에 대향하는 제2 자기장(도시되지 않음)의 생성을 유발한다. 제2 자기장은 이어서 자기장(28)의 전체 강도를 저하시킨다. 몇몇 예에서, 와전류와 제2 자기장의 크기는 필터 매체의 전기 전도율에 의존한다. 이러한 방식으로, 필터 매체의 유한(finite) 전기 전도율이 센서(20)에 의해 검출되는 에너지 손실 메커니즘을 나타낸다. 몇몇 예에서, 에너지 손실 메커니즘은 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 또는 등가 병렬 저항과 같은 안테나의 전자적 특성을 모니터링함으로써 필터 매체의 전도율 또는 전도율 변화를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예에서, 안테나는 공진 회로이도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등을 모니터링함으로써 필터 매체의 전도율 또는 전도율 변화가 결정된다. 예를 들어, 비-접촉 센서의 공진 주파수(f o )는 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)로부터 결정될 수 있다:
공진 회로의 품질 계수(Q)는 공진 시의 직렬 리액턴스(series reactance)(Xs)와 직렬 저항(Rs)에 의해 결정된다:
공진 시에, 직렬 커패시턴스 리액턴스(series capacitance reactance)(Xc,s)와 직렬 유도 리액턴스(series inductive reactance)(XL,S)는 동일하다:
인덕턴스 또는 커패시턴스의 변화가 센서의 f o 를 변화시키고 센서의 병렬 저항(Rp)을 변화시킬 것이다. 공진 주파수 변화가 커패시턴스의 변화에 의해 유발되는 경우에, 센서의 보정 병렬 저항(corrected parallel resistance)은 하기의 방정식에 주어진다:
공진 주파수 변화가 인덕턴스의 변화에 의해 유발되는 경우에, 센서의 보정 병렬 저항은 하기의 방정식에 주어진다:
몇몇 예에서, 임피던스 평가 모듈(도시되지 않음)이 안테나의 특성, 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등을 모니터링하여, 예를 들어 전도율, 유전 강도, 투자율 등과 같은 필터 매체의 하나 이상의 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등을 모니터링하는 것이 필터 매체 수명 또는 용량의 실시간 표시를 제공할 수 있으며, 이는 작동 지속기간 또는 여과된 총 유체 체적에 기초하여 필터 수명 또는 용량을 추정하는 방법에 비해 유리하다.
센서(20)는 예를 들어 여과 매체에 근접장 결합되는 안테나, 인덕터-커패시터(LC) 회로, 인덕터-커패시터-저항기 회로(LCR), 인덕터-저항기(LR) 회로, 커패시터-저항기(CR) 회로와 같은 하나 이상의 센서 요소를 포함한다. 몇몇 예시적인 구현예에서, 센서(20)는 센서 특성에 영향을 미치는 환경 조건과 센서 드리프트(sensor drift)를 보상하기 위해 사용되는 추가의 시스템 파라미터를 측정하도록 설계되는 추가의 센서 요소를 포함할 수 있다. 센서 측정치를 조절하기 위해 사용되고 측정될 수 있는 예시적인 추가의 파라미터는 유량, 입구 압력, 출구 압력, 압력 강하, 유체 온도, 주위 온도, 센서 온도, 전자 장치 온도, 오염검출 유형 센서(contaminate type sensor), 및 시간을 포함한다. 예를 들어, 안테나 요소의 병렬 저항의 온도 의존성(temperature dependence)의 보상은 안테나를 포함하는 전도체의 저항률(resistivity)의 온도 의존성에 의해 유발되며, 따라서 병렬 저항(Rp,T)은 하기에 의해 계산될 수 있으며:
여기서 Rp,o 는 T=To에서의 안테나의 병렬 저항이고, α는 안테나의 저항률의 온도 계수이며, Ta는 안테나의 온도이고, Ta,o는 안테나의 기준 온도이며, ΔTa는 안테나의 온도의 변화이다. 반면에, 여과 매체는 예를 들어 하기에 의해 계산될 수 있는 온도 의존 저항률(Rf,T)을 가지며:
여기서 Rf,o 는 T=To에서의 여과 매체의 저항이고, β는 여과 매체의 저항률의 온도 계수이며, Tw는 물의 온도이고, Tw,o는 물의 기준 온도이며, ΔTw 는 물의 온도의 변화이다.
예 - 필터 용량 및 전도율 변화
이와 같이, 다양한 예에서, 필터 용량은 여과 중에 필터 매체의 전도율을 측정함으로써 결정될 수 있다. 필터 용량을 결정하기 위해, 필터 매체가 공진 안테나의 근접장 내에 배치된다. 공진 시의 공진 안테나의 등가 병렬 저항이 여과 공정 중에 측정된다. 공진 시의 공진 안테나의 등가 병렬 저항을 측정함으로써, 필터 매체의 결합 등가 저항(coupled equivalent resistance)이 모니터링될 수 있다. 필터 매체의 결합 등가 저항과 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량이 결정될 수 있다.
다른 예에서, 필터 매체가 비-공진 루프 안테나의 근접장 내에 배치된다. 비-공진 루프 안테나의 등가 직렬 저항이 여과 공정 중에 측정된다. 비-공진 안테나의 등가 직렬 저항을 측정함으로써, 필터 매체의 결합 등가 저항이 측정될 수 있다. 측정된 결합 등가 저항은 필터 용량과의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
다른 예에서, 필터 매체가 커패시턴스 요소의 근접장 내에 배치된다. 커패시턴스 요소의 등가 병렬 저항이 여과 공정 중에 측정된다. 커패시턴스 요소의 등가 병렬 저항의 변화를 측정함으로써, 필터 매체의 결합 등가 저항이 측정될 수 있다. 측정된 등가 저항은 필터 매체의 결합 등가 저항과 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
센서의 감도는 감지될 물체의 단위 변화에 의해 유발되는 센서 변화로 정의될 수 있다. 전술된 예에 대해, 센서 감도는 필터 매체의 부재 시에 안테나 또는 커패시턴스 요소의 병렬 저항을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 필터 매체의 부재 시에 고 병렬 저항을 가진 센서 요소의 구성은 고 비용 재료, 고 비용 구성요소 설계/구성, 및 증가된 센서 크기를 필요로 할 수 있다. 또한, 고 병렬 저항을 가진 센서를 판독하기에 적합한 전자 장치는 고 비용 전자 구성요소 및 고급 알고리즘(advanced algorithm)을 필요로 할 수 있다. 실제 시스템 설계에서, 시스템 설계자는 센서 감도와 센서 비용 사이의 상호의존성을 고려하여야 할 수 있다. 일 실시예에서, 센서의 병렬 저항은 100 Ω 내지 10 kΩ이다. 제2 실시예에서, 센서의 병렬 저항은 필터의 결합 저항보다 크다. 제3 실시예에서, 센서의 병렬 저항은 필터의 결합 저항의 0.001배보다 크다.
감도는 보다 높은 품질 계수를 달성함으로써 개선될 수 있다. 전술된 동일한 이유로, 고 품질 계수를 가진 센서의 설계가 비실용적일 수 있다. 일 실시예에서, 센서의 품질-계수는 10보다 높고 1000보다 낮다. 제2 실시예에서, 센서의 품질 계수는 50 내지 200이다.
또한, 안테나 요소의 작동 주파수를 증가시키는 것이 보다 높은 센서 감도로 이어질 수 있다. 주어진 안테나의 작동 주파수가 증가함에 따라, 리액턴스가 전형적으로 저항에 비해 더 큰 증가를 가지며, 이는 안테나의 보다 높은 품질 계수와 병렬 저항으로 이어진다. 몇몇 응용에서, 작동 주파수를 증가시키는 것이 비실용적일 수 있는데, 왜냐하면 필요로 하는 전자 장치가 보다 높은 비용을 소요하고 추가의 전력을 소비하며 정부 방출 한계(governmental emission limitation)를 초과할 수 있기 때문이다. 일 실시예에서, 작동 주파수는 1 내지 30 ㎒이다. 제2 실시예에서, 작동 주파수는 하나 이상의 산업, 과학 및 의료용(industrial, scientific and medical, ISM) 주파수 대역(radio band) 내에 있다.
센서 감도는 안테나와 필터 매체 사이의 근접장 결합의 크기를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 근접장 결합 계수의 크기는 범위가 1(완벽한 결합) 내지 0(결합 없음)일 수 있다. 실제 센서 설계에서, 고 결합을 실현하는 것은 필터 하우징의 존재 또는 유체의 존재에 의해 유발되는 안테나와 필터 매체의 간격과 같은 시스템 기하학적 제약에 의해 제한된다. 일 실시예에서, 결합 계수는 0.1보다 높다.
몇몇 응용에서, 센서는 단지 필터 매체 용량이 임계치 미만으로 하락할 때를 검출하도록 요구될 수 있다. 이러한 응용에서는, 저 감도를 가진 센서 시스템이 허용가능할 수 있다. 몇몇 응용에서, 센서는 필터의 전체 수명 중에 필터 매체 용량의 고 분해능을 갖도록 요구될 수 있다. 이러한 응용에서는, 고 감도를 가진 센서 시스템이 요구될 수 있다.
예 - 필터 용량 및 자기 변화
일례에서, 필터 용량은 여과 중에 필터 매체의 투자율을 측정함으로써 결정된다. 필터 용량을 결정하기 위해, 필터 매체가 공진 안테나의 근접장 내에 배치된다. 공진 안테나의 공진 주파수가 여과 공정 중에 측정된다. 안테나의 공진 주파수를 측정함으로써, 필터 매체의 투자율이 모니터링될 수 있다. 측정된 투자율은 투자율과 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
제2 예에서, 필터 매체가 비-공진 루프 안테나의 근접장 내에 배치된다. 비-공진 루프 안테나의 인덕턴스가 여과 공정 중에 측정된다. 비-공진 안테나의 인덕턴스를 측정함으로써, 필터 매체의 투자율이 측정될 수 있다. 측정된 투자율은 필터 매체 투자율과 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
제3 예에서, 필터 매체가 비-공진 루프 안테나의 근접장 내에 배치된다. 비-공진 루프 안테나의 등가 병렬 저항이 여과 공정 중에 측정된다. 비-공진 안테나의 등가 병렬 저항의 변화를 측정함으로써, 필터 매체의 자기 손실 탄젠트가 측정될 수 있다. 측정된 손실은 자기 손실 탄젠트와 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
예 - 필터 용량 및 유전율 변화
일례에서, 필터 용량은 여과 중에 필터 매체의 유전 상수를 측정함으로써 결정된다. 필터 용량을 결정하기 위해, 필터 매체가 커패시터 요소의 근접장 내에 배치된다. 커패시터 요소의 커패시턴스가 여과 공정 중에 측정된다. 커패시터 요소의 커패시턴스를 측정함으로써, 필터 매체의 유전 상수가 측정될 수 있다. 측정된 유전 상수는 유전 상수와 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
제2 예에서, 필터 매체가 커패시터 요소의 근접장 내에 배치된다. 커패시터 요소의 등가 병렬 저항이 여과 공정 중에 측정된다. 커패시터 요소의 등가 병렬 저항의 변화를 측정함으로써, 필터 매체의 유전 손실 탄젠트가 측정될 수 있다. 측정된 손실은 유전 손실 탄젠트와 필터 용량 사이의 사전결정된 상관관계에 기초하여 필터 용량을 결정하기 위해 사용된다.
예 - 여과 중의 전도율, 유전율, 및 투자율 변화
일례에서, 도시 수원으로부터의 염소가 활성탄 필터 블록(filter block)의 촉매 환원 공정에 의해 여과된다. 여과 중에, 표면 산화가 탄소 블록 상의 촉매 자리의 수를 감소시키고, 염소를 여과하는 탄소 블록의 능력을 감소시킨다. 활성탄 블록의 산화는 필터 블록의 감소된 전기 전도율을 유발한다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 필터 용량이 필터 블록의 전도율과 상관될 수 있다.
제2 예에서, 비-전도성 필터 막이 액체 내에 분산된 전기 전도성 입자를 여과하도록 설계된다. 여과 중에, 여과 매체에 의해 포획된 전도성 입자는 필터의 실효 저항(effective resistance)을 감소시킨다. 보다 많은 전도성 입자가 필터에 의해 포획됨에 따라, 추가의 입자를 포획하는 필터의 용량이 감소한다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 필터 용량이 필터 막의 전도율과 상관될 수 있다.
제3 예에서, 주거용 우물 수원으로부터 유래되는 물 내에 함유된 철분이 비-자성 필터 블록으로 여과된다. 여과 중에, 여과 매체에 의해 포획된 철분 입자는 필터의 실효 투자율(effective permeability)을 증가시킨다. 보다 많은 철분 입자가 필터에 의해 포획됨에 따라, 필터의 능력이 감소한다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 필터 용량이 필터의 투자율과 상관될 수 있다.
제4 예에서, 휘발성 유기 함유물이 개인용 호흡기 장치에 부착된 입상 탄소(granular carbon)에 의해 여과된다. 여과 중에, 탄소 표면의 유기 함유물의 흡착이 탄소의 유전 상수를 증가시킨다. 유전 상수는 유기 함유물이 배기된 공기에 비해 더 높은 유전 상수를 갖기 때문에 증가한다. 유기 함유물이 표면에 흡착되고 추가의 유기물 접촉 흡착을 방해함에 따라, 필터 능력이 감소한다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 필터 용량이 필터의 유전 상수와 상관될 수 있다.
제5 예에서, 공기 입자가 주거용 난로 내의 부직포 일렉트릿 필터에 의해 여과된다. 여과 중에, 필터의 입자 로딩(particle loading)이 필터의 유전 상수를 증가시킨다. 보다 많은 입자가 필터에 의해 포획됨에 따라, 추가의 입자를 포획하는 필터의 능력이 감소한다. 이러한 메커니즘에 기초하여, 필터 용량이 필터의 유전 상수와 상관될 수 있다.
도 4는 센서(50)가 필터 하우징(64) 내에 포함된 필터 매체의 하나 이상의 특성을 감지하도록 구성되는 예시적인 센서 시스템을 예시한 블록 다이어그램이다. 센서(50)는 예를 들어 도 1의 센서(18) 및 도 2와 도 3의 센서(18)와 같은 본 명세서에 기술된 센서 중 임의의 것의 예시적인 구현예를 나타낼 수 있다.
도 4의 예에서, 센서(50)는 센서 하우징(52), 사용자 인터페이스(54), 컨트롤러(56), 전원(58), 필드 센서(field sensor)(60), RF 발생기(61), 및 안테나(63)를 포함한다. 다른 예에서, 센서(50)는 추가의 모듈 또는 하드웨어 유닛을 포함할 수 있거나, 보다 적은 모듈 또는 하드웨어 유닛을 포함할 수 있다. 도 4의 예에서, 센서(50)는 센서(50)가 필터 하우징(64) 및 필터 매체(66)와 전자기 연통(electromagnetic communication)(68)하도록 필터 하우징(64)과 필터 매체(66)에 근접하게 위치된다.
도 4의 예에서, 센서 하우징(52)은 사용자 인터페이스(54), 컨트롤러(56), 전원(58), 필드 센서(60), RF 발생기(61) 및 안테나(63)를 내장하고, 필터 하우징을 에워싸도록(예컨대, 부분적으로 또는 완전히 둘러싸도록) 환상 형상이다. 예를 들어, 센서 하우징(52)은 센서(18, 20)가 필터 하우징(14, 16, 21)을 완전히 둘러싸는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 필터 하우징을 완전히 둘러싸도록 환상 형상일 수 있다. 이러한 방식으로, 센서 하우징(52) 내부에 있는 안테나(63)가, 일단 센서(50)가 센서 하우징에 부착되면 필터 매체를 둘러싸도록 환상 센서 하우징 내에 권취되는 하나 이상의 전기 전도성 루프를 포함할 수 있다.
도 4의 예에서, 안테나(63)는 전자기 신호(68)를 비전도성 필터 하우징(64) 내부에 위치된 필터 매체(66) 내로 송신하고 그것으로부터 수신한다. 도 4의 안테나(63)는 전원(58)으로부터 전력을 받는 컨트롤러(56)와 인터페이싱된다. 몇몇 예에서, 전원(58)은 배터리 전원 또는 다른 내부 전원을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 전원(58)은 예를 들어 국소 전력 공급 장치, 교류-직류 변환기 등과 같은 외부 전력 공급 장치일 수 있다. 몇몇 예에서, 전원(58)은 광 또는 RF 에너지와 같은 외부 공급원으로부터 전력을 획득할 수 있다.
컨트롤러(56)로부터의 구성에 응답하여, RF 발생기(61)는 일례에서 안테나(63)를 전자기장을 생성하도록 구동시키는 RF 신호를 발생시킨다. 컨트롤러(56)로부터의 명령에 응답하여, RF 발생기(61)는 예를 들어 하나 이상의 사인파(sinusoidal wave), 방형파(square wave), 불연속 신호 등으로서 RF 신호를 발생시킬 수 있다. RF 발생기(61)는 본 명세서에 기술된 바와 같이 RF 신호의 형상, 위상, 예컨대 위상 편이(phase shift), 및/또는 진폭을 제어할 수 있다.
예를 들어, 몇몇 예시적인 구현예에서, 컨트롤러(56)는 안테나의 주파수 응답을 측정하기 위해 안테나(63)의 여기 주파수(excitation frequency)를 스위핑(sweep)하도록 RF 발생기(61)에 지시하도록 구성된다. 센서의 주파수 스윕(frequency sweep)은 제어가능한 별개의 선형 스텝(linear step), 로그 스텝(log step), 또는 다른 것으로서 실행될 수 있다. 스텝의 크기는 센서 주파수 분해능과 측정 재생률(refresh rate)을 결정하는 하나의 요인이다. 1 ㎑ 선형 스텝을 가진 그리고 각각의 스텝이 100 us를 소모하는 1 ㎒ 스윕 범위에 대해, 총 스윕 시간은 1000*100 us = 100 ms일 것이다. 10 ㎑ 스텝을 가진 동일한 시스템에 대해, 총 스윕 시간은 100*100 us = 10 ms일 것이다. 10 ㎑ 스텝에서의 감소된 스윕 시간은 측정의 주파수 분해능을 감소시킬 것이다. 몇몇 예에서, 보간법(interpolation) 및 회귀(regression)와 같은 신호 처리 방법이 측정의 주파수 분해능을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 응용에서, 센서(50)에 의해 검출되는 측정된 신호는 작아서 잡음 있는 측정을 초래할 수 있다. 신호 강도를 증가시키기 위한 하나의 방법은 발생된 신호의 진폭을 제어하는 것이다. 일례에서, 신호의 진폭은 검출 회로의 동적 범위를 완전히 이용하기 위해 증가된다.
일례에서, 공진 안테나의 품질-계수는 링-다운(ring-down) 방법에 의해 모니터링될 수 있다. 이러한 방법은 공진 안테나를 여기시키는 단계, 여기원(excitation source)을 제거하는 단계, 및 공진 안테나의 신호를 신호 감쇠(signal decay)로서 측정하는 단계를 포함한다. 감쇠율은 품질 계수에 반비례한다. 이러한 예에서, 위상을 제어하거나 아는 것이, 여기원이 0-전류에서 종료되고 여기원에 의해 유발되는 스위칭 스파이크(switching spike)를 최소화시키도록 허용할 수 있다.
일례로서, RF 발생기(61)에 의해 생성되는 출력 주파수의 파형은 방형파, 사인파, 삼각파, 톱니파, 사인곡선 합(sum of sinusoids) 등을 포함할 수 있다. 방형파, 사인파, 삼각파 및 톱니파가 일반적으로 발생되는 파형이다.
몇몇 예시적인 구현예에서, 센서(50)는 RF 신호를, 예를 들어 포트, 무선 주파수 투과 윈도우, 도파관, 직접 전기 또는 전자기 결합 등에 의해 필터 하우징(64) 자체 내로 지향시킨다. 컨트롤러(56)는 RF 발생기(61)를, 정상파가 필터 매체(66)를 통해 전파되도록 그러한 정상파를 생성하기 위해 신호가 필터 하우징(64)의 내부 경계에 의해 한정되는 공진 공동 내에서 공진하도록 특정 주파수로 RF 신호를 발생시키도록 구성할 수 있다. 컨트롤러(56)의 예는 내장형 마이크로컨트롤러(embedded microcontroller), 응용 특정적 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 필드 프로그램가능 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA), 디지털 신호 처리기(digital signal processor, DSP), 범용 내장형 마이크로프로세서(general purposes embedded microprocessor), 논리 게이트(logic gate) 등, 또는 이들의 조합을 포함한다.
도 4의 예에서, 컨트롤러(56)는 안테나(63)에 의해 발생되는 전자기장의 특성을 측정하도록 필드 센서(60)와 인터페이싱된다. 일례에서, 필드 센서(60)는 안테나(63)에 의해 소실되는 에너지를 모니터링하고 안테나에 의해 현재 생성되고 있는 전자기장의 크기를 나타내는 디지털 값을 출력하도록 RF발생기(61)와 폐루프 방식으로 작동하는 인덕턴스-디지털 변환기(inductance-to-digital converter)이다. 예로서, 필드 센서(60)는 전자기장을 생성하도록 구동될 때, 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 또는 등가 병렬 저항과 같은 안테나(63)의 다양한 특성을 나타내는 하나 이상의 신호를 출력할 수 있다. 몇몇 예에서, 필드 센서(60)와 RF 발생기(61)는 미국 텍사스주 댈러스 소재의 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)™로부터 입수가능한 LDC1000과 같은 공통 집적 회로 또는 구성요소 내에 구현될 수 있다. 필드 센서(60)의 출력에 기초하여, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 컨트롤러(56)는 필터 매체(66)의 전도율, 유전 강도, 투자율 등의 특성을 나타내는 파라미터를 계산한다.
컨트롤러(56)는 필터 매체(66) 전도율, 유전 강도, 투자율 등을 나타내는 표지(indicator)를 표시하거나 송신하도록 사용자 인터페이스(54)를 작동시킨다. 몇몇 예에서, 사용자 인터페이스(54)는 예를 들어 발광 다이오드, 백열 전구 등과 같은, 예를 들어 복수의 발광체를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 사용자 인터페이스는 예를 들어 그래픽 인터페이스, 터치 스크린 등을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 표시등은 필터 매체(66) 전도율, 유전 강도, 투자율 등에 기초한 필터 매체의 수명 또는 용량에 대응한다. 몇몇 예에서, 사용자 인터페이스(54)는 와이파이(WiFi) 또는 다른 무선 송신기(70)를 통해 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 몇몇 예에서, 와이파이 송신기(70)는 잔여 용량과 같은 필터 매체(66)의 결정된 특성을, 무선 주파수 통신, 무선 근거리 통신망(WLAN) 접속 등에 의해 송신할 수 있다. 다른 예에서, 와이파이 송신기(70)는 원격 분석을 위해 전도율, 유전 강도, 투자율 등과 같은 원시 필터 매체(66) 데이터를 송신할 수 있다. 일례에서, 컨트롤러는 하기의 구성요소, 즉 판독-전용 메모리(read-only memory, ROM), 랜덤-액세스 메모리(random-access memory, RAM), 프로세서, 아날로그 주변 장치, 및 디지털 주변 장치 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 경우에, 컨트롤러는 응용 특정적 집적 회로(ASIC), 필드 프로그램가능 논리 어레이(FPGA), 내장형 마이크로컨트롤러, 내장형 마이크로프로세서, 또는 논리 게이트와 같은 집적 회로(IC)일 수 있다. 다른 경우에, 컨트롤러는 입력부 및 출력부와 함께 상호작용하는 수개의 회로 또는 수개의 집적 회로의 결합체(amalgamation)일 수 있다. 이러한 컨트롤러는 그것의 구성요소를 이용하여 현재 필터 용량을 결정하고 측정한다. 이들 결정은 신호 처리 기술, 알고리즘, 및/또는 데이터 관리를 통해 행해질 수 있다. 측정은 적어도 하나의 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter, ADC)로부터의 아날로그 측정, 적어도 하나의 디지털 인터페이스로부터의 디지털 측정, 또는 적어도 하나의 무선 인터페이스로부터의 무선 측정 중 어느 하나일 수 있다.
몇몇 경우에, 컨트롤러는 센서의 상태에 관한 피드백을 사용자에게 제공할 필요가 있을 것이다. 하나의 피드백 메커니즘은 디지털 통신이다. 이러한 형태의 통신은 디지털 통신할 수 있는 외부 개체와 센서 컨트롤러 사이의 단방향 또는 양방향 데이터 흐름일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 단방향 디지털 통신의 예는 범용 비동기 수신기/송신기(universal asynchronous receiver/transmitter, UART)이며, 이 경우 단지 하나의 데이터 라인이 센서의 컨트롤러를 UART 통신을 수신할 수 있는 외부 개체에 접속시킨다. 센서의 컨트롤러로부터의 양방향 디지털 통신의 몇몇 예는 직렬 주변 장치 인터페이스(serial peripheral interface, SPI), I2C(inter-integrated circuit), 또는 UART 통신일 수 있다. 디지털 통신은 원시 측정 데이터 또는 처리된 정보를 송신함으로써 센서 컨트롤러로부터 데이터를 전달할 수 있다. 정확한 정보(refined information)가 더욱 신속히 송신될 수 있기 때문에, 양 데이터 교환에 대한 이점이 있는 반면에, 원시 측정 데이터는 처리를 위해 다른 개체로 송신될 수 있다.
몇몇 경우에, 컨트롤러(56)는 디지털 또는 무선 통신을 수용하지 않는 개체에 피드백을 제공한다. 그러한 다른 피드백 메커니즘 중 하나는 아날로그 통신을 통한 것이다. 이러한 형태의 통신은 적어도 하나의 디지털-아날로그 변환기(digital to analog converter, DAC) 출력일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 몇몇 경우에, 아날로그 출력을 사용하는 것이 센서 컨트롤러로부터 데이터 또는 정보를 전송하기에 더욱 용이하고 더욱 간단할 수 있다. DAC 출력이 주기적 샘플링 간격에 대한 시간축(time base)에 의해 동기화될 때, 데이터를 아날로그 신호로서 전송할 수 있다. 아날로그 신호는 사인곡선, 방형파, 삼각파, 톱니파, 및 직류(DC) 레벨 신호일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
몇몇 예에서, 유선 접속이 통신에 바람직하지 않거나 가능하지 않다. 그러한 경우에, 무선 통신 네트워크가 구현될 수 있다. 무선 통신 네트워크는 적어도 하나의 센서 컨트롤러를 포함할 수 있고, 사용자 인터페이스(user interface, UI) 개체, 다른 처리 개체, 또는 다른 센서 컨트롤러에 인터페이싱될 수 있다. 이러한 형태의 통신은 적어도 하나의 와이-파이 네트워크, 블루투스(Bluetooth) 접속, 또는 지그비(ZigBee) 네트워크일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 통신은 단방향 또는 양방향일 수 있다. 통신의 하드웨어는 데이터 전송을 주파수 편이 방식(frequency shift keying, FSK)과 같은 특정 기법으로 변조시킬 수 있다. 컨트롤러가 데이터 또는 정보를 방출할 필요가 있을 때, 컨트롤러는 그것을 무선 채널을 통해 판독 또는 처리를 위해 다른 개체로 송신할 수 있다.
많은 경우에, 센서 시스템은 사용자에게 경보 또는 알람(alarm)을 발생시킬 것이다. 현재 필터 용량이 소정 임계치에 도달한 것과 같은 그러한 이벤트가 가시, 가청, 또는 물리적 방법을 통해 사용자에게 전달될 수 있다. 경보 시스템의 그러한 예는 DAC 출력, 함수 발생기, 디스플레이, 스피커, 버저(buzzer), 또는 촉각 피드백 메커니즘을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 이들 사용자 인터페이스는 아날로그, 디지털, 또는 무선 통신을 통해 센서 컨트롤러와 통신할 수 있다.
일반적으로, 전술된 통신의 형태(디지털, 아날로그, 및 무선)는 전형적으로 컨트롤러 내의 적어도 하나의 타이머 회로에 의해 발생되는 시간 기반 프로토콜을 이용하여 데이터 전송 샘플링 또는 신호 클로킹(signal clocking) 사이의 적절한 타이밍을 유지시킨다. 타이머 회로는 컨트롤러 내부의 소프트웨어 타이머, 충전/방전으로부터의 시간 상수를 가진 아날로그 회로, 소프트웨어-정의 또는 하드웨어-정의 카운터, 또는 통신 채널로부터의 클록 신호일 수 있다. 시간 기반 프로토콜은 또한 필터 매체에 관한 측정치를 얻기 위한 센서의 주기적 샘플링을 허용할 수 있다.
도 5a 내지 도 5k는 본 명세서에 기술된 감지 시스템의 예시적인 배열을 예시한 블록 다이어그램이고, 특히 안테나(63)와 필터 매체(68) 사이의 예시적인 상대 위치 및 배향을 예시한다. 일반적으로, 본 명세서에 기술된 바와 같은 센서 시스템은 안테나(63)의 발생된 자기장의 적어도 일부분을 필터 매체(68)와 상호작용하게 할 수 있는 안테나(63)와 필터 매체(68) 사이의 임의의 배향으로 구성될 수 있다. 안테나(63)의 자기장의 적어도 일부분이 여과 매체(68)에 입사할 때, 필터 매체(68)와 안테나(63)는 본 명세서에서 근접장 결합, 유도적으로 결합, 자기적으로 결합, 및 전자기적으로 결합되는 것으로 또한 지칭되는 근접장 전자기적 상호작용 상태에 있다. 몇몇 예시적인 실시예가 도 5a 내지 도 5k에 도시된다. 이들 실시예에서, 안테나(63)는 안테나가 놓이는 평면으로 도시되고, 안테나는 필터 매체에 대해 다양한 배향으로 위치된다. 또한, 예에 도시된 바와 같이, 안테나(63)는 필터 하우징(64) 외부에 있거나 필터 매체에 근접하게 필터 매체 외부에 있거나 필터 매체의 부분들 내에 배치될 수 있다. 안테나(63)는 권수(number of turns), 직경, 및 전도체 두께와 같은 상이한 파라미터를 가진 전도성 루프일 수 있다. 도시되지 않지만, 안테나(63)는 평면 안테나(planar antenna)로 제한되지 않을 수 있고, 상이한 법선 방향을 가진 안테나 권선(antenna turn) 또는 코일 인덕터와 같이 제3 치수를 가질 수 있다.
안테나가 필터 하우징 외부에 그리고 도 5b 및 도 5d에 도시된 바와 같이 필터 매체에 대해 위치되고 배향된 센서 시스템에서 실험을 수행하였다. 실험의 구성이 도 6a 및 도 6b(안테나가 필터 매체의 장축을 따라 그리고 필터 매체에 근접하게 위치됨)와 도 6c 및 도 6d(안테나가 필터 매체 아래에 위치됨)에 도시된다. 실험에서, 활성탄 필터 블록이 2 ppm의 염소를 갖는 물을 분당 2 갤런의 일정한 유량으로 여과하였다. 하기의 안테나 설계를 사용하였다:
재료:
0.062" FR4 상의 Cu
구리 (Cu) 두께:
35 마이크로미터
권수:
1
내경:
4.83 cm (1.90")
외경:
6.10 cm (2.40")
공진 주파수:
23.1 ㎒
품질 계수:
140
하기의 필터 블록을 실험에 사용하였다:
재료:
활성탄 (코코넛)
내경:
5.72 cm (2.25")
외경:
2.54 cm (1.00")
하기의 표는 실험의 결과를 보여준다. 아래에 보인 바와 같이, 두 안테나 배향에서, 안테나에 결합된 컨트롤러가 염소의 여과에 응답한 필터 매체의 전도율의 변화로 인한 공진 안테나의 등가 저항에 대한 영향을 검출할 수 있었다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 작동 중 도 2 및 도 3으로부터의 센서(20)의 안테나의 전기적 특성을 논리적으로 예시한 회로도이다. 특히, 도 7a는 접지(34A, 34B), 교류 발생기(36), 저항기(38), 컨트롤러(40), 저항기(42A), 인덕터(42B), 및 커패시터(42C)를 포함하는 센서(20)의 논리 다이어그램을 예시한다. 도 7a의 예에서, 저항기(42A), 인덕터(42B), 및 커패시터(42C)는 집합적으로 "안테나(42)"를 나타낸다.
도 7b는 교류 발생기(36)가 안테나(42)의 공진 주파수로 RF 신호를 발생시킬 때 안테나의 전기적 특성의 논리 표현을 제공한다. 이러한 작동 모드에서, 인덕터(42B)와 커패시터(42C)에 미치는 영향은 도 5a에 예시된 바와 같이, 안테나(42)를 저항기(44)로서 논리적으로 예시하도록 안테나(42)의 공진 주파수로의 작동 중에 서로 무효화된다.
도 7c는 공진 주파수로 작동하는 안테나(42)가 근접 전도성 필터 매체에 결합되어 안테나(42)의 실효 저항을 변화시킬 때 안테나의 전기적 특성의 논리 표현을 제공한다. 몇몇 예에서, 필터 매체 저항기(46)는 필터 매체의 저항과 관련된다. 다른 예에서, 필터 매체 저항기(46)는 비-여과 매체의 저항과 관련된다. 예를 들어, 전도성 필터 매체를 포함한 비전도성 필터 하우징이 안테나(42)에 결합될 수 있다. 도 7c의 예에서, 안테나 저항기(44)와 필터 매체 저항기(46)는 전자기 연통(48)에 의해 결합된다. 그러한 예에서, 실효 저항은 하기에 의해 주어지며,
여기서 RA 는 공진 주파수로 작동하는 안테나의 저항(예컨대, 안테나 저항기(44))이고, RF는 필터 매체의 결합 저항(예컨대, 필터 매체 저항기(46))이며, RAF 는 필터 매체에 결합될 때의 안테나의 저항이다. 센서의 컨트롤러(40)는 필터 저항(RF)을 계산한다. 이러한 방식으로, 안테나의 특성이 필터 매체의 저항을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
물 여과의 예에서, 위에서 설명된 바와 같이, 탈염소 시의 활성탄 필터 매체의 전도율은 활성탄의 표면이 산화됨에 따라 감소한다. 탄소 필터 매체 상의 산화된 자리에서의 염소로부터 염화물로의 변환율(rate of conversion)은 활성탄 필터 매체 상의 비-산화된 자리에서의 염소로부터 염화물로의 변환율보다 느릴 수 있다. 이러한 방식으로, 활성탄 필터 매체의 전도율의 변화를 모니터링하는 것이 활성탄 필터 매체의 산화 상태의 표시를 제공하며, 컨트롤러(40)는 이어서 이를 사용하여 활성탄 필터 매체의 추정 수명 또는 잔여 용량을 결정한다.
도 8a는 본 명세서에 기술된 예시적인 필터 감지 시스템에 관한 예시적인 사용자 작업을 예시한 순서도이다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 본 개시에 설명된 다양한 기술과 함께 사용될 수 있다. 도 8a의 기술은 예시의 목적을 위해 도 2의 필터 및 센서(20)와 도 3의 센서(20)에 관하여 설명된다. 그러나, 도 8a의 기술이 상이한 센서 시스템 또는 필터 및 센서 구성에 대해 수행될 수 있고, 센서 시스템의 이용이 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
일반적으로, 조작자가 전형적으로 감소된 필터 용량을 갖는 그리고 교체를 필요로 하는 필터 매체를 제거 및/또는 검사한다(80, 81, 82). 이때, 조작자가 전형적으로 새로운 필터를 선택하고, 결함에 대해 필터를 검사하며(83), 필터를 여과 시스템 내로 삽입한다(84).
일단 필터가 설치되었으면, 필터 시스템 내의 유체 유동이 개시되어 누출에 대해 새로운 필터와 필터 시스템을 검사할 수 있다(85). 이때, 사용자가 하나 이상의 센서(20)를 새로운 필터에 설치하거나 달리 끼워맞출 수 있다(86). 사용자가 예를 들어 센서 리셋/시험 버튼(22)을 활성화시킴으로써 센서를 리셋할 수 있다(87). 또한, 언제라도, 사용자가 예를 들어 센서 리셋/시험 버튼(22)을 활성화시킴으로써 필터 매체를 시험하도록 센서에 지시할 수 있다(88). 몇몇 예에서, 필터 매체의 수명 또는 용량이 필터의 사용 중에 주기적으로 또는 비동기적으로 모니터링될 수 있다(89). 이러한 모니터링에 응답하여, 예컨대 수명이 새로운 필터의 원래 수명의 임계 퍼센트(예컨대, 약 10 퍼센트 내지 20 퍼센트) 미만일 때 조작자가 필터를 교체할 수 있다(90).
도 8b는 본 명세서에 기술된 바와 같이 필터 매체를 모니터링할 때 감지 시스템에 의해 수행되는 예시적인 작동을 예시한 순서도이다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 예시의 목적을 위해 도 4의 센서(50)에 관하여 설명되는 도 8b의 기술과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 도 8b의 기술이 상이한 센서 시스템 또는 필터 및 센서 구성에 대해 수행될 수 있고, 센서 시스템의 이용이 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
도 8b의 예에서, 센서(50)의 컨트롤러(56)가 센서를 활성화시키고 감지 사이클을 개시한다(94). 몇몇 예에서, 컨트롤러(56)는 감지 사이클을 사전결정된 시간 간격을 두고, 예를 들어 하루에 한번 개시할 수 있다. 몇몇 예에서, 컨트롤러(56)는 감지 사이클을 사용자 입력, 예를 들어 별개의 컨트롤러 또는 모니터링 시스템(도 1의 모니터(12))으로부터의 신호와 같은 외부 장치로부터의 자동화된 입력 등에 응답하여 개시할 수 있다.
필터 매체의 측정을 개시할 때, 컨트롤러(56)가 RF 발생기(61)를 RF 신호를 발생시키도록 구성한다(96). 몇몇 예에서, 컨트롤러(56)는 RF 발생기(61)를 RF 신호를 안테나(63)의 공진 주파수로 발생시키도록 구성할 수 있다. 다른 예에서, RF 신호는 필터 하우징(64)에 근접하게 위치되는 안테나(63)의 공진 주파수로 발생될 수 있다. 다른 예에서, RF 신호는 필터 하우징(64)과 필터 매체(66), 및 다른 비-여과 매체 등에 근접하게 위치되는 안테나의 공진 주파수로 발생될 수 있다. 도 8b의 예에서, 컨트롤러(56)가 안테나(63)를 통해 RF 신호를 구동시켜 필터 매체(66)의 적어도 일부분 내에 전자기장을 발생시킨다(98).
컨트롤러(56)가 필드 센서(60)로부터, 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등과 같은 전자기장의 적어도 하나의 특성을 나타내는 하나 이상의 신호를 수신한다(100). 또한, 컨트롤러(56)가 환경 또는 물 여과 시스템의 다른 특성(예컨대, 온도, 유체 유량)을 모니터링할 수 있고, 측정된 특성을 이용하여 필터 매체(66)의 잔여 용량에 대한 계산된 추정치를 보상하거나 조절한다(101). 자기장의 감지된 특성 및 물 여과 시스템의 환경에 대한 임의의 감지된 특성에 기초하여, 컨트롤러(56)가 필터 매체(66)의 현재 용량을 계산하고, 사용자 인터페이스(54)를 업데이트한다(102).
컨트롤러(56)가 선택적으로 자기장의 발생을 종료시키고 예를 들어 사용자 인터페이스(54), 필드 센서(60), 안테나(63) 등과 같은 센서(50)의 하나 이상의 구성요소의 전원을 차단시킴으로써 센서(50)를 비활성화시킬 수 있다(104).
필터 매체의 계산된 용량에 기초하여, 컨트롤러(56)가 몇몇 예에서 필터 매체(66) 용량이 임계 범위 내에 있는지 여부를 결정할 수 있다(106). 몇몇 예에서, 임계 범위는 필터 매체(66)가 처음부터 삽입되어 있을 때 또는 몇몇 경우에, 필터 매체가 하우징 내에 존재하지 않을 때 자기장의 감지된 특성에 기초하여 사전-계산된다. 필터 매체(66) 용량이 임계 범위 내에 있으면, 컨트롤러(56)가 사용자 또는 외부 모니터링 구성요소로부터의 입력에 응답하여 감지 사이클을 추후에 또는 비동기적으로 반복한다(106의 예(YES) 분기부, 94). 필터 매체(66) 용량이 임계 범위 내에 있지 않은 것으로, 예컨대 잔여 용량이 10% 미만인 것으로 결정되는 경우에, 컨트롤러(56)가 알람 신호 또는 다른 출력, 예컨대 전자 통신을 발생시킨다(106의 아니오(NO) 분기부, 108). 몇몇 예에서, 알람 신호는 예를 들어 시각 알람, 가청 알람 등으로서 사용자 인터페이스(54)에 의해 제시될 수 있다. 다른 예에서, 알람 신호는 와이파이 송신기(70)에 의해 송신될 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술에 따른 감지 공정의 일례로서, 활성탄 필터 블록에 의한 탈염소에 관하여, 센서(50)는 시간 경과에 따른 실효 저항의 변화에 기초하여 여과 매체의 효율을 결정할 수 있다. 예를 들어, 센서(50)는 초기에 탄소 여과 블록(필터 매체(66))의 부재 시에 유도성 요소의 공진 주파수, 등가 병렬 저항, 및 온도와 같은 공진 회로(안테나(63) 및 그것에 결합된 임의의 공진 공동)의 특성을 감지할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 측정된 병렬 저항(RA)은 예를 들어 13.6 메가-헤르츠(mega-Hertz)의 공진 주파수에서 2000 옴(ohm)일 수 있다. 필터 매체(66)가 설치된 후의 후속 감지 사이클 중에, 센서(50)는 다시 여과 공정의 초기 지점 중에 탄소 여과 블록에 근접장 결합된 유도성 요소로 공진 회로의 특성을 감지한다. 예를 들어, 측정된 결합 저항(RAF)은 이때 13.6 메가-헤르츠의 공진 주파수에서 1000 옴일 수 있다. 또한, 센서(50)는 예를 들어 유입수의 온도, 주위 환경의 온도, 탄소 블록을 통한 물 유동, 및 탄소 블록을 가로지른 압력 강하를 비롯한 물 여과 시스템에 대한 추가의 환경 파라미터를 감지할 수 있다. 컨트롤러(56)는 이들 측정 사이클 각각에서의 측정된 값으로부터 여과 매체의 실효 저항을 결정한다. 예를 들어, 컨트롤러(56)는 현재 측정 사이클에 응답하여, 활성탄 블록 필터가 400 갤런의 물을 여과한 후에 8000 옴의 결합 저항(RF)을 가질 수 있다고 결정할 수 있다. 필터 매체의 부재 시의 2000 옴의 초기 병렬 저항(RA)에 기초하여, 컨트롤러(56)는 8000 옴의 RF가 40 퍼센트의 잔여 필터 매체 용량에 대응한다고 결정할 수 있다. 센서(50)는 이러한 공정을 주기적으로 반복하여 여과 공정 중에 여과 매체의 실효 저항을 결정할 수 있다.
도 9는 시험 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 불순물의 통과 퍼센트 대 총 유체 처리량 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프이다. 염소의 유입 유동 농도는 분당 0.65 갤런의 일정한 유량으로 2 ppm이었다. 도 9에 예시된 바와 같이, 플롯(110)은 여과된 물의 갤런을 나타내는 수평축, 옴 단위로 활성탄 필터 매체 저항(RF)(중실 다이아몬드(112)로 플로팅됨)을 나타내는 제1 좌측 수직축, 및 염소의 통과 퍼센트(중실 정사각형(114)으로 플로팅됨)를 나타내는 제2 우측 수직축을 포함한다. 몇몇 예에서, 필터 저항과 통과 퍼센트는 여과된 유체의 체적과 상관된다.
탈염소의 예에서, 위에서 논의된 바와 같이, 가용 활성탄 자리의 수의 감소가 필터 매체 용량의 감소와 관련된다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 활성탄 산화된 자리의 수의 증가가 필터 매체 전도율의 감소에 대응하며, 이는 센서 시스템에 의해 발생되는 합성 자기장을 증가시킨다. 이러한 방식으로, 센서에 의해 발생되는 합성 자기장에 기초하여 필터 매체 저항이 결정될 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 가용 활성탄 자리의 수의 감소가 필터 유출물 내의 염소의 농도로서 측정되는 통과 퍼센트의 증가에 대응한다. 도 9의 실험 결과에 의해 표시된 바와 같이, 필터 매체 저항과 불순물의 통과 퍼센트가 상관될 수 있고, 필터 매체 저항에 기초하여 필터의 작동 중에 필터 수명 또는 용량을 결정하도록 컨트롤러(56)를 프로그래밍하기 위해 이용될 수 있다.
하기의 표는 도 9에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 10은 시험 필터의 작동 중 필터 매체 저항 및 유출 불순물 농도 대 총 유체 처리량 둘 모두에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프이다. 염소의 유입 유동 농도는 분당 0.65 갤런의 일정한 유량으로 2 ppm이었다. 도 10에 예시된 바와 같이, 플롯(116)은 여과된 물의 갤런을 나타내는 수평축, 옴 단위로 센서 결합 저항(RAF)(곡선(118))을 나타내는 제1 좌측 수직축, 및 백만분율 단위로 필터 유출 염소 농도(곡선(120))를 나타내는 제2 우측 수직축을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 탈염소의 예에 대해, 가용 활성탄 자리의 수의 감소가 필터 매체의 전자기 특성에 의해 측정됨에 따른 필터 매체 전도율의 감소 및 필터 유출물 내의 염소의 농도에 의해 측정됨에 따른 통과된 염소의 증가 둘 모두와 관련된다. 도 10의 실험 결과에 의해 표시된 바와 같이, 필터 매체 저항과 필터 유출 불순물 농도가 상관될 수 있고, 필터 매체 저항에 기초하여 필터 수명 또는 용량을 결정하도록 컨트롤러(56)를 프로그래밍하기 위해 이용될 수 있다.
하기의 표는 도 10에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 11은 필터의 작동 중 염소의 통과 퍼센트 대 활성탄 필터 저항(RF)에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프이다. 염소의 유입 유동 농도는 분당 0.65 갤런의 일정한 유량으로 2 ppm이었다. 도 11에 예시된 바와 같이, 플롯(122)은 옴 단위로 필터 저항(RF)을 나타내는 수평축, 및 염소의 통과 퍼센트를 나타내는 수직축을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 예를 들어, 가용 활성탄 자리의 수의 감소가 필터 매체의 전자기 특성에 의해 측정됨에 따른 필터 매체 전도율의 감소 및 필터 유출물 내의 염소의 농도에 의해 측정됨에 따른 염소의 통과 퍼센트의 증가 둘 모두와 관련된다. 도 11의 실험 결과에 의해 표시된 바와 같이, 필터 저항(RF)과 불순물의 통과 퍼센트 사이의 상관관계가 필터 저항이 필터의 작동 중에 필터 수명 또는 용량을 결정하기 위해 사용될 수 있는 것을 보여준다.
하기의 표는 도 11에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 12는 물이 건조한 활성탄 필터 매체에 도입된 중의 기간에 걸친 측정된 안테나 공진 주파수 대 센서 시스템의 시간에 대한 예시적인 실험 결과를 예시한 그래프이다. 도 12에 예시된 바와 같이, 플롯(126)은 시(hour) 단위로 시간을 나타내는 수평축, 및 헤르츠 단위로 센서 시스템 안테나의 측정된 공진 주파수를 나타내는 수직축을 포함한다. 탈염소의 예에서, 위에서 논의된 바와 같이, 물 내의 활성탄 필터 매체의 침수가 필터 하우징 매체 내에 포함된 체적의 유전 상수를 변화시킨다. 이러한 유전 상수의 변화는 물에 의한 하우징 내의 공기의 배기에 의해 유발된다. 유전 상수의 변화는 본 개시의 하나 이상의 기술에 따르면, 필터 매체를 통해 전자기 신호를 송신하고 수신하는 센서 시스템 안테나의 공진 주파수의 편이를 유발한다. 따라서, 공진 주파수의 편이가 필터 하우징 내에서의 유전율 또는 용량성 변화를 검출하기 위해 컨트롤러(56)에 의해 사용될 수 있다. 또한, 몇몇 예에서, 컨트롤러가 안테나의 측정된 공진 주파수의 (도 12에 도시된 바와 같은) 상당한 크기의 초기 편이를 감지하여 유체에 대한 필터 매체의 초기 노출을 검출하고, 이에 응답하여 센서 시스템의 하나 이상의 구성요소를 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 예에서, 컨트롤러(56)는 주위 환경의 초기 감지된 파라미터를 포착하고, 사용자 인터페이스(54)를 리셋하고, 무선 송신기(70)에 의해 신호를 송신하고, 센서(50)를 하나 이상의 사전결정된 시간 간격을 두고 활성화시키도록 제어하고, 기타 등등을 행할 수 있다. 이러한 방식으로, 센서 시스템 안테나의 공진 주파수의 편이가 시스템 내에의 유체의 도입을 표시할 수 있다.
하기의 표는 도 12에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 13은 필터의 작동 중 센서 시스템의 안테나 공진 주파수 및 필터 저항 대 여과된 유체의 체적에 대한 추가의 예를 예시한 그래프이다. 도 13에 예시된 바와 같이, 플롯(902)은 갤런 단위로 유체의 여과된 체적을 나타내는 수평축과, 옴 단위로 필터 저항(RF)을 나타내는 좌측 수직축 및 메가-헤르츠 단위로 안테나의 공진 주파수를 나타내는 우측 수직축을 포함한다. 이러한 예에서, 센서 인덕턴스가 고정되었고, 병렬 저항(RAF)이 여과된 체적에 따라 증가되었으며, 센서 커패시턴스가 필터 하우징 내에 포함된 체적의 유전 상수의 증가를 나타내도록 증가되었다. 곡선(904)은 예로부터 관찰된 공진 주파수의 감소를 예시한다. 곡선(906)은 센서의 미보정(uncorrected) 저항(RAF)을 나타내며, 여기서 공진 주파수는 일정한 것으로 가정되었다. 곡선(908)은 공진 주파수 변화에 대한 보상에 기초한 보정 필터 매체 저항을 예시한다. 도 13에 예시된 바와 같이, 필터 매체 저항에 대한 보정이 총 여과된 체적이 증가함에 따라 더 큰 것으로 결정되었다.
하기의 표는 도 13에 예시된 예를 제시한다:
도 14는 센서가 전도성 하우징(132)을 공진 공동으로서 이용하여 필터 매체의 특성을 감지하는 데 도움을 주도록 센서(130)가 필터 매체(134)를 포함하는 다른 예시적인 실시예를 예시한 개략도이다. 다양한 예에서, 센서(130)는 액체 또는 기체의 여과 중에 필터 용량을 감지하기 위해 이용될 수 있다.
도 14의 예에서, 전도성 필터 하우징(132)은 예를 들어 금속, 전도성 중합체 등과 같은 전도성 재료이다. 또한, 도 14의 예에서, 전도성 필터 하우징(132)은 형상이 원통형이다. 다른 예에서, 전도성 필터 하우징(132)은 예를 들어 입방형, 프리즘형, 원추형 등일 수 있다. 몇몇 예에서, 전도성 필터 하우징(132)은 기존의 물 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 전도성 필터 하우징(132)은 새로운 물 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다.
도 14의 예에서, 센서(138)가 전도성 필터 하우징(132)에 인접하게 그리고 그것의 외부에 위치된다. 다른 예에서, 센서(138)는 전도성 필터 하우징(132) 외부에 위치될 수 있고, 센서(138)의 표면과 전도성 필터 하우징(132) 사이의 갭을 한정할 수 있다. 다른 예에서, 센서(138)는 전도성 필터 하우징(132)의 표면의 적어도 일부분일 수 있다. 다른 예에서, 센서(138)는 필터 하우징 내부에 위치될 수 있다. 몇몇 예에서, 센서(138)는 접합, 예를 들어 접착제 접합, 열 접합, 레이저 접합, 용접 등에 의해 전도성 필터 하우징(132)에 연결될 수 있다. 다른 예에서, 센서(138)는 전도성 필터 하우징(132)의 재료 내에 통합되어 단일 연속 구성요소를 형성할 수 있다. 다른 예에서, 센서(138)는 예를 들어 하나 이상의 체결구, 하나 이상의 클램프, 필터 하우징(132)과 센서(138)의 표면 내의 하나 이상의 리지 또는 홈 등에 의한 기계적 연결에 의해 전도성 필터 하우징(132)에 연결될 수 있다. 몇몇 예에서, 센서(138)는 전도성 필터 하우징(132)의 종축의 중심에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 센서는 전도성 필터 하우징(132)의 단부 부근에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 센서(138)는 필터 하우징(132)의 단부와 중심 사이에 가변적으로 위치될 수 있다.
몇몇 예에서, 센서(138)는 하우징(132) 내에 통합되는 도파관(도시되지 않음)에 결합하기 위한 전기 인터페이스를 포함할 수 있으며, 이 경우 도파관은 센서(138)에 의해 생성되는 RF 파를 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동 내로 지향시키도록 구성된다. 몇몇 예에서, 도파관은 안테나(도시되지 않음)에 의해 방출되는 무선 주파수를 최소 에너지 손실을 갖고서 전파하도록 그리고 무선 주파수를 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동 내로 송신하도록 구성될 수 있다. 몇몇 예에서, 도파관은 실질적으로 직선형일 수 있다. 다른 예에서, 도파관은 도파관의 종축을 따라 만곡되거나 비틀릴 수 있다. 몇몇 예에서, 도파관은 유체가 아닌 무선 주파수 신호가 통과할 수 있는 비전도성 플레이트(plate) 또는 장벽을 포함할 수 있다.
일례로서, 센서(138)는 전술된 센서(18, 50)로서 구현될 수 있다. 따라서, 도시되지 않지만, 센서(138)는 시험/리셋 버튼, 표시등 및 도 4에 기술된 다양한 구성요소와 같은 사용자 인터페이스 요소를 포함할 수 있다. 도 14의 예에서, 센서(138)는 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동 내에서 공진하도록 선택되는 무선 주파수를 발생시킨다. 예를 들어, 하나 이상의 필드 방정식(field equation)이 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동 내부에 정상파를 형성하는 무선 주파수를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동은 전자기 진동을 지원하는 공진 공동을 한정할 수 있다. 공진 공동의 특성은 공동의 치수와 공동 내에 포함되는 재료의 전도율, 유전율, 및 투자율에 의해 결정될 수 있다. 물 여과의 경우에, 예를 들어, 전도성 필터 하우징(132)에 의해 한정되는 공동의 특성은 여과 매체(134)의 재료 특성에 의해 변경될 수 있다. 공동 공진기의 특성의 계산에 대한 예시적인 상세 사항이 그 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 문헌[Formulas for cavity resonators. Journal of Applied Physics, Hansen, 9, pg. 654 (1938)]에 기술된다.
도 14의 예에서, 공진 주파수가 필터 매체(134)의 적어도 일부분을 통해 전파되어 이어서 필터 매체(134) 내에 와전류를 발생시킬 수 있는, 자기장(140)과 전기장(136)을 갖는 정상파를 발생시킨다. 이들 와전류는 합성 자기장(140)을 감소시킬 수 있다. 감소된 전체 자기장(140). 감소된 전체 전자기장(140)은 예를 들어 전도율, 유전 강도, 투자율 등과 같은 필터 매체(134)의 특성을 표시할 수 있다. 따라서, 전술된 바와 같이, 센서(50)의 필드 센서(60)가 자기장의 강도를 모니터링하고 안테나(63)와 자기장을 나타내는 특성을 출력할 수 있다.
도 14의 예에서, 센서(138)는 무선 주파수 또는 자기장(140)의 특성을 결정하는 하나 이상의 컨트롤러(예컨대, 컨트롤러(56))를 포함한다. 몇몇 예에서, 컨트롤러는 예를 들어 필터 매체(134) 전도율, 유전 강도, 투자율 등을 결정할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 필터 매체(134) 전도율의 변화를 공진 공동의 품질-계수(q-계수)의 변화와 관련시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 컨트롤러가 필터 매체(134) 전도율의 변화에 기초하여 필터 매체(134) 수명 또는 용량을 모니터링할 수 있다. 다른 예로서, 컨트롤러는 필터 매체 유전율의 변화를 공진 공동의 공진 주파수의 변화와 관련시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 컨트롤러가 공진 공동의 공진 주파수의 변화에 기초하여 필터 매체(134) 수명 또는 용량을 모니터링할 수 있다. 또 다른 예로서, 컨트롤러는 전술된 바와 같이 필터 매체(134)의 전기 전도율의 변화 및 유전율의 변화 둘 모두를 모니터링하여 필터 매체(134) 수명 또는 용량을 모니터링할 수 있다.
도 15는 필터 하우징을 공진 공동으로서 사용하여 필터 모니터링을 돕는 센서 시스템을 사용하여 필터 매체를 모니터링하기 위한 예시적인 작동을 예시한 순서도이다. 예시의 목적을 위해, 도 15는 도 4에 도시된 센서(50)의 구성요소에 관하여 기술된다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 예시의 목적을 위해 도 12의 센서 시스템(130)에 관하여 설명되는 도 15의 기술과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 도 15의 기술이 상이한 센서 시스템 또는 필터 및 센서 구성에 대해 수행될 수 있고, 센서 시스템의 이용이 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
도 15의 예에서, 센서(138) 내의 컨트롤러(56)가 감지 사이클을 개시한다(402). 몇몇 예에서, 컨트롤러(56)는 감지 사이클을 사전결정된 시간 간격을 두고, 예를 들어 하루에 한번 개시할 수 있다. 몇몇 예에서, 컨트롤러(56)는 감지 사이클을 사용자 입력, 예를 들어 별개의 컨트롤러 또는 모니터링 시스템(도 1의 모니터(12))으로부터의 신호와 같은 외부 장치로부터의 자동화된 입력 등에 응답하여 개시할 수 있다.
필터 매체의 측정을 개시할 때, 컨트롤러(56)가 RF 발생기(61)를 RF 신호를 발생시키도록 구성한다(404). 몇몇 예에서, RF 신호는 정상파가 필터 매체(134)를 통해 전파되도록 그러한 정상파를 생성하기 위해 전도성 필터 하우징(132)의 내부 경계에 의해 한정되는 공진 공동의 공진 주파수일 수 있다. 도 15의 예에서, RF 발생기(61)는 RF 신호를 공진 공동 내로 구동시켜, 공진 공동 내부에 정상파를 생성하는 전자기장을 발생시킨다(406).
몇몇 예에서, RF 발생기(61)는 포트를 통해 공진 공동, 즉 필터 하우징 내로 연장되도록 배열되는 안테나(63)를 통해 RF 신호를 구동시킬 수 있다. 다른 예에서, 컨트롤러는 공진 공동의 벽 내의 비전도성 윈도우를 통해 RF 신호를 구동시킬 수 있다. 다른 예에서, 컨트롤러는 필터 하우징 내에 통합되는 도파관을 통해 RF 신호를 구동시켜 RF 신호를 공진 공동 내로 전파할 수 있다.
컨트롤러(56)가 필드 센서(61)로부터 공진 공동의 적어도 하나의 특성, 예를 들어 공진 주파수 및 품질 계수 등을 나타내는 하나 이상의 신호를 수신한다(408). 또한, 컨트롤러(56)가 환경 또는 물 여과 시스템의 다른 특성(예컨대, 온도, 유체 유량)을 모니터링할 수 있고, 측정된 특성을 이용하여 필터 매체(134)의 잔여 용량에 대한 계산된 추정치를 보상하거나 조절한다(409). 공진 공동의 감지된 특성 및 물 여과 시스템의 환경에 대한 임의의 감지된 특성에 기초하여, 컨트롤러(56)가 필터 매체(134)의 현재 용량을 계산하고, 사용자 인터페이스(54)를 업데이트한다(410).
컨트롤러가 선택적으로 예를 들어 사용자 인터페이스, rf 발생기, 안테나 등과 같은 센서 시스템(130)의 하나 이상의 구성요소의 전원을 차단시킴으로써 센서(138)를 비활성화시킨다(412). 다른 예에서, 컨트롤러가 예를 들어 사용자 인터페이스, RF 발생기, 안테나 등과 같은 센서 시스템(130)의 하나 이상의 구성요소의 전원을 차단시킴으로써 센서 시스템(130)을 비활성화시킬 수 있다(412).
필터 매체의 계산된 용량에 기초하여, 컨트롤러(56)가 몇몇 예에서 필터 매체(134)의 용량이 임계 범위 내에 있는지 여부를 결정할 수 있다. 필터 매체(134)의 추정된 용량이 임계 범위 내에 있는 것으로 결정되면, 컨트롤러(56)가 사용자 또는 외부 모니터링 구성요소로부터의 입력에 응답하여 감지 사이클을 추후에 또는 비동기적으로 반복한다(414의 예 분기부, 402로 진행함). 필터 매체(134)의 용량이 임계 범위 내에 있지 않은 것으로, 예컨대 잔여 용량이 10% 미만인 것으로 결정되는 경우에, 컨트롤러(56)가 알람 신호 또는 다른 출력, 예컨대 전자 통신을 발생시킨다(414의 아니오 분기부, 416으로 진행함). 몇몇 예에서, 알람 신호는 예를 들어 시각 알람, 가청 알람 등으로서 사용자 인터페이스에 의해 제시될 수 있다. 다른 예에서, 알람 신호는 무선 주파수 송신기에 의해 송신될 수 있다.
도 16은 예시적인 필터 하우징 및 그것에 부착된 직접 전기 접촉 센서 시스템을 예시한 개략도이다. 본 명세서에 기술된 다른 예에서와 같이, 필터 하우징 및 센서 시스템(150)은 액체 또는 기체의 여과에 이용될 수 있다. 몇몇 예에서, 필터 하우징(154)은 예를 들어 플라스틱, 유리, 자기, 고무 등과 같은 재료로 구성되는 비전도성 필터 하우징일 수 있다. 다른 예에서, 필터 하우징(154)은 예를 들어 금속, 전도성 중합체 등과 같은 전도성 재료일 수 있다. 도 16의 예에서, 필터 하우징(154)은 형상이 원통형이다. 다른 예에서, 필터 하우징(154)은 예를 들어 입방형, 프리즘형, 원추형 등일 수 있다. 몇몇 예에서, 필터 하우징(154)은 기존의 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 비전도성 필터 하우징(154)은 새로운 물 여과 시스템 또는 서브시스템에 맞도록 구성될 수 있다.
도 16의 예에서, 센서(158)가 필터 하우징(154)에 인접하게 그리고 그것의 외부에 위치되고, 필터 하우징(154)을 통해 그리고 필터 매체(156)의 적어도 일부분 내로 돌출되는 일 세트의(예컨대, 4개의) 전기 프로브를 구비한다. 본 명세서에 기술된 다른 예시적인 구현예와 마찬가지로, 센서(158)는 필터 하우징(154)에 맞닿게(flush) 장착될 수 있거나, 필터 하우징(154)에 근접하게 장착될 수 있다. 센서(158)는 접합, 예를 들어 접착제 접합, 열 접합, 레이저 접합, 용접 등에 의해 필터 하우징(154)에 연결될 수 있다. 다른 예에서, 센서(158)는 필터 하우징(154)의 재료 내에 통합되어 단일 연속 구성요소를 형성할 수 있다. 다른 예에서, 센서(158)는 예를 들어 하나 이상의 체결구, 하나 이상의 클램프, 필터 하우징(154)과 센서(158)의 표면 내의 하나 이상의 리지 또는 홈 등에 의한 기계적 연결에 의해 필터 하우징(154)에 연결될 수 있다. 몇몇 예에서, 센서(158)는 필터 하우징(154)의 종축의 중심에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 센서는 필터 하우징(154)의 단부 부근에 위치될 수 있다.
도 16의 예에서, 센서(158)는 4개의 프로브(160)가 밀봉된 방식으로 필터 하우징(154)을 통해 돌출되어 필터 매체(156)의 적어도 일부분 내로 연장되는 상태로 전기적으로 구성된다. 다른 예에서, 프로브(160)에 결합된 센서(158)는 필터 하우징(154)의 외부 상에 위치될 수 있고, 프로브(160)가 물리적으로 필터 하우징을 통해 돌출될 필요가 없도록 필터 매체(156) 내로 돌출되는, 필터 하우징(154)의 내부 상에 위치되는 관련 프로브와 유도적으로 인터페이싱될 수 있다. 몇몇 예에서, 프로브(160)는 비전도성 시스(sheath)를 포함할 수 있고, 프로브(160)와 필터 하우징(154) 사이의 유밀 시일(fluid tight seal)을 형성하도록 필터 하우징(154) 내의 구멍을 통해 돌출될 수 있다.
프로브(160)는 예를 들어 음향 특성, 전기적 특성, 기계적 특성, 광학적 특성 등과 같은 필터 매체(156)의 하나 이상의 특성을 측정한다. 몇몇 예에서, 필터 매체(156)의 측정된 하나 이상의 특성은 필터 매체 잔여 수명 또는 용량을 나타낸다.
몇몇 예에서, 예를 들어 배터리와 같은 내부 전원(도시되지 않음)이 컨트롤러에 전력을 공급할 수 있으며, 이러한 컨트롤러는 이어서 프로브(160)에 대한 전류의 공급을 제어한다. 다른 예에서, 예를 들어 국소 전력 공급 장치, 교류-직류 변환기 등과 같은 외부 전력 공급 장치가 프로브(160)에 전류를 공급할 수 있다. 필터 매체를 통과하도록 구성되는 인가된 전류는 직류, 교류, 또는 펄스형 파형 전류의 형태를 취할 수 있다.
일례로서, 센서(158)는 전술된 센서(18, 50)의 구현 및 작동과 유사하게 구현될 수 있다. 따라서, 센서(158)는 시험/리셋 버튼, 표시등 및 도 4에 기술된 다양한 구성요소와 같은 사용자 인터페이스 요소(162, 164)를 포함할 수 있다.
도 16의 예에서, 4개의 금속 프로브(160)가 필터 매체(156)의 일부분과 직접 전기 접촉한다. 몇몇 예에서, 프로브(160)는 필터 매체(156)의 적어도 일부분과 직접 접촉하는 2개 이상의 금속 프로브(160)를 포함할 수 있다. 금속 프로브(160)는 전류를 통해 필터 매체(156)와 인터페이싱될 수 있다. 일반적으로, 필터 매체(154)는 센서(158)에 의해 인가되는 전기 신호에 전기 저항을 제공하고, 센서(158)는 필터 매체를 가로지른 전압 및/또는 필터 매체를 통한 전류를 측정하여 필터 매체(154)의 저항률을 결정한다. 몇몇 예에서, 센서(158) 내의 컨트롤러는 필터 매체에 대한 하나 이상의 사전결정된 수명 저항률 곡선으로 프로그래밍될 수 있고, 이러한 데이터를 사용하여, 측정된 저항률에 기초하여 필터 매체의 잔여 용량을 계산할 수 있다. 도 16의 예에서, 컨트롤러는 잔여 필터 매체 수명 또는 용량을 표시하도록 사용자 인터페이스(164)와 인터페이싱된다. 활성탄 필터 매체를 사용한 물의 탈염소의 경우에, 예를 들어, 4개의 금속 프로브가 비전도성 필터 하우징을 통해 돌출되어 필터 매체의 적어도 일부분과 접촉할 수 있다.
전기적 측정에 대해, 전기 프로브의 표면 산화(부식)가 측정 오차를 초래할 수 있다. 산화를 방지하기 위해, 전기 프로브는 귀금속, 내부식성 합금으로 구성되거나 그것으로 코팅되거나 부식 억제제로 처리될 수 있다. 표면 산화에 더하여, 전기 프로브와 필터 사이의 강건하고 일관된 접촉력을 유지시키는 것이 스프링-부하식 핀(spring-loaded pin)을 사용함으로써 또는 기계적 설계를 통해(예컨대, 프로브가 스프링처럼 거동함) 달성될 수 있다. 몇몇 응용에서, 접촉 전극이 필터 블록과 직접적으로 접촉할 수 있다. 예를 들어, 전극은 중공 원통형 블록 필터의 내측 및 외측 표면 또는 상부 및 두 링 평면 면(ring plane face)과 전기 접촉할 수 있다. 블록을 통한 유체 유동 프로파일에 기초하여, 블록 필터의 다양한 표면 상에 전극을 배치하는 것이 감도를 제어하거나 최대화시키는 데 유리할 수 있다.
몇몇 응용에서, 접촉 전극은 필터 매체와 직접적으로 접촉하지 않고 전극과 필터 매체 사이의 전기 전도성 유체의 존재를 사용하여 전기적 접속을 용이하게 할 수 있다. 필터 블록과 유체 사이의 전도율 비가 센서 감도에 영향을 미칠 수 있다. 필터 전도율 대 유체 전도율의 비가 낮을 때 보다 높은 센서 감도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 비는 0.001 내지 1000일 수 있다. 일 실시예에서, 비는 미만이다. 일 실시예에서, 비는 1 초과이다.
2개 초과의 전극이 사용되는 응용에서, 전극은 개별적으로 어드레싱되고(addressed), 전류 및 전압 둘 모두를 소싱하며(source), 전류 및 전압 둘 모두를 감지하고, 동일 선상의 어레이로 배열될 수 있다. 필터 하우징의 내측 및 외측 표면 둘 모두 상에서, 전극은 표면에 대해 동일 평면 상에 있거나, 돌출되거나, 카운터싱킹되도록(countersunk) 제조될 수 있다.
커넥터 특징부(161)가 프로브(160)에 전기적으로 결합되고, 센서의 컨트롤러와 전기 접점 사이의 통신을 허용하기 위한 수단을 제공한다. 일 실시예에서, 커넥터(161)는 필터 하우징을 통과하는 전기 핀 또는 접점일 수 있다. 커넥터는 여과 공정 중에 유체 누출을 없애기 위해 유밀 시일을 제공하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 커넥터와 전기 접점은 단일 개체로 조합될 수 있다. 다른 실시예에서, 커넥터는 컨트롤러와 전기 접점 사이의 무선 통신을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 커넥터는 필터 하우징의 내측 및 외측 표면 상에 위치되는 2개의 근접장 결합 안테나를 포함한다. 하우징의 내측 표면 상에 위치되는 안테나는 접촉 전극에 직접적으로 결합되고, 하우징의 외측 표면 상의 안테나는 컨트롤러에 직접적으로 결합된다. 기술된 예에서, 컨트롤러는 전기 접점과 무선 방식으로 전기적으로 통신할 수 있다. 하우징 내에 배치되거나 포함되는 자성 재료의 추가는 자기 결합을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
또 다른 예에서, 커넥터 특징부 또는 전기 접점은 필터 하우징 상의 입구 또는 출구 포트를 통과할 수 있다. 이러한 예에서, 입구 및 출구 포트를 사용하여 커넥터 또는 전극을 통과시키는 것이 유리한데, 왜냐하면 기계 고장 또는 유체 누출의 지점을 제공할 수 있는 필터 하우징 상의 추가의 통과 지점(pass-through)(구멍)이 요구되지 않기 때문이다.
다양한 유형의 필터 매체가 본 명세서에 기술된 센서와 함께 사용될 수 있다. 몇몇 필터 유형에서, 특히 활성탄 필터에 대해, 입상(granulated) 및 블록 필터 기술 둘 모두가 이용될 수 있다. 입상 여과 매체는 베드 내에 패킹되는 그리고 유체가 그것을 통해 유동하는 개별 필터 매체 입자를 함유한다. 입상 필터의 일반적인 예는 입상 탄소 필터와 황산 칼슘 필터이다. 반면에, 블록 필터는 고압 하에서 단일 블록으로 형상화되는 그리고 소결 공정을 거칠 수 있는 분상(pulverized) 여과 매체를 함유한다. 블록 필터의 일반적인 예는 물 여과를 위한 탄소 블록 필터이다. 블록 필터 유형은 기술된 감지 방식(modality)과 조합되어 사용될 때 입상 필터에 비해 여러 가지 이점을 제공할 수 있다.
첫 번째 이점은 단일 모니터링 위치를 사용하여 전체 필터 블록의 잔여 필터 용량을 결정하는 것이다. 이러한 필터 블록의 설계는 블록을 통과하는 유체의 실질적으로 균일하게 분배된 플럭스(flux)를 생성할 수 있다. 균일한 플럭스는 필터 블록 전체에 걸쳐 필터 능력의 실질적으로 균일한 감소를 유발한다. 따라서, 블록 내의 임의의 위치에서 모니터링하는 것이 전체 블록의 잔여 필터 용량의 측정으로 귀결될 것이다. 플럭스가 불균일하고 알려진(또는 모델링되거나 측정될 수 있는) 응용에서, 국소 플럭스를 처리하고 결과를 블록의 다른 위치에 일반화시키기 위해 보정 계수가 적용될 수 있다. 몇몇 응용에서, 불균일 플럭스는 센서 감도의 증가로 이어질 수 있다. 보다 낮은 시스템 비용과 감소된 측정 오차를 가져오기 위해 블록을 따라 임의의 위치에서 단일 세트의 전극을 사용하는 능력이 구상된다.
두 번째 이점은 블록 유형 필터의 기계적 강성이다. 블록 필터에서, 필터 매체는 일반적으로 여과 또는 기계적 진동 중에 필터 하우징 내의 고정된 위치에 있다. 반면에, 입상 필터에 대해, 필터 내의 개별 입상체(granule)의 위치와 배향은 유체 유동, 진동, 및 비-파괴적 충격 중에 서로에 대해 이동할 수 있다. 개별 입상체의 이동은 전기 접점과 필터 매체 사이의 접촉 임피던스의 현저한 변화를 유발할 수 있다. 또한, 필터를 통한 전기 경로가 변화하고 상이한 필터 입상체를 수반하며 상이한 입상체-입상체 임피던스를 가질 수 있다. 필터 용량이 필터 매체의 전기적 변화에 기초하는 구상된 응용에서, 전기 접점에 대한 필터 입상체의 이동이 상당한 측정 아티팩트(artifact)을 초래할 수 있다.
세 번째 이점은 블록 필터가 보다 높은, 보다 안정된, 그리고 보다 일관된 전도율을 가질 수 있다는 것인데, 왜냐하면 필터 매체가 함께 압축되기 때문이다. 반면에, 입상 필터를 통한 전도율은 입상체들 사이의 계면에 의해 강한 영향을 받을 수 있다. 측정할 때마다, 이들 영향은 물 유동, 온도, 통과 전류, 기계적 진동, 또는 시스템 내의 압력 차이로 인해 변화할 수 있다.
일례로서, 직접 전기 접촉에 의해 시간 경과에 따른 필터 매체 저항을 측정하기 위해 실험을 수행하였다. 이러한 실험에서, 4-지점 측정 프로브를, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 제조된 프리지데어 퓨어소스 울트라 II(Frigidaire PureSource Ultra II) 필터의 전기 저항률을 측정하도록 구성하였다. 디지털 멀티미터(digital multimeter)를 4-와이어 측정 모드로 설정하였다. 조립 전에, 4개의 동일 선상의 0.078" 관통 구멍을 0.156"의 간격으로 플라스틱 하우징 내에 드릴링하였다. 2개의 필터에 대해, 4개의 동일 선상의 구멍의 세트를 필터의 길이의 중심 부근에 드릴링하였다. 제3 필터에 대해, 4개의 동일 선상의 구멍의 3개 세트를 필터의 길이를 따라 상부, 중간, 및 저부 부근에 드릴링하였다. 탄소 필터와의 직접 전기 접촉을 허용하기 위해, 표준 종이 필터 랩(wrap)을 조립체 내에 포함시키지 않았다. 금 코팅된 스프링-부하식 접촉 핀을 필터 하우징 내의 구멍을 통해 삽입하여 필터와의 전기 접촉을 생성시켰다. 쓰리엠 DP100 투명 에폭시를 사용하여 접촉 핀을 고정시키고 그것 주위를 밀봉하였다. 폴리카르보네이트 지지 블록을 하우징에 에폭시화하여 장비에 추가의 지지를 제공하였다. 실험 파라미터는 하기와 같았다:
필터:
프리지데어 "픽시(Pixie)" 퓨어소스 울트라 II
유량:
분당 연속 0.65 갤런
염소 농도:
평균 2 ppm (1.5 내지 2.5 ppm)
물 온도:
측정되지 않음
지속기간:
470분
총 체적:
305 갤런
측정:
수동 (아래의 그래프 참조)
도 17 및 도 18은 측정된 현장 저항(in-situ resistance)(Ω)과 계산된 저항률(Ω·cm)을 보여주는 실험 결과의 그래프이다. 측정된 모든 필터에 대해, 실험 결과에서 2가지 경향이 관찰되었다. 첫 번째 경향은 실험의 초기 20 내지 40 여과된 갤런 중 저항의 감소였다. 두 번째로 관찰된 경향은 40 내지 305 갤런에서 저항의 상당한 그리고 꾸준한 증가였다. 측정 저항의 증가는 염소의 환원에 의해 유발되는 시간 경과에 따른 탄소 필터의 표면 산화의 증가에 의해 유발되었을 가능성이 있었다. 이들 실험 결과는 염소를 함유한 여과된 물의 양이 활성탄 필터의 전기 저항의 변화를 측정함으로써 모니터링될 수 있는 것을 보여준다.
도 17은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항 대 총 유체 처리량의 실험 결과를 예시한 그래프이다. 도 17에 예시된 바와 같이, 플롯(160)은 필터의 작동 중에 여과된 갤런을 나타내는 수평축 및 옴 단위로 측정된 필터 매체 저항을 나타내는 수직축을 포함한다. 도 17의 예에서, 대략 2 백만분율의 염소를 함유한 대략 305 갤런의 물을 실질적으로 유사한 구성의 3개의 활성탄 필터에 의해 여과하였다. 도 17에서, 곡선(162, 170)은, 각각이 필터 매체의 종축의 중심에 위치된 일 세트의 4개의 금속 프로브를 가진 하나의 센서를 포함하는 2개의 별개의 실험 필터에 대응한다. 또한, 도 17의 예에서, 곡선(164, 166, 168)은, 각각의 센서가 일 세트의 4개의 금속 프로브를 포함하는 3개의 별개의 센서를 갖는 단일 실험 필터에 대응한다: 곡선(164)은 단일 실험 필터의 상부 부근에 위치되는 센서에 대응하고; 곡선(166)은 단일 실험 필터의 종축의 중심 부근에 위치되는 센서에 대응하며; 곡선(168)은 단일 실험 필터의 저부 부근에 위치되는 센서에 대응한다. 위에서 논의된 바와 같이, 예를 들어, 가용 활성탄 산화 자리의 수의 증가가 필터 매체의 전자기 특성에 의해 측정됨에 따라 필터 매체 전도율의 감소와 관련된다. 도 17의 실험 결과에 의해 표시된 바와 같이, 필터의 작동 중에 측정되는 필터 매체 저항에 의해 필터 수명 또는 용량이 결정될 수 있다.
하기의 표는 도 17에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 18은 필터의 작동 중 직접 전기 접촉에 의해 측정된 필터 매체 저항률 대 총 유체 처리량의 예를 예시한 그래프이다. 도 18에 예시된 바와 같이, 플롯(180)은 필터의 작동 중에 여과된 갤런을 나타내는 수평축 및 옴-센티미터 단위로 측정된 필터 매체 저항률을 나타내는 수직축을 포함한다. 도 18의 예에서, 대략 2 백만분율의 염소를 함유한 대략 305 갤런의 물을 실질적으로 유사한 구성의 3개의 활성탄 필터로 여과하였다. 도 18에서, 곡선(182, 190)은, 각각이 필터 매체의 종축의 중심에 위치된 일 세트의 4개의 금속 프로브를 갖는 하나의 센서를 포함하는 2개의 별개의 예의 필터에 대응한다. 또한, 도 18의 예에서, 곡선(184, 186, 188)은, 각각의 센서가 일 세트의 4개의 금속 프로브를 포함하는 3개의 별개의 센서를 갖는 단일 실험 필터에 대응한다: 곡선(184)은 단일 실험 필터의 상부 부근에 위치되는 센서에 대응하고; 곡선(186)은 단일 실험 필터의 종축의 중심 부근에 위치되는 센서에 대응하며; 곡선(188)은 단일 실험 필터의 저부 부근에 위치되는 센서에 대응한다.
하기의 표는 도 18에 예시된 실험 결과를 제시한다:
도 19는 필터 매체를 모니터링하기 위한 직접 전기 접촉 프로브를 갖는 센서의 예시적인 작동을 예시한 순서도이다. 예시의 목적을 위해, 도 19는 도 4에 도시된 센서(50)의 구성요소에 관하여 기술된다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 예시의 목적을 위해 도 16의 센서(158)에 관하여 설명되는 도 19의 기술과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 도 19의 기술이 상이한 센서 시스템 또는 필터 및 센서 구성에 대해 수행될 수 있고, 센서 시스템의 이용이 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
도 19의 예에서, 센서(158) 내의 컨트롤러(56)가 감지 사이클을 개시한다(502). 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서 시스템을 사전결정된 시간 간격을 두고 활성화시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서 시스템을 사용자 입력(예컨대, 리셋/시험 버튼(162)을 누름), 외부 장치로부터의 자동화된 입력(예컨대, 별개의 컨트롤러로부터의 신호 등)에 의해 활성화시킬 수 있다.
도 19의 예에서, 컨트롤러는 전류를 발생시키고(504), 이러한 전류를 전기 프로브를 통해 필터 매체(156)의 적어도 일부분 내로 구동시킨다(506). 몇몇 예에서, 컨트롤러는 전류를 필터 하우징(156)의 외측 표면 외부에 있는 프로브 내로 구동시켜 필터 하우징(156)의 내측 표면 내부에 있는 대응하는 프로브 내에 전류를 유도한다.
이어서, 컨트롤러가 필터 매체(156)의 용량을 나타내는 전류의 적어도 하나의 특성을 감지한다(508). 예를 들어, 전술된 바와 같이, 인가된 전압 및 전기 프로브의 세트를 통한 합성 전류에 기초하여, 컨트롤러(56)는 필터 매체의 하나 이상의 영역의 각각의 저항률을 측정할 수 있다. 또한, 컨트롤러(56)가 환경 또는 물 여과 시스템의 다른 특성(예컨대, 온도, 유체 유량)을 모니터링할 수 있고, 측정된 특성을 이용하여 필터 매체(156)의 잔여 용량에 대한 계산된 추정치를 보상하거나 조절한다. 매체의 감지된 특성 및 물 여과 시스템의 환경에 대한 임의의 감지된 특성에 기초하여, 컨트롤러(56)가 필터 매체(156)의 현재 용량을 계산하고, 사용자 인터페이스(54)를 업데이트한다(510).
필터 매체의 계산된 용량에 기초하여, 컨트롤러(56)가 몇몇 예에서 필터 매체(156) 용량이 임계 범위 내에 있는지 여부를 결정할 수 있다. 필터 매체(156)의 추정된 용량이 임계 범위 내에 있는 것으로 결정되면, 컨트롤러(56)가 사용자 또는 외부 모니터링 구성요소로부터의 입력에 응답하여 감지 사이클을 추후에 또는 비동기적으로 반복한다(514의 예 분기부, 502로 진행함). 필터 매체(156)의 용량이 임계 범위 내에 있지 않은 것으로, 예컨대 잔여 용량이 10% 미만인 것으로 결정되는 경우에, 컨트롤러(56)가 알람 신호 또는 다른 출력, 예컨대 전자 통신을 발생시킨다(514의 아니오 분기부, 516으로 진행함). 몇몇 예에서, 알람 신호는 예를 들어 시각 알람, 가청 알람 등으로서 사용자 인터페이스에 의해 제시될 수 있다. 다른 예에서, 알람 신호는 무선 주파수 송신기에 의해 송신될 수 있다.
도 20은 필터 매체가 여과 시스템 내에 처음으로 설치될 때 본 명세서에 기술된 바와 같은 센서의 예시적인 작동을 예시한 순서도이다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 본 개시에 설명된 다양한 기술과 함께 사용될 수 있다. 예시의 목적을 위해, 도 20의 공정은 예시의 목적을 위해 도 2의 센서(20), 도 4의 센서(50)에 관하여 기술될 것이다.
일반적으로, 도 20의 공정은 새로운 필터를 설치할 때, 센서를 검사하고 리셋이 필요한지 결정할 때, 기존 필터의 위치를 변화시키거나 여과 시스템 내의 기존 센서의 위치를 변화시킬 때 등과 같은 다양한 상황에서 개시될 수 있다. 이들과 같은 상황에서, 컨트롤러(56)가 리셋/시험 버튼(22)의 활성화를 감지하고(202), 특히 입력이 사용자가 리셋/시험 버튼(55)을 임계 기간(예컨대, 5초) 동안 누르는 것을 나타내어 센서(20)의 기준치 판독(baseline reading)의 리셋을 요구하는지 결정한다(204).
이때, 컨트롤러(56)가 본 명세서에 설명된 다양한 기술을 사용하여 초기 측정 사이클을 수행하여, 감지 시스템에 이용되는 필터 매체 및/또는 임의의 안테나 또는 공진 공동의 하나 이상의 초기 특성을 측정하고 저장하여, 기준치 판독을 수행한다(206). 예를 들어, 컨트롤러(56)는 감지 시스템의 저항률, 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 또는 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항과 관련된 파라미터를 측정하고 초기에 저장할 수 있다.
그 후에, 리셋/시험 버튼(22)의 활성화가 컨트롤러(56)에 전원을 인가하고(208), 컨트롤러(56)가 본 명세서에 설명된 다양한 기술 중 임의의 것을 사용하여 감지 사이클을 개시하게 한다(210). 기술된 바와 같이, 컨트롤러가 필터 매체의 잔여 수명 또는 잔여 용량을 계산하고 사용자 인터페이스(24)를 업데이트하거나 달리 결과를 외부 시스템의 사용자에게 전달한다(212). 이어서 컨트롤러(56)가 슬립 모드(sleep mode)에 진입하고 사전결정된 시간 간격의 경과 후에, 필터 매체를 측정하는 공정을 웨이킹하고(wake) 자동으로 반복할 수 있다(216). 또한, 리셋/시험 버튼(22)의 활성화에 응답하여, 컨트롤러(56)가 슬립 모드로부터 웨이킹하고, 리셋 버튼(22)이 임계 기간 동안 눌리는 경우에 리셋 과정을 반복한다(218).
도 21은 필터 매체 내에 유동 방향에 대해 직렬로 위치된 복수의 센서를 포함하는 예시적인 필터 하우징 및 센서 시스템을 예시한 개략도이다. 도 21의 예에서, 센서 시스템(220)은 유체 입구(222), 필터 하우징(224), 복수의 센서(228A, 228B, 228C, 228D)(집합적으로, "센서(228)"), 및 유체 출구(230)를 포함한다. 도 21의 예에서, 유동 방향(226)은 유체 이동의 경로를 표시한다. 몇몇 예에서, 센서(228)는 필터 매체 전체에 걸쳐 유동 방향(226)에 대해 직렬로 위치될 수 있다. 몇몇 예에서, 센서(228)는 필터 매체와 자기 연통하여, 위에서 논의된 바와 같은 기술을 사용하여 필터 매체 수명 또는 용량을 결정할 수 있다. 다른 예에서, 센서(228)는 필터 매체와 직접 전자 통신하여, 위에서 논의된 바와 같은 기술을 사용하여 필터 매체 수명 또는 용량을 결정할 수 있다. 몇몇 예에서, 센서 시스템(220)은 보다 적거나(예컨대, 1개, 2개, 3개) 보다 많은(예컨대, 10개, 100개, 1000개) 센서를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 센서(228)의 배열은 차동 센서 측정(differential sensor measurement)이, 그렇지 않을 경우 온도, 습도, 유량, 압력 강하에 대한 센서 의존성, 전자 구성요소의 드리프트(drift), 기준치 불안정성, 센서 드리프트, 여과 매체에 대한 이차 효과와 같은, 단일 센서 측정의 오차의 원인일 수 있는 환경 효과를 없애거나 최소화시키기 위해 이용되도록 허용한다. 복수의 센서(228)는 병렬, 직렬, 또는 조합 유체 유동 패턴으로 여과 매체에 연결될 수 있다. 또한, 측정 정보가 교환되고 필터 용량을 결정하는 데 이용되는 센서(228)의 전체 세트가 동일한 필터 매체에 부착될 필요가 없다. 예를 들어, 다수의 여과 요소가 다수의, 별개의 필터 매체에 걸쳐 이어지는 직렬 유동 패턴으로 연결될 수 있고, 그들 센서 중 적어도 일부로부터의 측정치가 필터 용량을 계산할 때 다른 센서에 의해 이용될 수 있다.
이러한 방식으로, 복수의 센서(228)가 여과 매체의 시공간적 효율(spatiotemporal efficacy)을 모니터링하여, 여과 매체를 통한 파과 프론트(breakthrough front)의 모니터링을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 일례에서, 팩-베드(pack-bed) 여과 시스템의 유체 유동 방향을 따라 위치되는 복수의 센서가 유동 방향을 따른 필터 효율을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 제2 응용에서, 필터 블록 내에 다양한 깊이에 있는, 여과 매체와 상호작용하도록 설계되는 복수의 센서가 유동 방향을 따른 필터 효율을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 제3 예에서, 2개의 센서가 탄소 블록 필터의 외측 및 내측 표면 상에 위치될 수 있고, 두 센서의 모니터링을 통해, 유동 방향을 따른 여과 매체의 상대 효율이 결정될 수 있다. 여과 매체의 시공간적 효율을 모니터링하는 능력은 여과 매체에 대한 교체 알고리즘을 개선하기 위해 사용되어, 여과 매체가 그것의 전체 용량으로 사용될 수 있게 할 수 있다. 이는 이어서 여과와 관련된 비용을 감소시키고 정비(servicing)와 관련된 비용을 감소시키며 여과 시스템과 관련된 폐기물을 감소시킬 수 있다.
몇몇 예에서, 복수의 센서가 여과 매체의 다수의 층을 갖는 필터를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 필터가 외측 주름형성된 층과 내측 탄소 층을 가진 2개의 동심 여과 매체 층을 포함할 수 있다. 하나의 센서가 주름형성된 층의 유전율 변화를 측정하도록 위치되고 구성될 수 있으며, 제2 센서가 탄소 필터의 전도율 변화를 측정하도록 위치되고 구성될 수 있다.
센서(228)는 본 명세서에 설명된 감지 기술 중 임의의 것을 이용하도록 위치되고 구성될 수 있으며, 필터 매체 전도율, 유전 강도, 투자율 등을 측정할 수 있다. 몇몇 예에서, 불순물, 화합물 등의 파과가 센서(228) 중 2개 이상의 차동 측정에 의해 결정될 수 있다. 몇몇 예에서, 2개 이상의 센서(228)의 차동은 예를 들어 온도 변동, 전도율의 드리프트, 필터 매체 조성의 변동 등에 의한 개별 센서들 사이의 잠재적인 가변성을 무효화할 수 있다.
몇몇 예에서, 센서(228)는 예를 들어 조작자, 서비스 제공자 등과 통신하는 공통 외부 모니터(도시되지 않음)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 도 21의 예에서, 센서(228C)에서 파과 프론트가 검출됨에 따라, 시스템은 파과 프론트가 228D에 도달할 때를 예측할 수 있다. 그러한 예에서, 모니터는 필터 매체 교체 일정을 잡거나 조작자에게 예상 필터 교체 시간을 통지하거나 교체용 필터 매체를 주문하거나 기타 등등을 위해 서비스 제공자와 직접적으로 통신할 수 있다.
몇몇 예에서, 센서(228)는 개별적인 그리고 별개의 센서로서 식별될 수 있다. 몇몇 예에서, 개별 센서(228A, 228B, 228C, 228D)는 별개의 무선 주파수를 발생시켜 각각의 분광 특성(spectral signature)에 기초하여 각각의 센서를 개별적으로 식별할 수 있다. 다른 예에서, 다수의 안테나(도시되지 않음)가 각각의 센서에 대해 위치될 수 있으며, 이로써 이러한 위치설정은 안테나가 특정 센서와 인터페이싱되도록 허용할 수 있다. 또 다른 예에서, 개별 센서(228A, 228B, 228C, 228D)는 무선 주파수 식별 장치 집적 회로(RFID IC)를 사용가능하게 하는 주파수(예컨대, 13.56 ㎒) 부근에서 작동할 수 있으며, 이로써 개별 센서 상의 RFID IC가 개별 센서 판독을 가능하게 한다. 몇몇 예에서, 교체 필터와 함께 제공되는 인증 칩, 코드, 자기 서명(magnetic signature) 등이 기준치(예컨대, 기준치 필터 매체 전도율, 유전 강도, 또는 투자율)를 기록하고 적절한 필터의 설치를 확인하도록 모니터를 자동으로 리셋할 수 있다. 예를 들어, 새로운 필터가 유효화되지 않았으면, 센서가 리셋하지 않을 것이다.
도 22는 복수의 센서가 정보를 교환하고 하나 이상의 필터 매체를 갖는 여과 시스템을 모니터링하도록 작동하는 감지 시스템의 예시적인 작동을 예시한 순서도이다.
도 22의 예에서, 센서 시스템(220)의 제1 센서(228A)가 감지 사이클을 개시하도록 컨트롤러에 의해 활성화된다(602). 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서 시스템을 사전결정된 시간 간격을 두고 활성화시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서 시스템을 사용자 입력(예컨대, 리셋/시험 버튼을 누름), 외부 장치로부터의 자동화된 입력(예컨대, 별개의 컨트롤러로부터의 신호) 등에 의해 활성화시킬 수 있다. 도 22의 예에서, 컨트롤러가 제1 무선 주파수("RF") 신호를 발생시킨다(604). 몇몇 예에서, RF 신호는 센서(228A)와 관련된 제1 안테나의 공진 주파수일 수 있다. 다른 예에서, RF 신호는 센서 시스템(220)의 필터 매체의 특정 부분에 근접하게 위치될 때의 제1 안테나의 공진 주파수일 수 있다. 도 22의 예에서, 컨트롤러가 제1 안테나를 통해 제1 RF 신호를 구동시켜 필터 매체의 적어도 제1 부분 내에 제1 전자기장을 발생시킨다(606). 도 22의 예에서, 컨트롤러가 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등과 같은 필터 매체의 제1 부분의 현재 용량을 나타내는 제1 전자기장의 적어도 하나의 제1 특성을 감지한다(608). 컨트롤러는 측정된 특성을 하나 이상의 다른 센서(예컨대, 센서(228B))에 또는 센서에 결합된 중앙집중식 모니터에 전달한다.
도 22의 예에서, 센서 시스템(220)의 제2 센서(228B)가 그러한 센서와 관련된 컨트롤러에 의해 또는 외부 모니터에 의해 활성화된다(610). 도 22의 예에서, 컨트롤러가 제2 무선 주파수("RF") 신호를 발생시키고(612) 제2 안테나를 통해 제2 RF 신호를 구동시켜 필터 매체의 적어도 제2 부분 내에 제2 전자기장을 발생시킴으로써(614) 제2 감지 사이클을 수행하며, 여기서 제2 부분은 필터 매체의 제1 부분으로부터 분리되거나 그것과 중첩되거나 그것을 에워쌀 수 있다. 도 22의 예에서, 컨트롤러가 예를 들어 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등과 같은 필터 매체의 제2 부분의 현재 용량을 나타내는 제2 전자기장의 적어도 하나의 제2 특성을 감지한다(616). 제2 센서의 컨트롤러는 측정치를 중앙집중식 모니터에 전달할 수 있다.
이어서, 제2 센서의 컨트롤러(또는 중앙집중식 모니터)가 필터 매체의 현재 용량을 결정한다(618). 몇몇 예에서, 제2 센서의 컨트롤러가 제1 감지된 특성과 제2 감지된 특성 사이의 차이에 기초하여 필터 매체의 적어도 제2 부분의 현재 용량을 결정한다(618). 대안적으로 또는 추가적으로, 제2 센서의 컨트롤러(또는 중앙집중식 모니터)는 필터 매체의 제2 부분의 현재 용량을 결정하기 위해 제1 감지된 특성에 기초하여 제2 감지된 특성을 조절하거나 달리 편향시킬 수 있다. 도 22의 예에서, 컨트롤러가 센서(228A, 228B)의 하나 이상의 구성요소의 전원을 차단시킴으로써 센서(228A, 228B)를 비활성화시킨다(620).
본 명세서에 기술된 바와 같이, 센서와 관련된 컨트롤러, 또는 외부 모니터가 제1 부분 및 제2 부분에 대한 필터 매체 용량이 임계 범위 내에 있는지를 결정한다(622). 필터 매체 용량이 임계 범위 내에 있으면, 컨트롤러(또는 중앙 모니터)가 센서(228A, 228B)를, 공정을 반복하도록 추후의 일정 시점에 활성화시킨다(622의 예 분기부, 602). 필터 매체 용량 중 어느 하나 또는 둘 모두가 임계 범위 내에 있지 않으면, 컨트롤러 및/또는 중앙 모니터가 알람 신호를 발생시킨다(622의 아니오 분기부, 624). 몇몇 예에서, 알람 신호는 예를 들어 시각 알람, 가청 알람 등으로서 사용자 인터페이스(54)에 의해 제시될 수 있다. 다른 예에서, 알람 신호는 무선 주파수 송신기(70)에 의해 송신될 수 있다.예시적인 구현예에서, 여과 시스템 내에 현재 전개된 필터 매체에 대한 자동화된 식별을 제공하는 감지 시스템이 기술된다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 비-접촉 식별 밴드가 필터 매체를 포함한 하우징 내에 통합되거나 달리 그것에 근접하게 부착될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 식별 밴드는 하우징 상에 장착된 센서에 의한 필터 매체의 자기 감지에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 식별 밴드는 센서에 의해 감지되도록 전기 전도성 및/또는 자성일 수 있다. 또한, 밴드는 예컨대 필터 매체가 여과 시스템 내로 삽입되고 센서의 감지 필드로 통과될 때, 필터 매체의 고유 식별을 제공하도록 기하학적으로 또는 공간적으로 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 식별 밴드는 필터 매체의 적극적 식별을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
도 23은 예시적인 필터 하우징 식별 시스템을 예시한 개략도이다. 도 23의 예에서, 필터 식별 시스템(302)은 필터 매니폴드(304), 필터 매니폴드 결합 부재(306), 센서(308), 식별 스트립(310), 및 필터 하우징(312)을 포함한다. 몇몇 예에서, 식별 스트립은 필터 하우징 상에 배치되거나 그것 내에 배치되거나 그것 내에 포함되는 전도성, 유전성, 또는 자성 영역이다. 몇몇 예에서, 식별 스트립은 안테나 특성을 변경시키는 단일 또는 임의의 조합의 전도성, 유전성, 또는 자성 영역을 포함할 수 있고, 필터 식별 시스템에 의해 감지될 수 있다.
일반적으로, 필터 매니폴드(304)는 필터 시스템의 일부분을 나타내며, 여기서 필터 매니폴드 결합 부재(306)가 필터 매니폴드를 여과 시스템 내로 삽입되는 필터 하우징(312)에 연결한다. 몇몇 예에서, 필터 매니폴드(304)와 필터 매니폴드 결합 부재(306)는 예를 들어 플라스틱, 유리, 자기, 고무 등과 같은 비전도성 재료일 수 있다. 다른 예에서, 필터 매니폴드(304)는 예를 들어 금속, 전도성 중합체 등과 같은 전도성 재료일 수 있다. 몇몇 예에서, 필터 매니폴드(304)는 센서(도시되지 않음) 및/또는 센서(308)를 에워싸도록 형성될 수 있다.
도 23의 예에서, 센서(308)는 필터 하우징(312)을 수용하는 필터 매니폴드 결합 부재(306)에 부착된다. 센서(308)는 본 명세서에 기술된 센서 중 임의의 것의 형태를 취할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 센서(308)는 필터 하우징(312)이 삽입될 때 필터 하우징(312)을 에워싸는 권선형(wound) 전도성 와이어를 갖는 안테나를 포함한다. 도 23의 예에서, 센서(308)는 필터 하우징이 필터 매니폴드 결합 부재(306) 내로 삽입됨에 따라(예컨대, 도 23에 화살표에 의해 표시된 바와 같음) 식별 스트립(310)과 전자기 연통하는 전자기장을 생성하도록 그것의 내부 안테나를 구동시킨다. 몇몇 예에서, 센서(308)의 안테나는 식별 스트립(310)과 필터 매체의 적어도 일부분 및 선택적으로 자기장에 영향을 미치도록 설계되는 다른 비-여과 매체와 전자기 연통할 수 있다.
다양한 구현예에서, 식별 스트립(310)은 센서 시스템의 안테나에 의해 생성되는 자기장을 형상화하도록 특정 물리적 형상 또는 치수를 따른다. 예를 들어, 식별 밴드는 자기장의 존재 시에, 식별 밴드가 센서 시스템의 공간적 감도를 변동시키거나 자기장을 필터 하우징, 필터 매니폴드, 또는 다른 센서 시스템 요소를 향해 또는 그것으로부터 멀어지게 지향시키거나 필터 하우징 내에 포함된 여과 매체를 통한 자기장 전파를 향상시키거나 센서에 의해 검출가능한 유사한 효과를 유발하도록 구성될 수 있다.
몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 예를 들어 금속, 전도성 중합체 등과 같은 전도성 재료일 수 있다. 다른 예에서, 식별 스트립(310)은 예를 들어 철, 니켈, 페라이트 등과 같은 자성 재료일 수 있다. 다른 예에서, 식별 스트립(310)은 전술된 바와 같이 전도성 재료 및 자성 재료 둘 모두를 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 진위(authenticity) 또는 출처(origin)를 시각적으로 그리고/또는 전자적으로 표시하기 위한 기하학적 패턴을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 하나 이상의 식별 스트립(310)이 필터 하우징 상에 공간적으로 위치되고 센서의 안테나에 의해 발생되는 전자기장의 하나 이상의 특성을 변경시키도록(즉, 그것에 영향을 미치도록) 구성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 전자기장에 대한 변경을 검출하는 것에 응답하여, 하우징에 부착된 센서 내의 컨트롤러는 센서의 안테나에 대한 식별 스트립(310)의 공간적 근접성을 결정할 수 있다. 따라서, 컨트롤러는 정확한 공간적 근접성에 기초하여, 필터 하우징이 필터 매니폴드 내로 정확하게 삽입되는지 여부를 나타내는 출력을 결정하고 제공하여, 조작자가 정확한 유량을 보장하고 유체 누출 가능성을 최소화시키거나 유동 밸브를 사용가능하게 하고 사용불가능하게 하는 데 도움을 줄 수 있다.
몇몇 예에서, 하나 이상의 식별 스트립(310)의 검출된 효과에 기초하여, 센서 내의 컨트롤러는 예를 들어 삽입된 필터가 정확한 유체 유형에 대해 설계되는 것을 보장하기 위해, 오염 제거를 보장하기 위해, 처리 체적 등급(treatment volume rating)을 검증하기 위해, 오염 제거 효율 등급을 검증하기 위해, 정격 유량을 검증하기 위해, 정격 작동 압력을 검증하기 위해, 또는 누출-방지 설계의 적합성을 검증하기 위해 필터 매니폴드 내로 삽입될 때 필터를 전자적으로 분류할 수 있다. 다른 예에서, 식별 스트립 감지는 정확한 수명 알고리즘을 가능하게 하고 사용자에게 여과 매체가 교체되어야 할 때를 통지할 수 있다.
몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 복수의 스트립(예컨대, 2개의 스트립, 10개의 스트립, 20개의 스트립)을 포함할 수 있고, 스트립은 필터 매체 하우징(312) 및 그 내부에 포함된 필터 매체의 특정 유형의 식별을 돕기 위해 균일하게 이격되거나 고유 기하학적 패턴으로 이격될 수 있다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 필터 하우징(312)의 외부 상에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 식별 스트립(310)은 필터 하우징(312)을 한정하는 재료 내에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 식별 스트립(310)은 필터 하우징(312)의 내부 상에 위치될 수 있다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 하나 이상의 기하학적 구조를 가질 수 있다(예컨대, 식별 스트립(310)의 각각의 스트립이 고유 기하학적 구조를 가질 수 있음).
도 23의 예에서, 식별 스트립(310)은 필터 하우징(312)의 전체 원주 둘레로 연장된다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(310)은 필터 하우징(312)의 전체 주연부보다 작게 그 둘레로 연장될 수 있다. 예를 들어, 표 2의 실험 결과가 보여주는 바와 같이, 안테나와 전도성 식별 스트립의 공진 주파수, 병렬 저항, 및 q-계수가 원통형 필터 하우징의 원주 둘레로의 식별 스트립 길이에 따라 변동될 수 있다. 표 2는 전도성 식별 밴드가 존재하지 않는 경우, 필터 하우징 원주의 대략 1/4의 세그먼트 길이인 경우, 필터 하우징 원주의 대략 1/2의 세그먼트 길이인 경우, 필터 하우징 원주의 대략 3/4의 세그먼트 길이인 경우, 그리고 대략 필터 하우징 원주의 세그먼트 길이인 경우를 예시한다. 표 2의 예가 보여주는 바와 같이, 필터 하우징 상의 전도성 식별 밴드의 존재는 공진 주파수 편이를 감지함으로써 검출될 수 있고, 식별 밴드 길이는 특정 크기의 주파수 편이를 유발하도록 구성될 수 있다. 이들 예는 필터 하우징 상에 위치된 전도성 식별 밴드가 예컨대 필터 하우징이 여과 시스템 내로 삽입될 때 필터 하우징을 식별하기 위해 이용될 수 있는 것을 보여준다.
[표 2]
몇몇 예에서, 식별 스트립(310) 재료, 위치, 기하학적 구조, 스트립의 수 등의 구성이 필터군, 필터군 하위범주, 특정 필터 유형 등을 고유하게 식별할 수 있다. 몇몇 예에서, 센서는 예를 들어 사용된 필터가 재설치되는 것을 방지하거나 필터를 교체하기 위한 표준 조작 절차를 지시하거나 기타 등등을 위해 설치된 필터 하우징의 식별 스트립의 기록을 메모리 내에 저장할 수 있다.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d는 필터 하우징이 필터 매니폴드 내로 삽입됨에 따라 시간 경과에 따른 필터 하우징의 일련의 위치를 예시한 개략도이다. 도 31은 도 30a 내지 도 30d에 도시된 필터 하우징 삽입 공정에 대한 시간 경과에 따른 예시적인 감지된 안테나 공진 주파수를 예시한 그래프이다. 도 31에서, 플롯(750)은 시간을 나타내는 수평축 및 센서 시스템의 센서(708)의 안테나의 공진 주파수를 나타내는 수직축을 포함한다. 곡선(760)은 전도성 식별 스트립(710)과 자기 식별 스트립(714)을 갖는 필터 하우징이 필터 매니폴드(704) 내에 설치됨에 따른 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 변화 또는 편이를 나타낸다.
도 30a 내지 도 30d 및 도 31에 도시된 바와 같이, 전도성 식별 스트립(710)과 자기 식별 스트립(714)은 필터 하우징(712)이 필터 매니폴드(704) 내로 삽입되어 식별 스트립(710, 714)을 센서(708)의 안테나에 근접하게 통과시킬 때 센서(708)의 안테나에 의해 생성되는 자기장의 특성의 시간 의존적 변화를 유발한다. 전자기장에 미치는 특정 영향을 검출하고 그것을 식별 스트립의 알려진(know), 사전-구성된 배열 및 구성을 기술하는 데이터와 상관시킴으로써, 센서(708) 내의 컨트롤러가 삽입되는 필터의 유형을 적극적으로 고유하게 식별할 수 있다. 예를 들어, 필터 하우징(712) 삽입 중에 식별 스트립(710, 714)과 센서(708)의 안테나 사이의 간격이 감소하거나 증가함에 따라, 시간-의존적 안테나 특성의 형상과 스케일(scale)이 특정 필터 하우징(712)을 식별하도록 센서(308)의 안테나 특성의 변화가 센서 시스템에 의해 실시간으로 모니터링될 수 있다. 몇몇 예에서, 시간-의존적 안테나 특성의 형상과 스케일은 필터의 군(즉, 필터의 유형) 또는 필터의 하위군을 식별하도록 사전-구성될 수 있다. 센서(708)의 컨트롤러는 안테나의 공진 주파수(예컨대, 도 31에 예시된 그래프를 나타내는 별개의 데이터의 프로파일)의 감지된 변화를 검출하고 그것을 상이한 유형의 필터와 관련된 상이한 식별 스트립으로 인한 안테나 공진 주파수 편이에 대한 프로파일을 기술하는 저장된 데이터 세트와 비교한다. 도 30의 예에서, 식별 과정이 도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d에 대응하는 4가지 순차적 기간에 걸쳐 도시된다.
도 30a에서, 시간 T0 및 센서(708)의 안테나와 필터 하우징(712)의 단부 사이의 거리(716)에서, 센서(708)의 안테나와 식별 스트립(710, 714) 사이의 간격은 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 무시해도 될 정도의 변화가 있도록 충분히 크다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(710, 714)과 센서(708)의 안테나 사이의 큰 간격은 근접장 상호작용을 유발하지 않는다.
도 30b에서, 시간 T1 및 센서(708)의 안테나와 필터 하우징(712)의 단부 사이의 거리(718)에서, 센서(708)의 안테나와 전도성 스트립(710) 사이의 간격은 필터 하우징이 삽입됨에 따라 감소하고 있고, 식별 스트립(710)과 안테나 사이의 근접장 결합이 발생하도록 충분히 작아져, 전도성 스트립(710)으로 인한 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 증가를 유발한다.
도 30c에서, T2와 동일한 시간 및 센서(708)의 안테나와 필터 하우징(712)의 단부 사이의 거리(720)에서, 센서(708)의 안테나와 전도성 스트립(710) 사이의 간격은 전도성 스트립이 센서(708)의 안테나를 지나감에 따라 이제 감소하고 있어, 공진 주파수의 피크에 이어서 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 감소를 유발한다. 몇몇 예에서, 전도성 밴드(710)는 센서(708)의 안테나로부터 멀어지게 이동하여 센서(708)의 안테나의 하나 이상의 특성의 변화를 유발한다. 도 30c의 예에서, 센서(708)의 안테나와 자기 스트립(714) 사이의 간격은 여전히 자기 스트립(714)으로 인한 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 무시해도 될 정도의 변화를 유발하기에 충분히 크다.
도 30d에서, 시간 T3에, 필터 하우징(712)이 완전히 삽입되었다. 이러한 위치에서, 센서(708)의 안테나와 전도성 스트립(710) 사이의 간격은 무시해도 될 정도의 근접장 결합이 발생하도록 충분히 커서, 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 무시해도 될 정도의 변화를 유발한다. 또한 이러한 위치에서, 센서(708)의 안테나와 자기 스트립(714) 사이의 간격은 센서(708)의 안테나에 대한 근접장 결합이어서, 센서(708)의 안테나의 공진 주파수의 감소를 유발한다.
이러한 방식으로, 도 30a 내지 도 30d 및 도 31은 전도성 및/또는 자기 식별 스트립을 가진 필터 하우징의 삽입 중 시간 경과에 따른 안테나 공진 주파수 감지에 대한 변화가 전도성 및/또는 자기 식별 스트립의 특정 구성에 고유한 방식으로 전자기장의 특성의 시간-의존적 변경을 감지하기 위해 사용될 수 있는 것을 보여준다. 센서(708)의 컨트롤러(또는 외부 모니터)는 하나 이상의 안테나 특성의 감지된 편이를 편이의 저장된 데이터 세트(예컨대, 사전결정된 식별 스트립 공진 주파수 편이 패턴)와 비교함으로써 식별 스트립을 유효화한다. 바꾸어 말하면, 도 30a 내지 도 30d, 도 31은 센서 시스템의 안테나 공진 주파수의 감지된 변화 또는 편이가 필터군, 필터군 하위범주, 특정 필터 유형 등을 나타내는 패턴을 결정하기 위해 이용될 수 있는 것을 보여준다. 몇몇 예에서, 센서 시스템의 컨트롤러는 필터군, 필터군 하위범주, 특정 개별 필터 등의 아이덴티티(identity)를 인증할 수 있다. 몇몇 예에서, 센서 시스템은 인증 후에, 필터 하우징이 적절하게 안착되는 것을 보장하기 위해 필터 매니폴드 내에서의 필터 하우징의 초기 위치를 감지할 수 있다.
도 32a, 도 32b, 도 32c는 필터 하우징이 필터 매니폴드 내로 삽입되고 그것 내에 안착됨에 따라 다른 예시적인 일련의 위치를 예시한 개략도이다. 도 32의 예에서, 전도성 식별 스트립(810)이, 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내로 삽입될 때 센서(808)의 안테나의 특성의 시간 의존적 변화를 유발한다. 몇몇 예에서, 전도성 스트립(810)은 자기 스트립일 수 있다. 다른 예에서, 전도성 스트립(810)은 복수의 전도성 및/또는 자기 스트립일 수 있다. 몇몇 예에서, 시간 의존적 변화는 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되는 것을 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 시간 의존적 변화는 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되지 않는 것을 나타낼 수 있다.
도 32a의 예에서, 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(816)는 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 무시해도 될 정도의 변화가 있도록 충분히 크다. 도 32b의 예에서, 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(818)는 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되는 것을 표시하지 않는, 전도성 스트립(810)으로 인한 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 증가가 있도록 충분히 작다. 도 32c의 예에서, 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(820)는 전도성 스트립(810)으로 인한 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 추가의 증가가 있어 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되는 것을 표시하도록 더욱 작다.
도 33은 도 32a 내지 도 32c에 관하여 전술된 필터 하우징 삽입 공정 중 안테나 공진 주파수의 감지된 변화의 일례를 예시한 그래프이다. 다양한 센서 시스템과 필터 구성이 다양한 안테나 특성 변화를 생성할 수 있다. 도 33의 그래프는 예시의 목적을 위해 도 32에 관하여 기술될 것이다. 그러나, 도 33의 그래프가 상이한 센서 시스템 또는 식별 스트립 구성에 대해 표현될 수 있고, 센서 시스템의 이용이 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
도 33에 예시된 바와 같이, 플롯(850)은 센서(808)의 안테나의 공진 주파수를 나타내는 수평축 및 신호 강도를 나타내는 수직축을 포함한다. 도 33의 예에서, 곡선(852)은 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(816)가 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 무시해도 될 정도의 변화가 있도록 충분히 클 때 신호 강도 대 공진 주파수를 나타낸다. 도 33의 예에서, 곡선(854)은 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(818)가 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되는 것을 표시하지 않는, 전도성 스트립(810)으로 인한 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 증가가 있도록 충분히 작을 때 신호 강도 대 공진 주파수를 나타낸다. 도 33의 예에서, 곡선(856)은 센서(808)의 안테나와 전도성 스트립(810) 사이의 거리(820)가 공진 주파수(858)에 의해 표시된 바와 같이, 전도성 스트립(810)으로 인한 센서(808)의 안테나의 공진 주파수의 추가의 증가가 있어 필터 하우징(812)이 필터 매니폴드(804) 내에 완전히 안착되는 것을 표시하도록 더욱 더 작을 때 신호 강도 대 공진 주파수를 나타낸다.
도 24는 필터 하우징을 식별하기 위해 센서에 의해 감지된 공진 주파수 편이의 다른 예를 예시한 그래프이다. 도 24에 예시된 바와 같이, 플롯(320)은 헤르츠 단위로 주파수를 나타내는 수평축 및 옴 단위로 저항을 나타내는 수직축을 포함한다. 도 24의 예에서, 곡선(322)은 식별 스트립이 존재하지 않는 안테나의 측정된 주파수를 나타낸다. 도 24의 예에서, 곡선(324)은 식별 스트립이 존재하지 않는 안테나의 측정된 주파수와 비교하여, 안테나와 연통하는 자기 식별 스트립이 있을 때의 보다 낮은 측정된 공진 주파수를 나타낸다. 도 24의 예에서, 곡선(326)은 식별 스트립이 존재하지 않는 안테나의 측정된 주파수와 비교하여, 안테나와 연통하는 전도성 식별 스트립이 있을 때의 보다 높은 측정된 공진 주파수를 나타낸다. 바꾸어 말하면, 곡선(326)은 필터가 삽입된 후에, 컨트롤러에 의해 측정됨에 따른, 안테나의 공진 주파수 특성을 나타낼 수 있다. 공진 주파수 편이의 크기와 방향은 컨트롤러에 의해, 예상 공진 주파수 범위를 상이한 유형의 필터와 관련시키는 사전구성된 데이터와 상관되어, 컨트롤러가 예상 유형의 필터가 실제로 설치되었는지 여부를 결정하도록 허용할 수 있다.
도 25는 필터 하우징의 하나 이상의 식별 스트립(전도성 및/또는 자기)에 의해 유도되는 안테나의 공진 주파수의 편이를 검출함으로써 필터의 유형을 자동으로 식별하기 위해 본 명세서에 기술된 센서 중 임의의 것에 의해 수행되는 예시적인 공정을 예시한 순서도이다. 다양한 여과 시스템 및 필터 구성이 본 개시에 설명된 다양한 기술과 함께 사용될 수 있다. 도 25의 기술은 예시의 목적을 위해 도 23의 필터 식별 시스템(302)에 관하여 설명될 것이다. 그러나, 도 25의 기술이 상이한 필터 식별 시스템 구성에 대해 수행될 수 있고, 필터 식별 시스템의 이용이 도 25에 명시적으로 설명되지 않은 다른 기술을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 몇몇 예에서, 필터 매체는 필터 매체의 용량을 표시하도록 작동 중에 응답을 제공하는 비-여과 매체일 수 있다.
도 25의 예에서, 필터 식별 시스템(302)의 센서가 컨트롤러에 의해 활성화된다(332). 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서를 사전결정된 시간 간격을 두고 활성화시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 컨트롤러는 센서를 사용자 입력(예컨대, 리셋/시험 버튼을 누름), 외부 장치로부터의 자동화된 입력(예컨대, 별개의 컨트롤러로부터의 신호 등)에 의해 활성화시킬 수 있다. 도 25의 예에서, 컨트롤러가 무선 주파수("RF") 신호를 발생시킨다(334). 몇몇 예에서, RF 신호는 센서(308)의 공진 주파수일 수 있다. 도 25의 예에서, 컨트롤러가 센서(308)를 통해 RF 신호를 구동시켜 전자기장을 발생시킨다(336).
도 25의 예에서, 컨트롤러는 필터 식별 스트립이 안테나에 근접하지 않을(예컨대, 그것에 근접장 결합되지 않을) 때 전자기장의 적어도 하나의 제1 특성을 감지하며, 여기서 이러한 특성은 인덕턴스, 커패시턴스, 공진 주파수, 품질 계수, 등가 직렬 저항, 등가 병렬 저항 등일 수 있다(338). 이어서, 컨트롤러는 필터 식별 스트립이 안테나에 근접할 때 전자기장의 적어도 하나의 특성을 다시 감지한다(340). 도 25의 예에서, 감지된 특성 또는 특성들의 변화에 응답하여, 컨트롤러가 제1 측정치와 제2 측정치 사이의 차이를 결정한다(342). 도 25의 예에서, 컨트롤러가 센서를 비활성화시킨다(344). 도 25의 예에서, 컨트롤러는 차이가 사전결정된 범위 내에 있는지(346) 또는 달리 예상 필터 유형과 정합하는 범위(예컨대, 공진 주파수의 범위)와 정합하는지를 결정한다. 다른 예로서, 컨트롤러는 시간 경과에 따른 감지 특성의 프로파일이 예상 필터 유형의 삽입을 위한 예상 프로파일과 정합하는지 결정할 수 있다. 비교 시에 컨트롤러가 예상 필터 유형이 삽입되었다고 표시하면("예" 분기부), 필터 식별 시스템(302)은 필터 하우징(312)이 인증되었다는 표지 또는 메시지를 출력한다(348). 몇몇 예에서, 인증은 필터 수명 표시기(filter lifetime indicator)의 수동 리셋을 가능하게 할 수 있다. 도 25의 예에서, 정합이 검출되지 않으면("아니오" 분기부), 필터 식별 시스템(302)이 필터 하우징(312)을 인증하지 않아(350), 알람 또는 다른 표지/메시지를 생성한다. 몇몇 예에서, 인증 실패는 필터 수명 표시기의 수동 리셋을 가능하게 하지 않을 수 있다.
도 26은 필터 하우징에 부착된 센서 시스템의 안테나(364)에 의해 생성된 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 보여주기 위한(종축에 수직한 평면에서) 필터 하우징(362)의 종축을 따른 단면도이다. 도 26의 시뮬레이션된 개략도에서, 원통형 필터 하우징(362)은 전자기장(366)을 발생시키는 안테나(364)에 의해 둘러싸인다. 도 26의 예에서, 전자기장(366)은 필터 하우징(362)과 필터 매체(도시되지 않음)를 통해 방해 없이 전파된다. 또한, 도 26은 다양한 필터 매체를 감지하기 위해 생성된 자기장의 예시적인 강도를 보여준다. 몇몇 예에서, 전자기장(366)은 필터 매체의 작동 중에 필터 매체의 전도율에 의해 변경될 수 있다.
도 27은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 전도성 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 개략도이다. 도 27의 시뮬레이션된 개략도에서, 원통형 필터 하우징(372)은 전자기장(376)을 발생시키는 안테나(374)에 의해 둘러싸인다. 도 27의 예에서, 전자기장(376)은 필터 하우징(372)과 필터 매체(도시되지 않음)의 일부분을 통해 전파된다. 몇몇 예에서, 전자기장(376)은 필터 매체의 작동 중에 필터 매체의 전도율에 의해 변경될 수 있다. 도 27의 예에서, 전자기장(376)은 필터 하우징(372)을 둘러싸는 전도성 링(378)을 통해 전파되지 않는다. 이러한 방식으로, 도 27의 시뮬레이션은 필터 하우징에 근접한 전자기장의 형상이 전도성 식별 스트립에 의해 변경될 수 있는 것을 보여준다.
도 28은 필터 하우징의 외부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 전자기장을 예시한 개략도이다. 도 28의 시뮬레이션된 개략도에서, 원통형 필터 하우징(382)은 전자기장(386)을 발생시키는 안테나(384)에 의해 둘러싸인다. 도 28의 예에서, 전자기장(386)은 필터 하우징(382)과 필터 매체(도시되지 않음)의 일부분을 통해 전파된다. 몇몇 예에서, 전자기장(386)은 필터 매체의 작동 중에 필터 매체의 전도율에 의해 변경될 수 있다. 도 28의 예에서, 전자기장(386)은 필터 하우징(382)을 둘러싸는 페라이트 링(388)에 의해 변경된다. 이러한 방식으로, 이러한 시뮬레이션은 필터 블록 내의 자기장의 형상이 자기 식별 스트립에 의해 변경될 수 있는 것을 보여준다.
도 29는 필터 하우징의 내부 상에 위치된 자기 식별 스트립과 센서 시스템의 안테나의 예시적인 시뮬레이션된 자기장을 예시한 개략도이다. 도 29의 시뮬레이션된 개략도에서, 원통형 필터 하우징(392)은 전자기장(396)을 발생시키는 안테나(394)에 의해 둘러싸인다. 도 29의 예에서, 전자기장(396)은 필터 하우징(392)과 필터 매체(도시되지 않음)의 일부분을 통해 전파된다. 몇몇 예에서, 전자기장(396)은 필터 매체의 작동 중에 필터 매체의 전도율에 의해 변경될 수 있다. 도 29의 예에서, 전자기장(396)은 필터 하우징(392)의 내부에 위치되는 페라이트 원통(398)에 의해 변경된다. 이러한 방식으로, 이러한 시뮬레이션은 필터 블록 내의 자기장의 형상이 자기 식별 스트립에 의해 변경될 수 있는 것을 보여준다.
도 34a 및 도 34b는 필터 하우징 식별 시스템의 식별 스트립 및 안테나를 갖는 예시적인 필터 하우징을 예시한 개략도이다. 도 34a 및 도 34b의 예에서, 식별 스트립(1008A, 1008B)(전반적으로, "식별 스트립(1008)")은 유체 입구(1010A), 유체 출구(1010B), 및 4개의 필터 매체 층(1012A, 1012B, 1012C, 1012D)(집합적으로, "필터 매체(1012)")을 포함하는 비전도성 필터 하우징(1006)의 원주 둘레에 위치된다. 도 34a의 예에서, 식별 스트립(1008A)은 필터 하우징(1006)의 실질적으로 전체 원주를 에워싸고, 필터 하우징의 종축을 따라 측정됨에 따라 안테나(1004)로부터 거리(1014)를 두고 위치된다. 도 34b의 예에서, 식별 스트립(1008B)은 필터 하우징(1006)의 원주의 대략 절반을 에워싸고, 필터 하우징의 종축을 따라 측정됨에 따라 안테나(1004)로부터 거리(1014)를 두고 위치된다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(1008A, 1008B)은 하나 이상의 전도성 스트립 또는 자기 스트립을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 하나 이상의 식별 스트립은 필터 하우징(1006)의 주연부의 적어도 일부분 둘레에 위치될 수 있다. 몇몇 예에서, 식별 스트립(1008A, 1008B)은 안테나(1004)에 의해 발생되는 전자기장의 하나 이상의 특성을 변화시키되, 이러한 변화가 거리(1014)에 의존하도록 변화시킨다. 예를 들어, 안테나(1004)에 의해 발생되는 전자기장의 하나 이상의 특성은 식별 스트립(1008A, 1008B)이 안테나(1004)에 더 가깝게 또는 안테나로부터 더 멀리 위치됨에 따라 변화할 수 있다.
도 35는 도 34a의 식별 스트립(1008A) 및 안테나(1004)를 갖는 예시적인 필터 하우징(1006)의 단면도를 예시한 개략도이다. 도 35의 예에서, 필터 식별 시스템의 안테나(1004)는 유체 입구(1010A), 유체 출구(1010A), 4개의 필터 매체 층(1012A, 1012B, 1012C, 1012D)(집합적으로, "필터 매체(1012)")을 포함하는 비전도성 필터 하우징(1006) 및 식별 스트립(1008)과, 안테나(1004)와 식별 스트립(1008) 또는 필터 하우징(1006) 사이의 공기 갭(1016)을 에워싼다.
도 34a, 도 34b 및 도 35의 필터 하우징 식별 시스템을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 시뮬레이션에서, 안테나를 단일-권선 구리(σ=5.8 x 107 S/m) 유도성 루프로 구성하였다. 루프의 치수는 0.2 cm 두께, 1.3 cm 폭, 및 2.4 cm 내경이었다. 작은 공기 갭이 안테나와 하우징 사이에 존재하였다. 안테나를 590 pF 커패시턴스 요소에 전기적으로 접속시킴으로써 공진 회로로서 모델링하였다. 하우징을 비-전도성 플라스틱 재료(εr = 3, tanδ = 0.002)로 구성하였다. 하우징은 안테나와 필터 사이에 위치된다. 하우징의 외경 및 내경은 각각 46 mm 및 34 mm였다. 간단한 방법이 필터 내의 전기 전도율 구배의 효과를 조사하는 것을 허용하도록 필터를 4개의 동심 층으로서 모델링하였다. 모든 경우에, 필터의 비유전율(relative dielectric)은 2.5였다. 새로운 필터를 나타내기 위해, 모든 4개의 층을 23 S/m의 전도율을 갖도록 선택하였다. 부분적으로 사용된 필터를 나타내기 위해, 외측 2개 층(층 3 및 4)과 내측 층(층 1 및 2)을 각각 6.47 S/m 및 23 S/m의 전도율을 갖도록 선택하였다. 2개의 수층(water layer)(1010A, 1010B)(εr=81, σ=0.01 S/m)을 하우징(1006)과 필터 층(1012A) 사이 및 필터 층(1012D)의 내측 반경 내의 영역에 위치되는 것으로 시뮬레이션하였다.
이러한 시뮬레이션에서, 4개의 필터 매체 층(1012)은 하기의 치수를 가졌다:
도 36은 도 35에 관하여 기술된 예시적인 필터 하우징 식별 시스템의 공진 안테나의 실수 임피던스 대 주파수(㎓)에 대한 예시적인 시뮬레이션된 결과를 예시한 그래프이다. 특히, 도 36은 0.0, 0.3, 및 0.6 cm의 3가지 상이한 안테나-밴드 간격에 대해 필터 하우징의 외측 표면 상에 위치된 구리 밴드에 대한 공진 안테나의 임피던스의 실수부(real part)를 보여준다. 이러한 시뮬레이션에서, 구리 밴드의 치수는 ¼" 폭, 1.4 밀(mil) 두께이고, 0.2 mm 공기 갭을 갖고서 필터 하우징을 거의 완전히 감싼다. 안테나-밴드 간격(d)이 감소함에 따라, 공진 주파수의 편이가 증가한다. 필터 특성화의 응용에서, 완전 삽입 시의 안테나-밴드 간격이 주파수 또는 진폭 편이에 기초하여 필터 유형과 여과 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 근접 감지의 응용에서, 삽입 중의 안테나-밴드 간격이 적절한 필터 삽입(최소화된 누출 형성 가능성), 즉 누출 검출을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 37은 3가지 상이한 밴드 길이, 즉 하우징을 절반만큼 감싸는 밴드, 0.2 mm 공기 갭을 갖고서 하우징을 거의 완전히 감싸는 밴드, 및 단부들이 전기적으로 접속되는 상태로 하우징을 완전히 감싸는 밴드에 대해 필터 하우징의 외측 표면 상에 위치된 구리 밴드에 대한 공진 안테나의 임피던스의 실수부를 보여주는 예시적인 시뮬레이션된 결과를 예시한 다른 그래프이다. 전도성 밴드가 필터 하우징의 보다 큰 섹션을 감쌈에 따라, 공진 주파수의 편이가 증가한다. 밴드의 단부들을 전기적으로 접속시키는 것은 공진 주파수 편이의 증가를 유발한다. 이러한 접속의 저항이 편이의 크기에 영향을 미친다. 필터 특성화의 응용에서, 밴드의 길이가 필터 유형과 여과 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 누출 검출의 응용에서, 습기 의존성 저항기(moisture dependent resistor)를 포함하는 밴드의 섹션이 누출을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 방식으로, 도 37은 식별 밴드의 원주방향 길이가 변화됨에 따라 안테나의 공진 주파수 및 임피던스의 변화를 보여준다. 몇몇 예에서, 식별 밴드 길이에 기초한 안테나의 공진 주파수 및/또는 임피던스의 변화가 필터 하우징이 여과 시스템 내에 적절하게 안착되었는지 여부를 결정하기 위해 필터 하우징 위치를 특성화할 수 있으며, 이는 잠재적인 유체 누출을 경고하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 식별 밴드 길이에 기초한 안테나의 공진 주파수 또는 임피던스의 변화가 필터 하우징의 다른 파라미터를 특성화할 수 있다.
도 38a 및 도 38b는 전도성 식별 밴드를 사용할 때 공진 주파수 편이에 대한 예시적인 시뮬레이션된 결과를 예시한 그래프이다. 특히, 이러한 그래프는 3가지 상이한 길이를 가진 구리 밴드, 즉 하우징을 절반만큼 감싸는 밴드, 0.5 mm 공기 갭을 갖고서 하우징을 거의 완전히 감싸는 밴드, 및 단부들이 전기적으로 접속되는 상태로 하우징을 완전히 감싸는 밴드가 필터 하우징의 외측 표면에 부착된 필터에 대한 공진 안테나의 임피던스의 실수부를 보여준다. 이러한 도면은 2가지 필터 전도율, 즉 모든 4개의 층에 대해 23 S/m의 전도율을 가진 새로운 필터와 내측 2개 층에 대해 23 S/m 및 외측 2개 층에 대해 6.47 S/m의 전도율을 가진 부분적으로 사용된 필터에 대한 임피던스의 실수부를 보여준다.
표 3은 4개의 상이한 식별 밴드의 각각의 공진 주파수에서 새로운 필터 및 부분적으로 사용된 필터에 대한 실수 임피던스의 실험 결과를 옴 단위로 보여준다.
[표 3]
이러한 방식으로, 도 38a 및 도 38b는 식별 밴드(1008)가 있을 때와 없을 때 필터 매체(1012)의 전도율 변화에 대한 감도가 유사하고, 공진 주파수와 임피던스의 변화가 식별 밴드에 기초한 필터 유형 및 필터 매체의 전도율에 기초한 필터 용량 둘 모두를 결정하기 위해 사용될 수 있는 것을 보여준다.
도 39는 시뮬레이션된 필터 감지 시스템의 자기장의 4가지 등고선 플롯을 도시한다. 특히, 이러한 등고선 플롯은 밴드가 없는, 1/4 인치 폭, 1.4 밀 두께 구리 밴드가 있는, 1 인치 폭, 1.4 밀 두께 구리 밴드가 있는, 그리고 1 인치 폭, 200 um 두께 연질 자기 밴드(μr′=100, μr″ = 10)가 있는 공진 안테나에 대한 자기장을 도시한다.
도 40은 필터의 장축을 따른 축방향 거리의 함수로서 도 39의 자기장을 도시한 그래프이다. 축방향 위치는 도 39에 파선에 의해 표시된다. 필터 하우징의 외부 표면 상에 위치되는 전도성 및 자기 밴드의 존재는 공진 안테나로부터의 자기장의 분포를 변경시킨다. 이들 시뮬레이션에 의해 볼 수 있는 바와 같이, 구리 밴드의 존재는 자기장이 밴드의 부재 시의 자기장에 비해 필터의 축을 따라 확장되는 결과를 가져온다. 자기장의 재분포는 상이한 영역, 위치, 및 체적에서 필터 재료를 탐색하는 데 사용될 수 있다.
도 41은 자기장 분포 및 센서 감도에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드의 영향을 모델링하기 위해 사용되는 필터 배열 및 기하학적 구조의 개략도를 도시한다.
도 42는 공진 안테나가 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 또는 자기 밴드와 함께 사용되는 도 41의 필터 배열에 의해 발생된 시뮬레이션된 자기장의 등고선 플롯을 도시한다. 모든 경우에, 전도성 또는 자성 재료의 존재는 공진 안테나로부터 발생되는 자기장의 변경된 분포를 유발한다.
도 43은 공진 안테나의 실수 임피던스와 공진 주파수에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 모델링된 전도성 및 자기 밴드의 영향을 도시한 4가지 그래프를 도시한다. 모든 경우에, 이러한 시뮬레이션은 필터의 외측 2개 층의 전도율이 감소함에 따라, 공진 시의 실수 임피던스의 진폭이 증가하는 것을 표시하였다. 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 밴드는 밴드가 없을 때에 비해 더 높은 기사용/미사용 비를 생성하였다. 긴 코어 자기 밴드가 필터 전도율의 변화와 관련된 주파수의 변화를 증가시킨다.
아래의 표 4는 공진 시의 실수 임피던스(RAF)에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 및 자기 밴드의 영향을 보여준다. 모든 경우에, 필터의 외측 2개 층의 전도율이 감소함에 따라, 공진 시의 실수 임피던스의 진폭이 증가한다. 2개의 5 mm 코어 Cu 밴드는 필터의 외측 2개 층의 전도율 감소에 의해 유발되는 실수 임피던스의 최대 변화를 갖는 것으로 관찰되었다.
[표 4]
아래의 표 5는 공진 안테나의 공진 주파수에 미치는 필터의 내측 표면 상에 위치된 전도성 및 자기 밴드의 영향을 보여준다. 모든 경우에, 필터의 외측 2개 층의 전도율이 감소함에 따라, 공진 주파수가 감소한다. 긴 코어 자기 밴드는 필터의 외측 2개 층의 전도율 감소에 의해 유발되는 주파수의 최대 변화를 갖는 것으로 관찰되었다.
[표 5]
도 44는 전도성 링이 플라스틱 필터 하우징 내에 매립된(즉, 그것 내에 통합된) 공진 안테나에 대해 수행된 시뮬레이션에 대한 모델링 기하학적 구조, 자기장 등고선 플롯, 모델링 기하학적 구조, 실수 임피던스, 및 자기장을 도시한다. 필터의 외측 2개 층의 전도율이 감소할 때 실수 임피던스 및 공진 주파수 증가가 발생한다. 이러한 시뮬레이션에서, 플라스틱 하우징 내에 매립된 전도성 링이 필터 전도율의 변화에 의해 유발되는 공진 주파수의 큰 2 내지 3% 편이를 유발하였다.
이전의 섹션에서 식별 밴드로서 기술되었지만, 몇몇 예에서, 식별 밴드가 전통적인 긴 "밴드" 형상이 아닌 상이한 형상 또는 프로파일을 가질 수 있는 것이 구상된다. 예를 들어, 식별 밴드는 직사각형, 원형, 사다리꼴, 또는 삼각형 형상을 가질 수 있다. 다른 예에서, 밴드는 가요성, 유연성, 강성, 굽힘가능한, 또는 성형가능한 재료로 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 밴드는 주로 1D, 2D, 또는 3D 프로파일을 가질 수 있고, 필터 하우징에 또는 그것 내에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예
실시예 1. 센서로서,
센서 하우징;
적어도 2개의 전기 프로브를 포함하는 일 세트의 전기 프로브; 및
전기 프로브의 세트를 통해 필터 매체의 적어도 일부분 내에 전류를 발생시키도록 전기 프로브의 세트에 결합되어 전류를 구동시키는 컨트롤러를 포함하고,
컨트롤러는 필터 매체의 잔여 필터 용량을 나타내는 전류의 특성을 검출하도록 구성되는, 센서.
실시예 2. 실시예 1의 센서로서, 컨트롤러는 검출된 특성에 기초하여 필터 매체의 잔여 필터 용량을 결정하도록 추가로 구성되는, 센서.
실시예 3. 실시예 1 또는 실시예 2의 센서로서, 컨트롤러는 검출된 특성을 원격 모니터에 전달하도록 추가로 구성되는, 센서.
실시예 4. 실시예 3의 센서로서, 전기 프로브의 세트는,
필터 매체를 포함하는 필터 하우징의 외부 벽에 인접하게 배치되는 적어도 2개의 외부 전기 프로브; 및
필터 매체의 적어도 일부분 내에서 필터 하우징의 내부 벽에 인접하게 위치되는 적어도 2개의 내부 전기 프로브를 포함하고,
적어도 2개의 외부 전기 프로브는 적어도 2개의 내부 전기 프로브 내에 전류를 유도하도록 구성되는, 센서.
실시예 5. 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예의 센서로서, 전기 프로브의 세트는 필터 매체를 통한 유체 유동의 경로를 따라 필터 매체의 상이한 부분에 배치되는 전기 프로브를 포함하는, 센서.
실시예 6. 방법으로서,
센서의 컨트롤러에 의해, 전류를 발생시키는 단계;
전류를 센서의 적어도 2개의 프로브를 통해 필터 매체의 적어도 일부분 내로 구동시키는 단계; 및
컨트롤러에 의해, 필터 매체의 잔여 필터 용량을 나타내는 전류의 특성을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 7. 실시예 6의 방법으로서, 컨트롤러에 의해, 검출된 특성에 기초하여 필터 매체의 잔여 필터 용량을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 8. 실시예 6의 방법으로서, 컨트롤러에 의해, 필터 매체의 잔여 필터 용량을 나타내는 전류의 특성이 임계 범위 내에 있는지를 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 9. 실시예 8의 방법으로서, 컨트롤러에 의해, 알람 신호를 발생시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 10. 실시예 6의 방법으로서, 검출된 특성을 원격 모니터에 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 11. 필터 장치로서,
미여과 유체가 진입하는 입구 및 여과된 유체가 배출되는 출구를 포함하는 필터 하우징;
주 내측 표면 및 주 외측 표면을 갖고, 필터 하우징 내에 배치되어 필터 하우징을 통과하는 유체를 여과하도록 그리고 내측 및 외측 표면 중 적어도 하나를 통한 분배된 유체 플럭스를 유지하도록 구성되는, 블록 필터;
필터 하우징의 벽을 통해 연장되고, 전류를 전도하도록 구성되는 블록 필터에 전기 접촉하는, 일 세트의 2개 이상의 전기 프로브; 및
전기 프로브의 세트에 전기적으로 결합되고, 필터 매체의 용량을 나타내는 전류의 특성을 검출하도록 구성되는 컨트롤러와 통신하도록 필터 하우징 외부에서 접근가능한, 커넥터를 포함하는, 필터 장치.
실시예 12. 실시예 11의 필터 장치로서, 매체는 탄소질 재료(carbonaceous material)를 포함하는, 필터 장치.
실시예 13. 실시예 11 또는 실시예 12의 필터 장치로서, 매체는 물 소독제, 중금속, 살충제 및 제초제, 처방약, 세제를 제거하도록, 촉매 환원을 지원하도록, 그리고 촉매 산화를 지원하도록 구성되는, 필터 장치.
실시예 14. 실시예 11 내지 실시예 13 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 블록 필터는 원통형, 원추형, 및 프리즘형 영역을 갖는, 필터 장치.
실시예 15. 실시예 11 내지 실시예 14 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 블록 필터의 링 평면 표면에 전기적으로 접촉하는, 필터 장치.
실시예 16. 실시예 11 내지 실시예 15 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 블록 필터의 외측 또는 내측 표면에 전기적으로 접촉하는, 필터 장치.
실시예 17. 실시예 11 내지 실시예 16 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 블록 필터는 고 플럭스의 영역을 포함하는, 필터 장치.
실시예 18. 실시예 11 내지 실시예 17 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 분배된 유체 플럭스는 내측 표면을 통해 실질적으로 균일한, 필터 장치.
실시예 19. 실시예 11 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 분배된 유체 플럭스는 알려져 있는, 필터 장치.
실시예 20. 실시예 11 내지 실시예 19 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트는 여과 중에 필터 매체와 실질적으로 일정한 전기 접촉을 유지하도록 구성되는, 필터 장치.
실시예 21. 실시예 11 내지 실시예 20 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 비-부식성 재료 또는 코팅을 포함하는, 필터 장치.
실시예 22. 실시예 11 내지 실시예 21 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 스프링 부하식인, 필터 장치.
실시예 23. 실시예 11 내지 실시예 22 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 필터 매체와 직접적으로 접촉하는, 필터 장치.
실시예 24. 실시예 11 내지 실시예 23 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 전기 전도성 유체를 통해 필터 매체와 전기 접촉하는, 필터 장치.
실시예 25. 실시예 11 내지 실시예 24 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트는 동일 선상의 어레이로 배열되는, 필터 장치.
실시예 26. 실시예 11 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트는 전압을 감지하기 위해, 전류를 감지하기 위해, 전압을 인가하기 위해, 그리고 전류를 인가하기 위해 사용되는, 필터 장치.
실시예 27. 실시예 11 내지 실시예 26 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 필터 하우징의 외측 표면에 대해 동일 평면 상에 있거나, 돌출되거나, 카운터싱킹되는, 필터 장치.
실시예 28. 실시예 11 내지 실시예 27 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 블록의 내측 표면 내에 위치되는, 필터 장치.
실시예 29. 실시예 11 내지 실시예 28 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 필터 하우징의 내측 표면에 대해 동일 평면 상에 있거나, 돌출되거나, 카운터싱킹되는, 필터 장치.
실시예 30. 실시예 11 내지 실시예 29 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 전류는 직류, 교류, 또는 전류 펄스인, 필터 장치.
실시예 31. 실시예 11 내지 실시예 30 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 커넥터는 필터 하우징을 통한 직접 전기 접촉을 제공하도록 구성되는, 필터 장치.
실시예 32. 실시예 11 내지 실시예 31 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 커넥터는 하우징에 자기적으로 결합되도록 구성되는, 필터 장치.
실시예 33. 실시예 11 내지 실시예 32 중 어느 한 실시예의 필터 장치로서, 커넥터는 필터 하우징의 유체 입구, 유체 출구, 또는 이들의 조합을 통과하는, 필터 장치.
본 개시의 다양한 태양이 기술되었다. 이들 및 다른 태양이 하기 청구범위의 범주 내에 있다.
Claims (16)
- 센서로서,
센서 하우징;
적어도 2개의 전기 프로브(electrical probe)를 포함하는 일 세트의 전기 프로브; 및
전기 프로브의 세트를 통해 필터 매체의 적어도 일부분 내에 전류를 발생시키도록 전기 프로브의 세트에 결합되어 전류를 구동시키는 컨트롤러를 포함하고,
컨트롤러는 필터 매체의 잔여 필터 용량(remaining filter capacity)을 나타내는 전류의 특성을 검출하도록 구성되는, 센서. - 제1항에 있어서, 컨트롤러는 검출된 특성에 기초하여 필터 매체의 잔여 필터 용량을 결정하도록 추가로 구성되는, 센서.
- 제1항에 있어서, 컨트롤러는 검출된 특성을 원격 모니터에 전달하도록 추가로 구성되는, 센서.
- 제3항에 있어서, 전기 프로브의 세트는,
필터 매체를 포함하는 필터 하우징의 외부 벽에 인접하게 배치되는 적어도 2개의 외부 전기 프로브; 및
필터 매체의 적어도 일부분 내에서 필터 하우징의 내부 벽에 인접하게 위치되는 적어도 2개의 내부 전기 프로브를 포함하고,
적어도 2개의 외부 전기 프로브는 적어도 2개의 내부 전기 프로브 내에 전류를 유도하도록 구성되는, 센서. - 제1항에 있어서, 전기 프로브의 세트는 필터 매체를 통한 유체 유동의 경로를 따라 필터 매체의 상이한 부분에 배치되는 전기 프로브를 포함하는, 센서.
- 방법으로서,
센서의 컨트롤러에 의해, 전류를 발생시키는 단계;
전류를 센서의 적어도 2개의 프로브를 통해 필터 매체의 적어도 일부분 내로 구동시키는 단계; 및
컨트롤러에 의해, 필터 매체의 잔여 필터 용량을 나타내는 전류의 특성을 검출하는 단계를 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
컨트롤러에 의해, 검출된 특성에 기초하여 필터 매체의 잔여 필터 용량을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
컨트롤러에 의해, 필터 매체의 잔여 필터 용량을 나타내는 전류의 특성이 임계 범위 내에 있는지를 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제8항에 있어서,
컨트롤러에 의해, 알람 신호(alarm signal)를 발생시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
검출된 특성을 원격 모니터에 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 필터 장치(filter device)로서,
미여과 유체가 진입하는 입구 및 여과된 유체가 배출되는 출구를 포함하는 필터 하우징;
주 내측 표면 및 주 외측 표면을 갖고, 필터 하우징 내에 배치되어 필터 하우징을 통과하는 유체를 여과하도록 그리고 내측 및 외측 표면 중 적어도 하나를 통한 분배된 유체 플럭스(distributed fluid flux)를 유지하도록 구성되는, 블록 필터(block filter);
필터 하우징의 벽을 통해 연장되고, 전류를 전도하도록 구성되는 블록 필터에 전기 접촉하는, 일 세트의 2개 이상의 전기 프로브; 및
전기 프로브의 세트에 전기적으로 결합되고, 필터 매체의 용량을 나타내는 전류의 특성을 검출하도록 구성되는 컨트롤러와 통신하도록 필터 하우징 외부에서 접근가능한, 커넥터를 포함하는, 필터 장치. - 제11항에 있어서, 매체는 탄소질 재료(carbonaceous material)를 포함하는, 필터 장치.
- 제11항에 있어서, 매체는 물 소독제, 중금속, 살충제 및 제초제, 처방약, 세제를 제거하도록, 촉매 환원을 지원하도록, 그리고 촉매 산화를 지원하도록 구성되는, 필터 장치.
- 제11항에 있어서, 블록 필터는 원통형, 원추형, 및 프리즘형 영역을 갖는, 필터 장치.
- 제11항에 있어서, 전기 프로브의 세트 중 적어도 하나는 블록 필터의 링 평면 표면(ring plane surface)에 전기적으로 접촉하는, 필터 장치.
- 제11항에 있어서, 블록 필터는 고 플럭스(high flux)의 영역을 포함하는, 필터 장치.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562205502P | 2015-08-14 | 2015-08-14 | |
| US62/205,502 | 2015-08-14 | ||
| US201562263439P | 2015-12-04 | 2015-12-04 | |
| US62/263,439 | 2015-12-04 | ||
| PCT/US2016/045844 WO2017030812A1 (en) | 2015-08-14 | 2016-08-05 | Electronic sensor having electrical contacts for direct monitoring of filter media within a filtration system |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020187037198A Division KR20190000904A (ko) | 2015-08-14 | 2016-08-05 | 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180030929A true KR20180030929A (ko) | 2018-03-26 |
Family
ID=56851686
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020187006845A KR20180030929A (ko) | 2015-08-14 | 2016-08-05 | 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 |
| KR1020187037198A KR20190000904A (ko) | 2015-08-14 | 2016-08-05 | 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020187037198A KR20190000904A (ko) | 2015-08-14 | 2016-08-05 | 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20180229161A1 (ko) |
| EP (1) | EP3334511A1 (ko) |
| KR (2) | KR20180030929A (ko) |
| CN (1) | CN107921340A (ko) |
| WO (1) | WO2017030812A1 (ko) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11002630B2 (en) | 2016-08-31 | 2021-05-11 | 3M Innovative Properties Company | Systems and methods for modeling, analyzing, detecting, and monitoring fluid networks |
| CN109661627B (zh) | 2016-08-31 | 2021-09-03 | 3M创新有限公司 | 用于建模、分析、检测并监测流体网络的系统和方法 |
| EP3507725A4 (en) | 2016-08-31 | 2020-05-06 | 3M Innovative Properties Company | SYSTEMS AND METHODS FOR MODELING, ANALYZING, DETECTING AND MONITORING FLUID NETWORKS |
| US9707502B1 (en) | 2016-09-26 | 2017-07-18 | 3M Innovative Properties Company | Conductive loop detection member |
| CN110366441B (zh) * | 2017-03-06 | 2022-06-28 | 康明斯滤清系统知识产权公司 | 具有过滤器监控系统的原装过滤器识别 |
| CN107238745A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-10-10 | 杭州电子科技大学 | 高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统 |
| WO2019087101A1 (en) | 2017-11-03 | 2019-05-09 | 3M Innovative Properties Company | System and method for anomaly detection in an electrical network |
| US10908200B2 (en) | 2018-03-29 | 2021-02-02 | Cirrus Logic, Inc. | Resonant phase sensing of resistive-inductive-capacitive sensors |
| US10921159B1 (en) | 2018-03-29 | 2021-02-16 | Cirrus Logic, Inc. | Use of reference sensor in resonant phase sensing system |
| US11537242B2 (en) | 2018-03-29 | 2022-12-27 | Cirrus Logic, Inc. | Q-factor enhancement in resonant phase sensing of resistive-inductive-capacitive sensors |
| US11092657B2 (en) | 2018-03-29 | 2021-08-17 | Cirrus Logic, Inc. | Compensation of changes in a resonant phase sensing system including a resistive-inductive-capacitive sensor |
| US10725549B2 (en) * | 2018-03-29 | 2020-07-28 | Cirrus Logic, Inc. | Efficient detection of human machine interface interaction using a resonant phase sensing system |
| US10642435B2 (en) | 2018-03-29 | 2020-05-05 | Cirrus Logic, Inc. | False triggering prevention in a resonant phase sensing system |
| KR20200025223A (ko) | 2018-08-29 | 2020-03-10 | 주식회사 이에스티 | 공냉 시스템을 갖는 컨테이너 차량 |
| US10948313B2 (en) | 2019-02-26 | 2021-03-16 | Cirrus Logic, Inc. | Spread spectrum sensor scanning using resistive-inductive-capacitive sensors |
| US11402946B2 (en) | 2019-02-26 | 2022-08-02 | Cirrus Logic, Inc. | Multi-chip synchronization in sensor applications |
| US11536758B2 (en) | 2019-02-26 | 2022-12-27 | Cirrus Logic, Inc. | Single-capacitor inductive sense systems |
| US10935620B2 (en) | 2019-02-26 | 2021-03-02 | Cirrus Logic, Inc. | On-chip resonance detection and transfer function mapping of resistive-inductive-capacitive sensors |
| US11079874B2 (en) | 2019-11-19 | 2021-08-03 | Cirrus Logic, Inc. | Virtual button characterization engine |
| US11579030B2 (en) | 2020-06-18 | 2023-02-14 | Cirrus Logic, Inc. | Baseline estimation for sensor system |
| US11835410B2 (en) | 2020-06-25 | 2023-12-05 | Cirrus Logic Inc. | Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system |
| US11868540B2 (en) | 2020-06-25 | 2024-01-09 | Cirrus Logic Inc. | Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system |
| US11619519B2 (en) | 2021-02-08 | 2023-04-04 | Cirrus Logic, Inc. | Predictive sensor tracking optimization in multi-sensor sensing applications |
| US11808669B2 (en) | 2021-03-29 | 2023-11-07 | Cirrus Logic Inc. | Gain and mismatch calibration for a phase detector used in an inductive sensor |
| US11821761B2 (en) | 2021-03-29 | 2023-11-21 | Cirrus Logic Inc. | Maximizing dynamic range in resonant sensing |
| US11507199B2 (en) | 2021-03-30 | 2022-11-22 | Cirrus Logic, Inc. | Pseudo-differential phase measurement and quality factor compensation |
| US11979115B2 (en) | 2021-11-30 | 2024-05-07 | Cirrus Logic Inc. | Modulator feedforward compensation |
| US11854738B2 (en) | 2021-12-02 | 2023-12-26 | Cirrus Logic Inc. | Slew control for variable load pulse-width modulation driver and load sensing |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09276855A (ja) * | 1996-04-17 | 1997-10-28 | Samsung Electron Co Ltd | 浄水器の浄水効率表示装置 |
| US20060144765A1 (en) * | 2004-12-30 | 2006-07-06 | Timothy Skwiot | Conductivity measurement and monitoring system for a fluid treatment system |
| EP2442879B1 (en) * | 2009-06-16 | 2014-12-24 | Parker Hannifin Manufacturing (UK) Limited | A water filter |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5820870Y2 (ja) * | 1977-07-28 | 1983-05-02 | 株式会社東芝 | 乾燥機 |
| US5106501A (en) * | 1990-01-16 | 1992-04-21 | Ametek, Inc. | Multi-function filter cartridge with flow distribution control |
| US5234601A (en) * | 1992-09-28 | 1993-08-10 | Autotrol Corporation | Apparatus and method for controlling regeneration of a water treatment system |
| US5680055A (en) * | 1995-07-19 | 1997-10-21 | Marquette University | Method and apparatus to sense changes in the state of a resin bed |
| EP1507578A1 (en) | 2002-02-15 | 2005-02-23 | Cuno Incorporated | System for monitoring the performance of fluid treatment cartridges |
| ITTO20040903A1 (it) * | 2004-12-24 | 2005-03-24 | Eltek Spa | Dispositivo per la rilevazione di caratteristiche di un fluido in autoveicoli |
| EP2060310A1 (en) * | 2007-11-14 | 2009-05-20 | Delphi Technologies, Inc. | Filter for fluid |
| US20140263054A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Water Safety Corporation | Water Purification System |
-
2016
- 2016-08-05 KR KR1020187006845A patent/KR20180030929A/ko not_active IP Right Cessation
- 2016-08-05 CN CN201680047386.9A patent/CN107921340A/zh active Pending
- 2016-08-05 WO PCT/US2016/045844 patent/WO2017030812A1/en active Application Filing
- 2016-08-05 KR KR1020187037198A patent/KR20190000904A/ko active Application Filing
- 2016-08-05 EP EP16758318.6A patent/EP3334511A1/en not_active Withdrawn
- 2016-08-05 US US15/749,560 patent/US20180229161A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09276855A (ja) * | 1996-04-17 | 1997-10-28 | Samsung Electron Co Ltd | 浄水器の浄水効率表示装置 |
| US20060144765A1 (en) * | 2004-12-30 | 2006-07-06 | Timothy Skwiot | Conductivity measurement and monitoring system for a fluid treatment system |
| EP2442879B1 (en) * | 2009-06-16 | 2014-12-24 | Parker Hannifin Manufacturing (UK) Limited | A water filter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2017030812A1 (en) | 2017-02-23 |
| CN107921340A (zh) | 2018-04-17 |
| US20180229161A1 (en) | 2018-08-16 |
| EP3334511A1 (en) | 2018-06-20 |
| KR20190000904A (ko) | 2019-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101920603B1 (ko) | 여과 시스템 내의 필터 매체의 식별 | |
| KR101920604B1 (ko) | 여과 시스템 내의 필터 매체의 능동적 모니터링을 위한 전자기 센서 | |
| KR20180030929A (ko) | 여과 시스템 내의 필터 매체의 직접 모니터링을 위한 전기 접점을 갖는 전자 센서 | |
| US10366316B2 (en) | Conductive loop detection member | |
| JP6934891B2 (ja) | Ｒｆ信号を利用した非接触方式の電気伝導度および不導体の誘電率特性変化測定装置 | |
| US11189152B2 (en) | Multi-zone filtration monitoring systems and methods | |
| US9733203B2 (en) | Wireless chemical sensing method | |
| WO2009137825A1 (en) | Wireless chemical sensor and sensing method for use therewith | |
| KR101688197B1 (ko) | 전류유도 방식의 입자 검출센서 및 측정방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| A302 | Request for accelerated examination | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2018101005147; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20181221 Effective date: 20190426 |
|
| S901 | Examination by remand of revocation | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| S601 | Decision to reject again after remand of revocation |