KR20200105708A - 다상 매체에서의 용량성 측정들을 위한 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커패시터를 형성하는 적어도 한 쌍의 여기 전극들(1, 2), 접지면(PM) 및 전자 회로(3)를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는, 커패시터로부터 거리를 두고 배열되는 적어도 하나의 제어 전극(4), 및 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는 스위치(50)를 포함하는 스위칭 회로(5) - 스위칭 회로(5)는, 폐쇄 상태에서는 접지면(PM)에 공통인 전위를 제어 전극(4)에 인가하고, 개방 상태에서는 제어 전극(4)에 대한 전위를 플로팅하게 두도록 설계됨 - 를 포함하고, 전자 회로(3)는, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때 및 폐쇄 상태에 있을 때, 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 상호 커패시턴스(mutual capacitance)를 측정하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 다상 매체(multiphase medium)의 용량성 측정들(capacitive measurements)을 수행하기 위한 디바이스들의 기술 분야에 관한 것으로서, 여기서 다상 매체는 유전 특성들이 상이한 유체 상들, 예를 들어, 수성 상(aqueous phase) 및 적어도 하나의 유기 상(organic phase)을 포함한다.
용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스들은, 해당 주파수들의 완전한 스캔을 요구하는 (예를 들어, 전기 화학적 임피던스 분광법에 의한) 임피던스 측정들을 수행하기 위한 디바이스들과 달리, 단일 작동 주파수에서 작동할 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명은 다음에 특히 적용 가능하다.
- 적어도 하나의 유기 상(예를 들어, 오일, 등유, 연료유 등)을 포함하는 다상 매체 내에서 수성 상의 존재 검출,
- 적어도 하나의 유기 상(예를 들어, 오일, 등유, 연료유 등)을 포함하는 다상 매체를 포함하는 용기에서 수성 상의 높이 결정,
- 상 분리기(예를 들어, 슬러지들, 지방들 등)에서 퇴적층 또는 플로팅층의 높이 결정,
- 다공성 다상 매체(예를 들어, 콘크리트, 젖은 흙 등)의 건조 모니터링.
종래 기술에서, 특히, 문헌 US 7,258,005호로부터 공지된 용량성 측정들을 수행하기 위한 하나의 디바이스는,
- 커패시터를 형성하고, 다상 매체에 삽입되도록 의도되는 적어도 한 쌍의 여기 전극들;
- 접지면;
- 여기 전극들의 쌍을 접지면에 전기적으로 연결하도록 배열되며, 작동 주파수에서 각각의 여기 전극에 전위를 인가하고, 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스(transcapacitance)를 측정하도록 구성되는 전자 회로
를 포함한다.
이 종래 기술의 디바이스는 여기 전극들의 특정한 기하학적 배열을 필요로 하는 한, 특히, 그 사이의 간격이 다상 매체를 포함하는 용기의 유전체 벽들의 두께의 2배 이상일 것을 필요로 하는 한(청구항 1; 컬럼 5 21-25행; 컬럼 6 4-5행 참조), 완전히 만족스럽지는 않다. 여기 전극들 사이의 간격이 용기의 유전체 벽들의 두께의 2배보다 작은 경우, 유체의 높이에 대한 트랜스커패시턴스 값의 의존성이 감소하고(컬럼 6 7-8행 참조), 따라서 측정의 감도 및 정확도가 감소한다.
본 발명은 전술한 단점들을 완전히 또는 부분적으로 해결하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명의 하나의 대상은 다상 매체에서 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스로서,
- 커패시터를 형성하는 적어도 한 쌍의 여기 전극들;
- 접지면;
- 여기 전극들의 쌍을 접지면에 전기적으로 연결하도록 배열되며, 작동 주파수에서 각각의 여기 전극에 전위를 인가하고, 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 전자 회로
를 포함하며,
디바이스는,
- 커패시터로부터 거리를 두고 배열되고, 다상 매체에 삽입되도록 의도되는 적어도 하나의 제어 전극;
- 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는 스위치를 포함하는 스위칭 회로 - 이 상태들에서, 스위치는 제어 전극을 접지면으로부터/에 각각 전기적으로 분리 및 연결하고, 스위칭 회로는, 스위치가 폐쇄 상태에 있을 때에는, 접지면에 공통인 전위를 제어 전극에 인가하고, 스위치가 개방 상태에 있을 때에는, 제어 전극의 전위를 플로팅하게 두도록 구성됨 -
를 포함하고,
전자 회로는, 스위치가 개방 상태에 있을 때 및 스위치가 폐쇄 상태에 있을 때, 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스이다.
따라서, 본 발명에 따른 이러한 디바이스는, 제어 전극에 의해, 스위치가 개방 상태에 있을 때 측정된 트랜스커패시턴스가 스위치가 폐쇄 상태에 있을 때 측정된 트랜스커패시턴스와 상이하다면, 작동 주파수에서 전기 전도성 상(electrically conductive phase)의 존재가 검출될 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 이러한 디바이스는, 제어 전극에 의해, 용기에서 검출된 상의 높이가 스위치가 개방 상태 및 폐쇄 상태에 있을 때 측정된 트랜스커패시턴스들에 기초하여 결정될 수 있게 한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 이러한 디바이스의 동작은, 종래 기술과 달리, 여기 전극들 사이의 간격에 특별한 제약들을 두지 않는다.
정의들
- "다상 매체(multiphase medium)"가 의미하는 것은 유전 특성들이 상이한 상들을 포함하는 매체이다. 상들은 반드시 혼합되지 않을 필요는 없다. 다상 매체는, 예를 들어, 다상 매체가 다공성일 때, 유체 상들 및/또는 고체 상들을 포함할 수 있다.
- "접지면(ground plane)"이 의미하는 것은 디바이스에 대한 기준 전위를 획득하기 위한 임의의 수단이다.
"트랜스커패시턴스(transcapacitance)"가 의미하는 것은 여기 전극들의 쌍 사이의 전기 커패시턴스로서, 즉, 하나의 여기 전극에 의해 전달되는 전하량과 2개의 여기 전극 사이의 전위차 사이의 비율이다. 따라서, 트랜스커패시턴스는 여기 전극들 중 어느 하나와 접지면 사이의 전기 커패시턴스와 상이하다.
본 발명에 따른 디바이스는 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 다상 매체는 작동 주파수에서 전기 전도성인 종들(species)을 포함하는 상을 포함하고, 상기 종들은 차단 주파수(cut-off frequency)를 가지며, 이 차단 주파수 아래에서, 상기 종들은 커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리에 걸쳐 다상 매체에서, 플로팅하게 두었던, 전위를 이퀄라이징하고,
작동 주파수는 차단 주파수 이하로 되도록 선택된다.
"이퀄라이징(equalize)"이 의미하는 것은 다음 중 어느 하나이다.
- 커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리에 걸쳐 다상 매체에서, 플로팅하게 두었던, 전위의 엄격한 이퀄라이징; 또는
- (작동 주파수에서의) 전기 전도성 상과 제어 전극 사이의 전위차가 무시해도 될 정도로 유지되도록, 커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리에 걸쳐 다상 매체에서, 플로팅하게 두었던, 전위의 대략적인 이퀄라이징.
이것의 하나의 유리한 효과는 상 존재의 검출의 경우에 디바이스의 신뢰성을 향상시키고, 예를 들어, 용기에서 상의 높이를 결정할 경우에 측정의 정확도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 커패시터는 d로 표시되는 특성 거리를 갖고,
커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리 - 거리는 l로 표시됨 - 는,
선택되며,
- fc는 차단 주파수이고,
- f는 작동 주파수이다.
따라서, 전자 회로가 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스의 측정 정확도의 측면에서 매우 높은 성능 레벨을 갖는다면, 긴 거리 l(즉, 
에 근접함)이 선택될 수 있다. 반대로, 전자 회로가 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스의 측정 정확도의 측면에서 종래의 성능 레벨을 갖는 경우, 더 작은 거리 l(즉, 
정도로 작음)가 선택될 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 디바이스는 제어 전극들의 세트를 포함하며, 이들 전극들은 커패시터로부터 다양한 거리들에 배열되고, 다상 매체에 삽입되도록 의도되고, 스위칭 회로는 각각의 제어 전극에 대한 하나의 전용 스위치를 포함한다.
이것의 하나의 유리한 효과는, 다상 매체 내에서, 작동 주파수에서 전기 전도성 상의 존재 또는 양이 공간적으로 연구될 수 있게 하는 것이다. 예를 들어, 다공성의 습한 다상 매체의 건조 상태를 모니터링하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 전자 회로는 여기 전극에 연결된 가상 접지를 포함하고, 전자 회로는 삼선법(three-wire method) 또는 사선법(four-wire method)을 사용하여 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성된다.
가상 접지 및 삼선법 또는 사선법의 하나의 유리한 효과는 여기 전극과 접지면 사이의 기생 커패시턴스들뿐만 아니라 와이어의 임피던스가 여기 전극들의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스의 정확한 측정을 획득하도록 허용할 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 전자 회로는 인버터로서 사용되는 연산 증폭기를 포함하고, 연산 증폭기는
- 접지면에 연결된 비-반전 입력;
- 여기 전극에 연결된 반전 입력
을 포함한다.
이것의 하나의 유리한 효과는 가상 접지를 용이하게 획득할 수 있게 하는 것이다. 다시 말해서, 이러한 사용은, 연산 증폭기가 선형 체제에서 채택될 때, 반전 입력에 연결된 상기 여기 전극이 실질적으로 접지 전위에 놓이게 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 디바이스는,
- 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 포함하는 유전체 층 - 여기 전극들의 쌍은 유전체 층의 제1 표면으로 연장됨 -;
- 유전체 층의 제2 표면으로 연장되고, 접지면을 형성하는 카운터-전극
을 포함한다.
이것의 하나의 유리한 효과는 여기 전극들의 쌍, 유전체 층 및 카운터-전극에 의해 형성된 어셈블리가 다상 매체에 삽입될 수 있게 하는 것이다. 유전체 층은 여기 전극들의 쌍과 카운터-전극이 서로 전기적으로 절연되게 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 여기 전극들의 쌍은 유전체 막으로 덮여 있다.
이것의 하나의 유리한 효과는 다상 매체로부터 여기 전극들의 쌍을 보호하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 여기 전극들의 쌍에 의해 형성된 커패시터는 평행-판 커패시터, 서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터 및 동축-실린더 커패시터로부터 선택된다.
서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터의 하나의 유리한 효과는 전기 전도성 이온들의 이동을 더 적은 정도로 억제하여(이것은 평행-판 및 동축-실린더 커패시터들에서 현저하게 억제됨), 이로 인해 커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리(l)에 걸쳐 다상 매체에서, 플로팅하게 두었던, 전위에 더 용이하게 도달할 수 있게 하는 것이다. 이 플로팅 전위는 가능하게는 연산 증폭기의 전하 저장소와 같은 전하 저장소에 대해 매우 높은 임피던스를 갖는 전기 시스템을 사용하여 획득될 수 있다.
평행-판 커패시터들의 경우, 거리 l이 증가되는 경우, 다상 매체에서 전위 구배(potential gradient)들이 형성되는 것으로 관찰되었다. 다시 말해서, 서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터는 커패시터의 제어 전극이 배열되는 거리에 걸쳐 더 큰 자유도를 허용한다.
서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터의 또 다른 유리한 효과는 벽에서의 전기 이중층들의 효과들을 감소시키는 것이다(이 효과들은 평행-판 및 동축-실린더 커패시터들에서 현저하게 관찰된다). 이러한 효과들은, 스위치가 개방 상태에 있을 때, 트랜스커패시턴스 값을 증가시키는 경향이 있다.
본 발명의 다른 대상은 장치(installation)로서,
- 다상 매체를 포함하는 용기;
- 본 발명에 따른 디바이스 - 제어 전극은 다상 매체에 삽입됨 -
를 포함하는 장치이다.
본 발명의 다른 대상은 다상 매체에서 용량성 측정들을 수행하기 위한 시스템으로서,
- 다상 매체에서 플로팅하도록 의도되는 플로팅 디바이스;
- 플로팅 디바이스에 단단히 고정된 본 발명에 따른 적어도 하나의 디바이스
를 포함하는 시스템이다.
따라서, 본 발명에 따른 이러한 시스템은 플로팅 디바이스의 존재로 인해 다상 매체의 자유 표면에 대해 기준 높이가 설정되도록 함으로써, 다상 매체의 높이가 시간이 지남에 따라 일정하게 유지되지 않을 때, 유효한 용량성 측정들이 수행될 수 있게 한다. 그런 다음, 하수 처리장(또는 마이크로-플랜트)과 같은 상 분리기(예를 들어, 탄화수소들, 가벼운 슬러지들, 지방들 등)에서 퇴적층 또는 플로팅층의 높이를 정확하게 결정할 수 있다. 구체적으로, 이러한 타입의 적용에서는, 액체(물) 유량 및 플로팅 탄화수소들의 양의 변화들로 인해, 다상 매체의 상부 상의 자유 표면의 포지션이 시간에 따라 변할 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 시스템에 의해 전달되는 용량성 측정들은 오염 상을 검출함으로써 결정되는 오염 상을 (일반적으로 펌핑에 의해) 제거하는 액션을 어떤 순간에 허용한다. 특히, 이러한 타입의 개입들은 비용이 많이 들고 누락으로 인해 환경에 오염이 도입되게 할 수 있으므로, 이를 계획할 수 있는 것이 중요하다. 또한, 본 발명에 따른 이러한 시스템에 의해 전달되는 용량성 측정들은 오염 상의 높이가 모니터링될 수 있게 하기 때문에, 엄격하게 필요한 양의 오염 상만이 제거될 수 있게 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 플로팅 디바이스는 다상 매체에 장벽을 형성하는 분리 벽을 포함하고, 벽은 내부 표면을 갖고, 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스는 내부 표면에 대하여 벽 내부에 마운팅된다.
다른 특징들 및 이점들은 다양한 실시예들의 상세한 설명, 예들을 포함하는 설명 및 첨부 도면들에 대한 참조들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스의 회로를 예시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 디바이스의 용량성 측정들로부터 결정된, 관찰된 오일 레벨(mm)을 나타내는 x-축 및 상 레벨(mm)을 나타내는 y-축을 갖는 그래프이다. "A"는 수성 상이고, "B"는 오일 상이고, "C"는 공기 상이다.
도 8은 본 발명에 따른 디바이스의 용량성 측정들로부터 결정된, 관찰된 수위 레벨(다상 매체의 총 높이의 %)을 나타내는 x-축 및 상 레벨(다상 매체의 총 높이의 %)을 나타내는 y-축을 갖는 그래프이다. "A"는 수성 상이고, "B"는 오일 상이고, "C"는 공기 상이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 이러한 시스템의 다양한 실시예들을 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스의 회로를 예시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예를 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 디바이스의 용량성 측정들로부터 결정된, 관찰된 오일 레벨(mm)을 나타내는 x-축 및 상 레벨(mm)을 나타내는 y-축을 갖는 그래프이다. "A"는 수성 상이고, "B"는 오일 상이고, "C"는 공기 상이다.
도 8은 본 발명에 따른 디바이스의 용량성 측정들로부터 결정된, 관찰된 수위 레벨(다상 매체의 총 높이의 %)을 나타내는 x-축 및 상 레벨(다상 매체의 총 높이의 %)을 나타내는 y-축을 갖는 그래프이다. "A"는 수성 상이고, "B"는 오일 상이고, "C"는 공기 상이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 이러한 시스템의 다양한 실시예들을 예시하는 개략적인 단면도이다.
간략화를 위해, 동일하거나 또는 동일한 기능을 수행하는 엘리먼트들이 다양한 실시예들에서 동일한 참조들로 지정되었다.
본 발명의 하나의 대상은 다상 매체(M)에서 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스로서,
- 커패시터를 형성하는 적어도 한 쌍의 여기 전극들(1, 2);
- 접지면(PM);
- 여기 전극들(1, 2)의 쌍을 접지면(PM)에 전기적으로 연결하도록 배열되며, 작동 주파수에서 각각의 여기 전극(1, 2)에 전위(V+, V-)를 인가하고, 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 전자 회로(3)
를 포함하며,
디바이스는,
- 커패시터로부터 거리(l)에 배열되고, 다상 매체(M)에 삽입되도록 의도되는 적어도 하나의 제어 전극(4);
- 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는 스위치(50)를 포함하는 스위칭 회로(5) - 이 상태들에서, 스위치(50)는 제어 전극(4)을 접지면(PM)으로부터/에 각각 전기적으로 분리 및 연결하고, 스위칭 회로(5)는, 스위치(50)가 폐쇄 상태에 있을 때에는, 접지면(PM)에 공통인 전위를 제어 전극(4)에 인가하고, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때에는, 제어 전극(4)의 전위를 플로팅하게 두도록 구성됨 -
를 포함하고,
전자 회로(3)는, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때 및 스위치(50)가 폐쇄 상태에 있을 때, 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스이다.
다상
매체
다상 매체(M)는 상들(P1, P2, P3)을 형성하는 종들을 포함한다. 상기 종들은 차단 주파수를 가지며, 이 차단 주파수 아래에서, 상기 종들은 커패시터의 제어 전극(4)이 배열되는 거리(l)에 걸쳐 다상 매체(M)에서, 플로팅하게 두었던, 전위를 이퀄라이징한다. 종들 중 하나가 작동 주파수에서 전기 전도성이라고 가정한다. 예로서, 작동 주파수는 수성 상(P1)의 존재를 검출하기 위해 1kHz로 설정될 수 있다. 다상 매체(M)는, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때, 제어 전극(4)의 전위를 설정한다(스위치(50)에 의해 플로팅하게 둔다).
도 6에 예시된 경우에서, 다상 매체(M)는, 층상화되고, 그 유전 특성들이 상이하며, 높이 H의 용기(R)에서 각각 높이 h1, h2, h3를 갖는 3개의 상(P1, P2, P3)을 포함한다.
커패시터
여기 전극들(1, 2)의 쌍에 의해 형성된 커패시터는 유리하게는 (도 2에 예시된 바와 같은) 평행-판 커패시터, (도 4 내지 도 6에 예시된 바와 같은) 서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터 및 (도 3에 예시된 바와 같은) 동축-실린더 커패시터로부터 선택된다.
커패시터는 d로 표시되는 특성 거리를 갖는다. 예를 들어, 평행-판 커패시터의 경우, 특성 거리 d는 두 판을 분리하는 거리이다. 서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터의 경우, 특성 거리 d는 λ/4와 동일하며, 여기서 λ는 맞물린 구조의 주기이다. 마지막으로, 동축-실린더 커패시터의 경우, 특성 거리 d는 두 실린더 사이의 반경 거리이다.
여기 전극들(1, 2)은 평면 형태들, 실린더 형태들, 서로 맞물린 형태들 등과 같은 상이한 형태들을 가질 수 있다.
여기 전극들(1, 2)의 쌍은 유리하게는 유전체 막(20)으로 덮여 있다. 비-제한적인 예로서, 유전체 막(20)은 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 감광성 수지로부터 선택된 유전체로 제조될 수 있다.
비-제한적인 예로서, 여기 전극들(1, 2)은 바람직하게는 Cu, Ag, Au 및 Al로부터 선택된 금속으로 제조될 수 있다. 그러나, 여기 전극들(1, 2)은 여기 전극들(1, 2)을 전기 전도성으로 만들기 위해 탄소 섬유들이 혼입된 플라스틱(예를 들어, 폴리프탈아미드(polyphthalamide))으로 제조될 수 있다.
접지면
디바이스는 유리하게는,
- 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 포함하는 유전체 층(10) - 여기 전극들(1, 2)의 쌍은 유전체 층(10)의 제1 표면으로 연장됨 -;
- 유전체 층(10)의 제2 표면으로 연장되고, 접지면(PM)을 형성하는 카운터-전극
을 포함한다.
이러한 유전체 층(10)은 여기 전극들(1, 2) 및 카운터-전극이 단락시키는 것을 피하기 위해 서로 전기적으로 절연될 수 있게 한다.
비-제한적인 예로서, 카운터-전극은 금속으로 제조된 판일 수 있다. 금속은 바람직하게는 Cu, Ag, Au 및 Al로부터 선택된다. 그러나, 카운터-전극은 카운터-전극을 전기 전도성으로 만들기 위해 탄소 섬유들이 혼입된 플라스틱(예를 들어, 폴리프탈아미드)으로 제조될 수 있다.
비-제한적인 예로서, 유전체 층은 폴리이미드 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로부터 선택된 유전체로 제조될 수 있다.
전자 회로
전자 회로(3)가 각각의 여기 전극(1, 2)에 전위 V+, V-를 인가하는 작동 주파수는 상들(P1, P2, P3) 중 적어도 하나의 상의 차단 주파수 이하가 되도록 선택된다. 위에서 언급된 바와 같이, 작동 주파수는 수성 상(P1)의 존재를 검출하기 위해 1kHz로 설정될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 전자 회로(3)는 전위 V+를 인가하기 위해 쌍 중 하나의 여기 전극(1)을 충전하기 위한 여기 소스(예를 들어, AC 전압 발생기)를 포함할 수 있다. 쌍 중 다른 여기 전극(2)은 전위 V-를 인가하기 위해 접지면(PM)에 연결될 수 있다.
전자 회로(3)는 유리하게는 하나의 여기 전극(1, 2)에 연결된 가상 접지(30)를 포함한다. 전자 회로(3)는 유리하게는 삼선법 또는 사선법을 사용하여 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성된다.
전자 회로(3)는 유리하게는 인버터로서 사용되는 연산 증폭기(31)를 포함하고, 연산 증폭기(31)는
- 접지면(PM)에 연결된 비-반전 입력;
- 여기 전극(2)에 연결된 반전 입력
을 포함한다.
연산 증폭기(31)는 상기 여기 전극(2)을 실질적으로 접지 전위에서 반전 입력에 연결되도록 하기 위해 선형 체제에서 채택된다.
제어 전극(들)
커패시터의 제어 전극(4)이 배열되는 거리 - 거리는 l로 표시됨 - 는,
선택되며,
- fc는 차단 주파수이고,
- f는 작동 주파수이다.
도 4에 예시된 바와 같이, 디바이스는 유리하게는, 커패시터로부터 상이한 거리들(I1, I2, I3)에 배열되고, 다상 매체(M)에 삽입되도록 의도되는 제어 전극들(4)의 세트를 포함한다. 세트의 제어 전극들(4)이 배열되는 상이한 거리들(li로 표시됨) 각각은 유리하게는,
도 4에 예시된 바와 같이, 세트의 제어 전극들(4)은 수평으로 이격되어, 이로 인해 다상 매체(M)가 이 차원에서 연구될 수 있게 한다.
도 5에 예시된 바와 같이, 디바이스는 제어 전극들(4)의 세트를 포함할 수 있며, 이 전극들은 하나 이상의 커패시터로부터 동일한 거리(l)에 배열되고, 동일 평면이 되도록 수직으로 이격되어, 이로 인해 다상 매체(M)가 이 차원에서 연구될 수 있게 한다.
제어 전극(4) 또는 제어 전극들(4)은 그리드 형태 또는 미앤더(meander)들의 형태를 취할 수 있다. 그리드 형태를 취하는 제어 전극(4)의 경우, 이것의 하나의 유리한 효과는, 예를 들어, 다상 매체(M)의 전도성 상이 거품 또는 에멀션일 때, 상기 상이 표면적으로 분포되는지 또는 부피적으로 분포되는지에 관계없이 전도성 상과의 접촉을 촉진하는 것이다. 미앤더들의 형태를 취하는 제어 전극(4)의 경우에, 상기 전극은 유리하게는 편평하고, 맞물린 여기 전극들(1, 2)과 평행할 수 있다. 미앤더들의 피치는 미앤더들을 덮는 다상 매체(M)의 전도성 상의 분율이 검출될 수 있게 하기 위해 전도성 상이 교대로 분포될 때(예를 들어, 서로 분리된 액적들이 미앤더들의 표면을 적실 때) 전도성 상의 전부 또는 일부를 검출하도록 선택될 수 있을 것이다.
비-제한적인 예로서, 제어 전극(4) 또는 제어 전극들(4)은 바람직하게는 Cu, Ag, Au 및 Al로부터 선택되는 금속으로 제조될 수 있다. 그러나, 제어 전극(4) 또는 제어 전극들(4)은 제어 전극들(4)을 전기 전도성으로 만들기 위해 탄소 섬유들이 혼입된 플라스틱(예를 들어, 폴리프탈아미드)으로 제조될 수 있다.
스위칭 회로
디바이스가 제어 전극들(4)의 세트를 포함할 때, 스위칭 회로(5)는 각각의 제어 전극(4)마다 하나의 전용 스위치(50)를 포함한다.
비-제한적인 예로서, 스위치(50)는 온/오프 스위치 또는 전기 릴레이일 수 있다.
상 검출에 적용
본 발명에 따른 디바이스는, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때(Coff로 표시됨) 및 스위치(50)가 폐쇄 상태에 있을 때(Con로 표시됨), 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이에서 전자 회로(3)에 의해 측정된 트랜스커패시턴스 사이에 차이가 존재한다면, 상들(P1, P2, P3) 중 하나의 상의 존재의 검출기일 수 있다. Coff와 Con 사이에서 측정된 차이는, 후자가 외부 전위인지 아닌지에 관계없이, 후자가 전위에 의해 여기될 때, 검출된 상의 (전기 유전율 ε의 측면에서의) 유전 응답의 차이를 나타낸다.
실제로, 검출 임계값이 Coff와 Con 사이의 차이에 대해 정의될 것이며, 이 임계값 이상에서는, 상의 존재가 보장된다.
상 정량화에 적용
다음 사항을 고려하도록 한다.
- 유전 특성들이 상이하고, 높이 H의 용기(R)에서 각각 높이 h1, h2, h3를 갖는 3개의 층상화된 상(P1, P2, P3)을 포함하는 다상 매체(M);
- 상(P1)은 외부 전위의 존재시에 차별화된 유전 응답을 가짐.
단, 
이다.
다음의 방정식들
을 확립하는 것이 가능하다.
여기서,
- 
및 
는 각각, 용기(R)가 상(P2)으로 채워지고 상(P3)으로 채워질 때, 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스들이다.
- 
및 
는 각각, 용기(R)가 상(P1)으로 채워질 때, 및 스위치(50)가 폐쇄 상태 및 개방 상태에 있을 때, 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스들이다.
그러면 다음 관계식들을 획득할 수 있다.
값 x1(및 이에 따른 h1)은 다음과 같은 이유로 완벽하게 결정된다.
- Con 및 Coff는 취득 동안 측정된 값들이다.
- 
및 
는 사전 캘리브레이션에 의해 측정된 값들이다(다음 섹션 참조).
동일한 방식으로, 취득 측정들 및 캘리브레이션 측정들에 기초하여 x2(및 이에 따른 h2) 및 x3(및 이에 따른 h3)를 결정할 수 있다.
디바이스의
캘리브레이션
디바이스가 상 정량화에 사용되는 경우, 
, 
, 
, 
의 값들을 결정하기 위해 미리 디바이스를 캘리브레이션해야 한다.
이러한 캘리브레이션들은 또한 알려진 레벨들의 두 가지 다른 조건들에 기초하여, 또는 다른 매체와의 유사성에 의해, 또는 심지어 수치 시뮬레이션에 의해 수행될 수도 있다.
추가적인 용량성 센서들(보상 커패시터들) 및 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 기술들을 사용하여 디바이스를 인-시츄 캘리브레이션하는 것이 가능하다.
장치(installation)
본 발명의 하나의 대상은 장치로서,
- 다상 매체(M)를 포함하는 용기(R);
- 본 발명에 따른 디바이스 - 제어 전극(4)은 다상 매체(M)에 삽입됨 -
를 포함하는 장치이다.
"용기(vessel)"라는 용어는 넓은 의미를 가지며, 다상 매체(M)가 포함될 수 있게 하는 임의의 수단을 포함한다.
용기(R)는 유리하게는 (개방 상태에 있는 스위치(50)에 의해 플로팅하게 둔) 제어 전극(4)에 전위를 인가하지 않기 위해 다상 매체(M)로부터 전기적으로 절연된다. 따라서, 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때, 전위는 다상 매체(M)에 의해 설정된 상태로 유지된다. 용기(R)가 다상 매체(M)로부터 전기적으로 절연되지 않을 때에는(예를 들어, 금속 벽들을 갖는 용기(R)), 커패시터 및 제어 전극(4)은 용기(R)가 다상 매체(M)의 전위에 영향을 미치지 않도록 용기(R)의 금속 벽들로부터 충분히 먼 거리에 배열된다.
여기 전극들(1, 2)의 쌍은 다상 매체(M)에 삽입될 수 있다. 변형에 의해, 여기 전극들(1, 2)의 쌍은 다상 매체(M)를 포함하는 역할을 하는 유전체 벽의 외부 측면 상에 배치될 수 있다.
실시예들의
예들
도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이, 높이 H의 시험관으로 구성된 용기(R)에서 수성 상 A, 오일 상 B 및 공기 상 C를 포함하는 다상 매체(M)에 대해 테스트들이 수행되었다.
커패시터는 서로 맞물린 여기 전극들(1, 2)의 쌍에 의해 형성되었다. 각각의 여기 전극(1, 2)은 250㎛의 폭을 가졌다. 전극-간 거리는 250㎛였다. 커패시터는 300mm의 높이를 가졌다. 커패시터는 폴리이미드로 제조된 유전체 층(10)의 일 면 위로 연장된다. 유전체 층(10)은 25㎛의 두께를 가졌다. 여기 전극들(1, 2)의 쌍은 폴리이미드로 제조된 유전체 막(20)으로 덮여 있다. 유전체 막(20)은 25㎛의 두께를 가졌다.
작동 주파수는 1kHz였다. 여기 전극들(1, 2)의 쌍들 사이의 트랜스커패시턴스는 LCR 미터를 사용하여 측정되었다.
시험관에 물을 채우고 시험관에 여기 전극들(1, 2)의 쌍 및 제어 전극(4)을 침지시킴으로써, 값들 
, 
을 결정하기 위한 캘리브레이션이 수행되었다. 동일한 프로토콜이 오일에 대해 관찰되었다.
도 7에 예시된 경우에서는, 초기에 물만을 포함한 시험관에 오일을 서서히 부었다. 도 8에 예시된 경우에서는, 초기에 오일만을 포함한 시험관에 물을 서서히 부었다. 두 경우 모두, 본 발명에 따른 디바이스의 용량성 측정에 기초하여 결정된 유체-레벨 값들이 눈으로 관찰된 유체 레벨들과 일치하는 것이 관찰되었다.
플로팅
디바이스로
측정들을 수행하기 위한 시스템
도 9a 내지 9e에 예시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 대상은 다상 매체(M)에서 용량성 측정들을 수행하기 위한 시스템으로서,
- 다상 매체(M)에서 플로팅하도록 의도되는 플로팅 디바이스(6);
- 본 발명에 따른 적어도 하나의 디바이스(7) - 이 디바이스는 플로팅 디바이스(6)에 단단히 고정됨 -
를 포함하는 시스템이다.
도 9e에 예시된 바와 같이, 플로팅 디바이스(6)는 다상 매체(M)에 장벽을 형성하는 분리 벽(60)을 포함할 수 있고, 벽(60)은 내부 표면을 갖고, 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)는 내부 표면에 대하여 벽(60) 내부에 마운팅된다.
다상 매체(M)는 연속적으로 다음을 포함하는 3개의 층상 상을 포함할 수 있다.
- 작동 주파수에서 전기 전도성인 액체 제1 상(P1);
- 오일들 또는 탄화수소들과 같은 하나 이상의 오염 물질을 포함하기 쉽고, 작동 주파수에서 유전성인 액체 제2 상(P2);
- 작동 주파수에서 유전성인 가스 제3 상(P3).
플로팅 디바이스(6)는 액체 제2 상(P2)의 표면 상에 플로팅하도록 배열된다. 플로팅 디바이스(6)는 부이(buoy)일 수 있다. 플로팅 디바이스(6)는 다수의 플로트(float)들(6a, 6b)을 포함할 수 있다. 플로팅 디바이스(6)는 원뿔형 형상일 수 있다.
물론, 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)의 전자 회로(3) 및 스위칭 회로(5)는 다상 매체(M)에 대해 밀봉되어 있다. 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)는 유리하게는 액체 제2 상(P2)의 높이를 투과하도록 구성된 모듈(70)을 포함하며, 투과는 가능하게는 무선 통신을 통해 수행된다. 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)는 유리하게는 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)의 동작을 자율적으로 만들기 위해
- 배터리 또는
- 플로팅 디바이스(6)의 이동 또는 온도 변화들로부터 에너지를 획득하기 위한 시스템에 의해, 또는
- 태양열 집열기에 연결된 전원에 의해
전기 전력을 공급받는다.
액체 제2 상(P2)의 높이를 제한하기 위한 응용에 있어서, 도 9a, 도 9c 및 도 9d에 예시된 바와 같이, 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스(7)의 여기 전극들(1, 2) 및 하나 이상의 제어 전극(4)은 액체 제1 및 제2 상들(P1, P2)과 접촉하여 수직으로 연장되고, 액체 제2 상(P2)의 높이보다 약간 더 큰 깊이로 배열될 수 있다.
오염 물질들을 검출하기 위한 응용에 있어서, 도 9b에 예시된 바와 같이, 용량성 측정들을 수행하기 디바이스(7)의 여기 전극들(1, 2) 및 하나 이상의 제어 전극(4)은 유리하게는 액체 제2 상(P2)에 완전히 놓이도록, 바람직하게는 액체 제2 상(P2)의 자유 표면에 실질적으로 평행하게 놓이도록 배열된다.
본 발명은 설명된 실시예들에 제한되지 않는다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 이들의 기술적으로 실행 가능한 조합들을 고려하고, 그에 대한 등가물들을 대체할 수 있을 것이다.
Claims (12)
- 다상 매체(multiphase medium)(M)에서 용량성 측정들(capacitive measurements)을 수행하기 위한 디바이스로서,
- 커패시터를 형성하는 적어도 한 쌍의 여기 전극들(1, 2);
- 접지면(PM);
- 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍을 접지면(PM)에 전기적으로 연결하도록 배열되며, 작동 주파수에서 각각의 여기 전극(1, 2)에 전위(V+, V-)를 인가하고, 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스(transcapacitance)를 측정하도록 구성되는 전자 회로(3)
를 포함하며,
상기 디바이스는,
- 상기 커패시터로부터 거리(l)에 배열되고, 상기 다상 매체(M)에 삽입되도록 의도되는 적어도 하나의 제어 전극(4);
- 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는 스위치(50)를 포함하는 스위칭 회로(5) - 이 상태들에서, 상기 스위치(50)는 상기 제어 전극(4)을 접지면(PM)으로부터/에 각각 전기적으로 분리 및 연결하고, 상기 스위칭 회로(5)는, 상기 스위치(50)가 폐쇄 상태에 있을 때에는, 접지면(PM)에 공통인 전위를 상기 제어 전극(4)에 인가하고, 상기 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때에는, 상기 제어 전극(4)의 전위를 플로팅하게 두도록 구성됨 -
를 포함하고,
상기 전자 회로(3)는, 상기 스위치(50)가 개방 상태에 있을 때 및 상기 스위치(50)가 폐쇄 상태에 있을 때, 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 다상 매체(M)는 작동 주파수에서 전기 전도성인 종들(species)을 포함하는 상(phase)을 포함하고, 상기 종들은 차단 주파수(cut-off frequency)를 가지며, 이 차단 주파수 아래에서, 상기 종들은 상기 커패시터의 제어 전극(4)이 배열되는 거리(l)에 걸쳐 상기 다상 매체(M)에서, 플로팅하게 두었던, 전위를 이퀄라이징하고,
상기 작동 주파수는 상기 차단 주파수 이하로 되도록 선택되는 디바이스. - 제2항에 있어서, 상기 커패시터는 d로 표시되는 특성 거리를 갖고,
상기 커패시터의 제어 전극(4)이 배열되는 거리(l) - 상기 거리는 l로 표시됨 - 는,
이 되도록, 바람직하게는
이 되도록
선택되며,
- fc는 차단 주파수이고,
- f는 작동 주파수인 디바이스. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 전극들(4)의 세트를 포함하며, 이들 전극들은 상기 커패시터로부터 다양한 거리들(l1, l2, l3)에 배열되고, 상기 다상 매체(M)에 삽입되도록 의도되고, 상기 스위칭 회로(5)는 각각의 제어 전극(4)에 대한 하나의 전용 스위치(50)를 포함하는 디바이스.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로(3)는 여기 전극(1, 2)에 연결된 가상 접지(30)를 포함하고, 상기 전자 회로(3)는 삼선법(three-wire method) 또는 사선법(four-wire method)을 사용하여 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍 사이의 트랜스커패시턴스를 측정하도록 구성되는 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 전자 회로(3)는 인버터로서 사용되는 연산 증폭기(31)를 포함하고, 상기 연산 증폭기(31)는
- 상기 접지면(PM)에 연결된 비-반전 입력;
- 여기 전극(1, 2)에 연결된 반전 입력
을 포함하는 디바이스. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
- 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 포함하는 유전체 층(10) - 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍은 상기 유전체 층(10)의 제1 표면으로 연장됨 -;
- 상기 유전체 층(10)의 제2 표면으로 연장되고, 상기 접지면(PM)을 형성하는 카운터-전극
을 포함하는 디바이스. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍은 유전체 막(20)으로 덮여 있는 디바이스.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여기 전극들(1, 2)의 쌍에 의해 형성된 커패시터는 평행-판 커패시터, 서로 맞물린 전극들을 갖는 커패시터 및 동축-실린더 커패시터로부터 선택되는 디바이스.
- 장치(installation)로서,
- 다상 매체(M)를 포함하는 용기(R);
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 디바이스 - 상기 제어 전극(4)은 상기 다상 매체(M)에 삽입됨 -
를 포함하는 장치. - 다상 매체(M)에서 용량성 측정들을 수행하기 위한 시스템으로서,
- 상기 다상 매체(M)에서 플로팅하도록 의도되는 플로팅 디바이스(6);
- 상기 플로팅 디바이스(6)에 단단히 고정된 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 디바이스
를 포함하는 시스템. - 제11항에 있어서, 상기 플로팅 디바이스(6)는 상기 다상 매체(M)에 장벽을 형성하는 분리 벽(60)을 포함하고, 상기 벽(60)은 내부 표면을 갖고, 상기 용량성 측정들을 수행하기 위한 디바이스는 상기 내부 표면에 대하여 상기 벽(60) 내부에 마운팅되는 시스템.
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