KR20200069233A - 광학 흐름 측정을 위한 흐름 측정 디바이스 및 흐름 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 적어도 하나의 광원(11) 및 적어도 하나의 센서 유닛(12)을 이용해, 유체(10)에 존재하는 입자(13)가 측정 평면(14) 내에서 검출되게 하도록, 폐단면에서 유체(10)의 체적 유량을 광학 측정하기 위한 유량 측정 방법 및 이러한 목적의 유량 측정 디바이스(1)이다. 본 발명에 따라, 적어도 하나의 측정 평면 및 여기에 존재하는 입자(13)가 조명(11)에 의해 조명되며, 센서 유닛(12)에, 센서 신호(S)를 출력하는 적어도 두 개의 또는 복수의 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)가 제공되며, 컴퓨팅 유닛(16)은 센서 유닛(12)의 다운스트림에 연결되며, 공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)의 개별 신호를 적분 및 가중화함으로써 센서 신호(S)가 실시간으로 처리되며, 출력 신호(18)로서 출력되도록 컴퓨팅 유닛(16)이 센서 유닛(12)의 다운스트림에 연결된다.

Description

광학 흐름 측정을 위한 흐름 측정 디바이스 및 흐름 측정 방법{A FLOW MEASUREMENT METHOD AND A FLOW MEASUREMENT DEVICE FOR OPTICAL FLOW MEASUREMENT}
본 발명은 폐단면에서의 유체의 체적 유량의 광학 측정을 위한 흐름 측정 방법 및 이러한 목적으로 적어도 하나의 광원 및 유체에 존재하는 입자가 측정 평면 내에서 포착되는 적어도 하나의 센서 유닛을 갖는 흐름 측정 디바이스와 관련된다.
많은 유량 측정 방법이 침습성 측정 방법이며, 이는 흐름에 영향을 미치며 따라서 예를 들어 측정 오류를 야기할 수 있다. 다른 한편으로는, 상이한 동작 원리를 기초로 하는 비-침습성 방법이 존재한다.
유량 측정을 위한 비-침습성 방법의 경우, 흐름에서 측정 센서가 사용될 때 파이프 섹션 내 유체의 흐름이 방해되지 않아서, 원칙적으로 비-침습성 측정 방법이 선호되어야 한다. 유체의 유속의 측정을 위한 비-침습성 방법에서, 유체와의 기계적 상호작용 또는 연결이 없고, 측정 노력이 예를 들어, 흐르는 유체에 돌출되어 있는 측정 센서와의 기계적 상호작용에 의한 유량 측정의 경우보다 상당히 더 클 수 있다.
유량 및 체적 유량을 측정하기 위한 현재 공정-맞춤 방법은 상이한 동작 원리를 기초로 한다. 음향 방법이 파이프를 수정하지 않고 사용될 수 있지만, 이들은 단지 통합 값만 제공한다. 코리올리스 흐름 측정 방법이 통합 질량 유량을 결정한다. 자기 유도 방법이 전도성 유체를 필요로 한다. 유량 또는 체적 유량을 결정하기 위한 공정-맞춤 광학 센서 원리가 현재 구현된 바 없으며 문헌에 알려져 있지 않다. 파이프 내 흐름 프로파일에 의한 유량 및 체적 유량 측정은, 흐름 프로파일의 연속적이며, 시간-분해적이고, 실시간 가능한 측정을 필요로 한다. 체적 유량을 결정하기 위한 현재 알려진 광학 유량 측정 기법이 비교적 낮은 하드웨어 비용으로 파이프 섹션에서의 흐름 프로파일의 실시간 연속 시간-분해적 결정을 가능하게 하지 않는다.
가령, 파이프 섹션 내 유량 측정을 위한 광학 방법은, 유체가 파이프 섹션을 통과해 흐르는 동안 전자기 파, 특히, 광에 의한 유체의 조사(irradiation)를 기초로 한다. 원칙적으로, 세 가지 방법은 구별될 수 있다: 정시 측정 방법(punctual measurement method), 통합 측정 방법, 및 공간-분해 측정 방법.
정시 측정 방법의 한 가지 예시는 레이저 도플러 기법(laser Doppler technique)이다. 이 기법만 이용할 때, 국지적으로 한정된 영역이 측정될 수 있으며 도출되는 작은 측정 영역이 유체의 전체 체적 유량에 관한 부정확한 지시를 야기한다. 이는 특히 독특한 또는 심지어 동적으로 변하는 흐름 프로파일을 갖는 흐름과 관련된다. 일반적으로 프로파일을 스캐닝함으로써 정지 흐름을 위해 레이저 도플러 기법을 이용한 체적 유량 측정이 사용된다.
DE 10 2005 042 954 A1에서 레이저 도플러 기법이 흐름 프로파일의 공간-분해된 결정을 포함하도록 확장되어 있다. 그러나 본 명세서에 기재된 프로파일 센서는 중첩된 분류 간섭대 구조를 구현하고, 조절하고, 연결하기 위해 높은 비용을 요구한다. 이는 또한 공정으로의 간섭 구조물의 광학적 및/또는 기계적 적응을 수행할 것을 필요로 한다. 덧붙여, 레이저 도플러 기법은 항상 간섭광을 필요로 하고 따라서 레이저 빔 소스를 필요로 한다. 덧붙여, 센서는 간섭 패턴을 방해하기 때문에 만곡된 표면을 직접 통과해 측정할 수 없다.
통합형 방법은, 예를 들어, CA 2 439 242 A1에서 알려진 광학 런타임 또는 상관 유량계에 의해 구현된다. 이 방법은 전체 흐름 프로파일에 걸쳐 신호를 통합한다. 체적 유량으로의 변환은 흐름 프로파일에 대한 복잡한 모델 가정을 필요로 한다. 바람직하지 않게도, 속도-관련 또는 장치-관련 흐름 프로파일 변화가 측정 정확도 및/또는 동적 범위를 감소시킨다.
유체의 공간-분해된 유속을 결정하기 위한 알려진 광학 측정 방법이 이른바 입자 영상 유속법(particle image velocimetry)이다. 이 방법은 흐름에 존재하는 영상 입자의 국지적 2차원 변위를 결정한다. 변위의 추정이 교차-상관(입자 영상 유속법(PIV: particle image velocimetry)) 또는 이미지 특성의 추적(입자 추적 유속법(PTV: particle tracking velocimetry))을 기초로 한다. 이미지 데이터를 분석하고 로컬 속도 벡터를 결정하기 위해 필요한 매우 높은 컴퓨팅 파워 때문에, 유체의 유속의 연속적인 실시간 측정은 구현이 용이하지 않다. 필요한 측정 기법, 특히, 높은 컴퓨팅 파워를 제공하기 위한 하드웨어가 매우 비싸다.
덧붙여, 입자 영상 유속법은 이미지의 균일한 포커싱을 필요로 한다. 둥근 파이프에서의 및/또는 비스듬한 관측 방향에서의 체적 유량 측정의 경우, 포커스의 충분한 균일성이 존재하지 않고 이미징 품질이 로컬하게 변한다. 비스듬한 관측 방향에서 균일한 이미징 품질을 제공하기 위해, 입자 영상 유속법은 이른바 샤임플러그(Scheimpflug) 디바이스를 이용한다. 이들 디바이스는 다소 복잡한 광학-기계식 구성을 가지며 마이크로렌즈 어레이 때문에 모든 이미지 센서에 적합한 것은 아니다. 덧붙여, 입자 영상 유속법이 이미지 교정을 필요로 한다. 입자 영상 유속법에 의한 연속적인 시간-분해적 실시간 체적 유량 측정이 학술 문헌 또는 상업 섹터에서 알려져 있지 않다.
움직임을 결정하기 위한 또 다른 광학 방법이 영상 공간 필터링 기법이다. 일반적으로, 공간 필터링 기법이 표면의 1-성분 정시 속도를 결정하기 위한 정시 기법(punctual technique)으로서 사용된다. 공간 필터 신호는 많은 개별 스캐터링 신호의 겹침으로부터 도출된다.
공간-분해 흐름 속도를 결정하기 위한 공간 필터링 기법의 사용을 다루는 소수의 학술 논문이 있다. 공간 필터 기법은, 예를 들어, Schaeper M, Damaschke N, K
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ggel S (2011); "Partical image velocimetry by using optical spatial filtering method PIV'11", Ninth International Symposium on Particle Image Velocimetry, Kobe, Japan의 유속 필드의 공간-분해 측정을 위해 사용된다. 입자 영상 유속법과 반대되는 이미징 공간 필터링 기법의 이점이 국소 이미지 변위를 결정하기 위한 계산 노력이 크게 감소된다는 것이다. Steinmetz T, Schaeper M, Kostbade R, Damaschke N, (2018) "Accuracy of Time-Resolved Velocity Estimation by Adaptive Spatial Filter Velocimetry in Comparison to PIV Cross Correlation" 19th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal에서, 공간 필터링 기법이 입자 영상 유속법에 의해 획득되는 것과 유사한 정확도를 획득하는 것을 가능하게 한다. 이와 달리, 이 기법은 입자 영상 유속법과 동일한 단점을 가진다.
또한 공간 필터링 기법은 모세관에서의 속도 결정을 위해 사용된다. DE 10 2010 030 835 A1에서 1차원 경로를 따르는, 가령, 모세혈관을 따르는 1-성분 속도를 결정하기 위한 시스템이 기재된다. 이 방법은 흐름 방향의 속도 정보를 결정하는 통합 방법이다.
Bergeler S, Krambeer H (2004), "Novel optical spatial filtering methods based on two-dimensional photodetector arrays", Meas Sci Technol 15:1309, as well as in Menn (2010); "Optische Messung der Fließdigkeit von Erythrozyten zur Erfassung der Mikrozirkulation" (Optical Measurement of the Flow Velocity of Erythrocytes for Capturing the Microcirculation"), Fakult
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r Maschinenbau, University of Rostock에서, 공간 필터링 기법이 또한 유리 모세관에서 통합된 1-성분 흐름 프로파일을 결정하기 위해 사용된다.
체적 조명 및 이에 따른 관측 방향에서 존재하는 적분 때문에, 순수 1-차원 흐름 프로파일을 결정하는 것이 가능하지 않고, 심도 범위에 걸쳐 속도 평균 값만 결정할 수 있다. 또한, 시간 적분 및 많은 산란된 광 신호의 겹침 때문에, 공간 필터 신호의 시간-분해된 분석이 더는 가능하지 않다. 이와 관련하여, 이 방법은 또한, 정지 흐름의 평균 값 프로파일을 제공하는 공간적 및 시간적 적분이다. 체적 조명(volumetric illumination)이 또한 균질한 영상 특성을 생성하기에 필수였다.
체적 조명과 이로 인해 포함되는 심도 적분 때문에, 정량적 유량 측정을 획득하기 위해 흐름 프로파일에 대한 모델 가정을 만드는 것이 필요하다. 따라서 Bergeler 및 Krambeer(2004)와 Menn(2010)은 흐름 프로파일의 측정된 형태에 대해 정성적 서술 및 이론적 곡선에 대한 정량적 스케일링만 만든다. 전체적으로, 이러한 방법은 실시간 능력이 없으며 충분한 시간 분해능을 갖지 않고 알려진 흐름 프로파일에 국한된다. 덧붙여, 방법은 매우 높은 농도의 산란된 입자 및 큰 산란된 광 입자를 필요로 하고 흐름 단면에서 유체의 난류의 경우 또는 소용돌이의 경우 형성되는 흐름에서의 국지적인 가로지르는 성분을 포착할 수 없다.
본 발명의 잠재적인 문제는 흐름 프로파일의 연속 시간-분해된 식별 및 대응하는 생성 방법에 의해, 폐단면 내부에서 흐르는 유체의 체적 유량 및 유속을 측정하기 위한 유량 측정 디바이스를 더 개선하는 것이며, 여기서 유량 측정 디바이스는 광학 측정 방법을 이용하며 유량 측정의 출력 신호가 실시간으로 출력될 수 있다.
이 문제는 이들 각자의 특성 특징부를 갖는 청구항 1의 전제부에 따르는 유량 측정 방법 및 청구항 10의 전제부에 따른 디바이스를 토대로 해결된다. 본 발명의 바람직한 형태가 종속 청구항으로 특정된다.
본 발명은 기술적 특징을 포함한다.
적어도 하나의 측정 평면 및 여기에 포함된 입자가 광원에 의해 조명되며, 센서 유닛에, 센서 신호를 출력하는 적어도 두 개 또는 복수의 개별 검출기가 제공되고, 공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기의 개별 신호를 적분 및 가중화함으로써 센서 신호가 실시간으로 처리되고 출력 신호로서 출력되도록, 컴퓨팅 유닛이 센서 유닛의 다운스트림에 연결된다.
본 발명의 핵심 아이디어에 따르면, 센서 유닛을 형성하는 둘 이상의 개별 검출기를 동작시키고, 컴퓨팅 유닛에 의해 공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기의 개별 신호를 적분 및 가중화함으로써 센서 신호가 실시간으로 처리되고 출력 신호로서 출력될 수 있다. 이로써 출력 신호가 실시간으로 출력될 수 있으며, 따라서 파이프 교차에서 광학 측정 방법에 의해 흐름의 매우 정밀한 관측이 가능해진다.
체적 유량의 광학 결정을 위한 이 측정 기법을 구현하기 위해, 흐름 프로파일이 측정 영역에서 시간 및 공간 분해된 방식으로 편리하게 캡처된다. 측정 영역은 파이프 내부 흐름의 측정 평면이며 광원, 가령, 레이저 또는 LED에 의해 조명된다. 측정 평면에서 흐름과 함께 이동하는 입자, 가령, 버블, 고체 물질, 방울, 유기 입자가 광을 산란시키고, 광이 이미징 광학 시스템 및 어레이 검출기로 구성된 검출기 유닛에 의해 캡처된다.
본 발명의 또 다른 중요 양태가 센서 유닛과 컴퓨팅 유닛 사이에 위치하며, 이동하는 입자를 기초로 센서 유닛에 의해 캡처된 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 유체의 로컬 모션 벡터를 생성하도록 하는 프로그램 설정으로 동작하는 현장 프로그램 가능 게이트 어레이의 배열이며, 이때, 공간-필터링 기법이 속도 정보를 직접 생성한다. 따라서 모션 벡터가 더는 개별 입자에 할당되지 않는다.
현장 프로그램 가능 게이트 어레이는 이른바 FPGA로 알려져 있으며 논리 회로가 로딩될 수 있는 집적 회로(IC)를 포함한다. 따라서 FPGA는 센서 유닛에 의해 출력되는 데이터가 실시간으로 처리되고 실시간으로, 즉, 지정 시간차를 두고 그리고 연속적으로, 처리된 정보 또는 데이터로서 다운스트림 컴퓨팅 유닛으로 제공될 수 있도록 구성될 수 있다.
주요 이점은 광학 유량 측정을 위한 적어도 하나의 센서 유닛을, 센서 유닛과 다운스트림 컴퓨팅 유닛 간 센서로서 FPGA와 연결하는 것과 관련된다. 따라서 유량 측정 디바이스의 출력 신호를 제공하기 위한 실시간 기능이 회득되고 대응하는 방법이 구현될 수 있으며, 이로 인해, 센서 유닛과 컴퓨팅 유닛 간 FPGA의 사용을 기초로 하는 단순한 수단에 의해, 유량 측정 디바이스를 이용해 디바이스의 출력 신호를 실시간으로 출력할 수 있다.
단지 약하게 오염된 유체, 가령, 수돗물의 낮은 입자 농도 또는 매우 작은 입자의 경우, 산란광의 성능이 매우 낮다. 따라서 본 발명에 따르면, 검출기 유닛은 더 높은 산란광 성능을 갖는 산란광 영역, 바람직하게는, 순방향 산란, 역방향 산란, 또는 그 밖의 다른 각도 산란 위치 아래에 위치한다.
측정 평면의 이러한 비-수직 관측의 또 다른 이점은 검출기 어레이가 만곡된, 특히 원형의 파이프 단면을 갖는 측정 평면에서 전체 흐름 단면을 캡처하는 것이다. 전체 흐름 프로파일에 걸쳐 가중 적분을 이용함으로써, 비대칭 및/또는 완전히 형성되지 않은 흐름 프로파일을 갖는 흐름의 체적 유량을 결정하는 것이 또한 가능하다.
특히, FPGA를 복수의 센서와 연결하여, 가령, 유체가 흐름 방향에서 정지 흐름을 갖지 않는 파이프 단면에서 유체의 유속의 매우 정밀한 검출을 획득하기 위해 하나뿐 아니라 복수의 측정 평면이 분석될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 FPGA가, 이동된 입자를 기초로 센서 유닛에 의해 캡처된 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 유체의 하나 또는 복수의 모션 벡터를 생성하도록 하는 프로그램 설정을 가진다. 특히, 프로그램 설정은 FPGA에 의해 입자의 다차원 운동을 변환하고 이들을 1차원 출력 신호로 출력하도록 구성될 수 있다. 복수의 센서와 함께 단 하나의 FPGA를 이용함으로써, 예를 들어 난류 또는 소용돌이가 유체의 흐름에 존재할 때 유체 모션이 흐름의 방향에서 그리고 흐름의 방향에 가로질러 캡처되고 분석될 수 있다.
컴퓨팅 유닛에 의해 유체의 모션 벡터가 출력될 수 있고 유체의 유속이 모션 벡터를 기초로 출력 신호로서 특정되게 하는 출력 모듈이 컴퓨팅 유닛의 다운스트림에 연결된다.
본 발명의 맥락에서, 센서 유닛은 적어도 하나의 CMOS 센서를 포함한다. 대안으로, 센서 유닛에 광다이오드의 배열 및/또는 적어도 하나의 원통형 렌즈 어레이 라인 센서 배열이 제공될 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 CCD 센서가 또한 제공되어 센서 유닛을 형성할 수 있다. 적절한 광학 시스템을 이용해, 층류 측정 평면이 CMOS 센서에 의해 이미징되어, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 입자의 운동이 캡처될 수 있다. 공정에서, 캡처는 특히 공간 필터링 기법을 기초로 발생하며, 여기서 흐름의 방향을 가로지르는 유체의 운동이 캡처되고 FPGA에 의해 흐름의 방향에서의 속도 성분으로 변환된다.
측정 평면은 흐름 볼륨 내에 형성되며, 여기서 제1 센서 유닛이 제1 측정 평면에 할당되며 제2 센서 유닛이 제2 측정 평면에 할당되며, 측정 평면들이 유체의 흐름의 방향으로 연속으로 배치되며, 연속 배열은 필수는 아니지만 바람직하다. 복수의 측정 평면을 배열함으로써, 유량 측정의 정확도가 더 개선될 수 있고 측정 평면들은 더 구체적으로, 지정 각 오프셋으로, 가령, 60° 내지 180°, 바람직하게는 90°로 배열될 수 있다. 측정 평면이 센서 유닛의 법선에 대해 20° 내지 50°, 구체적으로 30°의 각도를 갖는 것이 바람직하다. 연관된 센서 유닛의 법선에 대해 측정 평면의 각도가 45°인 것이 바람직할 수 있다.
따라서 센서 유닛의 관측 방향이 광원의 광의 발산 방향에 대해 일정 각 오프셋을 갖도록 설정되며, 이때, 예를 들어, 각 오프셋은 순방향 또는 역방향 산란에서 20° 내지 50°, 특히, 30°인 것이 바람직하다. 따라서 특히 높은 산란 광 강도가 사용될 수 있으며, 여기서 측정 정확도가 더 개선된다.
복수의 광원이 서로에 대해 그리고 센서 유닛에 대해 이러한 방식으로 배치되고 복수의 측정 평면이 하나의 센서 유닛에 의해 캡처될 수 있는 경우 또 다른 이점이 달성된다. 예를 들어, 서로에 수직인 두 개의 측정 평면이 형성될 수 있다. 특히, 적어도 두 개의 광원이 서로에 대해 그리고 센서 유닛에 대해 배치될 수 있고, 공통 교차 라인을 갖도록 또는 연속으로 배열되는 적어도 두 개의 측정 평면이 형성되고 단 하나의 센서 유닛에 의해 캡처된다.
하나의 센서 유닛이, 예를 들어 광원의 대응하는 배열에 의해 생성되는 두 개의 측정 평면에 대향하여 배열되어, 산란광이 두 개의 광원 사이에 각 이등분선에 놓이는 관측 방향에서 배면광(back light)으로 캡처될 수 있다. 이와 관련하여, 광원이 예를 들어 상이한 파장을 갖는 광을 발산하거나, 광원이 펄스 모드로 동작하고 광 펄스는 예를 들어 광원에 의해 교대로 생성된다. 따라서 제1 측정 평면 및 제2 측정 평면이 센서 유닛, 특히 CMOS 센서에 의해 캡처될 수 있다.
특히, 두 개의 측정 평면이 센서의 상이한 영역 상에서 캡처되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 평행하는 측정 평면은 하나의 센서에 의해 이미징되어, 이미지들이 겹치지 않도록 한다.
본 발명은 앞서 기재된 유량 측정 디바이스에 의해 유체의 흐름을 측정하기 위한 방법과 관련된다.
구체적으로, 본 발명은 유량 측정 디바이스와 더 관련되며, 상기 유량 측정 디바이스는 유체가 흐를 수 있는 파이프 섹션, 및 상기 파이프 단면으로 광을 발산시켜, 유체에 존재하는 입자가 적어도 하나의 측정 평면에서 조명되게 할 수 있는 적어도 하나의 광원을 포함하며, 유체에 존재하는 입자가 측정 평면 내에 캡처될 수 있도록 적어도 하나의 센서 유닛이 제공되며, 센서 유닛은 센서 신호를 출력할 수 있는 적어도 두 개의 또는 복수의 개별 검출기를 포함하고, 공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기의 개별 신호를 적분 및 가중화함으로써 센서 신호가 실시간으로 처리되고 출력 신호로서 출력될 수 있도록, 컴퓨팅 유닛이 센서 유닛의 다운스트림에 연결된다.
덧붙여, 바람직한 실시예에 따르면, 현장 프로그램 가능 게이트 어레이가 센서 유닛과 컴퓨팅 유닛 사이에 배열되고, 이동된 입자를 기초로 센서 유닛에 의해 캡처된 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 유체의 로컬 모션 벡터를 생성하게 하는 프로그램 설정을 이용해 동작된다.
덧붙여, FPGA에 의해 센서 유닛의 데이터를 처리할 때, 흐름의 방향을 따르는 그리고 흐름의 방향을 가로지르는 입자의 다차원 운동이 유체의 유속으로 변환되고 출력되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 적어도 하나의 광원이 연속 또는 펄스 광을 출력하거나, 및/또는 적어도 하나의 광원이 상이한 파장을 갖는 광을 출력한다.
본 발명에 따르는 유량 측정 디바이스 및 방법에서, 유체가 폐단면을 갖는 파이프 섹션을 통해 또는 채널을 통해 흐르고 공간 필터링 기법이 사용될 수 있을 때, 유체의 유속이 결정될 수 있다. 이점이 FPGA 및 다운스트림 컴퓨팅 유닛에 의해 1차원 흐름뿐 아니라 단면의 방향에서 하나 또는 복수의 흐름 프로파일까지 결정할 수 있는, 유체의 흐름 내에서 로컬 속도 벡터의 캡처와 관련된다. 대부분의 유체는 유체의 흐름에 지녀지는 충분한 개수의 입자를 갖기 때문에 광학 유량 측정이 수행될 수 있다.
이는 각을 형성하거나 서로에 대해 오프셋되어 있는 복수의 측정 평면, 특히, 흐름 볼륨 내 복수의 측정 평면을 형성함으로써 실현된다. 특히, CMOS 센서로 설계되는 것이 바람직한 센서 유닛의 2차원성 때문에, 복수의 광 섹션이 형성될 수 있고 센서 유닛이 상이한 파장 또는 상이한 펄스 시퀀스를 갖거나 발산하거나 센서의 상이한 영역 상에 형성되는 이산 광원으로 할당될 수 있다. 구체적으로, 광원이 상이한 색상의 광을 발산하거나 간격을 두고 광을 발산하며 상기 광은 센서 유닛에 의해 캡처된다. 따라서 서로 공간적으로 분리되도록 배치되는 측정 평면은, 단 하나의 센서 유닛에 의해 더 캡처될 수 있다. 따라서, 흐름 단면, 예를 들어 파이프 섹션 내 비대칭 흐름 프로파일의 실시간 캡처 및 식별이 가능해진다. 공간 필터링 기법을 기초로 하는 이러한 방법은 매우 낮은 입자 밀도를 갖는 유체를 측정하기에 더 적합하다.
구체적으로, 이는 광학 공간 필터링 기법을 이용함으로써, 개선된 산란광 성능 때문에, 광학 프리즘 또는 샤임플러그 어댑터(Scheimpflug adapter) 또는 굴절률 정합을 이용할 필요 없이, 입자 이미징의 최적 강도가 획득되도록 하는 방식으로, 특히, 20° 내지 50°의 각 오프셋으로 순방향 또는 역방향 분산의 경우, 광 주입 방향에 대한 관측의 방향이 선택될 수 있다는 이점을 도출한다. 특히, 30°의 각을 설정함으로써 단 하나의 센서 유닛에 의해 상이한 각도로 복수의 측정 평면을 캡처하는 것이 가능하며, 따라서 두 개의 광원 및 단 하나의 센서 유닛에 의해, 유량 측정 디바이스의 비용 효율적인 구현이 가능할 수 있다.
일정한 조명 대신, 펄스 광이 사용되는 경우, 하나 또는 복수의 광원의 더 높은 조명 성능이 획득되고 모션 블러가 덜 있게 된다. 덧붙여, 복수의 관측 평면이 달성될 수 있고, 산란광 및 열 노이즈(thermal noise)의 감소 때문에 센서 유닛의 신호대노이즈 비가 개선된다.
본 발명에 따르는 유량 측정 디바이스가, 특히, 오염도의 검출, 구체적으로, 센서 유닛을 형성하기 위한 개별 CMOS 센서의 신호 품질의 검출을 가능하게 한다. 이점이 공정 드리프트의 검출 및 이에 따른 감소와 관련되며 유체에서의 오염의 검출이 수행될 수 있으며, 구체적으로, 관리 메시지가, 예를 들어, 유체 시스템의 예상되는 유지관리를 위해 출력될 수 있다.
상기 방법은 직선 파이프 섹션에서, 측정 평면의 영역에서 주 흐름 방향을 따라 어떠한 왜곡, 가령, 만곡된 표면에 의해 초래되는 왜곡도 없기 때문에, 광학 교정을 필요로 하지 않는다. 일반적으로 알려진 파이프 단면의 경우 검출기 어레이 상의 전체 파이프 단면의 재생 때문에, 재생 스케일이 단순히 이미지 데이터를 기초로 결정될 수 있다.
광학 시스템에 의해 측정 평면이 검출기 어레이 상에서 이미징되며, 광학 시스템은 임의의 추가 선명도 보정, 가령, 일반적인 샤임플러그 설정, 또는 왜곡을 제공할 필요가 없다. 비스듬한 관측의 경우, 이미지에서의 이미징 파라미터, 가령, 포커스가 불균질할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이는 흐름 프로파일의 결정에 어떠한 영향도 갖지 않는다. 유체가 이동할 때, 유체에 지녀지고 조명되는 입자가 흐름 라인을 따라 유체와 함께 이동된다. 비스듬한 관측 때문에, 검출기 어레이 상의 움직이는 입자 이미지가 가변 정도로 디포커싱된다. 이와 관련하여, 검출기 어레이는 매트릭스 센서, 가령, 평면 CCD, CMOS 또는 스마트 픽셀 센서로 구현될 수 있지만, 광다이오드 어레이로도 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 검출기 어레이의 값에 하나 또는 복수의 가중화 함수가 곱해지고 검출기 어레이의 일부분에 걸쳐, 바람직하게는 흐름 라인에 따라 적분되거나 합산된다. 이는 불균일 디포커싱에도 불구하고, 속도에 비례하고 흐름의 선택된 부분을 나타내는 측정 값을 결정하게 할 수 있다.
이 방법의 이점은 어레이 검출기의 요소당 단 두 개의 연산, 즉, 상수 가중화 및 합산이 속도를 결정하는 데 필요하다. 이러한 방식으로 그 밖의 다른 기법(PIV)에 비교해서, 상기 방법의 충분한 시간 분해능 및 실시간 능력이 가능해진다.
이들 연산, 즉, 가중화와 적분/합산은, 광학, 전자, 또는 계산적으로 목적에 따라 수행될 수 있다. 광학 또는 전자 가중화 및/또는 적분은 하드웨어 변경 또는 특정 광학 시스템 및 센서를 필요로 하고, 반면에 다운스트림 실시간 가능 분석 하드웨어 또는 컴퓨팅 유닛에 의한 계산 가중화 및 합산이 가능해진다.
계산 구현예는 선택된 부분 및 프로세스의 가중화 또는 순간 프로세스 상태 를 동적으로 적응시키는 이점을 더 가진다. 각각의 부분이 로컬 흐름 프로파일 측정 값을 생성하도록 상기 부분은 흐름의 주 방향에 놓이는 것이 바람직할 것이다. 흐름의 큰 동적 범위의 경우, 가령, 층류에서 강한 난류까지의 경우, 임시적으로 높은 동적 볼륨 흐름 변화의 경우 또는 완전히 형성되지 않은 흐름 프로파일의 경우, 부분 및 가중화 함수의 숫자가 수정, 적응 또는 변경되어, 예를 들어, 흐름 프로파일 또는 역방향 흐름의 횡단 구성요소를 캡처할 수 있다. 이의 이점은 체적 유량 측정의 다이나믹이 수십 배라는 것이다.
본 발명은 어레이 검출기의 입력 데이터의 실시간 가능 및 시간 분해되는 프로세싱을 위한 특수 컴퓨팅 유닛, 특히, FPGA(field programmable gate array)을 포함한다. 컴퓨팅 유닛은 어레이 검출기의 데이터를 수신하고 하나 또는 복수의 가중화 함수, 부분들 간 합산, 속도 값으로의 변환 및 체적 유량 및 유량의 계산 을 구현한다. 방법이 구현되는 방식에 따라, 가중화 및/또는 합산이 광학적으로 또는 전자적으로 발생할 수 있고, 및/또는 속도의 결정 및 체적 유량의 계산이 컴퓨팅 유닛의 다운스트림에서 개별 제어기에서 발생할 수 있다.
이하에서, 본 발명을 개선하기 위한 추가 수단이, 도면을 기초로, 본 발명의 바람직한 실시예의 기재와 함께 더 상세히 기재된다.
도 1은 유량 측정 디바이스의 구성요소의 도식이다.
도 2a는 단일 측정 평면 및 상기 측정 평면과 연관된 센서 유닛을 갖는 파이프 섹션의 도식이다.
도 2b는 제1 측정 평면, 제2 파이프 섹션 및 각자의 측정 평면과 연관된 두 개의 센서 유닛을 갖는 파이프 섹션의 도식이다.
도 3은 2개의 광원 및 입자 검출을 위한 센서 유닛을 갖는 파이프 섹션의 도식이다.
도 4는 원통형 렌즈 어레이 라인 센서 배열뿐 아니라 2개의 광다이오드의 도식이다.
도 5는 유체 내 입자를 관측하기 위한 CMOS 센서로 설계된 센서 유닛의 도식이다.
도 1은 본 발명에 따르는 유량 측정 디바이스(1)의 구성요소를 도식한다. 적어도 하나의 광원(11)이 적어도 하나의 측정 평면(14)을 조사하거나, 유체 내 광원(11)의 광의 평면이 적어도 하나의 연관된 측정 평면(14)을 형성한다. 덧붙여, 측정 평면(14), 구체적으로, 광원(11)에 의해 발산되는 광을 관측하도록 역할하는 센서 유닛(12) 및 센서 유닛(12)의 다운스트림에 연결된 현장 프로그램 가능한 게이트 어레이(field programmable gate array)(15)가 개략적으로 도시된다.
이러한 현장 프로그램 가능한 게이트 어레이(15)가 또한 FPGA(15)라고 지칭되며 여기서 나타나는 FPGA는 처리된 정보를 컴퓨팅 유닛(16)으로 공급한다. 컴퓨팅 유닛(16)은 결국 출력 신호(18)로서 유체의 속도 정보를 출력하는 출력 신호를 출력 모듈(17)로 제공하도록 구성된다.
적어도 하나의 광원(11)이 예를 들어 레이저 광원으로 설계되며, 여기서 LED(light-emitting diode)가 또한 본 발명의 측정 방법을 위해서 사용될 수 있다. 원칙적으로, 간섭광(coherent light)을 이용하는 것이 본 발명에 따르는 유량 측정 디바이스(1)에 의한 공간-필터링 기법을 구현하는 데 필수는 아니어서, 발광 다이오드도 광원(11)으로서 역할할 수 있다.
광원(11)은 연속 광 또는 펄스 광을 발산하고 상기 광원(11) 또는 복수의 광원(11)이 상이한 파장을 발산할 수 있음이 고려될 수 있다.
측정 평면(14)이 흐름 볼륨 내 측정 평면을 형성하고 하나의 센서 유닛(12)이 각각의 측정 평면과 연관되며, 하나의 센서 유닛(12)이 또한 복수의 측정 평면(14)을 감지할 수 있다. 특히 흐름 볼륨 내에 두 개의 측정 평면(14)이 제공될 수 있으며, 상기 평면은 유체의 흐름 방향으로 연속으로 배치되어 서로에 대해 회전된, 예컨대, 90°만큼 회전된 광 섹션을 형성한다. 이와 관련하여, 각각의 회전은 또한 측정 평면(14) 각각과 연관된 2개의 센서 유닛(12)의 배열을 포함한다.
하나 또는 복수의 센서 유닛(12)이 특히 CMOS 센서에 의해 형성되며, 여기에, 바람직하게는, 센서 유닛(12)의 업스트림에 배열된 회절 격자와 함께 두 개의 광다이오드(photodiode)를 배열하는 것이 가능하다. 센서 유닛(12)을 형성하기 위해 원통형 렌즈 어레이 라인 센서 배열을 제공하여, 유량 측정 디바이스(1)가 비용 효율적으로 구성될 수 있도록 하는 것이 또한 가능하다.
이하에서 나타나는 센서 유닛(12) 상의 FPGA(15)는 유체 내 이동하는 입자를 기초로 센서 유닛(12)에 의해 캡처되는 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 입자의, 따라서 유체의 로컬 모션 벡터를 생성하도록 하는 프로그램 설정을 포함한다. 이와 관련하여, 모션 벡터의 생성은 실시간으로 발생하고 대응하는 정보가 다운스크림 컴퓨팅 유닛(16)으로 출력된다. 궁극적으로, 컴퓨팅 유닛(16)에 의해 출력 모듈(17)을 통해 출력 신호(18)가 출력될 수 있다.
FPGA(15)를 이용하는 구체적 이점은 유체의 주 흐름 방향에 횡단하여 유체의 움직임이 검출되고 2D 정보로 변환되어, 결국, 전체 흐름 단면을 가로질러 대응하는 속도 벡터가 형성되게 하는 비교 값이 결과적인 최종 벡터 정보로서 생성되게 되며, 여기서 흐름은 또한 흐름의 방향의 종방향 축 중심으로 회전하는 부분 또는 소용돌이를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, FPGA(15)에서 변환이 발생하고 컴퓨팅 유닛(16)으로 단순 벡터 정보로서 출력될 수 있다.
도 2a는 유체(10)가 흐름(22)의 방향으로 흐를 때 통과하는 파이프 단면(24)의 제1 예시를 보여준다. 예를 들어, 흐름(22)의 주 방향이 놓여 있는 측정 평면을 형성하는 단일 측정 평면(14)이 나타난다. 이와 관련하여, 측정 평면(14)은 외부에서 파이프 섹션(24) 내 흐름 볼륨 내로 광을 발산시키기 위한 광원(도시되지 않음)에 의해 형성된다. 이러한 목적으로, 파이프 섹션(24)은 예를 들어 광에 투과적인 벽 영역을 포함한다.
유체(10)에서, 측정 평면(14) 내에서 센서 유닛(12)에 의해 캡처되는 입자(13)가 존재한다. 이와 관련하여, 입자(13)의 이동 방향은 측정 평면(14) 내에서 흐름(22)의 방향으로 그리고 흐름(22)의 방향을 가로질러 발생한다.
도 2b는 흐름(22)의 방향으로 유체(10)가 흐르는 파이프 섹션(24)을 도시하며, 배열은 제1 측정 평면(14) 및 다운스트림 제2 측정 평면(14)을 포함하고, 제1 센서 유닛(12)은 제1 측정 평면(14)과 연관되며 제2 센서 유닛(12)은 제2 측정 평면(14)과 연관된다. 측정 평면(14)은 서로에 대해 90°의 각도 오프셋을 두고 배치되며, 흐름 방향(22)은, 각각의 측정 평면(14)에서 벡터로서 놓인다.
측정 평면(14)에서의 입자(13)의 움직임이 포착될 때, 회전 및 소용돌이, 특히, 각 운동량이 유체(10)에서 인지될 수 있으며, 두 센서 유닛(12) 모두로부터의 정보가 FPGA(15)로 전송된다(도 1). 이로 인해 복수의 로컬 속도 벡터가 결정되어, 단면 방향에서 하나 또는 복수의 1D-2C 흐름 프로파일 또는 더 이상적으로는 2D 3C 흐름 프로파일을 재구성할 수 있다. 이는 두 개의 연속 배치된 측정 평면(14)의 배열에 의해서만 가능해지며, 또한 측정 평면(14)들은 서로 내부에 위치될 수 있다. 특히, 센서 유닛(12)이 2차원으로 설계되거나 시간상 어긋난, 특히, 펄스된 또는 공간 분리된 상이한 파장을 갖는 복수의 광 섹션이 제공될 수 있다. 이의 특정 이점이 비대칭 흐름 프로파일이 측정되어, 다운스트림 FPGA(15)에 의해 입자(13)의 운동 벡터가 처리되어 파이프 단면(24)에서의 유체(10)의 속도 정보가 될 수 있다.
도 3은 유량 측정 디바이스(1)의 특수 변형예를 도시하며, 유체(10)가 흐르는 파이프 섹션(24)은 정면도로 도시되어 있다. 입자(13)는 유체(10) 내에 위치하며, 하나의 입자(13)가 예시로 도시된다. 예를 들어 파이프 섹션(24)의 벽이 투명하도록 설계되어, 광원(11)에 의해 광으로 조명될 수 있다.
배열은 종방향 축을 중심으로 90°의 각 오프셋을 갖고 파이프 섹션(24) 내에 배치되는 제1 광원(11) 및 제2 광원(11)을 포함한다. 따라서 두 광원(11) 모두 광을 서로 수직인 유체(10)로 복사하여, 서로에 대해 수직으로 형성되는 두 개의 측정 평면(14)을 형성한다. 센서 유닛(12)은 두 개의 측정 평면(14)의 확장 방향 사이의 각 이등분선으로 파이프 섹션(24) 외부에 위치하여, 관측 방향(23)은 광원(11)의 두 광 전파 방향 모두에 대해 135°의 각도일 수 있다. 유량 측정 유닛(1)이 동작하고 이에 대응하여 광원(11)이 광을 발산하고, 상기 광이 센서 유닛(12)에 의해 입자(13)에 의해 산란된 광으로 수신될 때, 센서 유닛(12)은 두 측정 평면(14) 모두에서 측정을 할 수 있다.
도 4는 예시로서 흐름(22)의 방향으로 이동하는 입자(13)를 도시한다. 본 명세서에 상세히 도시되지 않은 광원에 의해, 산란된 광이 생성되고, 상기 광은 우선 원통형 렌즈 어레이 라인 센서 배열(21)을 통과하며, 라인 센서 배열의 라인 센서에 의해 입자(13)의 운동이 검출될 수 있다. 대안으로, 도 4에 단순화된 방식으로 도시되어 있는 광다이오드(20)가 사용될 수 있다. 산란된 광이, 특히, 원통형 렌즈 어레이를 통과해, 도시된 광다이오드(20)에 도달하여, 입자(13)의 운동이 검출될 수 있다.
도 5는 예를 들어 CMOS 센서(19)로 설계된 센서 유닛(12)을 도시한다. 예시로 도시된 입자(13)는 렌즈(25) 아래에서 이동할 때, CMOS 센서(19)의 개별 픽셀이 광원(도시되지 않음)에 의해 연속으로 조명되고 산란된 광이 입자(13)에서 형성되어, 반사된 산란 광 및 CMOS 센서(19)의 조명에 의해 파장을 갖는 신호(S)가 주기(t) 동안 생성될 수 있다. 많은 입자(13)가 유체에 포함될수록, 신호(S)의 진포기 더 커져, 입자(13)의 운동 속력 및 운동 방향이 주기(t)에 걸쳐 검출될 수 있다. CMOS 센서(19)가 2차원이기 때문에, 유체 내 입자(13)의 운동이 흐름의 방향으로 그리고 흐름의 방향을 가로질러 검출될 수 있고, 그런 다음, FPGA(15)(도 1)에 의해 완전히 재구성된 디지털 흐름 프로파일로 재구성될 수 있다.
본 발명은 앞서 언급된 바람직한 예시적 실시예로 한정되지 않는다. 오히려, 기본적으로 상이한 실시예로 솔루션을 이용하는 많은 변형예가 가능하다. 청구항, 발명의 설명 또는 도면의 모든 특징부 및/또는 이점, 가령, 구조적 세부사항 또는 공간적 배열이 그 자체로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 본질일 수 있다.
1 유량 측정 디바이스
10 유체
11 광원
12 센서 유닛
13 입자
14 측정 평면
15 현장 프로그램 가능 게이트 어레이
16 컴퓨팅 유닛
17 출력 모듈
18 출력 신호
19 CMOS 센서
20 광다이오드
21 원통형 렌즈 어레이 라인 센서 배열
22 흐름 방향
23 관측 방향
24 파이프 섹션
25 렌즈
S 센서 신호
t 시간

Claims (12)

  1. 측정 평면(14) 내에서 유체(10)에 존재하는 입자(13)가 검출되도록, 적어도 하나의 광원(11) 및 적어도 하나의 센서 유닛(12)을 이용해, 폐단면에서 유체(10)의 체적 유량의 광학 측정을 위한 유량 측정 방법으로서,
    적어도 하나의 측정 평면(14) 및 상기 측정 평면 내에 존재하는 입자(13)가 광원(11)에 의해 조명되고,
    센서 신호(S)를 출력하는 적어도 두 개 또는 복수의 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)를 갖는 센서 유닛(12)이 제공되며,
    공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)의 개별 신호를 적분하고 가중화함으로써, 센서 신호(S)가 실시간으로 처리되어 출력 신호(18)로서 출력되도록, 센서 유닛(12)의 다운스트림에 컴퓨팅 유닛(16)이 연결되는, 유량 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    현장 프로그램 가능 게이트 어레이(15)가 센서 유닛(12)과 컴퓨팅 유닛(16) 사이에 삽입되며, 이동된 입자(13)를 기초로 센서 유닛(12)에 의해 캡처되는 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 입자(13) 및 유체(10)의 모션 벡터를 생성하도록 하는 프로그램 설정으로 동작되는, 유량 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    컴퓨팅 유닛(16)에 의해 입자(13) 및 유체(10)의 모션 벡터가 출력되고, 유체(10)의 유속이 입자(13)의 모션 벡터를 기초로 출력 신호(18)으로서 출력되는 출력 모듈(17)이 컴퓨팅 유닛(16)의 다운스트림에 연결되는, 유량 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 유닛(12)은 적어도 하나의 CMOS 센서(19) 및/또는 하나의 CCD 센서 및/또는 광다이오드(20)의 배열에 의해 구성되는, 유량 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 센서 유닛(12)이 제1 측정 평면(14)과 연관되고 제2 센서 유닛(12)이 제2 측정 평면(14)과 연관되며, 적어도 두 개의 측정 평면(14)은 유체의 흐름(22)의 방향에서 연속으로 형성되는, 유량 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    센서 유닛(12)의 관측(23)의 방향이, 광원(11)의 광의 발산 방향에 대해 각 오프셋을 갖고 배열되는, 유량 측정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    공통 교차 라인을 갖거나 흐름의 방향에서 연속으로 배열된 적어도 두 개의 측정 평면(14)이 생성되고 단 하나의 센서 유닛(12)에 의해 캡처되도록, 적어도 두 개의 광원(11)이 서로에 대해 그리고 센서 유닛(12)에 대해 배치되는, 유량 측정 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 측정 평면(14)은 서로에 대해 평행하게, 또는 서로 수직으로, 또는 서로에 대해 60°내지 180°의 각 오프셋, 특히, 90°의 각 오프셋을 두도록 형성되는, 유량 측정 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 광원(11)은 연속 또는 펄스 광을 발산하거나, 및/또는
    적어도 하나의 광원(11)은 상이한 파장을 갖는 광을 발산하는, 유량 측정 방법.
  10. 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따르는 유량 측정 방법을 수행하기 위한 유량 측정 디바이스(1).
  11. 제10항에 있어서, 상기 디바이스는
    유체(10)가 흐를 수 있는 하나의 파이프 섹션(24),
    파이프 섹션(24)으로 광을 발산시켜, 적어도 하나의 측정 평면에서 유체(10)에 존재하는 입자(13)가 조명될 수 있게 하는 적어도 하나의 광원(11),
    유체(10)에 존재하는 입자(13)가 측정 평면(14) 내에서 캡처될 수 있도록 하는 적어도 하나의 센서 유닛(12)
    을 포함하며,
    상기 센서 유닛(12)은 센서 신호(S)가 출력될 수 있게 하는 적어도 두 개 또는 복수의 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)를 포함하고,
    공간-필터링 기법을 이용해 개별 검출기(12a, 12b, 12c, 12d)의 개별 신호를 적분하고 가중화함으로써, 센서 신호(S)가 실시간으로 처리되어 출력 신호(18)로서 출력되도록, 센서 유닛(12)의 다운스트림에 컴퓨팅 유닛(16)이 연결되는, 유량 측정 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    센서 유닛(12)과 컴퓨팅 유닛(16) 사이에 배열되며, 이동된 입자(13)를 기초로 센서 유닛(12)에 의해 캡처되는 이미지 포인트 및/또는 이미지 라인이 입자(13) 및 유체(10)의 모션 벡터를 생성하도록 하는 프로그램 설정으로 동작되는, 현장 프로그램 가능 게이트 어레이(15)를 더 포함하는, 유량 측정 디바이스.
KR1020190157908A 2018-12-05 2019-12-02 광학 흐름 측정을 위한 흐름 측정 디바이스 및 흐름 측정 방법 KR102279338B1 (ko)

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