KR20240016453A - 비-침습적 열 조사를 위한 장치, 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
다양한 비-침습적 센서들은 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 표면 상에 배치되도록 적응된다. 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들, 및 내부 파라미터들 및 표면 열 신호들의 함수인 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 각각의 비-침습적 센서는 물체의 표면에 대한 측정된 열 전달 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 물체의 표면에 대한 측정된 온도 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 센서들 중 하나 이상을 포함하는 시스템들은 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포는 물론, 물체의 하나 이상의 다른 내부 속성의 정확하고 신속한 결정을 포함하여 물체의 비-침습적 감지를 수행한다.
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관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 7월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련번호 제62/869,208호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 참조로 포함된다.
온도 센서들 및 다른 열 감지 시스템들은 다수의 상이한 기술분야들 및 응용들에서 중요하다. 비-침습적인(non-invasive) 온도 센서들 및 다른 열 감지 시스템들이 특히 중요하다. 본 출원의 기술은 상이한 산업분야들에 걸쳐서 개선된 신뢰성, 정확성, 비용, 복잡성, 크기, 제조 용이성, 사용 용이성, 계산 시간, 요구되는 프로세싱 능력, 응답 시간, 및 적용가능성을 제공하는 비-침습적 열 조사 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.
비-침습적 열 조사(Non-Invasive Thermal Interrogation)(NITI)는 열 감지를 사용하여 비-파괴적 테스트 및 모니터링을 제공한다. 비-침습적 열 조사(NITI)는 표면 온도 신호들 및 표면 열 전달(surface heat trasfer)(예를 들어, 열 유속(heat flux)) 신호들의 동시 조합들을 사용하여 수행된다. 물체 또는 시스템 표면에서 동시에 측정될 때, 표면 온도 및 표면 열 유속 신호들은 물체 또는 시스템의 내부 영역의 내부 온도 분포(예를 들어, 내부 온도 프로파일) 및 내부 파라미터들(예를 들어, 열 전도도, 밀도, 열 용량, 대류 계수, 정상-상태 열 저항 등)을 비-침습적으로 결정하기 위해 사용될 수 있다. 물체 또는 시스템의 내부 온도 분포는 전형적으로 내부 파라미터들의 함수이다. NITI를 겪는 물체 또는 시스템, 및/또는 NITI 응용에 따라, 내부 파라미터들이 달라질 수 있다. 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포는 물체 또는 시스템의 내부 속성들로서 정의된다.
NITI는 열 신호들이 존재할 때마다 물체 또는 시스템의 비-파괴적 테스트 및 모니터링을 허용하기 때문에, NITI는 다수의 다양한 응용들에서 이용될 수 있다. 충분한 열 신호들이 존재하지 않는 경우들에서는, 물체 또는 시스템 표면에서 그것들이 생성될 수 있다.
적어도 일부 예들은 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 비-침습적 감지를 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 비-침습적 센서를 포함하고, 비-침습적 센서는 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서(heat flux sensor), 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 비-침습적 센서는 물체의 표면 상에 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자에 결합되는 제어 회로부는: 하나 이상의 지정된 시간에 온도 센서로부터 측정된 온도 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에 열 유속 센서로부터 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 열 유속 신호에 기초하여 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에 내부 파라미터들 각각에 대한 값을 결정하고; 측정된 온도 신호, 측정된 열 유속 신호, 및 내부 파라미터들의 값들에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에서 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타내는 정보를 생성하도록 적응된다.
적어도 일부 예들은 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 비-침습적 감지를 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 비-침습적 센서를 포함하고, 비-침습적 센서는: 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 비-침습적 센서는 물체의 표면 상에 또는 그 근처에 배치되도록 적응되고, 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자에 결합되는 제어 회로부는: 하나 이상의 지정된 시간에 온도 센서로부터 측정된 온도 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에 열 유속 센서로부터 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 측정된 온도 신호, 및 측정된 열 유속 신호에 기초하여, 하나 이상의 지정된 시간에 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 추정값들을 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 파라미터들에 대해 결정된 추정값들 중 하나 이상을 나타내는 정보를 생성하도록 적응된다.
적어도 일부 예들은 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 비-침습적 감지를 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 각각은 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍은 물체의 표면 상의 또는 그 근처의 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 각각의 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자에 결합되는 제어 회로부는: 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 온도 센서로부터 제1 측정된 온도 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서로부터 제1 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서로부터 제2 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 파라미터들 각각에 대한 값을 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 온도 센서들로부터의 측정된 온도 신호들, 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서들로부터의 측정된 열 유속 신호들, 및 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들의 값들에 기초하여, 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 온도 분포를 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 온도 분포를 나타내는 정보를 생성하도록 구성된다.
적어도 일부 예들은 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 비-침습적 감지를 위한 시스템으로서, 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함하는 시스템을 제공한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 각각은 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍은 물체의 표면 상의 또는 그 근처의 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 각각의 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자에 결합되는 제어 회로부는: 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 온도 센서로부터 제1 측정된 온도 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서로부터 제1 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 온도 센서로부터 제2 측정된 온도 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서로부터 제2 측정된 열 유속 신호를 수신하고; 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 파라미터들 각각에 대한 초기값을 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 온도 센서들로부터의 측정된 온도 신호들, 및 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍의 열 유속 센서들로부터의 측정된 열 유속 신호들, 및 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들의 값들에 기초하여, 하나 이상의 지정된 시간에서 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하고; 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 나타내는 정보를 생성하도록 구성된다.
적어도 일부 예들은 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 표면 상에 또는 그 근처에 배치될 수 있는 비-침습적 센서를 제공하고, 여기서 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다. 비-침습적 센서는 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함하고, 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍은 물체의 표면에 대해 측정된 열 유속 신호를 제공하기 위해 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 물체의 표면에 대해 측정된 온도 신호를 제공하기 위해 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 열 유속 센서 및 온도 센서는 동일한 열 조건들에 종속되도록 구성된다.
적어도 일부 예들은 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 물체의 표면 상에 또는 그 근처에 배치될 수 있는 비-침습적 센서를 제공한다. 비-침습적 센서는 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 각각은 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서, 및 하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함한다. 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍은 물체의 표면 상의 또는 그 근처의 상이한 위치들에 배치되도록 적응되고, 여기서 물체의 내부 영역은 대응하는 내부 파라미터들 및 내부 온도 분포에 의해 표시되는 내부 속성들을 갖는다.
본 출원에 제시되는 기술의 추가 양태들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 함께 읽혀질 이하의 예들에 대한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 예시적인 열 유속 센서 실시예에 따른 두께 t, 폭 W, 및 길이 H를 갖는 열 유속 센서의 예를 보여준다.
도 2a는 예시적인 실시예에 따른 열 저항 층을 포함하는 차동 서모파일(differential thermopile)의 단면을 보여준다.
도 2b는 예시적인 실시예에 따라 열 저항 층을 포함하고 제조하기 더 쉬울 수 있는 차동 서모파일의 단면을 보여준다.
도 3은 접합에 걸쳐 열 유속이 부과되고 열의 흐름은 일반적으로 접촉 지점들을 통한 전도로 제한되는 예를 보여준다.
도 4는 알려지지 않은 내부 속성들을 가진 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 가열기(외부 열 디바이스)는 열 유속 센서 상에 배치된다.
도 5는 알려지지 않은 내부 속성들을 갖는 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6a는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연재(insulation) 단편을 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6b는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연재 단편은 물론, 주변 물체 영역의 일부를 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6c는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연체 단편을 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 7a는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여준다.
도 7b는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서-온도 센서 쌍에 열 이벤트를 제공하는 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여준다.
도 7c는 온도 센서, 열 유속 센서, 가열기, 및 대응하는 출력 단자들을 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예를 보여준다.
도 7d는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 온도 센서는 열 유속 센서와 외부 열 디바이스 사이에 위치된다.
도 7e는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 온도 센서는 열 유속 센서 내에 위치된다.
도 7f는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 열 유속 센서와 온도 센서는 기판에 의해 분리된다.
도 7g는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 열 유속 센서와 온도 센서는 기판에 의해 분리되고 온도 센서는 열적으로 호환가능한 재료들에 의해 둘러싸인다.
도 8은 CHFT-로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 9는 CHFT+로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 10은 물체의 측정된 열 유속, 측정된 온도, 및 내부 파라미터들의 결정된 값들을 사용하여, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 내부 온도 분포를 포함하는 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 NITI 센서를 포함하는 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 11은 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 파라미터 추정 방식을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 12는 알려지지 않은 내부 속성들을 갖는 물체의 표면 상에 배치된 예시적인 듀오(DUO)(병렬 센서 쌍들) CHFT+(가열기 포함) 실시예의 단면을 보여준다.
도 13은 각각의 센서 노드 상에 상이한 양의 열적 절연재(thermal insulation)를 갖는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 14는 하나의 CHFT- 노드가 열적 절연재를 포함하는 한편 다른 하나는 노출되어 있는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 15는 하나의 센서 노드가 CHFT+를 포함하고 다른 하나는 CHFT-를 포함하는 예시적인 듀오(병렬 센서 노드들) CHFT+/- 감지 실시예의 단면을 보여준다.
도 16은 어느 센서 노드도 열적 절연재를 갖지 않는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 17은 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 병렬로 동작하는 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍으로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 18a는 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법(differential based data processing method)에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 18b는 정상-상태 조건들(steady-state conditions)에서 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 19a는 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법(quotient based data processing method)에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 19b는 정상-상태 조건들에서 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 20은 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하기 위해 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 사용하는 예시적인 듀오 NITI 시스템을 위한 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 21은 물체의 내부 온도 분포를 결정하기 위해 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 사용하는 예시적인 듀오 NITI 시스템을 위한 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 22는 조직 내의 혈액 관류(흐름)에 대한 예시적인 응용을 보여준다.
도 23은 실험 데이터와 함께 사용될 때 최적의 관류(perfusion)(w) 값을 결정하는 파라미터 추정 방식의 능력을 보여주는 그래프이다.
도 24는 예시적인 CHFT+ 혈액 관류 실시예에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 일치의 예를 도시하는 그래프이다.
도 25는 예시적인 CHFT+ 혈액 관류 실시예에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 불일치의 예를 도시하는 그래프이다.
도 26은 예시적인 혈액 관류 응용에서 시간에 따른 내부 파라미터들에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선의 상이한 감도를 도시하는 그래프이다.
도 27은 관류 의사 조직(perfusing pseudo tissue)의 관류율(perfusion rate)을 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+ 실시예 및 예시적인 주기적 CHFT+ 실시예의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 28은 관류 의사 조직의 심부 온도(core temperature)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(능동 온도 측정(Active Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 29는 관류 의사 조직의 심부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT- 실시예(수동 온도 측정법(Passive Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 30은 관류 의사 조직의 심부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ ZHF 실시예(제로 열 유속 온도 측정법(Zero Heat-Flux Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 31은 파이프 또는 다른 도관에서 흐르는 유체에 관련된 하나 이상의 파라미터를 결정하기 위한 기술의 다른 응용을 보여준다.
도 32는 구리 파이프 내의 유체 흐름에 대한 실험적 측정들로 전개된 예시적인 상관관계를 보여주는 그래프이다.
도 33은 실험 데이터와 함께 사용될 때의 최적의 대류 계수(h) 값을 결정하는 데에 있어서의 파라미터 추정 방식의 능력을 보여주는 그래프이다.
도 34는 구리 파이프 실시예에서 예시적인 CHFT+ 유체 흐름에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 일치의 예를 보여주는 그래프이다.
도 35는 구리 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(능동 온도 측정)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 36은 구리 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하는 데 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(하나의 센서 노드는 가열기를 갖고 하나의 센서 노드는 가열기를 갖지 않음)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 37은 CPVC 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하는 데 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(하나의 센서 노드는 가열기를 갖고 하나의 센서 노드는 가열기를 갖지 않음)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 2a는 예시적인 실시예에 따른 열 저항 층을 포함하는 차동 서모파일(differential thermopile)의 단면을 보여준다.
도 2b는 예시적인 실시예에 따라 열 저항 층을 포함하고 제조하기 더 쉬울 수 있는 차동 서모파일의 단면을 보여준다.
도 3은 접합에 걸쳐 열 유속이 부과되고 열의 흐름은 일반적으로 접촉 지점들을 통한 전도로 제한되는 예를 보여준다.
도 4는 알려지지 않은 내부 속성들을 가진 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 가열기(외부 열 디바이스)는 열 유속 센서 상에 배치된다.
도 5는 알려지지 않은 내부 속성들을 갖는 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6a는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연재(insulation) 단편을 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6b는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연재 단편은 물론, 주변 물체 영역의 일부를 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 6c는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍) 상의 절연체 단편을 포함하는 예시적인 CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 7a는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여준다.
도 7b는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 열 유속 센서-온도 센서 쌍에 열 이벤트를 제공하는 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여준다.
도 7c는 온도 센서, 열 유속 센서, 가열기, 및 대응하는 출력 단자들을 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예를 보여준다.
도 7d는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 온도 센서는 열 유속 센서와 외부 열 디바이스 사이에 위치된다.
도 7e는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 온도 센서는 열 유속 센서 내에 위치된다.
도 7f는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 열 유속 센서와 온도 센서는 기판에 의해 분리된다.
도 7g는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 단면을 보여주며, 여기서 열 유속 센서와 온도 센서는 기판에 의해 분리되고 온도 센서는 열적으로 호환가능한 재료들에 의해 둘러싸인다.
도 8은 CHFT-로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 9는 CHFT+로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 10은 물체의 측정된 열 유속, 측정된 온도, 및 내부 파라미터들의 결정된 값들을 사용하여, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 내부 온도 분포를 포함하는 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 NITI 센서를 포함하는 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 11은 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 파라미터 추정 방식을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 12는 알려지지 않은 내부 속성들을 갖는 물체의 표면 상에 배치된 예시적인 듀오(DUO)(병렬 센서 쌍들) CHFT+(가열기 포함) 실시예의 단면을 보여준다.
도 13은 각각의 센서 노드 상에 상이한 양의 열적 절연재(thermal insulation)를 갖는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 14는 하나의 CHFT- 노드가 열적 절연재를 포함하는 한편 다른 하나는 노출되어 있는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 15는 하나의 센서 노드가 CHFT+를 포함하고 다른 하나는 CHFT-를 포함하는 예시적인 듀오(병렬 센서 노드들) CHFT+/- 감지 실시예의 단면을 보여준다.
도 16은 어느 센서 노드도 열적 절연재를 갖지 않는 예시적인 듀오(병렬 센서 쌍들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다.
도 17은 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 병렬로 동작하는 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍으로 NITI를 수행하기 위한 예시적인 NITI 시스템을 도시하는 기능 블록도이다.
도 18a는 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법(differential based data processing method)에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 18b는 정상-상태 조건들(steady-state conditions)에서 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 19a는 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법(quotient based data processing method)에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 19b는 정상-상태 조건들에서 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법에 관련된 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다.
도 20은 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하기 위해 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 사용하는 예시적인 듀오 NITI 시스템을 위한 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 21은 물체의 내부 온도 분포를 결정하기 위해 2개의 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 사용하는 예시적인 듀오 NITI 시스템을 위한 비-제한적인 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다.
도 22는 조직 내의 혈액 관류(흐름)에 대한 예시적인 응용을 보여준다.
도 23은 실험 데이터와 함께 사용될 때 최적의 관류(perfusion)(w) 값을 결정하는 파라미터 추정 방식의 능력을 보여주는 그래프이다.
도 24는 예시적인 CHFT+ 혈액 관류 실시예에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 일치의 예를 도시하는 그래프이다.
도 25는 예시적인 CHFT+ 혈액 관류 실시예에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 불일치의 예를 도시하는 그래프이다.
도 26은 예시적인 혈액 관류 응용에서 시간에 따른 내부 파라미터들에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선의 상이한 감도를 도시하는 그래프이다.
도 27은 관류 의사 조직(perfusing pseudo tissue)의 관류율(perfusion rate)을 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+ 실시예 및 예시적인 주기적 CHFT+ 실시예의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 28은 관류 의사 조직의 심부 온도(core temperature)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(능동 온도 측정(Active Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 29는 관류 의사 조직의 심부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT- 실시예(수동 온도 측정법(Passive Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 30은 관류 의사 조직의 심부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ ZHF 실시예(제로 열 유속 온도 측정법(Zero Heat-Flux Thermometry))의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 31은 파이프 또는 다른 도관에서 흐르는 유체에 관련된 하나 이상의 파라미터를 결정하기 위한 기술의 다른 응용을 보여준다.
도 32는 구리 파이프 내의 유체 흐름에 대한 실험적 측정들로 전개된 예시적인 상관관계를 보여주는 그래프이다.
도 33은 실험 데이터와 함께 사용될 때의 최적의 대류 계수(h) 값을 결정하는 데에 있어서의 파라미터 추정 방식의 능력을 보여주는 그래프이다.
도 34는 구리 파이프 실시예에서 예시적인 CHFT+ 유체 흐름에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 사이의 일치의 예를 보여주는 그래프이다.
도 35는 구리 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(능동 온도 측정)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 36은 구리 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하는 데 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(하나의 센서 노드는 가열기를 갖고 하나의 센서 노드는 가열기를 갖지 않음)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
도 37은 CPVC 파이프 내의 유체 흐름의 내부 온도를 측정하는 데 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(하나의 센서 노드는 가열기를 갖고 하나의 센서 노드는 가열기를 갖지 않음)의 결과들을 보여주는 그래프이다.
몇 가지 구체적인 예가 아래에서 논의될 것이다. 본 발명은 이러한 특정 예들에 제한되지 않음을 알 것이다.
이하의 설명은 제한이 아니라 설명의 목적을 위해 예시적인 실시예들을 제시한다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 특정 세부사항과는 별개로 다른 예시적인 실시예들이 이용될 수 있음을 알 것이다. 일부 경우들에서, 불필요한 세부사항으로 설명을 모호하게 하지 않도록, 공지된 방법들, 인터페이스들, 회로들 및 디바이스들에 대한 상세한 설명들은 생략된다. 개별 블록들이 일부 도면들에 보여진다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 이러한 블록들의 기능들이 개별 하드웨어 회로들을 사용하여, 적절하게 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 함께 소프트웨어 프로그램들 및 데이터를 사용하여, 및/또는 주문형 집적 회로(ASIC)를 사용하여, 및/또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하여 구현될 수 있음을 알 것이다. 소프트웨어 프로그램 명령어들 및/또는 데이터는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체, 하나 이상의 클라우드, 하나 이상의 서버에 저장될 수 있으며, 명령어들이 컴퓨터 또는 다른 적절한 프로세서 컨트롤에 의해 실행될 때, 컴퓨터 또는 프로세서는 그러한 명령어들에 연관된 기능들을 수행한다.
본 명세서에서, 신호라는 용어는 에너지 및/또는 정보를 전기적, 전자적, 전자기적, 자기적 또는 기계적(예를 들어, 초음파 신호) 형태로 하나의 위치 또는 영역으로부터 다른 위치 또는 영역으로 전달하는 임의의 신호를 포괄하도록 사용된다. 신호들은 전기적 또는 자기적 전도체들에 의해 하나의 위치 또는 영역으로부터 다른 위치 또는 영역으로 전도될 수 있지만, 신호들이라는 용어는 전기적, 전자적, 전자기적, 자기적 또는 탄성적 효과들로 인해 비전도성 영역들을 통해 전달되는 광 및 다른 전자기적 형태들의 신호들 및 다른 신호들을 또한 포함한다. 신호들은 아날로그 및 디지털 신호 둘 다를 포함한다. 아날로그 전기 신호는 전압과 같이 연속적으로 변하는 물리량 형태의 정보를 포함한다. 디지털 전기 신호는 물리적 특성의 이산 값들의 형태의 정보를 포함하며, 이는 또한 예를 들어 전압일 수 있다.
컴포넌트, 층 또는 다른 구조물은 그것이 열 에너지(예를 들어, 전도, 복사 및/또는 대류에 의해 전달되는 열 에너지)를 하나의 위치 또는 영역으로부터 다른 위치 또는 영역으로 충분히 전도하고, 그 다른 위치 또는 영역에서의 동작들이 열 에너지에 의해 영향을 받을 수 있는 경우 열 전도성 또는 열 전도이다. 감지라는 용어는 물리적 자극으로부터 정보를 획득하는 것을 의미하므로, 감지는 검출, 측정 등과 같은 액션들을 포함한다. 열 감지(thermal sensing)는 분자들, 원자들 또는 물질의 더 작은 구성요소들의 열, 온도 또는 무작위 운동 에너지와 같은 열 자극을 감지하는 것이다. 열 센서는 열 감지를 수행하고 열 에너지에 관련된 신호들을 생성하는 전자 디바이스이다. 열 에너지가 정보를 포함하는 경우, 열 에너지를 검출하는 열 센서 또는 열 센서들의 조합들이 정보를 감지할 수 있다. 문맥에 따라, 본 출원에서 사용되는 상이한 형태들 및/또는 유형들의 열 에너지 및 관련 열 신호들은 열 전달, 열 전달 신호들, 온도 및 온도 신호들로 간주될 수 있다.
문맥이 달리 나타내지 않는 한, 회로부 및 회로라는 용어들은 하나 이상의 전자 컴포넌트가 함께 또는 관련된 방식으로 동작하기에 충분한 전기 연결들을 갖는 구조물들을 지칭한다. 일부 경우들에서, 회로부 항목은 둘 이상의 회로를 포함할 수 있다. 프로세서를 포함하는 회로부 항목은 때때로 하드웨어 및 소프트웨어 컴포넌트로 분리될 수 있고; 이러한 문맥에서, 소프트웨어는 프로세서의 동작을 제어하거나 동작 동안 프로세서에 의해 액세스되는 저장된 데이터를 지칭하고, 하드웨어는 데이터를 저장, 전송 및 조작하는 컴포넌트들을 지칭한다. 회로부는 그것의 동작 또는 다른 특성들에 기초하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 제어 동작들을 수행하는 회로부는 때때로 제어 회로부로 지칭되고, 프로세싱 동작들을 수행하는 회로부는 때때로 프로세싱 회로부로 지칭된다.
일반적으로, 센서들, 프로세서들, 및 다른 그러한 항목들은 그것들이 자동으로 또는 부분적으로 자동으로 작동되는 시스템에 포함될 수 있다. 시스템이라는 용어는 함께 동작을 수행할 수 있는 둘 이상의 부품 또는 컴포넌트의 조합을 지칭한다. 시스템은 그것의 동작에 의해 특징지어질 수 있다.
집적된 구조물은 미세 가공 또는 유사한 프로세스들에 의해 생성된 전기적 컴포넌트들 및 연결들을 갖는 구조물이다. 집적된 구조물은 예를 들어 그것이 생성된 기판 또는 다른 적절한 지지 구조물 상에 또는 위에 있을 수 있다. 다른 유형들의 프로세스들에 의해 생성된 이산 컴포넌트들과 같은 다른 컴포넌트들은 집적된 구조물과 동일한 지지 구조물 상에 있을 수 있다.
열 기반 감지 및 모니터링은 전형적으로 온도 센서들 및/또는 온도 신호들만으로 수행된다. 예를 들어, 물체 또는 시스템의 내부 온도를 결정하기 위해, 침습적 온도 프로브들이 미리 정해진 관심 깊이에 삽입된다. 예는 파이프 또는 도관 내의 내부 흐름 온도를 측정하기 위해 써모웰들(thermowell)에 삽입되는 침습적 온도 프로브들을 사용한다. 써모웰 배치는 전형적으로 내부 유체 흐름 내에 써모웰을 배치하기 위해 파이프 또는 도관 표면이 천공되고/거나 다르게 관통되는 복잡한 절차들을 필요로 한다. 다음으로, 온도 센서(예를 들어, 열전대, 저항 온도 디바이스(resistance temperature device)(RTD), 서미스터, 온도계 등)는 써모웰 내에 삽입되고, 거기에서 유체 흐름으로부터 보호된다. 써모웰의 열 용량으로 인해, 그들 내부의 온도 센서들의 응답 시간이 느려진다. 추가로, 써모웰 벽들이 파이프나 도관 외부(또는 내부)로 열을 전도할 수 있기 때문에, 온도 센서 정확도가 부정적인 영향을 받을 수 있다. 전형적으로, 유체 흐름 온도를 측정할 때의 이러한 접근방식은 예를 들어 파이프 또는 도관의 표면 온도 측정값들을 측정하는 것보다 더 정확하다. 그러나, 이러한 기술의 침습적 특성으로 인해, 전형적으로, 그 사용 전에 많은 설계 고려사항들이 발생한다. 이러한 설계 고려사항들은 다수의 응용들에서 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다. 예를 들어, 써모웰의 재료 및/또는 설계 특성들은 응용에 기초하여 다를 수 있으며, 광범위한 표준(예를 들어, 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials)(ASTM) 표준)을 준수해야 한다. 또한, 써모웰들의 침습적 특성은 부식, 및/또는 예를 들어 구조적 응력 및 진동을 야기할 수 있는 고에너지 유체 흐름에 대한 장기간 노출로 인해 복잡한 장기 유지관리를 초래한다.
침습적 프로브들이 물체 및/또는 시스템 내부 온도 측정에 사용되는 또 다른 열 기반 감지 예는 심부 체온 측정(core body temperature measurement)이다. 예를 들어, 의료 분야에서, 실시간 심부 체온 측정의 정확한 방법들로서 이용되고 수용되는 현재의 방법들은 예를 들어 식도, 직장 및 폐동맥 기반 온도 측정이다. 이러한 방법들 전부는 신체 내의 상이한 위치들에 배치되는 침습적이고 종종 불편한 프로브들을 사용한다. 침습적 특성으로 인해, 그러한 방법들은 감염 및/또는 다른 합병증들을 유발할 수 있다. 그러한 방법들의 침습적 특성은 또한 측정이 이루어질 수 있는 장소와 시기의 범위를 제한한다. 예를 들어, 침습적 프로브들은 환자들이 마취 또는 다른 유사한 절차를 거치지 않는 한 거의 사용되지 않는다. 침습적 프로브들은 또한 웨어러블 기술들 또는 디바이스들에 적합하지 않다.
침습적 내부 온도 측정 기술들의 한계를 감안하면, 대안적인 접근방식은 표면 및/또는 다른 외부 온도 판독값(예를 들어, 주변 온도)에 기초하여 물체 또는 시스템의 내부 온도를 측정하는 것일 수 있다. 그러나, 이러한 접근방식은 전형적으로 부정확한 측정들을 초래하고, 이러한 비-침습적 온도 측정들에 기초하여 내부 온도 측정들을 결정하기 위한 시도에서, 복잡한 하드웨어 및 소프트웨어 시스템들을 필요로 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 온도 센서는 물체 또는 시스템 표면 상에 또는 그 근처에서, 및/또는 물체 또는 시스템의 표면 상에 또는 근처에 배치되는 디바이스 내부에서 사용될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 열 보정된 컴포넌트(예를 들어, 절연재 단편들, 정밀 온도 센서들 등)가 요구될 수 있다. 이는 복잡한 및/또는 복합적인 측정 시스템들을 더 야기한다. 다른 실시예들은 하나 이상의 제어 시스템, 하나 이상의 가열기, 하나 이상의 냉각기, 및/또는 복수의 온도 센서를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들은 예를 들어 내부 온도 측정을 위한 제로 열 유속 환경을 생성하고 결정하도록 설계될 수 있다. 전형적으로, 이러한 비-침습적 접근방식들은 특히 변화하는 또는 극한의 열 조건에서 느리고 부정확하다. 또한, 일부 경우들에서, 정확한 내부 온도 측정들을 위해, 센서 및/또는 디바이스 배치가 물체 또는 시스템 표면의 특정 영역들로 제한될 수 있다. 예를 들어, 심부 체온 측정에 관련하여, 센서 및/또는 디바이스 배치는 신체 상의 특정 보조 위치들(예를 들어, 겨드랑이 또는 이마)로 제한될 수 있다. 추가로, 하드웨어 복잡성으로 인해, 실시예들이 큰 폼 팩터들에 연관될 수 있어, 다수의 응용에 불편을 초래할 수 있다. 예를 들어, 심부 체온 측정에 관련하여, 큰 폼 팩터들은 웨어러블 응용들에 비실용적이다. 비-침습적 내부 파이프 또는 도관 온도 측정에 관련하여, 큰 폼 팩터들은 특정 위치들에서의, 예를 들어, 파이프 표면과 주변 열적 절연재 사이에서의 센서 및/또는 디바이스 장착을 방해할 수 있다. 마지막으로, 그러한 시스템들의 복잡성은 제조 어려움은 물론, 제조 비용 증가를 초래할 수 있다.
다른 열 기반 감지 응용들은 온도 기반 신호들을 사용하여 열 풍속계를 통해 내부 유체 흐름을 결정할 수 있다. 이러한 접근방식은 확립된 상관관계들을 통해 측정된 온도 신호들에 대응하는 유체 흐름을 측정하기 위해 내부 프로빙을 필요로 한다. 반대로, 열 분산 유량계는 파이프 또는 도관 표면의 온도 센서들을 사용하는 비-침습적 시스템으로, 그 사이에서 가열기가 파이프/도관 표면에 열 에너지를 제공한다. 가열 요소 전후에 배치된 온도 센서들 사이의 온도 차이는 내부 유체 유량에 상관관계가 있다. 그러나, 열 분산식 유량계들은 열적 절연 재료로 만들어진 파이프에서는 제대로 기능하지 않는다. 또한, 가열기를 통해 파이프 또는 도관에 들어가는 열 에너지(즉, 열 전달)의 구체적인 양은 알려지지 않고 기본 가정들을 통해서만 추정될 수 있기 때문에, 이들은 다양한 조건들에서 사용될 때 부정확성에 취약하다. 따라서, 열 분산식 유량계들은 전형적으로 특정 조건들 및 사용 사례들에 맞게 보정된다.
표면 및/또는 내부 온도 측정을 사용하여 물체 또는 시스템 표면 열 전달(예를 들어, 열 유속)을 예측(예를 들어, 분석적으로 결정)하기 위해, 다른 열 기반 기술들이 사용될 수 있다. 이러한 기법들은 예측된 표면 열 전달(예를 들어, 열 유속) 및 표면 또는 내부 온도 신호들에 기초하여 물체 또는 시스템의 내부 속성들을 결정하기 위해 더 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 기법들은 측정된 온도 신호들로부터 열 전달(예를 들어, 열 유속)을 결정할 때 요구되는 수학적 적분으로 인한 불량한 정확도, 낮은 해상도, 연장된 프로세싱 시간, 및 노이즈 증폭과 같은 다수의 한계를 가질 수 있다.
예를 들어, 물체 또는 시스템의 내부 속성들을 결정하기 위해, 물체 또는 시스템의 결정된 표면 열 전달(예를 들어, 열 유속)이 (예를 들어, 열 유속 센서를 통한) 측정된 표면 열 전달과 비교될 수 있다. 다시 말하면, 온도 측정들에 기초하는 열 전달(예를 들어, 열 유속) 예측의 한계로 인해, 물체 또는 시스템의 내부 속성들에 대해 그러한 기법들을 통해 결정된 값들은 부정확하고 응용에 비실용적일 수 있다. 또한, 이러한 기법들을 사용할 때, 그로부터 표면 열 전달이 결정되는 측정된 온도(예를 들어, 표면 온도)와, 물체 또는 시스템의 측정된 열 전달(예를 들어, 표면 열 유속) 사이에 불일치가 있을 수 있다. 예를 들어, 열 유속 센서를 통해 물체 또는 시스템 표면에서 측정된 열 전달(예를 들어, 열 유속)이 표면 온도 센서의 위치에서 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)과 동일하지 않을 때 예를 들어, 불일치가 발생할 수 있다. 이것은 예를 들어 열 유속 센서가 경험하는 동일한 열(예를 들어, 열 전달 및/또는 온도) 조건들에 종속되지 않는, 열 유속 센서에 근접하게 위치되는 표면 온도 센서로 인해 야기될 수 있다. 다른 예들에서, 온도 센서는 열 유속 센서 상에 또는 근처에, 그러나 열 유속 센서 감지 영역 외부의 위치에 위치될 수 있으며, 이는 또한 측정들의 불일치를 초래할 수 있다. 예를 들어 열 유속 센서 감지 영역 상에 또는 근처에 위치되지만 예를 들어 그것의 설계(예를 들어, 두께) 및/또는 재료의 결과로서 열 유속 센서와 물체/시스템 표면 사이의 부적절한 접촉을 야기하는 온도 센서를 사용할 때 유사한 쟁점들이 발생할 수 있다. 이러한 예에서, 측정된 온도가 표면 온도의 정확한 표현이 아니고/거나 측정된 열 전달이 물체/시스템 표면에서 발생하고 있는 것 및/또는 온도 센서가 경험하고 있는 것 그대로가 아니기 때문에 불일치가 발생한다. 다른 예들에서, 열 유속 센서 및 온도 센서 및/또는 그 주변을 구성하는 데 사용되는 재료들은 충분히 다를 수 있고(예를 들어, 상이한 열 저항 값들), 균일한 열 조건들에 대해 불균일한 응답을 유발할 수 있다. 이는 또한 열 유속 센서와 온도 센서 출력들 사이의 불일치를 야기할 수 있다.
다른 예에서, 예시적인 얇은 온도 센서인 박막 열전대는 열 유속 센서와 물체/시스템 표면들 사이에 적절한 접촉이 확립되는 열 유속 센서 감지 영역 상에 위치될 수 있다. 이 경우, 박막 열전대 온도 센서는 위에서 설명된 예시적인 쟁점들(예를 들어, 두께로 인한 부적절한 접촉) 중 임의의 것을 발생시키지 않으며, 열 유속 센서와 동일한 열(예를 들어, 열 전달 및/또는 온도) 조건들에 종속되지만, 열전대 재료들 및/또는 출력 단자들(예를 들어, 열전대 리드들)을 통해 열전대 접합으로 또는 열전대 접합으로부터 전도되는(즉, 나가거나 들어가는) 열 에너지로 인해 측정된 온도가 정확하지 않은 경우 열 분로(thermal shunting)를 경험할 수 있다. 그러한 경우들에서, 측정된 온도는 열 유속 센서 감지 영역에서 또는 그 근처에서 경험되는 실제 온도보다 낮거나 높을 수 있다. 이러한 비제한적이고 예시적인 조건들 모두는 열 기반 감지 기술들을 사용할 때 물체 또는 시스템 내부 속성들을 정확하게 결정하기 위한 잠재적인 쟁점들이다.
열 기반 감지 기술들에서 열 전달(예를 들어, 열 유속) 측정을 사용할 때의 문제는 비효율성이다. 열 전달은 관습상 온도 기울기의 결과로서 이해되고 설명된다. 이러한 종래의 접근방식은 비효율적이고 부정확한 열 전달(예를 들어, 열 유속) 측정 기법들은 물론, 열 전달(예를 들어, 열 유속)과 온도의 차이들 사이의 일반적인 혼동을 초래할 수 있다. 예를 들어, 열 전달을 측정하는 한 가지 방식은 소정 종류의 절연 재료(즉, 열 저항 층)의 양측에서 하나 이상의 온도 센서, 예를 들어 열전대, RTD, 음 또는 양의 온도 계수(NTC) 센서, 서미스터 등을 사용하여 1차원 평면(즉, 평면) 게이지의 한 유형인 계층화된 열 유속 게이지를 생성할 수 있다. 이러한 예시적인 방법에서, 절연 재료의 양측에서의 절대 온도의 결정(예를 들어, 평균)이 측정되고, 이들 사이의 차이는 보정되거나 다른 방식으로 결정된 열 저항 값으로 절연 재료를 통해 발생하는 열 전달의 양을 결정하는 데 사용된다. 다른 예시적인 접근방식에서, 열전대는 보정된 절연 재료(즉, 열 저항 층)의 양측(예를 들어, 상단 및 하단)에 배치되어 열전대 쌍을 형성할 수 있다. 열전대 쌍은, 직렬로 연결될 때의 열전대 쌍의 출력이 열 저항 층에 걸친 온도 차이와 열 저항 층을 통해 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)을 나타내는(예를 들어, 그에 비례하는) 차분 전압이도록 배열될 수 있다. 이러한 예시적인 접근방식들은 복수의 보정을 필요로 할 수 있고 제조하기 어려울 수 있는, 느리고 부정확하고 고가이며 큰 열 유속 디바이스(들)(즉, 열 유속 채널(들))를 초래할 수 있다.
열 기반 감지 기법들의 다른 단점은 열 접촉 저항을 결정하거나 달리 처리하지 못하는 것이다. 이는 열 기반 감지 및 모니터링의 정확도에 영향을 줄 수 있는 잘못된 표면 온도 측정으로 이어진다. 그러나, 열 기반 감지를 수행할 때의 열 접촉 저항의 모델링 및/또는 결정은 어렵고 불분명할 수 있다. 이것은 오직 온도 신호들, 및/또는 온도 신호들에 기초하여 열 전달을 예측하는 방법들을 사용하여 열 접촉 저항을 결정하는 것에 연관된 복잡성 및 부정확성에 부분적으로 기인한다.
본 출원에서 설명되는 기술은 이러한 기술적 문제들을 해결하고 이하의 예시적인 기술적 이점들을 제공한다. 가장 중요하게는, 표면 온도의 측정에 더하여, 본 출원에서 설명된 기술은 열 기반 감지 및/또는 모니터링 루틴(즉, 기법)의 일부로서 물체 및/또는 시스템 표면에 들어가거나 그로부터 나오는 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 척도를 제공한다. 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 이러한 척도는 상이한 응용들에 대해 상이할 수 있는 하나 이상의 열 수학적 모델(들)에서 직접 입력 및/또는 경계 조건으로서 사용된다. 입력 및/또는 직접 경계 조건으로서의 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 척도는 정확하고 강건한 열 감지 및 모니터링(즉, 조사) 기법들을 허용한다.
이 기술은 하나 이상의 열 유속 센서(들)를 통해 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 측정을 수행하다. 본 출원의 목적을 위해, 열 유속 센서라는 용어는 센서를 통해 흐르는 열 전달(즉, 열 에너지)의 결과인 차분 전압 출력 신호들을 사용하여 열 전달(예를 들어, 열 유속)을 측정하도록 설계된 센서를 지칭한다. 열 전달의 척도의 비제한적인 예는 단위 시간당 단위 면적당의 표면에 들어오거나 그로부터 나가는 열 에너지의 양으로서 정의되고 W/㎡의 SI 단위로 측정될 수 있는 열 유속이다. 열 유속 센서는 전형적으로 열 유속 센서 차분 전압 출력 신호들을 그것을 통해 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)에 직접 관련시키는 보정 상수(즉, 감도 값)를 갖는다. 보정 상수는 센서 동작 온도에 따라 달라질 수 있으며, 그것의 효과들은 센서 동작 온도에 기초하여 보정 상수를 지정하는 결정된 보정 곡선을 통해 처리될 수 있다. 본 출원에 관련하여, 열 유속 센서와 열 유속 디바이스, 열 유속 채널 등 사이의 구별에 주목하는 것이 중요하다. 열 유속 센서는 전형적으로 얇으며 그것의 설계의 결과로서 빠른 응답 시간을 갖는다. 이것은 다른 열 전달 측정 기술들에 의해서는 실현되지 않는 향상된 정확도, 더 작은 폼 팩터, 및 강건한 측정 능력을 포함하는 예시적인 이점들을 제공한다.
추가로, 본 출원에서 설명되는 기술은 열 유속 센서에 대한 온도 센서의 근접성(예를 들어, 열 유속 센서 감지 영역의 옆에, 상에 또는 근처에 등)에 관계없이, 물체 또는 시스템의 측정된 온도(예를 들어, 표면 온도)와 측정된 열 전달(예를 들어, 표면 열 유속) 사이에 불일치가 존재하지 않을 것을 보장한다(즉, 열 유속 센서와 온도 센서는 동일한 열 조건에 종속됨). 예를 들어, 가능한 경우, 온도 센서는 열 유속 센서와 물체/시스템 표면 사이의 적절한 접촉을 유지하고, 적용가능한 경우, 구성에 사용되는 재료들의 열 분로 및/또는 열 균질성에 관련된 가능한 효과들에 대해 설계하면서 열 유속 센서 감지 영역 상에 또는 근처에 위치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 온도 센서는 열 유속 센서 및/또는 열 유속 센서 감지 영역 상에 또는 그 근처에(예를 들어, 그에 인접하여) 위치될 수 있고, 열 유속 센서와 온도 센서 사이의 동일한 열(예를 들어, 열 전달 및/또는 온도) 조건들을 보장하는 재료들에 의해 둘러싸여 있고/있거나 그와 접촉할 수 있다.
본 출원의 기술의 또 다른 주요 이점은 온도 센서와 물체 또는 시스템 표면 사이의 열 접촉 저항을 쉽고 빠르게 결정하는 능력이다. 이는 특히 열 접촉 저항의 효과들이 무시될 수 없고/없거나 예측될 수 없는 예시적인 응용들에서 열 감지 및 모니터링의 정확성과 유효성을 향상시킨다.
본 출원의 기술의 또 다른 주요 이점은 비침습성과 사용의 단순성이다. 예를 들어, 침습적 기술들에 요구되는 광범위한 설계 고려사항들 또는 예방조치들은 필요하지 않다. 또한, 이 기술은 침습성이 허용가능한 응용들로 제한되지 않는다.
본 출원의 기술의 추가 이점들은 최소 프로세싱 시간, 및 필요한 프로세싱 능력의 감소를 포함한다. 이 이점은 열 유속 경계 조건의 사용은 물론, 열 접촉 저항을 결정하는 빠르고 정제된 방법들을 통합하는 것에 부분적으로 기인한다. 열 전달(예를 들어, 열 유속) 측정을 위해 설계된 센서들에 대한 보정 필요성의 감소는 또 다른 이점이다. 예를 들어, 본 출원의 기술은 전형적으로 열 유속 센서를 통한 열 전달 측정을 위해 하나의 보정 상수(즉, 감도 값)만을 필요로 한다.
본 출원의 기술은 물체 및/또는 시스템의 하나 이상의 내부 속성을 비-침습적으로 결정하기 위해 열 유속 및 온도 센서들을 동시에 사용하는 것에 기초한다. 물체(들) 및/또는 시스템(들)은 고체 물체에 제한되는 것이 아니라, 예를 들어 유체(예를 들어, 물, 공기 등) 또는 다른 재료(들), 예를 들어, 야금 분말, 에폭시, 탄소 섬유 복합 재료 등도 포함한다. 단순화를 위해, 본 출원에서 사용되는 물체라는 용어는 시스템을 포함한다. 예를 들어, 내부에 유체가 흐르는 파이프는 물체이다. 본 명세서에서, 비-침습적 열 조사(NITI)라는 용어는 표면 열 유속과 표면 온도 측정들의 동시 조합들에 기초하는 센서 기술을 지칭하기 위해 사용된다. 물체 상에 배치될 때, NITI 센서는 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 디지털 형식으로 변환되고 프로세싱되는 표면 열 전달(예를 들어, 열 유속) 및 표면 온도 신호들의 하나 이상의 동시 조합을 측정한다. 주어진 측정에 대해, 본 출원에서 사용되는 동시 조합이라는 용어는 시간 범위 내에서(즉, 지정된 시간 내에서) 측정된 하나 이상의 표면 열 전달(예를 들어, 열 유속) 및 표면 온도 신호들을 지칭한다. 시간 범위는 단일 시간(즉, 지정된 시간)을 포함할 수 있다. 단순화를 위해, 본 출원에서 사용된 지정된 시간이라는 용어는 시간 범위(즉, 지정된 시간 내)는 물론 단일 시간을 포함하도록 정의된다.
NITI 기술의 비-제한적인 예시적인 응용들은 물체(예를 들어, 포유류, 비-포유류, 육류, 파이프/도관, 전력 변압기, 각목/목재, 벽, 기계, 배터리 등)의 내부 온도 분포 측정, 물체(예를 들어, 포유류, 비-포유류, 육류, 파이프/도관, 전력 변압기, 각목/목재, 벽, 기계, 배터리 등)의 내부 파라미터 측정, 조직의 혈액 관류(흐름) 측정, 조직 궤양 예방 및/또는 모니터링, 출혈 검출 및/또는 모니터링, 뇌진탕 검출 및/또는 모니터링, 조직의 수화 측정(hydration measurement), 대사 열 생성 측정, 운동 선수 성과 모니터링, 칼로리 소비 측정, 수면 모니터링, 일주기 리듬 모니터링(circadian rhythm monitoring), 포유류의 배란 예측 및/또는 검출, 열사병 모니터링 및/또는 예방, 겸상 적혈구 빈혈 검출 및/또는 모니터링, 빈혈 검출 및/또는 모니터링, 심혈관 건강, 피부 피판(flap) 및/또는 이식(graft) 모니터링, 질병/질환 예측, 모니터링 및/또는 검출(예를 들어, 알츠하이머병, 파킨슨병, 암 등), 파이프 및/또는 도관의 유량 측정, 파이프 및/또는 도관의 에너지 측정, 파이프/도관 동결 방지, 파이프/도관 제상(defrosting), HVAC 서리/제상 검출, HVAC 시스템 모니터링, HVAC 냉매 레벨 모니터링, 누출 검출(예를 들어, 파이프/도관 누수, HVAC 냉매 누출 등), 온수 가열기 모니터링, 열 교환기 모니터링, 부식 검출 및/또는 측정(예를 들어, 파이프/도관 부식 등), 오염 검출 및/또는 측정(예를 들어, 파이프/도관 오염 등), 흐름 레벨 검출, 존재 및/또는 동작 검출, 반도체 하드웨어 모니터링, 히트 싱크 성능 모니터링, 열 인터페이스 재료 모니터링, 열 저항 측정, 건물 절연 측정, 물체(들) 및/또는 재료(들)(예를 들어, 야금 분말, 에폭시, 탄소 섬유 복합 재료 등)의 밀도, 열 용량, 체적 열 용량, 열 전도도, 열 관성, 열 분출도(thermal effusivity), 열 확산도(thermal diffusivity) 등의 측정, 수화/수분 함량 측정, 대류 열 전달 계수 측정, 이류(advection) 열 전달 계수 측정, 열 처리, 열 위생, 열 프로세싱, 보온, 건물의 열 성능, 정밀 농업, 스마트 팜, 식품 가공, 물체의 냉동, 물체의 해동, 야금 가공, 3D 프린팅, 물체의 품질 관리, 스마트 빌딩, 효율성 모니터링, 물체 과열 방지, 물체(예를 들어, 기계, 기어박스, 압축기, 팬, 전자 기계 시스템 등) 고장 검출 및/또는 예측/예방, 고급 온도 제어, 배터리 성능 모니터링(예를 들어, 리튬 이온 배터리 초과동작 건강 상태 등), 배터리 열량 측정, 사물 인터넷(IoT), 웨어러블 센서, 예측 분석, 규정 분석(prescriptive analytics), 기술 분석(descriptive analytics), 인공 지능, 및 연구 및 개발을 포함하지만 그에 제한되지 않는다.
본 출원에서 사용되는 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포(즉, 내부 온도 분포)라는 용어는 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 특정 깊이에서의 단일 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 깊이의 함수로서의 복수의 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 특정 깊이에서의 단일 평균 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 깊이 함수로서의 복수의 평균 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 단일 최고 또는 최저 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 복수의 최고 또는 최저 온도, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 단일 최고 또는 최저 평균 온도, 또는 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체 내의 복수의 최고 또는 최저 평균 온도를 포함한다. 또한, 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포는 물체 표면 온도의 척도를 포함하도록 정의된다. 예를 들어, 내부 온도 분포는 하나 이상의 지정된 시간에 물체 표면(즉, 0의 깊이(x))에서 평가될 수 있다.
본 출원에서 사용된 바와 같이 물체의 내부 영역의 내부 파라미터들(즉, 내부 파라미터들)이라는 용어는 물체의 하나 이상의 열적, 물리적, 기계적 등의 특성을 포함한다. 예를 들어, 물체의 내부 파라미터들은 물체의 열 전도도, 물체의 밀도, 물체의 열적 열 용량, 물체의 체적 열 용량, 물체의 열 확산도, 물체의 열 관성, 물체의 열 분출도, 물체의 정상-상태 열 저항, 물체의 내부 또는 외부 대류 계수, 물체의 내부 또는 외부 이류 계수, 물체의 두께, 물체의 체적, 물체의 질량, 물체의 단면적, 물체의 다공성, 물체의 상태(예를 들어, 액체, 고체, 기체 등), 물체 표면으로부터의 관심 깊이 등을 포함할 수 있다. 일부 내부 파라미터들은 내부 파라미터들의 조합(예를 들어, 둘 이상의 내부 파라미터의 곱 및/또는 몫)에 기초할 수 있다. 또한, 물체의 모든 내부 파라미터가 NITI 실시예 및/또는 응용에 이용될 수 있고/거나 필요하지는 않을 수 있다. 단순화를 위해, 본 출원에서 사용되는 내부 파라미터들이라는 용어는 물체에 대해 수행되는 NITI 실시예에 필요한 및/또는 요구되는 하나 이상의 내부 파라미터(즉, 대응하는 내부 파라미터들)를 포함한다.
NITI 센서의 예시적인 실시예들
NITI에 대한 예시적인 센서 실시예들(즉, NITI 센서들)은 하나 이상의 열 유속 센서 및 하나 이상의 온도 센서를 포함한다. 동일한 열(예를 들어, 열 전달 및/또는 온도) 조건들에 종속되고 하나 이상의 지정된 시간에 동시 측정을 하는 열 유속 센서 및 온도 센서는 열 유속 센서-온도 센서 쌍(즉, 센서 쌍)이라고 지칭된다. NITI 센서는 또한 NITI를 위해 의도된 제어 회로부와 함께 사용되는 외부 열 디바이스를 포함할 수 있다.
다른 예시적인 센서 실시예들에서, 임의적인 외부 열 디바이스는 NITI 센서를 통해, 그리고 측정이 이루어지고 있는 물체 내로 이동하는 NITI 센서의 일 측에 열 에너지 소스를 생성한다. 다른 예시적인 실시예들에서, 임의적인 외부 열 디바이스는 NITI 센서의 일 측에 열 에너지 싱크(즉, 히트싱크)를 생성하여, 측정이 이루어지고 있는 물체로부터 NITI 센서를 통해 히트싱크 내로의 열 전달을 야기한다. 외부 열 디바이스는 열 전달(예를 들어, 열 유속) 및 온도 신호들의 상이한 동시 조합들이 물체 표면에서 생성되고 취득되고(예를 들어, 측정되고) 프로세싱될 수 있도록 열 이벤트(가열 및/또는 냉각)를 생성하기 위해 NITI에 대해 의도된 제어 회로부와 함께 사용되는 가열기 및/또는 냉각기(예를 들어, 펠티에 디바이스(Peltier device))일 수 있다. 외부 열 디바이스는 임의의 방식(정상(steady), 주기적, 순환식 등)으로 동작할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 외부 열 디바이스는 시간 경과에 따라 물체 표면에서 주기적(예를 들어, 사인 곡선) 온도 및/또는 열 유속 조건을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 추가의 예시적인 실시예들은 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 설명된 NITI 기법들 중 하나 이상과 함께 위상각 결정 기법들을 사용한다.
전형적으로, 외부 열 디바이스는 열 유속 센서-온도 센서 쌍 전체를 포괄하는 영역에 열 이벤트를 제공하도록 적응되며, 여기서 최소한, 전체 열 유속 센서 감지 영역이 열 이벤트에 종속된다. 다른 예시적인 실시예들에서, 외부 열 디바이스는 열 유속 센서-온도 센서 쌍 전체를 포괄하는 영역은 물론, 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 둘러싸는 물체 표면 영역들에 열 이벤트를 제공하도록 적응될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 외부 열 디바이스는 복수의 열 유속 센서-온도 센서 쌍에 열 이벤트를 제공할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 예를 들어, 조사를 받는 물체가 비평면(예를 들어, 만곡된) 표면을 가질 때, 외부 열 디바이스는 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함하지만 주변 물체 표면은 포함하지 않는 영역에 열 이벤트를 제공하도록 설계될 수 있다.
다른 예시적인 센서 실시예들에서, 외부 열 디바이스는 물체와 NITI 센서 표면들 사이에서 발생하는 열 전달을 제거하기 위해 NITI에 대해 의도된 제어 회로부와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)는 물체 표면에서 열(즉, 열 에너지)을 적용하거나 제거하고, 접촉 물체와 NITI 센서 표면 사이에 "제로 열 유속 환경(zero heat-flux environment)"을 생성할 수 있다. 제로 열 유속 환경에서, NITI 센서의 열 유속 센서 컴포넌트는 최소 전압(예를 들어, "0")을 출력하고 유지하며, 정상-상태 조건들에서, 물체 표면에서 NITI 센서에 의해 측정되는 대응하는 표면 온도는 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타낸다.
아래에 설명되는 예시적인 NITI 센서 및/또는 시스템 실시예들과 관련하여, CHFT+/-는 결합된 열 유속 및 온도 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 지칭하고, + 또는 -는 각각 NITI를 위해 의도된 제어 회로부와 함께 사용되는 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기, 펠티에 디바이스 등)의 사용 여부를 나타낸다. 듀오 NITI는 병렬로 동작하는 복수의(예를 들어, 2개의) NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)를 갖는 NITI 센서 및/또는 시스템 실시예들을 지칭한다. 듀오 NITI의 예시적인 실시예들은, 예를 들어, NITI 측정들을 단순화하고 더 강건하게 하기 위해 차분 및/또는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법들을 사용할 수 있다. 또한, 듀오 CHFT+는 2개 이상의 병렬 CHFT+ 실시예만을 이용하는 듀오 NITI의 예시적인 실시예를 지칭한다. 마찬가지로, 듀오 CHFT-는 2개 이상의 병렬 CHFT- 실시예만을 이용하는 듀오 NITI의 예시적인 실시예들을 지칭한다. 듀오 CHFT+/-는 병렬로 동작하는 적어도 하나의 CHFT+ 예시적인 실시예 및 적어도 하나의 CHFT- 예시적인 실시예를 이용하는 듀오 NITI 예시적인 실시예를 지칭한다. 본 출원에 관련하여, CHFT+, CHFT-, 듀오 CHFT+/-, 듀오 CHFT+ 및 듀오 CHFT-는 상이한 NITI 시스템들에서 이용될 수 있는 NITI 센서 실시예들의 비-제한적인 예들이며, 그 중 일부는 아래에 설명된다.
열 유속 디바이스(들), 열 유속 채널(들) 등이 NITI에 사용될 수 있지만, 앞에서 설명된 이유들로 인해 열 유속 센서(들)가 선호된다. 다양한 방법들 및 기술들(예를 들어, 박막 기술, 후막 기술, 서모파일 기술, 차동 서모파일 기술, 열전 기술, 제베크(Seebeck) 효과 기술, 가로 제베크 효과 기술, 맞대기 용접(butt-weld) 기술, 마이크로 전자 기계 시스템(Microelectromechanical System)(MEMS) 기반 기술, 나노 전자 기계 시스템(Nanoelectromechanical System)(NEMS) 기반 기술, 상보적 금속 산화물 반도체(Complementary metal-oxide-semiconductor)(CMOS) 기반 기술, 적층 제조(additive manufacturing) 기술, 스크린 인쇄 기술, 잉크젯 기술, 텍스타일 센서 기술, 권선(wire-wound) 기술, RTD 기반 기술, NTC 기반 기술, 서미스터 기반 기술, 반도체 기반 기술 등)을 사용하여 제조되는 모든 종류의 열 유속 센서(들)(즉, 열 유속 계기(gage)(들), 열 유속 게이지(들), 열 유속 변환기(들), 열 유속 측정기(들), 열 흐름 측정기(들), 열 흐름 계기(들), 열 흐름 게이지(들) 등)이 NITI에 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 하나 이상의 열 유속 센서는 ASTM 표준 E2684에 의해 설명되고 ASTM 표준 E2683에서 추가로 논의되는 차동 서모파일 기술에 기초한다. 차동 서모파일은 열 에너지를 전기 에너지(예를 들어, 전압 및/또는 전류)로 변환하는 일종의 수동 전자 변환기이다. 차동 서모파일은 전형적으로 직렬로 연결되거나, 덜 일반적으로는 병렬로 연결된 수 개의 열전대로 구성된다. 전형적으로, 열전대들(즉, 열전대 접합들)은 하나 이상의 재료(즉, 열 저항 층)의 양 측에 위치된다. 개별 열전대들(즉, 열전대 접합들)은 그들의 접합 지점으로부터 열전대 전압 출력이 측정되는 지점까지의 온도 차이를 측정한다. 직렬일 때, 열 저항 층(즉, 차동 열전대 쌍(differential thermocouple pair) 또는 열전대 쌍)의 양 측에 있는 2개의 열전대의 전압 출력은 전형적으로 열 저항 층에 걸친(열 저항 층을 통한) 온도 차이, 및 열 저항 층을 통해 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)에 관련되는(예를 들어, 그에 비례하는) 차분 전압이다. 더 많은 열전대 쌍을 직렬로 추가하면 차분 전압 출력의 크기가 증가하여, 결과적으로 열 유속 센서 감도가 높아진다. 차분 전압 출력은 사용된 열전대(즉, 열전) 재료들의 영향을 또한 받는다. 따라서, 열 저항 층에 걸쳐 주어진 온도 차이에 대해, 일부 열전대 재료들은 다른 재료들보다 높은 차분 전압 출력을 초래할 수 있다. 따라서, 열전대 재료 선택은 또한 열 유속 센서 감도에 영향을 준다. 마찬가지로, 열 저항 층에 사용되는 재료들 및/또는 두께는 열 유속 센서 감도는 물론, 열 유속 센서의 응답 시간에 영향을 미칠 수 있다. 차동 서모파일들은 적어도 2개의 열전대 접합으로 구성된 단일 열전대 쌍, 또는 복수의 열전대 쌍으로 구성될 수 있다. 차동 서모파일들은 절대 온도를 측정하지 않고, 대신에 국부적 온도차 또는 온도 기울기를 나타내는(예를 들어, 그에 비례하는) 차분 전압 출력을 생성한다. 이 온도 기울기는 앞에서 언급된 바와 같이, 차동 서모파일 및/또는 열 저항 층을 통해 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 결과이고, 따라서 차동 서모파일 및/또는 열 저항 층을 통해 발생하는 열 전달(예를 들어, 열 유속)의 척도를 나타낸다.
열 전달 측정들을 위한 하나의 예시적인 차동 서모파일은 정확한 판독값들 및 빠른 응답 시간(<<1초)을 갖는 얇은 열 유속 센서를 생성하기 위해 박막 재료들 및 폴리이미드(즉, 열 저항 층)를 사용하여 구성된다. 다른 예는 열 저항 층에서 하나 이상의 전기 전도성 관통 홀(즉, 비아)을 통해 구성된 차동 서모파일들일 수 있다. 다른 예들은 차동 서모파일 기술에 기초하지만 예를 들어 열 에너지 수확(예를 들어, 열전 발전기(Thermoelectric Generator)(TEG)들)을 통해 열 에너지를 전기 전력으로 변환하도록 설계된 디바이스들을 포함할 수 있다. 열 에너지 수확에 더하여, 이러한 디바이스들은 디바이스를 통해 발생하는 열 전달(즉, 열 에너지)을 나타내는(예를 들어, 그에 비례하는) 차분 전압을 출력할 수 있다는 점을 감안하여 열 유속 센서들로서 이용될 수 있다. 그러나, 상이한 설계 기준으로 인해, 현재 TEG 기술은 종종 열 유속 센서 응용들을 위해 설계된 차동 서모파일들과 비교할 때 비싸고 큰 폼 팩터를 갖는다. 따라서, 그러한 디바이스들을 사용하면 사용의 어려움 및/또는 열 전달(예를 들어, 열 유속) 측정의 부정확성은 물론, 느린 응답 시간이 초래될 수 있다. 또 다른 예는 차동 서모파일이 예를 들어 인체에 착용되거나 다르게 접촉 또는 근접하도록 설계되는 직물 또는 다른 재료 내에 구성되는 텍스타일 기반 열 유속 센서(들)이다.
간단히 하기 위해, 본 출원에서 사용되는 열 유속 센서(들)에 의해 측정되는 열 전달의 척도는 W/㎡ 단위의 열 유속이다. 이것은 NITI 및/또는 연관된 주제들(예를 들어, 열 유속 센서 설계, 열 접촉 저항 효과, 데이터 프로세싱 방법 등)을 위해 사용될 수 있는 열 전달의 예시적이고 비제한적인 척도이다.
도 1은 두께 t, 폭 W, 및 길이 H를 갖는 차동 서모파일 기술에 기초하는 열 유속 센서의 예를 보여준다. 감지 영역은 폭 A 및 길이 B에 의해 정의되고, 센서 출력들은 열 유속 출력 전압 리드들(즉, 출력 리드들)을 포함한다.
도 2a는 열 저항 층을 포함하는 예시적인 차동 서모파일의 단면을 보여주며, 여기서 k는 열 저항 층의 열 전도도, T1은 고온 접합, T2는 저온 접합, ΔT는 열 저항 층에 걸친 온도 차이에 등가인 T1과 T2 사이의 온도 차이이고, ΔV는 직렬로 연결된 열전대 쌍들에 의해 출력되는 차분 전압이고, 열 저항 층을 통해 발생하는 열 유속인 q"의 결과인 ΔT를 직접 나타낸다(예를 들어, 그에 비례한다). 열전대 쌍의 수가 많을수록 열 유속 센서 감도가 커진다(주어진 양의 q"에 대해 더 큰 ΔV). 이 예에서, 각각의 온도 접합은 열 저항 층을 통해 2개의 이종(dissimilar) 열전 재료(예를 들어, M1 및 M2)를 직렬로 연결함으로써 형성된다. 이종 열전 재료들은 열전 전압을 생성하기 위해 상이한 제베크 계수들을 갖는 재료들을 포함할 수 있다(예를 들어, 구리 및 콘스탄탄, 구리 및 니켈, 구리 및 은, 안티몬 및 비스무트 텔루르화물, 양으로 도핑된 재료들 및 음으로 도핑된 재료들, p형 반도체 재료들 및 n형 반도체 재료들 등).
도 2b는 2개의 이종 열전 재료(즉, M1 및 M2)는 물론, 전기 전도체(M3)를 포함하는 다른 예시적인 차동 서모파일을 보여준다. 이러한 예시적인 실시예에서, M3은 열 저항 층을 통해 M1과 M2를 직렬로 연결하기 위해 사용된다. 예시적인 차동 서모파일의 이러한 구성은 더 낮은 제조 비용, 더 높은 감도, 더 큰 설계 자유도 등을 포함하는 예시적인 이점들을 가지며, 하나 이상의 제조 기술(예를 들어, MEMS 기반 기술, NEMS 기반 기술, CMOS 기반 기술, 첨가제 기반(additive based) 기술 등)을 사용하여 실현될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, M3가 M1 또는 M2와 동일한 재료이도록 설계된 경우, 제조가 더욱 단순화될 수 있다.
2개의 유사한 또는 이종의 금속 재료를 함께 누르는 것에 의해 열전대 접합이 형성될 때, 또는 온도 센서가 물체 표면에 접촉될 때, 접촉 표면들의 비-평탄성 및 거칠기 때문에 공칭 표면적의 작은 부분만이 실제로 접촉한다. 접촉하는 표면들 및/또는 접합에 걸쳐 열 유속이 가해지는 경우, 열의 흐름(즉, 열 에너지)은 일반적으로 접촉 지점들을 통한 전도로 제한된다. 도 3에 표시된 예를 참조하면 된다. 접촉 지점들의 제한된 수 및 크기는 실제 접촉 면적이 겉보기 접촉 면적보다 훨씬 작게 한다. 이러한 제한된 접촉 면적과 갭들의 존재는 접촉 저항 또는 열 접촉 저항()이라고 지칭되는 열 저항(thermal resistance)을 유발한다.
열 접촉 저항()의 존재는 온도 측정의 품질에 영향을 미친다. 특히, 예를 들어 예시적인 NITI 실시예의 온도 센서와 물체 표면 사이의 열 접촉 저항(
)의 존재는 부정확한 온도 판독값들을 유발한다. 즉, 예를 들어, 박막 열전대 기술을 통해 적절한 접촉 및 열 분로 설계가 달성되더라도 물체의 실제 표면 온도는 온도 센서에 의해 측정한 것과 다르다. 이러한 부정확성은 존재하는 열 접촉 저항()의 양(일반적으로 일정함) 및 지정된 시간에 이를 통해 발생하는 열 유속에 관련이 있다. 이 관계는 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
여기서, 열 유속은 물체에 들어갈 때 양(positive)으로 정의되며, 여기서:
t는 지정된 시간, 는 지정된 시간에서의 측정된 열 유속, 는 지정된 시간에서의 센서 측정된 표면 온도(즉, 측정된 센서 온도, 측정된 온도), 는 지정된 시간에서의 실제 표면 온도이다. 본 출원에 관련하여, 문맥이 달리 나타내지 않는 한, 예시적인 NITI 센서 실시예의 온도 센서와 물체 표면 사이의 열 접촉 저항()은 NITI 센서와 물체 표면들 사이의 열 접촉 저항으로서 참조될 수 있다.
도 4는 물체의 내부 영역에 관련하여 알려지지 않은 내부 속성들을 가진 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함하고 가열기(즉, 외부 열 디바이스)가 열 유속 센서 상에 배치되는 예시적인 CHFT+ 실시예를 보여준다. 이 예에서, 열 유속 센서는 물체의 표면과 접촉하는 온도 센서와 접촉한다. 다시, 온도 센서와 물체 표면 사이의 제한된 접촉 면적은 온도 센서와 물체 표면 온도 사이에 열 저항을 유발하고, 열 접촉 저항()으로서 보여진다. 추가로, 온도 센서 상의 층들(예를 들어, 보호 층들, 접착제들 등의 결과)은 존재하는 열 접촉 저항()의 양에 영향을 미칠 수 있다(예를 들어, 증가시킴). 열 유속()은 물체 내부를 가리키는 벡터로서 보여지며 해당 방향에서 양으로 정의된다. 따라서, 수학식 1에 나타난 바와 같이, 물체의 실제 표면 온도()는 온도 센서로부터의 측정된 온도(), 열 유속 센서로부터의 측정된 열 유속(), 및 열 접촉 저항()을 사용하여 결정된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 수학식 1에서 "0"의 값을 가정하기 위해 열 접촉 저항()을 최소화하려는 노력이 이루어질 수 있다. 이는 예를 들어 접촉 표면들 사이에 열 전도성 접착제들을 사용하여 행해질 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 정확한 실제 표면 온도 측정값()을 획득하기 위해, 열 접촉 저항()에 대한 추정값이 결정(예를 들어, 측정)될 필요가 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 추정된 열 접촉 저항()(즉, 열 접촉 저항()) 값은 무시될 수 있거나 0인 것으로 결정될 수 있다. 다른 경우들에서, 추정된 열 접촉 저항() 값은 예를 들어 NITI 센서를 장착하는 데 사용되는 접착 테이프의 제조 사양으로부터 미리 결정된 사양을 이용하여 결정될 수 있다.
예시적인 실시예들은 정상-상태 환경에서 수행되는지 과도(transient) 환경에서 수행되는지에 관계없이 물체의 정확한 NITI 측정들을 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들은 그들 각각의 열 수학적 모델들(열 유속이 입력임)에서 온도 기반 경계 조건들보다 더 강건하고 정확한 열 유속 경계 조건들을 이용한다. 예시적인 출력들은 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포 및/또는 물체의 하나 이상의 내부 파라미터와 같은 물체의 내부 속성들에 대한 정확한 값들을 포함한다.
도 5를 참조하면, 예시적인 CHFT- 실시예는 알려지지 않은 내부 속성들을 갖는 물체의 표면 상에 배치된 열 유속 센서 및 온도 센서를 포함한다. 하나의 예시적인 응용은 소정 형태의 외부 열 이벤트가 발생하는 상황들인데, 예를 들어 CHFT-가 엔진 상에 배치되고, 여기서 외부 열 이벤트는 엔진에 의해 생성 및 방출되는 열이다. 또 다른 응용은 CHFT-가 인간 또는 다른 동물, 예를 들어, 운동 중인 운동 선수의 신체에 배치되는 경우이다. 이러한 후자의 예에서, 체열 소산과 CHFT-를 통해 이동하는 기류의 조합은 외부 열 이벤트에 대응한다. 다른 외부 열 이벤트들은 NITI를 위해 의도된 제어 회로부와 함께 사용되지 않는 히트 램프, 팬, 히트 싱크, 태양 복사, 다른 물체들(예를 들어, 금속판들)과의 접촉 등으로부터 발생할 수 있다(즉, 제어되지 않는 외부 열 이벤트).
예를 들어, 작은 환경적 변화들 및/또는 다른 외부 자극들의 결과로서 열 유속 노이즈 및 산발적인 신호들이 등록되는 것을 제한하기 위해, 열적 절연재 단편(즉, 열적 절연재의 층 또는 절연재 단편)이 도 6a에 보여진 바와 같이 CHFT-의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 절연재 단편은 필터의 역할을 하며, 실질적인 열 유속 및 온도 신호들이 CHFT-에 의해 검출되는 것만을 허용한다. 또한, 열적 절연재 단편은 CHFT-를 통해 발생하는 열 유속의 양을 제어(즉, 제한, 증가 등)하기 위해 사용될 수 있다. 절연재 단편의 두께, 재료, 폼 팩터 및 크기는 다른 요인들 중에서도 CHFT-가 사용되고 있는 응용에 의존한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 열 유속 센서 및/또는 온도 센서가 장착되는 기판 또는 재료 내에 열적 절연재가 내장될 수 있다. 예를 들어, 열 전도도가 낮은 에어 갭들 또는 다른 영역들은 열 유속 센서 및/또는 온도 센서를 배열하고 이에 대한 전기적 연결을 연결하는 데 사용되는 인쇄 회로 보드(예를 들어, 강성 및/또는 가요성 재료) 내에 설계될 수 있다.
도 6a는 절연재 단편이 열 유속 센서-온도 센서 쌍 전체를 커버하도록 적응되는 예를 보여준다. 도 6b에 도시된 것과 같은 다른 예시적인 실시예들에서, 절연재 단편은 또한 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 둘러싸는 물체 표면 영역들과 중첩될 수 있다. 도 6c에 도시된 것과 같은 일부 예시적인 실시예들에서, 열 손실을 최소화하기 위해 열 유속 센서 및/또는 온도 센서를 둘러싸도록 열적 절연재 단편 또는 추가 절연재가 지정될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 열적 절연 재료들은 CHFT-를 통해 발생하는 열 유속의 양을 증대시키고 증가시키도록 설계되는 금속들 또는 다른 열 전도성 재료들을 포함할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에 보여진 절연, 필터링 및 열 유속 제어 기법들은 일부 또는 모든 NITI 센서 실시예들에 대해 임의적으로 사용될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 예시적인 CHFT+ 실시예들은 NITI를 위해 의도된 제어 회로부와 함께 사용되는 열 유속 센서, 온도 센서, 및 외부 열 디바이스, 예를 들어 가열기, 냉각기, 유체 흐름 채널, 팬, 열 램프 등을 포함한다. CHFT+ 실시예들은 외부 열 이벤트가 발생하지 않고, 대부분의 경우, 정상-상태 조건들이 유지될 때 특히 유용하다. 그러나, 그들은 제어되지 않은 외부 열 이벤트가 발생하고 있는 상황들에서도 사용될 수 있다. 외부 열 디바이스를 사용하면, CHFT+는 과도 응답(즉, 상이한 열 신호들)을 생성하는 제어된 열 이벤트를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 외부 열 디바이스는 물체 표면에서 주기적인 열 이벤트를 제공하기 위해 가열기(즉, 외부 열 디바이스) 전력을 순환시킬 수 있다. 필요한 경우, 외부 열 디바이스들이 제어되어 정상-상태 조건들을 달성할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, CHFT+는 하나보다 많은 외부 열 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열기 및 펠티에 냉각기 둘 다는 원하는 대로 열적 열원들 및 열적 히트 싱크들을 생성하기 위해 외부 열 디바이스들로서 이용될 수 있다. 다른 예로서, 단일 펠티에 디바이스는 열적 가열 및 냉각 둘 다를 달성하기 위해 외부 열 디바이스로서 사용될 수 있다. 도 7a에서, 가열기는 외부 열 디바이스의 예로서 도시되어 있다. 이 예에서, 가열기(즉, 외부 열 디바이스)는 열 유속 센서-온도 센서 쌍 전체는 물론, 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 둘러싼 물체 표면 영역을 포함하는 영역에 열 이벤트를 제공하도록 설계된다. 도 7b에서, 가열기(예를 들어, 외부 열 디바이스)가 열 유속 센서-온도 센서 쌍 전체만을 포괄하는 영역에 열 이벤트를 제공하도록 설계된 다른 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 출력 리드들(즉, 출력 단자 연결)을 갖는 온도 센서, 출력 리드들(예를 들어, 예시적인 출력 단자들)을 갖는 열 유속 센서, 및 전력 리드들(예시적인 전력 단자들)을 갖는 가열기(예시적인 외부 열 디바이스)를 포함하는 예시적인 CHFT+ 실시예의 평면도가 도 7c에 도시된다. 이 예에서, 출력 및 전력 리드들은 각각의 컴포넌트의 대응하는 출력 단자들에 연결(예를 들어, 납땜)된다. 다른 예시적인 실시예들에서, 출력 단자들은 예를 들어 강성 및/또는 가요성 인쇄 회로 보드 기술들을 사용하여, 표면 실장 또는 관통 홀 디바이스들을 위해 설계된 다른 단자들(예를 들어, 전기 전도성 패드들)에 연결될 수 있다. 다른 예시적인 CHFT+ 실시예들에서, 가열기는 예를 들어 회로부 내의 전원에 직접 연결되는 제어된 저항, 형상 및/또는 크기를 갖는 트레이스 패턴들을 통해 인쇄 회로 보드 내에 구성될 수 있다. 이것은 그러한 설계의 내장된 양태를 고려할 때 제조 프로세스들을 용이하게 할 수 있다. 일부 예시적인 NITI 센서 실시예들에서, 온도 센서 출력 리드들 중 하나 이상은 온도 센서 저항(예를 들어, 서미스터)에 기초하여 온도 측정들을 하기 위해 회로부의 일부로서 사용될 수 있는 접지 단자 및/또는 참조 저항기에 연결될 수 있다.
도 7d에 도시된 것과 같은 다른 예시적인 실시예들에서, 온도 센서는 물체 표면과 접촉하는 열 유속 센서 감지 영역의 반대 측 상에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예들에서, 온도 센서의 출력은 도 7a에 구성된 바와 같은 온도 센서의 출력과 동일한 것으로 가정될 수 있다. 이것은 특히 열 유속 센서가 그것의 설계(예를 들어, 얇은 두께, 높은 열 전도도 등)의 결과로서 무시할 수 있는 열 저항을 갖는 경우 및/또는 제로 열 유속 조건이 생성되는 경우이다. 다른 예시적인 실시예들에서, 예를 들어 열 유속 센서의 열 저항이 무시가능하지 않을 수 있는 예시적인 실시예에서, 열 유속 센서의 열 저항의 하나 이상의 효과는 온도 센서와 물체 표면 사이의 열 접촉 저항의 일부로서 모델링될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 예를 들어, 실시예들은 열 유속 센서 접합들의 수 및 열 유속 센서 감도가 정확하게 알려진 경우, 열 유속 센서에 걸친 온도 차이를 실시간으로 결정하기 위해 열 유속 센서 출력이 사용될 수 있고, 그에 의해 출력이 도 7d의 온도 센서와 결합되어 열 유속 센서와 물체 표면 사이의 온도를 결정할 수 있다.
도 7e에 도시된 것과 같은 다른 예시적인 실시예들에서, 온도 센서는 열 유속 센서 및/또는 열 유속 센서 감지 영역 내에 내장될 수 있다.
도 7f에 도시된 것과 같은 다른 예시적인 실시예들에서, 열 유속 센서 및 온도 센서는 측정들의 불일치를 피하면서 기판의 어느 일 측에 위치될 수 있다. 예를 들어, 열 유속 센서 및/또는 열 유속 센서 감지 영역이 반대 측의 온도 센서를 포괄하도록, 열 유속 센서 및 온도 센서는 기판(예를 들어, 가요성 인쇄 회로 보드)의 어느 일 측 상에 정렬될 수 있다. 이것은 예를 들어 기판의 반대 측 상의 온도 센서의 아래에 또는 최상부에 열 유속 센서를 배치함으로써 달성될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예들에서, 열 유속 센서 및/또는 온도 센서는 열 유속 센서 및 온도 센서를 통한 균일한 열 에너지 흐름(예를 들어, 열 흐름)을 보장하기 위해 다른 열적으로 호환가능한 재료들(예를 들어, 온도/또는 열 유속 센서에 가까운 열 저항을 갖는 재료들)에 의해 더 둘러싸이고/거나 그와 접촉할 수 있다. 예시적인 실시예가 도 7g에 도시되어 있다.
도 7d 내지 도 7g에 도시된 예시적인 실시예들의 비-제한적인 특징들은 예시적인 CHFT- 실시예들을 포함하는 임의의 예시적인 NITI 실시예들에서 임의적으로 사용될 수 있다.
물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위한 하나 이상의 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 갖는 시스템 실시예들
도 8은 CHFT-를 사용하여 NITI를 수행하는 예시적인 NITI 시스템을 보여준다. CHFT-는 온도 센서 및 열 유속 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예들에서, CHFT-는 하나보다 많은 온도 센서 및/또는 하나보다 많은 열 유속 센서(예를 들어, 복수의 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 포함할 수 있다. 서로에 대한, 그리고 물체에 대한 온도 센서 및 열 유속 센서의 구성은 예를 들어 도 5 및 도 6a 내지 도 6c 중 임의의 것에 도시된 바와 같을 수 있다. 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 아날로그 신호들에 대응하는 온도 센서 및 열 유속 센서로부터의 아날로그 신호 출력들은 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들)을 통해 제공되고, 예를 들어 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC), 마이크로컨트롤러 등을 포함할 수 있는 데이터 취득(DAQ) 회로부에 의해 디지털 신호들로 변환된다. DAQ 회로부는 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같은 프로세싱을 위해, 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 디지털 신호들을 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들, 무선 신호들 등)을 통해 제어 회로부에 제공한다. 제어 회로부는 하나 이상의 적절하게 구성된 컴퓨터, 마이크로프로세서, DSP, FPGA 또는 다른 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로부의 적절한 구성은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 조합으로 구현될 수 있다. 제어 회로부는 디스플레이, 네트워크, 클라우드 컴퓨터 시스템, 셀 폰과 같은 통신 디바이스, 웨어러블 기술 등과 같은 출력을 포함하거나 그와 통신한다. 출력은 또한 센서 활성화 및 비활성화, 원격 모니터링, 측정 시작/중지, 데이터 로깅, 온도 제어, 에너지 제어, 시스템 장애 제어, 예방적 유지보수 제어, 진단, 시스템 성능, 데이터 입력, 데이터 표시, 분석 등과 같은 하나 이상의 제어 동작을 위해 사용될 수 있다.
도 9는 CHFT+로 NITI를 수행하는 예시적인 NITI 시스템을 도시한다. CHFT-와 마찬가지로, CHFT+는 온도 센서 및 열 유속 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예들에서, CHFT+는 하나보다 많은 온도 센서 및/또는 하나보다 많은 열 유속 센서(예를 들어, 복수의 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 포함할 수 있다. 또한, CHFT+는 보여진 저항성 가열기와 같은 외부 열 디바이스를 포함한다. 서로에 대한, 그리고 물체에 대한 온도 센서, 열 유속 센서, 및 외부 열 디바이스의 구성은 예를 들어 도 7a 내지 도 7g 중 임의의 것에 도시된 바와 같을 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, CHFT+는 하나보다 많은 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기 및 냉각기)를 포함할 수 있다. 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 아날로그 신호들에 대응하는 온도 센서 및 열 유속 센서로부터의 아날로그 신호 출력들은 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들)을 통해 제공되고, 예를 들어 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC), 마이크로컨트롤러 등을 포함할 수 있는 데이터 취득(DAQ) 회로부에 의해 디지털 신호들로 변환된다. DAQ 회로부는 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같은 프로세싱을 위해, 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 디지털 신호들을 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들, 무선 신호들 등)을 통해 제어 회로부에 제공한다. 제어 회로부는 하나 이상의 적절하게 구성된 컴퓨터, 마이크로프로세서, DSP, FPGA 또는 다른 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로부의 적절한 구성은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 조합으로 구현될 수 있다. 제어 회로부는 디스플레이, 네트워크, 클라우드 컴퓨터 시스템, 셀 폰과 같은 통신 디바이스, 웨어러블 기술 등과 같은 출력을 포함하거나 그와 통신한다. 출력은 또한 센서 활성화 및 비활성화, 원격 모니터링, 측정 시작/중지, 외부 열 디바이스 동작, 데이터 로깅, 온도 제어, 에너지 제어, 시스템 장애 제어, 예방적 유지보수 제어, 진단, 시스템 성능, 데이터 입력, 데이터 표시, 분석 등과 같은 하나 이상의 제어 동작을 위해 사용될 수 있다. 이러한 비-제한적인 예에서, 외부 열 디바이스는 릴레이(예시적인 스위치)를 사용하여 제어되고, 릴레이는 결국 제어 회로부로부터의 입력에 기초하여 릴레이 신호를 제공하는 DAQ의 릴레이 신호에 의해 동작된다.
도 10은 측정된 열 유속, 측정된 온도, 및 물체의 내부 파라미터들의 결정된 값들을 사용하여, 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 포함하는 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위한 NITI 센서를 포함하는 비-제한적이고 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 예시적인 절차들을 개괄하는 흐름도이다. 측정된 온도 신호는 하나 이상의 지정된 시간에 온도 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S1)). 제어 회로부는 또한 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 생성하기 위해 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 열 유속 센서로부터의 측정된 열 유속 신호를 수신한다(단계(S2)). 제어 회로부는 단계(S3)에서 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 파라미터들의 값들을 결정하고, 단계(S4)에서 하나 이상의 지정된 시간에서, 측정된 온도 신호, 측정된 열 유속 신호, 및 내부 파라미터들의 값들에 기초하여 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정한다. 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 온도 분포를 나타내는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다(단계(S5)). 제어 회로부는 또한 단계(S6)에서 하나 이상의 지정된 시간에서 내부 파라미터들 중 하나 이상을 나타내는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다. 제어 회로부는 임의적으로 단계(S5) 전에 단계(S6)를 수행할 수 있고/있거나, 임의적으로 단계(S4), 단계(S5), 및/또는 단계(S6)를 수행하지 않을 수 있다. 제어 회로부는 단계(S1) 이전에 단계(S2)를 임의적으로 수행할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 제어 회로부는 임의적으로 단계(S2) 및/또는 단계(S1) 전에 단계(S3)를 수행할 수 있다.
추가의 예시적인 실시예들에서, 추가적인 절차들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 수학적 솔루션(즉, 수학적 솔루션)을 구하기 위해 물체의 열 수학적 모델(즉, 열적 모델)이 결정되고 적절한 초기 및 경계 조건들이 규정된다. 열 수학적 모델들 및 대응하는 열 수학적 솔루션들은 보다 일반적인 경우들에 대해서는 열 전달 문헌에서 찾을 수 있는 한편, 더 독특한 경우들에 대한 모델들은 도출되고 해결될 필요가 있을 수 있다. 분석적 방법들, 유한 차이 방법들(finite difference methods), 수치적 방법들 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는, 열 수학적 모델을 도출 및/또는 해결하기 위한 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 열 수학적 모델들은 1차원 열 전달 또는 다차원 열 전달(예를 들어, 2차원)에 기초할 수 있다.
더 정확하고 강건하며 일관된 NITI를 위해, 열 수학적 모델의 경계 조건들은 열 유속 입력을 갖는 물체에 대한 열 수학적 솔루션(예를 들어, 내부 온도 분포)을 초래하는 표면 열 유속 경계 조건을 포함하도록 정의된다. NITI 센서는 예를 들어 물체 표면에서 열 유속 센서를 사용하여 열 유속을 직접 측정하기 때문에, 표면 열 유속 경계 조건이 사용될 수 있다. 따라서, 열 유속은 열 수학적 모델(즉, 열 유속 경계 조건)에서 직접 사용될 수 있으며, 이는 대응하는 열 수학적 솔루션(즉, 수학적 솔루션)에 열 유속 입력을 초래한다. 표 1은 반-무한(semi-infinite) 고체(즉, 반-무한 매체), 예시적인 물체, 및 열 전달 문헌의 일반적인 사례에 대한 편미분 방정식(partial differential equation)(PDE), 적절한 경계 조건들, 및 초기 조건을 포함하는, 상세하지만 여전히 예시적인 1차원 열 수학적 모델(즉, 열적 모델)을 제공한다.
| PDE | |
| 경계 조건들 | |
| 초기 조건 | |
| 여기서, k = 물체의 열 전도도 ρ = 물체의 밀도 C = 물체의 비열 용량 α = 물체의 열 확산도 x = 물체 표면으로부터의 깊이 t = 시간 T = 물체의 내부 온도 분포(x와 t의 함수) T0 = 물체의 초기 온도 |
|
<표 1. 열 유속 경계 조건을 갖는 반-무한 고체의 열적 모델>반-무한 매체(물체)의 표면(x=0)에서 발생하는 일정 단계 열 유속 입력에 대해, 표 1의 열적 모델의 수학적 솔루션은 다음과 같이 밝혀진다:
여기서, 는 경계에서의 일정 단계 열 유속 입력(constant step heat flux input)이다.
뒤아멜 중첩 방법(Duhamel Method of Superposition)(예시적인 수학적 방법)을 사용하면, NITI 센서 출력 그대로인 시간에 따라 변하는 열 유속 입력에 대한 수학식 2가 도출될 수 있다:
여기서, m은 NITI 센서에 의해 이루어진 m번째 측정을 나타내며, 따라서 Tm(x,tm)은 지정된 시간(tm)에 대응하는 깊이 x 및 m번째 측정에서의 물체의 내부 온도를 지칭한다.
이러한 예에서, 수학식 3은 표 1에 명시된 비-제한적이고 예시적인 열적 모델에 대한 열 수학적 솔루션, 즉 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포에 대한 수학적 표현을 나타낸다.
표면(x=0)에서 수학식 3을 평가하고 임을 인식하면 다음과 같다:
여기서, 은 표 1에 모델링된 예시적인 물체의 계산된 표면 온도이다. 이 예에서, 수학식 4는 정상-상태 조건들()에서의 표면 물체 온도의 함수이고, 예를 들어 과도 열 이벤트 이전 또는 이후에 결정된다. 수학식 4는 또한 하나 이상의 지정된 시간에서의 표면 열 유속 측정값들()과 물체 열 전도도(k), 물체 밀도(ρ) 및 물체 비열 용량(C)의 곱의 제곱근의 함수이다. 물체의 이러한 내부 파라미터()는 일반적으로 열 관성(즉, 열 분출도)이라고 지칭된다.
수학식 4에서 결정된 계산된 물체 표면 온도는 예를 들어 하나 이상의 파라미터 추정 방식을 포함할 수 있는 데이터 프로세싱 방법과 함께 사용될 수 있다. 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 NITI 센서 출력 값들(즉, 열 유속 및 온도)에 대해, 데이터 프로세싱 방법은 이 예에서 수학식 4를 사용할 때 찾아진 계산된 표면 온도와 측정된 센서 온도를 비교할 수 있다. 무엇보다도, 이는 물체의 대응하는 내부 파라미터들, 이 경우, 물체의 열 관성의 내부 파라미터(즉, 열 분출도)()에 대한 추정값들의 결정을 허용한다.
다른 데이터 프로세싱 방법들에서, 이 예에서의 물체 열 전도도(k), 물체 밀도(ρ) 및 물체 비열 용량(C)의 내부 파라미터들에 대한 추정값들은 개별적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 위에 제시된 경우에 대해, 밀도(ρ) 및 비열 용량(C)의 미리 결정된 값들은 교본 또는 제조 사양과 같은 참고 자료들로부터 결정될 수 있고, 이는 데이터 프로세싱 방법이 물체의 열 관성(즉, 열 분출도)() 또는 의 추정값에 기초하여 열 전도도(k)에 대한 추정값을 결정하는 것을 허용한다. 다른 예들에서, 수학식 4와 대조적으로, 물체의 깊이(x)(예를 들어, x= 0)에서 평가될 때의 각각의 개별 내부 파라미터를 구별하는 대응하는 열 수학적 솔루션를 사용하여 상이한 열 수학적 모델이 전개될 수 있다. 이는 적절한 데이터 프로세싱 방법과 함께 사용될 때의 각각의 개별 내부 파라미터(예를 들어, k, ρ, C 등)에 대한 추정값들의 결정을 허용할 것이다. 제어 회로부는 NITI 센서(들)의 정확도를 개선하고/거나 응용들을 확장하기 위해 추가 단계들을 또한 수행할 수 있다. 예를 들어, 앞에서 언급된 바와 같이, 측정된 센서 온도는 온도 센서와 물체 표면 사이의 열 접촉 저항()의 존재로 인해 물체(예를 들어, 반-무한 고체)의 실제 표면 온도의 척도와 동일하지 않다. 이는 물체의 실제 표면 온도와 측정된 센서 온도 사이에 차이를 야기한다. 열 접촉 저항()은 NITI 센서의 온도 센서 위에 적층될 수 있는 재료들은 물론, 그것이 물체 표면에 얼마나 잘 부착되는지의 결과일 수 있다. 물체 표면의 평활도/거칠기는 열 접촉 저항()은 물론, NITI의 전체 정확도에도 영향을 줄 수 있다. 따라서, 평활한 표면이 선호될 수 있다. 센서를 장착하기 위해 접착제(예를 들어, 열 페이스트, 압력 감지 접착제 등)를 사용하는 것은 또한 열 접촉 저항()에 영향을 줄 수 있다. 도 4는 예시적인 NITI 실시예에 관련된 열 접촉 저항()을 도시한다.
수학적으로, 측정된 센서 온도와 실제 표면 온도는 수학식 1에 관련될 수 있으며, 여기서 다음과 같이 인덱스 형태로 보여진다:
여기서, 열 유속은 물체에 들어갈 때 양(positive)으로 정의된다.
전기 공학적 비유에서, 열 접촉 저항()은 저항기로서, 그리고 은 전류로서 모델링될 수 있다. 따라서, 전류()가 저항기()를 통해 흐를 때, 전압 강하(차이)가 생성된다. 여기서, 전압차는 센서(즉, 측정됨)와 물체(즉, 실제) 표면 온도들 사이의 온도 차이와 유사하다.
일부 경우들에서, 센서를 장착하는 데 사용되는 재료들에 연관된 열 효과들도 고려될 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 장착 재료 열 전도도(k), 장착 재료 밀도(ρ) 및 장착 재료 비열 용량(C)에 연관된 하나 이상의 효과가 예를 들어 NITI를 위해 사용되는 열 수학적 모델에 포함되고 처리될 필요가 있을 수 있다.
보다 정확한 NITI를 위해, 열 접촉 저항()의 영향들이 고려되어야 한다. 수학식 5와 함께 수학식 4를 사용하면, 수학식 6에서, 계산된 센서 온도에 대한 식이 생성된다:
수학식 4를 대신하여, 수학식 6이 데이터 프로세싱 방법에서 사용될 수 있으며, 예를 들어 물체의 하나 이상의 내부 파라미터에 대한 추정값들을 결정하기 위해 NITI 센서로부터 출력된 측정된 센서 온도와 비교될 수 있다. 이를 수행하는 하나의 예시적이고 비-제한적인 방법은 파라미터 추정 방식에서의 최소화를 위한 목적 함수를 정의하는 것이다. 예시적인 목적 함수는 수학식 7을 사용하여 센서 온도의 2개의 상이한 측정값 사이의 평균 제곱근 오차(Root Mean Squared Error)(RMSE)로서 정의될 수 있다.
여기서,
이다.
따라서, 수학식 7은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다:
여기서, M은 일정 기간(즉, 하나 이상의 지정된 시간)에 걸쳐 NITI 센서에 의해 수행된 총 측정 횟수이다. 실시예에 따라, 수학식 7 및 수학식 9에 보여진 바와 같이 m이 항상 1의 값에서 시작하는 것은 아닐 수 있음에 유의해야 한다. 마찬가지로, 수량 M-1은 또한 실시예에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, M-1은 M-15 또는 M으로 대체될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, M-1은 m번째 측정 후의 지정된 측정 횟수에 대한 목적 함수를 정의하는 m+30, m+10, m+5 등으로 치환될 수 있다.
다른 데이터 프로세싱 방법들에서, 목적 함수의 도함수에 기초한 공식(예를 들어, 수학식 9)은 예를 들어 0과 동일하게 설정될 수 있다. 이 조건을 가장 잘 만족시키는 대응하는 내부 파라미터들 및 열 접촉 저항()의 값들은 결정된 추정값들이다.
앞에서 반복된 바와 같이, 정확하고 실용적인 NITI의 주된 성분은 열 접촉 저항() 결정이다. 일부 경우들에 대해, 예를 들어 낮은 열 유속 환경들(예를 들어, 제로 열 유속 조건들) 또는 다른 무시할 수 있는 열 접촉 저항() 조건들에 대해, 열 접촉 저항()은 무시될 수 있거나, 그렇지 않으면 제로의 추정값을 갖는 것으로 결정될 수 있다. 그러나, 많은 경우들에 대해, 이것은 정확한 가정이 아니다. 이러한 경우들에서, 열 접촉 저항()에 대한 추정값은 예를 들어, 이전 측정을 통해 미리 결정되거나, (예를 들어, 파라미터 추정 방식을 통해) 데이터 프로세싱 방법의 일부로서 결정되거나, 다르게 결정될 필요가 있을 수 있다(예를 들어, 제조 사양에 의해 미리 결정됨).
열 접촉 저항()의 추정값을 결정하는 하나의 방식은 파라미터 추정 방식을 포함할 수 있는 데이터 프로세싱 방법에서 그것을 미지의 변수로서 포함시키는 것이다. 계산된 센서 온도와 측정된 센서 온도 사이의 최상의 일치를 발생시키는, 즉, 최소 오차를 발생시키는 대응하는 내부 파라미터 값들과 열 접촉 저항() 값의 조합이 결정된 추정값들(즉, 최적의 출력 값들)로 간주될 수 있다.
예를 들어, 위에 제시된 일반적이고 예시적인 반-무한 물체의 경우에 대해, 에 대해 시도되는(예를 들어, 추측되는) 각각의 값마다, 상이한 값들의 어레이가 또한 시도되고 수학식 6에 입력된다. 시도된 및 값의 각각의 조합에 대해, 수학식 6의 결과(즉, 계산된 센서 온도)가 NITI 센서에 의해 출력되는 측정된 센서 온도와 비교된다. 이러한 비교는 예를 들어 수학식 7에 정의된 것과 같은 목적 함수를 통해 수행될 수 있다. 이러한 예에서, 계산된 센서 온도와 측정된 센서 온도 사이의 최상의 일치, 즉 최소 오차(예를 들어, 최소 RMSE 값)를 발생시키는 내부 파라미터들(예를 들어, )과 열 접촉 저항()에 대해 시도되는 값들의 조합은 결정된 추정값들(즉, 최적의 출력 값들)로 간주될 수 있다. 그러나, 이러한 예시적인 접근방식(즉, 무차별 대입 데이터 프로세싱 방법)은 특히 더 정확한 결과들이 요구되는 경우에 시간소모적일 수 있다. 결과적으로, 이러한 접근방식은 NITI 응용들 대부분을 비실용적이게 한다. 시간소모적이긴 하지만, 이러한 기법은 온도 기반 경계 조건을 사용하여 찾아진 수학적 솔루션에 기초하는 무차별 대입 데이터 프로세싱 방법보다 정확하고 빠르다. 이것은 온도 기반 경계 조건들의 복잡성들 및 한계들의 결과이다.
또 다른 접근방식은 최적화 방식을 통해 대응하는 내부 파라미터들(예를 들어, ) 및 열 접촉 저항() 값의 추정값들을 결정하는 것이다. 예를 들어, 최적화 방식은 예를 들어 내부 파라미터 값들(예를 들어, )과 열 접촉 저항() 값의 조합들을 비선형적으로 변경함으로써 목적 함수(예를 들어, 수학식 7)를 최소화하도록 설계될 수 있다. 이러한 접근방식은 위에서 설명된 무차별 대입 데이터 프로세싱 방법과 비교할 때 더 빠른 결과들을 산출할 수 있지만 정확하지 않을 수 있다.
열 접촉 저항()에 대한 추정값을 결정하기 위한 새로운 접근방식은 물체의 내부 속성들에 기초하여 이를 결정(예를 들어, 계산)하는 것이다. 이는 프로세싱 시간을 크게 줄이고, 이러한 기술이 다수의 응용에서 더 실용적이게 한다. 이러한 접근방식은 열 접촉 저항()이 시간에 대해 일정하다는 점을 활용한다. 따라서, 임의의 지정된 시간 또는 임의의 주어진 측정에서, 열 접촉 저항()은 선행하는 또는 후속하는 지정된 시간들 또는 측정들에서의 열 접촉 저항()과 등가이다. 수학적으로, 이것은 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, n은 NITI 센서에 의해 수행된 n번째 측정을 나타낸다(일정 기간 동안의 총 N회의 측정). 따라서, 이러한 비-제한적인 예의 목적을 위해, N=M이다. 또한, 수량 n은 실시예에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, n은 n-1 또는 n+1로 치환될 수 있다.
이러한 일관성을 감안할 때, 지정된 시간 또는 측정에서의 열 접촉 저항()은 측정들이 수행되는 기간 전체의 평균 열 접촉 저항과 등가이며, 다음과 같이 표현될 수 있다:
또한, 수학식 5는 다음과 같이 재정렬될 수 있다:
수학식 10, 수학식 11 및 수학식 12를 결합하면 다음이 생성된다:
앞에서 설명된 예시적인 데이터 프로세싱 방법에 관련하여, 파라미터 추정 방식의 예시적인 목적 함수인 수학식 9에 수학식 13을 입력하면, 다음이 초래된다:
예시적인 실시예에 의존하여, n은 수학식 14에 보여진 바와 같이 항상 1의 값에서 시작하지 않을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 마찬가지로, 수량 N-1은 또한 실시예에 의존하여 다를 수 있다. 예를 들어, N-1은 N-15 또는 N으로 치환될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, N-1은 n번째 측정 후의 지정된 측정 횟수에 대해 수학식 13을 정의하는 n+30, n+10, n+5 등으로 치환될 수 있다.
수학식 9와 비교하여, 수학식 14에서의 예시적인 목적 함수의 이러한 버전은 열 접촉 저항()에 대체로 독립적이다. 열 접촉 저항()에 의존하는 유일한 항은 이며, 여기서 수학식 5의 결과로서 로서 정의된다. 많은 경우들에서, 수량 는 무시가능할 수 있음에 유의해야 한다. 무시가능하지 않은 경우들에서, 더 나은 설계가 필요하고, 수량 이 처리될 필요가 있을 수 있다. 이를 달성하는 예시적인 방법은 이러한 데이터 프로세싱 방법 예에서, 파라미터 추정 방식을 수행하기 전에 열 접촉 저항()에 대한 초기값을 시도(예를 들어, 추측)하는 것에 의한 것이다. 시도한 초기 값에 관계없이, 파라미터 추정 방식은 열 접촉 저항()에 대한 정확한 추정값은 물론, 내부 파라미터들에 대한 정확한 추정값들을 결정할 것이다.
데이터 프로세싱 방법의 일부로서, 수학식 14를 파라미터 추정 방식의 목적 함수로서 사용하면, NITI 측정을 하는 데에 필요한 시간이 크게 감소된다. 필적할만한 정확도를 위해, 그리고 동일한 컴퓨터를 사용하여, 발명자는 이 데이터 프로세싱 방법이 동일한 데이터 세트(75초의 데이터 - 1HZ 샘플링 주파수)에 대해 위에서 설명된 무차별 대입 방식에 기반한 데이터 프로세싱 방법을 사용할 때의 약 15분에 비해, 1초 미만의 프로세싱 시간에서 완료될 수 있다고 결정했다.
마지막으로, 또 다른 자명하지 않은 접근방식들은 주어진 물체의 전체 정상-상태 열 저항() 및 내부 파라미터들에 기초하여 열 접촉 저항()에 대한 추정값을 결정하는 것이다. 이것의 비-제한적인 예는 예시적인 NITI 응용에 대해 아래에 설명된다.
열 접촉 저항() 결정을 위한 이러한 접근방식들은 특정 데이터 프로세싱 방법 및/또는 NITI 기법에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 대신에, 그것들은 NITI 및/또는 NITI 응용에 사용되는 데이터 프로세싱 방법에 관계없이 열 접촉 저항() 결정을 위한 일반적인 표현들 및 접근방식들로서 사용될 수 있다.
도 11은 물체와 NITI 센서 표면들 사이의 추정된 열 접촉 저항() 및 물체의 하나 이상의 내부 속성(즉, 내부 속성)을 결정하기 위해 제어 회로부에 의해 수행되는 예시적인 데이터 프로세싱 방법에 대한 비-제한적인 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다. 이러한 예에서, 데이터 프로세싱 방법은 파라미터 추정 방식을 포함한다. 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 측정된 표면 온도(즉, 측정된 센서 온도), 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체에 대한 측정된 표면 열 유속, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 내부 파라미터들(예를 들어, (물체의 정상-상태 열저항), k, ρ, C, 등)의 하나 이상에 대한 초기 값들, 및 열 접촉 저항()에 대한 초기값은 하나 이상의 지정된 시간에 대해 계산된 센서 온도를 생성하기 위해, 계산된 센서 온도 수학식(예를 들어, 수학식 6)에 입력된다. 이러한 예에서, 하나 이상의 지정된 시간에 대한 계산된 센서 온도와 하나 이상의 지정된 시간에 대한 측정된 센서 온도 사이의 차이(예를 들어, 오차)가 결정된다. 그 차이는 예를 들어 미리 결정된 임계값과 비교되며, 임계값보다 큰 경우, 열 접촉 저항() 값 및 내부 파라미터 값들 중 하나 이상을 조절하기 위해 그 차이가 사용된다. 단순화를 위해, 하나 이상의 조절된 내부 파라미터 값과 하나 이상의 다른(즉, 조절되지 않은) 내부 파라미터 값은 집합적으로 업데이트된 값들이라고 지칭된다. 조절은 다수의 상이한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 접촉 저항() 및 내부 파라미터들 중 하나 이상의 후속 값들은 내부 파라미터 및 이전에 사용된 열 접촉 저항() 값들에 기인하는 이력 차이(historical difference)(예를 들어, 오차)의 임의의 추세 또는 패턴에 관계없이 사용될 수 있다. 다른 예들에서, 이전에 사용된 내부 파라미터 및 열 접촉 저항() 값들에 기인하는 이력 차이(예를 들어, 오차)에 기초하여 조절이 이루어질 수 있다. 비-제한적인 예에서, k의 값(예를 들어, k0)이 100의 차이(즉, 오차)에 관련되고, k에 대해 사용되는 더 큰 값인 다음 값(예를 들어, k1)은 200의 오차에 관련되는 경우, 제어 회로부는 k0보다 큰 값(k1)을 사용할 때 증가된 차이(즉, 오차)를 감안하여, k의 원래 값(k0)보다 작은 값을 시도할 수 있다. 차이가 임계값 이하이거나 달리 최소로 간주되고 나면, 제어 회로부는 내부 파라미터들 및 열 접촉 저항()에 사용되는 대응하는 값들을 정확하고 최적(즉, 출력)인 추정값들로 간주한다. 다음으로, 예를 들어 수학식 3을 사용하여, 제어 회로부는 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타내는 하나 이상의 정확한 값(들)에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다. 또한, 원하는 경우, 제어 회로부는 열 접촉 저항() 및 , k, ρ, C, 등과 같은 물체에 대한 내부 파라미터들 중 하나 이상을 나타내는 정확한 추정값(들)에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다.
바로 앞에서 설명된 접근방식은 물체의 표면에 배치되는 한편, 열 이벤트에 종속될 수 있는 NITI 센서로부터 출력되는 열 유속 및 온도 신호들을 사후 프로세싱함으로써 물체의 내부 파라미터들(예를 들어, , k, ρ, C, 등), 온도 센서와 물체 표면들 사이의 열 접촉 저항(), 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포(예를 들어, ) 등을 결정할 수 있는 제어 회로부에 의해 수행되는 비-제한적인 예시적인 주기적 NITI 데이터 프로세싱 방법이다. CHFT+에 대해, 이러한 열 이벤트는 예를 들어 제어 회로부와 함께 사용되는 외부 열 디바이스에 의해 발생될 수 있다. 한편, CHFT-는 예를 들어 제어 회로부와 함께 사용되지 않는 외부 열 이벤트 환경들, 예컨대 본체로부터의 열 소산, 엔진 블록 열 손실, 대류 냉각 또는 가열 등에서 동작하도록 설계된다. 이러한 절차는 제어 회로부에 의해 매우 신속하게 수행될 수 있기 때문에, 열 유속 및 온도 신호들이 측정되고 제어 회로부에 대한 입력들로서 제공되고 있을 때 데이터 프로세싱이 실시간으로 수행될 수 있다. 각각의 추가 측정마다, 데이터 프로세싱 방법이 재실행되고, 물체의 내부 영역의 내부 속성들(즉, 내부 속성들) 중 하나 이상에 대한 값들이 결정되고, 예를 들어 출력을 위한 정보가 생성된다.
NITI의 다른 방법들(즉, 기법들)은 예를 들어 관심 있는 내부 속성들에 의존하여, 열 수학적 솔루션(예를 들어, 수학식 3)을 상이한 형태들로 수정함으로써 수행될 수 있다. 다양한 응용들에 대해 열 수학적 솔루션들의 수정된 배열들 및 대응하는 NITI 방법들의 비-제한적인 예들이 아래에 제공된다. 이러한 응용들 각각은 대응하는 열 수학적 모델들을 갖는다. 일반적으로, 사용된 NITI 응용 및 절차에 의존하여, 물체의 하나 이상의 내부 속성에 대한 추정값들을 결정하기 위해, 상이한 데이터 프로세싱 방법들이 이용될 수 있다. 이러한 방법들 중 일부는 파라미터 추정 방식들을 사용할 수 있지만, 다른 방법들은 그렇지 않을 수 있으며, 대신에 예를 들어 계산에 기초할 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, (예를 들어, 데이터 프로세싱 방법을 통해) 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해, 다양한 수학적 연산들이 예를 들어 열 수학적 솔루션에 대해 수행될 수 있다(예를 들어, 미분 연산, 적분 연산 등).
물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위한 하나 이상의 병렬 열 유속 센서-온도 센서 쌍들을 갖는 시스템 실시예들
복수의(적어도 2개의) NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)에 의해 병렬로 물체 열 유속 및 온도 측정값들을 취득하는 예시적인 NITI 시스템 실시예들은 듀오 NITI 실시예들로 지칭된다. 물체들의 더 간단하고 더 강건한 NITI를 허용하는 것 외에도, 듀오 NITI 실시예들은 예시적인 CHFT+ 및/또는 예시적인 CHFT- NITI 시스템 실시예들에 대해 위에서 설명된 비-제한적인 예시적인 NITI 시스템 실시예들 및/또는 방법들에 연관될 수 있는 불확실성들을 제거한다.
병렬로 측정을 수행하기 위해, 예시적인 듀오 NITI 실시예들의 각각의 NITI 센서는 센서 노드라고도 지칭되는 각각의 NITI 센서 위치에서 발생하는 열 유속의 양의 차이에 대응하는, 각각의 열 유속 센서에 의해 검출되는 상이한 열 유속 값들을 가질 수 있다. 예시적인 듀오 NITI 실시예들의 이러한 양태는 차등 열 유속 환경(differential heat flux environment)으로 지칭된다. 이러한 조건을 달성하기 위해, 아래의 예시적인 실시예들이 사용될 수 있다. 전형적으로, 차등 열 유속 환경의 결과로서, 각각의 센서 노드(즉, 노드)에서의 온도 측정값들도 상이하다.
예시적인 듀오 CHFT+ 실시예(복수의 CHFT+ 노드)로 차등 열 유속 환경을 생성하는 한 가지 방식은 각각의 CHFT+ 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)가 제공하는 열 에너지의 양을 변경하는 것이다. 가열기의 경우에서, 이는 예를 들어 각각의 가열기에 제공되는 전압을 차별화(differentiating)하고, 각각의 가열기의 전기 저항을 차별화하고, 각각의 가열기의 전력 밀도를 차별화하는 등에 의해, 필요한 차등 열 유속 환경을 생성함으로써 달성될 수 있다. 도 12는 예시적인 듀오(병렬 NITI 센서 노드들) CHFT+(가열기 있음) 실시예의 단면을 보여준다. 이러한 예시적인 실시예에서, 각각의 NITI 센서(즉, 센서 노드 또는 노드)는 하나의 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 포함하며, CHFT+ 노드들인 결과로서 가열기(즉, 외부 열 디바이스)를 포함한다.
외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)가 임의적이지 않거나, 요구되지 않거나, 사용되지 않는 경우, 차등 열 유속 환경을 생성하는 다른 방식은 각각의 센서 노드 상에 상이한 양들의 열적 절연재를 배치하는 것이다. 절연재는 센서 노드를 통해 발생하는 열 유속의 양을 제어(즉, 제한, 증가 등)하는 데 사용할 수 있다. 절연재 두께 및/또는 재료들을 다르게 하는 것을 통해 열적 절연재의 양을 다르게 하는 것이 달성될 수 있다. 열적 절연재는 센서 노드를 통해 발생하는 열 전달의 양을 향상시키고 증가시키도록 설계되는 금속들 또는 다른 열 전도성 재료들을 포함할 수 있다. 또한, 절연재는 필터의 역할을 할 수 있으며, 실질적인 열 유속 및 온도 신호들이 NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)에 의해 검출되는 것만을 허용할 수 있다. 절연재는 또한 NITI 센서를 측정 품질에 영향을 줄 수 있는 외부 손상 및/또는 외부 자극으로부터 보호하기 위해서도 사용될 수 있다. 도 13은 차등 열 유속 환경을 용이하게 하기 위해 각각의 센서 노드에 상이한 양들의 열적 절연재를 사용하는 예시적인 듀오(병렬 NITI 센서 노드들) CHFT- 실시예의 단면을 보여준다. NITI 예시적인 실시예들에서, 센서 노드에서 사용되는 열적 절연재의 속성들은 하나 이상의 물체 내부 속성을 측정하기 위해 알려지거나, 실험적으로 결정되거나, 보정될 필요가 없다.
대안적으로, 예를 들어, 신호 노이즈가 쟁점이 아닐 수 있을 때, 하나의 CHFT- 노드는 열적 절연재를 포함할 수 있는 한편, 다른 CHFT- 노드는 노출된다. 이러한 예시적인 실시예의 단면이 도 14에 도시된다.
도 15의 다른 예시적인 실시예는 하나의 센서 노드가 CHFT+를 포함하고 하나의 센서 노드가 CHFT-를 포함하는 듀오 CHFT+/- 시스템의 단면을 보여준다.
듀오 CHFT-시스템 단면의 또 다른 예시적인 실시예가 도 16에 도시되어 있다. 이러한 예시적인 실시예는 외부 열 이벤트들이 개별 센서 노드들에 특정한 경우들에서 적절할 수 있다. 예를 들어, 하나의 센서 노드는 램프로 가열되는 한편, 다른 센서 노드는 팬에 의해 냉각된다.
차등 열 유속 환경이 생성되는 다른 예시적인 실시예는 각각의 열 유속 센서-온도 센서 쌍에 대해 상이한 열 저항을 갖는 재료들을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 하나의 센서 노드는 높은 열 저항의 재료들로 만들어진 예시적인 NITI 실시예(예를 들어, CHFT-)를 포함하고, 하나의 센서 노드는 낮은 열 저항의 재료들로 만들어진 예시적인 NITI 실시예(예를 들어, CHFT-)를 포함한다. 각각의 센서 노드에서의 전체 열 저항의 이러한 차이는 차등 열 유속 환경이 실현되는 것을 허용한다. 상이한 열 저항은 예를 들어 열 유속 센서 및/또는 온도 센서를 접착, 연결, 수용 및/또는 접촉하는 데 사용되는 하나 이상의 재료(예를 들어, 강성 및/또는 가요성 인쇄 회로 보드, 접착제, 기판 등) 내의 전도성 또는 절연 비아들/갭들에 의해 예시적인 NITI 실시예들에 도입될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 하나의 센서 노드의 열 유속 센서 및/또는 온도 센서는 낮은 열 전도도 및/또는 지정된 두께의 재료들을 사용하여 제조될 수 있는 한편, 다른 센서 노드의 열 유속 센서 및/또는 온도 센서는 높은 열 전도도 및/또는 다른 지정된 두께의 재료들을 사용하여 제조될 수 있다.
예시적인 듀오 NITI 실시예들에 통합된 하나 이상의 병렬 센서 노드의 결과로서, 위에서 설명된 예시적인 CHFT+ 및 예시적인 CHFT- 방법을 수행하는 것에 더하여, 신호 측정 및 데이터 프로세싱의 혁신적인 방법들이 가능하다(센서 노드들이 독립적으로 동작되는 경우). 설명을 위해, 이하에서는, 차등 열 유속 환경들에서 동작할 때의 듀오 NITI 시스템에 대한 일반적이고 비제한이며 예시적인 차분 및 몫 기반 데이터 프로세싱 방법들이 설명된다.
이러한 예에서, 2개의 NITI 센서 노드(즉, 센서 노드)는 주어진 물체 상에 배치되는 것으로 모델링되며, 여기서 물체의 내부 속성들은 이 예에서 2개의 센서 노드 위치에서 균일한 것으로 가정된다. 이는 각각의 센서 노드(노드 1 및 2)에서 이하의 예시적인 독립적 수학식들을 초래한다:
여기서, 은 물체의 내부 온도(즉, 내부 온도 분포)이고,
ψ는 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 과도 열 전달 효과들을 처리하는 응답 함수이다. 전형적으로, ψ는 각각의 열 모델에 대해 독립적으로 도출되고, 하나 이상의 내부 파라미터에 기초할 수 있다. 따라서, 전형적으로, 그것은 주어진 NITI 응용 및 대응하는 열 모델에 고유하다. 일부 예시적인 듀오 NITI 실시예들에서, 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 초기 값들은 응답 함수(ψ)에 관련된 목적들을 위해 결정될 필요가 있을 수 있다. 이러한 초기 값들은 (예를 들어, 교본, 참고 자료 등으로부터) 미리 결정되거나, (예를 들어, 데이터 프로세싱 방법을 통해) 추정되거나, 달리 결정될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 초기 값들은 하나 이상의 지정된 시간에 대해 변경되지 않고 일정하게 유지된다. 다른 예시적인 실시예들에서, 초기 값들은 하나 이상의 지정된 시간에서 업데이트되거나 달리 조절될 수 있다.
정상-상태 형태에서, 수학식 15 및 수학식 16은 다음과 같이 축소된다:
수학식 17 및 수학식 18은 물체의 과도 열 전달 효과들을 처리하는 응답 함수(ψ)를 포함하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 전형적으로, 그들은 특정 NITI 응용들 및 대응하는 열 모델들에 제한되지 않는다.
듀오 NITI 시스템에 대한 일반적이고 예시적인 차분 기반 데이터 프로세싱 방법은 수학식 15와 수학식 16 간의 차이를 결정하는 것을 포함하며, 이는 다음을 초래한다:
다시 정리하면 다음과 같다:
수학식 19 및 수학식 20은 과도 효과들이 처리되고 2개의 센서 노드가 병렬로 사용되는 듀오 NITI 시스템 차분 기반 데이터 프로세싱 방법의 예시적인 일반적 형태를 나타낸다. 정상-상태 조건들에서, 수학식 20은 다음과 같이 축소된다:
다시 정리하면 다음과 같다:
이러한 예시적인 데이터 프로세싱 방법에서, 각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항들( 및 )이 알려진 때, 수학식 20 및 수학식 22는 물체의 내부 파라미터에 기초하며 따라서 그것을 나타내는, 물체의 정상-상태 열 저항()을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 요구되는 경우, 물체의 정상-상태 열 저항()은 하나 이상의 다른 내부 파라미터에 대한 값들이 결정될 때(예를 들어, 미리 결정될 때, 추정될 때 등), 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이에 대한 비-제한적인 예가 아래에 제공된다.
센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및/또는 )에 대한 추정값이 알려지지 않은 경우, 그것은 (예를 들어, 위에서 설명된 예시적인 CHFT+ 또는 CHFT- 절차들을 통해) 결정되거나, (예를 들어, 미리 결정된 값들을 사용하여) 달리 결정될 수 있다.
각각의 센서 노드의 열 접촉 저항( 및 )이 무시가능한 것으로 추정될 때, 수학식 20은 다음과 같이 축소되고:
수학식 22는 다음과 같이 축소된다:
각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항들이 동일할 때(==), 수학식 22는 다음과 같이 축소된다:
여기서, 은 물체의 전체 정상-상태 열 저항이며:
이다.
듀오 NITI 시스템에 대한 일반적이고 예시적인 몫 기반 데이터 프로세싱 방법은 수학식 15와 수학식 16 사이의 몫을 결정하는 것을 포함하고, 이는 다음을 초래한다:
다시 정리하면 다음과 같다:
수학식 27 및 수학식 28은 과도 효과들이 처리되고 2개의 센서 노드가 병렬로 사용되는 듀오 NITI 시스템 몫 기반 데이터 프로세싱 방법의 예시적인 일반적 형태들을 나타낸다. 정상-상태 조건들에서, 수학식 27은 다음과 같이 축소된다:
다시 정리하면 다음과 같다:
이러한 예시적인 데이터 프로세싱 방법에서, 각각의 센서 노드의 열 접촉 저항들( 및 )을 알고 있는 경우, 수학식 28 및 수학식 30은 물체의 내부 온도 분포()를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및/또는 )에 대한 추정값이 알려지지 않은 경우, 그것은 (예를 들어, 위에서 설명된 예시적인 CHFT+ 또는 CHFT- 절차들을 통해) 결정되거나, (예를 들어, 미리 결정된 값들을 통해) 달리 결정될 수 있다.
각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및 )이 무시가능한 것으로 추정될 때, 수학식 28은 다음과 같이 축소되고:
수학식 30은 다음과 같이 축소된다:
각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항들이 동일할 때(==), 수학식 32는 또한 수학식 30의 형태이다.
앞에서 언급된 바와 같이, 예를 들어 차분 및 몫 기반 데이터 프로세싱 방법의 비제한적이고 예시적인 과도 형태는 전형적으로 응답 함수(ψ)의 존재를 감안하여 각각의 NITI 응용 및 열 모델에 고유하다. 그러나, 예를 들어 비제한적이고 예시적인 차분 및 몫 기반 데이터 프로세싱 방법들의 정상-상태 형태들은 전형적으로 보편적이며 거의 모든 NITI 응용 및 대응하는 열 모델에 적용가능하다.
도 17은 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위한 병렬 열 유속 센서-온도 센서 쌍(즉, 듀오 NITI 시스템)으로 NITI를 수행하는 예시적인 NITI 시스템을 도시한다. 2개의 NITI 센서(이들을 구별하기 위해, 하나는 "제1"이라고 지칭되고 다른 하나는 "제2"라고 지칭됨)가 보여지며(그러나, 2개보다 많은 NITI 센서가 사용될 수 있음), 각각의 NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)는 온도 센서 및 열 유속 센서(즉, 열 유속 센서-온도 센서 쌍)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예들에서, 각각의 NITI 센서는 하나보다 많은 온도 센서 및/또는 하나보다 많은 열 유속 센서를 포함할 수 있다. 각각의 NITI 센서를 위한 온도 센서 및 열 유속 센서의 서로의 대한, 다른 NITI 센서에 대한, 및 물체에 대한 구성은 도 12 - 도 16에 보여진 비-제한적인 예들 중 임의의 것에 도시된 것과 같을 수 있다. 각각의 NITI 센서로부터의 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 아날로그 신호들에 대응하는 온도 센서 및 열 유속 센서로부터의 아날로그 신호 출력들은 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들)을 통해 제공되고, 예를 들어 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC), 마이크로컨트롤러 등을 포함할 수 있는 데이터 취득(DAQ) 회로부에 의해 디지털 신호들로 변환된다. DAQ 회로부는 위에서 설명되고 아래에서 더 설명되는 바와 같은 프로세싱을 위해, 측정된 온도 센서 및 측정된 열 유속 센서 디지털 신호들을 적절한 통신 경로들(예를 들어, 전기 전도체들, 무선 신호들 등)을 통해 제어 회로부에 제공한다. 제어 회로부는 하나 이상의 적절하게 구성된 컴퓨터, 마이크로프로세서, DSP, FPGA 또는 다른 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 회로부의 적절한 구성은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 조합으로 구현될 수 있다. 제어 회로부는 디스플레이, 네트워크, 클라우드 컴퓨터 시스템, 셀 폰과 같은 통신 디바이스, 웨어러블 기술 등과 같은 출력을 포함하거나 그와 통신한다. 출력은 또한 센서 활성화 및 비활성화, 원격 모니터링, 측정 시작/중지, 외부 열 디바이스 동작, 데이터 로깅, 온도 제어, 에너지 흐름 제어, 시스템 장애 제어, 예방적 유지보수 제어, 진단, 시스템 성능, 데이터 입력, 데이터 표시, 분석 등과 같은 하나 이상의 제어 동작을 위해 사용될 수 있다. 이러한 비-제한적인 예에서, 적용가능할 때(예를 들어, CHFT+ 노드들을 사용할 때), 각각의 외부 열 디바이스는 각각의 릴레이(즉, 스위치)를 사용하여 제어되고, 릴레이는 결국 제어 회로부로부터의 입력에 기초하여 릴레이 신호를 제공하는 DAQ의 릴레이 신호에 의해 동작된다.
도 18a는 2개의 병렬 NITI 센서(이들을 구별하기 위해 하나는 "제1"이라고 지칭되고, 다른 하나는 "제2"라고 지칭됨)를 사용하여 물체의 하나 이상의 내부 파라미터(즉, 내부 파라미터)를 결정하기 위해 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다. 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 온도 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 표면 온도(즉, 측정된 센서 온도), 및 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 열 유속 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 표면 열 유속은 제어 회로부에 입력된다. 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들(예를 들어, , k, ρ, C, 등) 중 하나 이상에 대한 초기 값들 및 각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및 )에 대한 값들은 또한 제어 회로부에 입력된다. 다음으로, 제어 회로부는 예를 들어 수학식 20에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에 내부 파라미터들 중 하나 이상을 결정하는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용한다. 마지막으로, 제어 회로부는 , k, ρ, C, 등과 같은 물체에 대한 내부 파라미터들을 나타내는 하나 이상의 정확한 값(들)에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다.
도 18b는 정상-상태 조건들에서 2개의 NITI 센서(이들을 구별하기 위해 하나는 "제1"이라고 지칭되고, 다른 하나는 "제2"라고 지칭됨)를 사용하여 물체의 정상-상태 열 저항(내부 파라미터)을 결정하기 위해 제어 회로부에 의해 수행되는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다. 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 온도 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 온도(즉, 측정된 센서 온도), 및 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 열 유속 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 열 유속은 제어 회로부에 입력된다. 각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및 )에 대한 값들은 또한 제어 회로부에 입력된다. 다음으로, 제어 회로부는 예를 들어 수학식 22에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 정상-상태 열 저항(내부 파라미터)을 결정하는 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용한다. 마지막으로, 제어 회로부는 물체의 정상-상태 열 저항을 나타내는 정확한 값(들)에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다. 또한, 원하는 경우, 제어 회로부는 물체의 결정된 정상-상태 열 저항 및 하나 이상의 결정된(예를 들어, 미리 결정된, 추정된 등) 내부 파라미터에 기초하여, k, ρ, C, 등과 같은 물체에 대한 다른 내부 파라미터들 중 하나 이상을 나타내는 하나 이상의 정확한 값에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성할 수 있다.
도 19a는 2개의 병렬 NITI 센서(이들을 구별하기 위해 하나는 "제1"이라고 지칭되고, 다른 하나는 "제2"라고 지칭됨)를 사용하여 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포(즉, 내부 온도 분포)를 결정하기 위해 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다. 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 온도 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 온도(즉, 측정된 센서 온도), 및 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 열 유속 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 열 유속은 제어 회로부에 입력된다. 하나 이상의 지정된 시간에서의 하나 이상의 내부 파라미터(예를 들어, , k, ρ, C, 등)에 대한 값들 및 각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및 )에 대한 값들은 또한 제어 회로부에 입력된다. 다음으로, 제어 회로부는 예를 들어 수학식 30에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정하는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용한다. 마지막으로, 제어 회로부는 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타내는 하나 이상의 정확한 값에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다.
도 19b는 정상-상태 조건들에서 2개의 병렬 NITI 센서(이들을 구별하기 위해 하나는 "제1"이라고 지칭되고, 다른 하나는 "제2"라고 지칭됨)를 사용하여 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포(즉, 내부 온도 분포)를 결정하기 위해 제어 회로부에 의해 수행되는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 위한 예시적인 절차들을 보여주는 흐름도이다. 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 온도 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 온도(즉, 측정된 센서 온도), 및 제1 및 제2 NITI 센서 각각의 열 유속 센서로부터 하나 이상의 지정된 시간에 측정된 열 유속은 제어 회로부에 입력된다. 각각의 센서 노드에서의 열 접촉 저항( 및 )에 대한 값들은 또한 제어 회로부에 입력된다. 다음으로, 제어 회로부는 예를 들어 수학식 32에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정하는 몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용한다. 마지막으로, 제어 회로부는 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타내는 하나 이상의 정확한 값에 대응하는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다.
도 20은 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하기 위해 병렬 NITI 센서 노드들(즉, 듀오 NITI 시스템) 및 차분 기반 데이터 프로세싱 방법에 기초하는 NITI 센서를 포함하는 비제한적이고 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 예시적인 절차를 개괄하는 흐름도이다. 제1 측정된 온도 신호는 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S7)). 제1 측정된 열 유속 신호는 하나 이상의 지정된 시간에 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하기 위해, 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 열 유속 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S8)). 제2 측정된 온도 신호는 하나 이상의 지정된 시간에서 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S9)). 제2 측정된 열 유속 신호는 하나 이상의 지정된 시간에 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하기 위해, 하나 이상의 지정된 시간에서 측정되는 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 열 유속 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S10)). 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에 내부 파라미터들 각각에 대한 초기값들을 결정한다(단계(S11)). 다음으로, 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서들로부터의 측정된 온도 신호들, 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍들 내의 측정된 열 유속 신호들, 및 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들의 초기값들에 기초하여, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 내부 파라미터들 중 하나 이상을 결정한다(단계(S12)). 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 파라미터들 중 하나 이상을 나타내는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다(단계(S13)). 제어 회로부에 의해 수행되는 후속 절차들에서(즉, 하나 이상의 장래의 지정된 시간에서), 제어 회로부는 이전에(즉, 하나 이상의 지정된 시간에) 단계(S12)에서 결정된 내부 파라미터들 중 하나 이상의 값에 기초하여 단계(S11)에서의 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 초기 값들을 결정할 수 있다. 추가로, 제어 회로부는 단계(S7) 내지 단계(S11)를 임의의 순서로 수행할 수 있고, 절차들의 이러한 비-제한적인 예에 지정된 순서로 제한되지 않는다. 정상-상태 조건들에서, 제어 회로부는 임의적으로 단계(S11)를 수행하지 않을 수 있고/있거나 단계(S12)에서 내부 파라미터들의 초기 값들을 사용하지 않을 수 있다. 더욱이, 제어 회로부는 또한 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서와 물체의 표면 사이의 열 접촉 저항에 연관된 하나 이상의 효과, 및/또는 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서와 물체의 표면 사이의 열 접촉 저항에 연관된 하나 이상의 효과를 결정하고 처리하기 위한 단계들을 수행할 수 있다.
도 21은 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정하기 위해 병렬 NITI 센서 노드들(즉, 듀오 NITI 시스템) 및 몫 기반 데이터 프로세싱 방법에 기초하는 NITI 센서를 포함하는 비제한적이고 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 예시적인 절차를 개괄하는 흐름도이다. 제1 측정된 온도 신호는 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S14)). 제1 측정된 열 유속 신호는 하나 이상의 지정된 시간에 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하기 위해, 하나 이상의 지정된 시간에서 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 열 유속 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S15)). 제2 측정된 온도 신호는 하나 이상의 지정된 시간에서 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S16)). 제2 측정된 열 유속 신호는 하나 이상의 지정된 시간에 표면에서 물체로부터 떠나거나 그에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하기 위해, 하나 이상의 지정된 시간에서 측정되는 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 열 유속 센서로부터 제어 회로부에 의해 수신된다(단계(S17)). 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에 내부 파라미터들 각각에 대한 값들을 결정한다(단계(S18)). 다음으로, 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서들로부터의 측정된 온도 신호들, 하나 이상의 지정된 시간에서의 제1 및 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍들 내의 측정된 열 유속 신호들, 및 하나 이상의 지정된 시간에서의 내부 파라미터들의 값들에 기초하여, 하나 이상의 지정된 시간에서의 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정한다(단계(S19)). 제어 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 나타내는 정보(예를 들어, 출력용)를 생성한다(단계(S20)). 추가로, 제어 회로부는 단계(S14) 내지 단계(S18)를 임의의 순서로 수행할 수 있고, 절차들의 이러한 비-제한적인 예에 지정된 순서로 제한되지 않는다. 정상-상태 조건들에서, 제어 회로부는 임의적으로 단계(S18)를 수행하지 않을 수 있고/있거나 단계(S19)에서 내부 파라미터들의 값들을 사용하지 않을 수 있다. 더욱이, 제어 회로부는 또한 제1 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서와 물체의 표면 사이의 열 접촉 저항에 연관된 하나 이상의 효과, 및/또는 제2 비-침습적 열 유속 센서-온도 센서 쌍 내의 온도 센서와 물체의 표면 사이의 열 접촉 저항에 연관된 하나 이상의 효과를 결정하고 처리하기 위한 단계들을 수행할 수 있다.
병렬 NITI 센서 노드들에 기초하는 NITI 센서를 포함하는 비제한적이고 예시적인 NITI 시스템에서 제어 회로부에 의해 수행되는 추가의 예시적인 절차들은 하나보다 많은 데이터 프로세싱 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, NITI 시스템은 각각, 물체의 하나 이상의 내부 파라미터를 결정(예를 들어, 계산)하고 물체의 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정(예를 들어, 계산)하기 위한 차분 기반 데이터 프로세싱 방법 및 몫 기반 데이터 프로세싱 방법 둘 다를 포함할 수 있다. NITI 시스템은 예를 들어 복수의 데이터 프로세싱 방법을 후속적으로 또는 동시에 수행할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 데이터 프로세싱 방법은 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 복수의 데이터 프로세싱 방법의 조합에 기초할 수 있다.
예시적인 듀오 NITI 실시예들은 규정된 열 유속 및 온도 조건들을 유지하기 위해 제어 회로부를 이용할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로부는 외부 열 디바이스(예를 들어, 가열기)에 공급되는 전력을 조절함으로써 정상-상태 조건들을 유지하기 위해 사용할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제어 회로부는 하나의 센서 노드에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도의 양을 다른 센서 노드에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도의 일정한 배수로 조정할 수 있다.
유사한 조건들이 제어 회로부 없이 더 달성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 센서 노드 상의 미리 정해진 양의 열적 절연재는 또한 각각의 센서 노드에서 발생하는 열 유속 또는 온도를 예를 들어 다른 센서 노드의 일정한 배수로 조정하기 위해 사용될 수 있다.
센서 노드들에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도가 예를 들어 상수 배수(Y)에 의해 관련지어지는 그러한 환경들을 생성하면, 듀오 NITI 시스템들 및 데이터 프로세싱 방법들을 더욱 단순화할 수 있다.
예를 들어, 제어 회로부 및/또는 열적 절연재가 각각의 센서 노드에서 발생하는 열 유속 사이에 이하의 관계를 유지하기 위해 사용되는 경우:
수학식 27은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
이는 다음과 같이 단순화된다:
각각의 센서 노드에서 무시가능한 또는 등가의 열 접촉 저항()을 가정하면 다음과 같다:
이 예에서, 수학식 35 및 수학식 36은 시간에 따른 (예를 들어, 응답 함수(ψ)를 통한) 과도 열 전달 효과들 및/또는 물체의 내부 파라미터에 대한 임의의 고려 없이, 주어진 물체의 단순화된 실시간 내부 온도() 측정을 위해 사용될 수 있다.
예시적인 응용들
이하에서는 NITI의 상이한 예시적인 응용들 및 방법들에 대한 예시적인 실시예들이 설명된다. 이러한 예들 중 일부는 본 발명자에 의해 수행되는 테스트들에 기초하는 실험 데이터 결과들을 포함한다. 이것은 응용들 또는 방법들의 완전한 목록을 의미하는 것이 아니라, 대신에 NITI가 사용될 수 있는 예시적인 방식들을 도시한다. 더욱이, 예시적인 NITI 방법들은 아래에 나열된 응용들 및/또는 예시적인 실시예들로 제한되지 않으며, 상이한 응용들 및/또는 예시적인 실시예들에 대한 다른 예시적인 NITI 방법들을 사용할 수 있고/거나 그에 기초할 수 있다.
실험 데이터 결과들은 차동 서모파일 기술에 기초하는 하나 이상의 열 유속 센서, 및 박막 열전대 기술에 기초하는 하나 이상의 온도 센서를 포함하는 예시적인 NITI 센서 실시예들에 기초한다. 그러나, 사용된 열 유속 센서들 또는 온도 센서들(예를 들어, RTD 온도 센서들, 광섬유 온도 센서들, NTC 온도 센서들, 서미스터들, 서모파일들 등)의 유형에 관계없이 유사한 결과들이 획득될 수 있다.
혈액 관류 측정 응용
하나의 응용은 도 22에 도시된 예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 조직의 혈액 관류(흐름)이다. NITI 센서(CHFT+)는 조직과 접촉하는 것으로 보여진다. 조직(즉, 물체)은 혈액 관류(w), 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 및 조직 열 용량(C)을 포함하는 복수의 내부 파라미터를 포함한다. 조직 깊이(x)가 증가함에 따라, 조직의 내부 온도 분포(T)는 심부 혈액 온도(TCore)에 접근한다. 이러한 예시적인 응용에서, 심부 혈액 온도(TCore)는 살아있는 조직의 대부분이 혈액으로 구성되어 있는 것을 감안하여, 심부 조직 온도와 동일한 것으로 가정된다(즉, 그와 열 평형 상태를 이룸).
조직 내의 혈액 관류의 효과들을 포함하는 생체 열 전달에 대한 예시적인 열 수학적 모델이 아래의 표 2에 제시된다.
<표 2. 열 유속 경계 조건을 갖는 조직에 대한 열 수학적 모델(Pennes 생체열 방정식 기반)>
조직 표면(x=0)에서 평가될 때의 표 2의 열 수학적 모델의 솔루션(내부 온도 분포(T))은 다음과 같다:
여기서, 초기 조직 표면 온도는 다음과 같다:
그리고 여기서, 열 유속은 조직에 들어갈 때 양(positive)으로 정의된다.
수학식 37을 NITI 센서 출력들에 관해 다시 쓰고 NITI 센서와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항( )의 효과들을 포함시키면 다음이 산출된다:
여기서, 는 조직의 정상-상태 열 저항()이다.
이러한 비-제한적인 예에서, 심부 혈액 온도(TCore)는 시간에 따라 일정하고 변하지 않는 것으로 가정된다. 그러나, 심부 혈액 온도(TCore)가 일정하지 않은 경우들에서, 효과들은 내부 파라미터들(예를 들어, 혈액 관류(w))의 변화들에 관련된 효과들과 구별될 수 있다. 이는 이러한 변경들로부터 초래되는 하나 이상의 효과의 차이들에 기인한다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 혈액 관류(w)의 변화들에 관련된 효과들은 예를 들어 이 예에서 수학식 39의 비선형 표현의 결과인 표면 온도 변화를 통해 실현될 수 있다. 그러나, 심부 혈액 온도(TCore)의 변화들에 관련된 효과들은 예를 들어 이 예에서는 수학식 38과 수학식 39의 조합에서 발견되는 선형 표현의 결과인 표면 온도 변화를 통해 실현될 수 있다. 선형 및 비선형 효과들의 차이들은 상이한 근본 원인들(예를 들어, 심부 혈액 온도(TCore) 또는 내부 파라미터들의 변화)의 구별 및 구분을 허용한다. 또한, 이러한 비-제한적인 예에서와 같이, 심부 혈액 온도(TCore)가 일정하다고 가정하는 것과 대조적으로, 시간 경과에 따라 변하는 심부 혈액 온도(TCore)를 처리하기 위해 다른 열 수학적 모델들이 도출될 수 있다.
혈액 관류 -- 파라미터 추정을 사용하는 주기적 측정 실시예
주기적 데이터 프로세싱 방법과 함께 사용되는 예시적인 NITI 센서 실시예(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)에 대해, 수학식 39는 혈액 관류(w), 심부 혈액(즉, 조직) 온도(TCore), 및/또는 NITI 센서와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 내부 파라미터를 결정하기 위해 파라미터 추정 방식에서 사용될 수 있다. 이것은 위의 하나 이상의 열 유속 센서-온도 센서 쌍 섹션에서 NITI 시스템 실시예들의 예로서 제시된 일반적인 사례와 유사하지만, 상이한 NITI 응용에 대한 상이한 열 모델을 갖는다. 이러한 예에서, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)의 내부 파라미터들에 대해 미리 결정된 상수 값들이 사용된다. 이러한 예시적인 응용에서 최소화될 예시적인 목적 함수는 다음과 같다:
여기서,
이고, 여기서,
이다.
예시적인 CHFT+ 실시예(가열기 있음)는 의사 조직(pseudo tissue)에서의 제어된 물 관류 및 온도 환경을 생성할 수 있는 살아있는 조직 시뮬레이터에서 테스트되었다. 이러한 시뮬레이터는 팬텀 조직 시스템(phantom tissue system) 또는 팬텀이라고 지칭된다. 상이한 유량들(관류 속도들)에서, CHFT+는 의사 조직 상에 배치되었고 다음과 같이 측정되었다:
- 10초 동안의 정상-상태 데이터가 기록되었다.
- 가열기가 약 65초 동안 켜지고, 그에 의해 표면 열 유속 및 표면 온도 신호들을 통해 CHFT+에 의해 측정된 조직의 과도 열 응답을 초래했다.
- 전체 데이터가 1초 미만에 파라미터 추정 방식을 포함하는 주기적 데이터 프로세싱 방법을 통해 프로세싱되어, CHFT+와 의사 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항(), 관류(w), 및 심부 수온(TCore)의 출력들을 초래했다.
<표 3. 주기적 파라미터 추정 데이터 프로세싱 방법을 사용한 예시적인 혈액 관류 CHFT+ 실시예의 결과들>
표 3을 보면, 예시적인 CHFT+ 실시예를 사용한 관류(w)에 대한 추정값들은 15 및 20 유량들에 대한 팬텀 CFD 모델(즉, 팬텀)과 거의 일치한다. 10 및 25은 각각 21.94% 및 12.47% 차이에 종속된다. 이는 본 발명자가 실험 데이터 수집을 수행할 때 10 및 25 유량을 유지하기 어려웠기 때문일 수 있다. 이러한 유량들을 설정할 때, 유량은 종종 예상보다 높게 왜곡되어, 팬텀 모델과 비교할 때 더 높은 흐름 측정값을 초래할 것이다. 혈액 관류의 단위(w)는 로 표시되며, 여기서 조직의 체적(예를 들어, 밀리미터 조직)을 통한 혈류량의 척도(예를 들어, 초당 혈류 밀리미터)가 제공된다. 팬텀 조직 시스템에서 테스트된 이러한 예시적인 실시예들에서, 혈액 관류는 대신에 관류로서 지정되고 혈류량은 대신에 유수량이다.
일부 예시적인 실시예들에서, 혈액 관류(w)의 단위는 s-1로 더 축소될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 혈액 관류(w)의 단위가 밀도 값과 조합되어, 주어진 조직 덩어리(예를 들어, 100g)를 통한 혈류량의 척도를 제공할 수 있다.
또한, 관류(w)에 대한 추정값들은 유량이 증가함에 따라 증가한다. 또한, 열 접촉 저항()은 비교적 일정하며, 이는 예상대로 실험 측정들 전반에 걸친 일관성을 나타낸다. 관류되는 물(perfused water)의 추정된 심부 온도(TCore)는 팬텀 내의 잠긴 비드 열전대(submerged bead thermocouple)를 사용하여 기록된 관류수 온도(TWater)와 잘 일치한다. 가장 큰 차이는 약 0.24℃에서 발생한 25였다.
실험 데이터와 함께 사용될 때 최적 관류(w) 값을 결정하는 데에 있어서 이러한 데이터 프로세싱 방법에서 사용되는 파라미터 추정 방식의 능력을 입증하기 위해, 수학식 40의 예시적인 목적 함수(즉, RMSE)와 15 사례에 대한 관류(w) 사이의 관계가 도 23에 도시된다. 도 23의 그래프는 관계가 0.0360 s-1의 관류(w) 값에서 전역적 최소값을 갖는다는 것을 보여준다. 이는 표 3에 기록된 대로 15 사례에 대한 추정된 관류 값에 대응한다.
15에 대해, 도 24는 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 곡선 사이의 일치의 예를 도시하는 그래프이다. 2개의 온도 곡선 간의 일치는 수학식 41을 통해 계산된 (출력) 센서 온도 곡선을 구성하는 데 사용되는 열 접촉 저항() 값 및 내부 파라미터 값들(k,ρ,C,w)이 조직(즉, 물체)에서 발생하는 실제 값들과 동일함을 나타낸다. 잘못된 값들은 예를 들어 도 25에 도시된 바와 같이 불량한 일치를 초래할 것이다.
앞에서 언급된 바와 같이, 이러한 예에서, 조직 열 관성()의 내부 파라미터를 결정하기 위해, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)에 대한 미리 결정된 값들이 위의 관류 측정을 위해 수행되는 예시적인 데이터 프로세싱 방법에서 상수 값들로서 입력되었다. 조직 열 관성을 결정하는 또 다른 방식은 예를 들어 데이터 프로세싱 방법의 일부로서 하나 이상의 파라미터 추정 방식을 통하는 것이다.
조직 열 관성을 추정하는 하나의 예시적인 방식은 수행된 표면 측정들의 상이한 기간들에 대해 상이한 목적 함수들을 정의하는 것일 수 있다. 이것은 계산된 (출력) 센서 온도 곡선이 시간에 따라 상이한 내부 파라미터 감도를 가지며, 따라서 각각의 내부 파라미터(예를 들어, 및 w)의 효과들이 구별될 수 있기 때문에 가능하다. 결과적으로, 내부 파라미터 값들은 개별적으로 추정될 수 있다. 도 26은 내부 파라미터들에 대한 계산된 (출력) 센서 온도 곡선의 이러한 상이한 감도를 보여준다. 구체적으로, 초기 기간 동안 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)의 곱에 대한 감도가 더 큰 반면, 혈액 관류(w)에 대한 감도는 초기에는 최소이지만 시간이 지남에 따라 증가한다. 따라서, 예를 들어, 파라미터 추정 방식들을 포함할 수 있는 데이터 프로세싱 방법들에서, kρC의 추정값을 결정하도록 설계되는 목적 함수들은 초기 기간들을 포함하도록 정의될 수 있는 한편, w의 값을 결정하도록 설계되는 목적 함수들은 나중의 기간들을 포함하도록 정의될 수 있다. 추가로, 목적 함수들은 동시에 또는 미리 정해진 순서들(예를 들어, 하나씩)로 동작하도록 정의될 수 있다.
조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)을 결정하는 다른 예시적인 방식은, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 및 조직 열 용량(C)의 미리 결정된 값들을 사용할 때, 혈액 관류(w) 값이 결정된 후 그것들을 계산하는 것이다. 예를 들어, 예컨대 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)의 내부 파라미터들에 대해 미리 결정된 값들을 사용하여 최적의 혈액 관류(w) 값이 결정되고 나면, 수량 kρC는 예를 들어 수학식 43을 사용하여 계산될 수 있다:
여기서, 우변의 혈액 관류(w)는 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)의 미리 결정된(즉, 이전의) 값들을 사용할 때 결정되는 최적의 혈액 관류(w) 값이다.
예를 들어, 수학식 43에 기초한 방법은 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)의 곱을 결정하기 위해 다양한 방법들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 측정들은 단일 또는 복수의 인덱스(m)에서 이루어질 수 있다. 복수의 인덱스의 경우, 결과 값들의 평균은 예를 들어 결정된 값으로서 취해질 수 있다. 원하는 경우, kρC에 대해 더 최근에 결정된 값은 이전에 결정된 값을 업데이트할 수 있고, 혈액 관류(w) 값을 재추정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 루틴이 더 많이 실시될수록, 조직 열 관성() 및 혈액 관류(w)의 결정된 값들이 더 정확해질 수 있다. 이러한 비-제한적인 예시적인 NITI 방법은 일부 또는 모든 예시적인 NITI 실시예들 및/또는 응용들을 위해 사용될 수 있다.
혈액 관류 -- 파라미터 추정을 사용하는 실시간 측정 실시예
예시적인 혈액 관류 - 파라미터 추정을 사용하는 주기적 측정 실시예에서, 제어 회로부에 의한 데이터 프로세싱은 모든 측정이 이루어진 후에 시작된다. 따라서, 위의 실험적 팬텀 테스트에서, 측정값들은 주기적 방식으로 약 75초 마다 출력되었다. 대안적으로, NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-) 데이터는 실시간으로 프로세싱되어, 혈액 관류(w), 심부 혈액 온도(TCore), 및/또는 NITI 센서와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 실시간 출력들을 제공할 수 있다. 시간이 지남에 따라, 파라미터 추정 방식을 포함하고 1초 미만의 값들을 출력하는 데이터 프로세싱 방법에 의해 실시간으로 프로세싱되는 더 많은 데이터 포인트들이 표면 열 유속 및 표면 온도 곡선들에 추가된다.
혈액 관류 -- 파라미터 추정을 사용하지 않는 실시간 측정 실시예
수학식 39는 다음과 같이 재정렬될 수 있다:
여기서,
이다.
수학식 44와 수학식 45를 결합하면 다음과 같다:
NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항()이 알려지고, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ) 및 조직 열 용량(C)에 대한 전형적인 값들이 입력되는 경우, 우변에 혈액 관류(w)의 전형적인 값이 입력될 때, 실시간 혈액 관류 측정을 위해 수학식 46이 이용될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 예를 들어 혈액 관류(w)의 변화에 관심 있는 경우, 하나 이상의 지정된 시간에서 수량 가 가정될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 수량 는 예를 들어 추가 온도 센서를 사용하여 결정될 수 있는데; 그것의 출력은 조직 표면 및/또는 심부(즉, 내부) 조직 온도를 나타낸다.
좌변의 계산된 혈액 관류(w) 값은 정확하지 않을 것이지만, 정확한 정량적 및/또는 정성적 측정에는 여전히 충분할 것이다. 또한, 가장 정확한 결과들을 위해, 우변의 혈액 관류(w)에 대한 전형적인 값은 수학식 46을 통해 계산된 가장 최근의 및/또는 정확한 값을 반영하도록 업데이트될 수 있다. 다른 방법들에서, 우변 및 좌변의 혈액 관류(w)의 값들은 동시에 결정되어, 정확한 정량적 측정값들을 제공할 수 있다. 이것은 우변에 전형적인 혈액 관류(w) 값을 입력할 필요를 생략할 수 있다. 열 접촉 저항() 값이 알려지지 않은 경우, 그것은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차들을 통해) 결정되거나, 다르게 결정 및 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
또한, 정상-상태 조건들에서, 수학식 46은 다음과 같이 축소된다:
수학식 47은 더 이상 우변의 전형적인 혈액 관류(w) 값을 필요로 하지 않는다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(예를 들어, 가열기들, 냉각기들 등)을 통해 조직 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조정하는 제어 회로부를 포함하는 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
혈액 관류 -- 듀오 NITI 센서 실시예
제1 및 제2 병렬 NITI 센서 노드를 사용할 때(각각의 노드는 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 가짐)의 예시적인 듀오 NITI 센서 실시예에 대해, 2개의 독립적인 수학식이 형성된다:
예시적인 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용하면, 수학식 48 - 수학식 49는 다음을 산출한다:
이러한 과도적 수학식은 듀오 NITI 센서 구성의 결과이며, 우변에 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 비열 용량(C) 및 혈액 관류(w)에 대한 전형적인 값들을 입력할 때 심부 혈액 온도(TCore)에 무관하게 실시간 혈액 관류(w) 측정을 허용한다.
좌변의 계산된 혈액 관류(w) 값이 정확하지 않더라도, 그것은 여전히 정확한 정량적 및/또는 정성적 측정들에 대해 매우 가깝고 충분할 것이다. 또한, 가장 정확한 결과들을 위해, 혈액 관류(w)에 대한 전형적인 값은 수학식 50을 통해 계산된 가장 최근의 및/또는 가장 정확한 값을 반영하도록 업데이트될 수 있다. 다른 방법들에서, 우변 및 좌변의 혈액 관류(w)에 대한 값들이 동시에 결정되어, 정확한 정량적 측정들을 제공할 수 있다. 이것은 우변에 전형적인 혈액 관류(w) 값을 입력할 필요를 생략할 수 있다.
각각의 NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항들( 및 )에 대한 추정값들은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차들을 통해) 결정되거나, 다르게 결정될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항( 및/또는 )은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
정상-상태 조건들에서, 수학식 50은 다음과 같이 축소된다:
여기서, 전형적인 혈액 관류(w) 값은 더 이상 우변에 필요하지 않다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(가열기들, 냉각기들 등)를 통해 조직 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조정하는 제어 회로부를 포함하는 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
도 27은 30, 20 및 10의 상이한 유량들에서 팬텀에서 의사 조직의 관류(w)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+ 실시예의 결과들을 보여주는 그래프이다. 이러한 그래프는 예시적인 듀오 CHFT+ 실시예가 초기에 30 (~0.035의 관류(w) 속도)에서 턴온될 때 팬텀에서 의사 조직의 관류(w)를 결정할 수 있음을 보여준다. 후속하여, 약 10분 후, 예시적인 듀오 CHFT+ 실시예는 팬텀 유량이 10(~0.020의 관류(w) 속도)로 조절되고, 나중에 20(~0.027의 관류(w) 속도)로 증가됨에 따라, 관류(w)의 변화를 실시간으로 결정하며, 여기서 실험 측정은 약 10분 후에 종료된다. 실시간의 예시적인 듀오 CHFT+ 방법의 정확성과 일치를 보여주기 위해, 관류 측정을 위한 다른 예시적인 NITI 방법(CHFT+ 주기적)도 각각의 지정된 유량에서 관류 속도를 결정하기 위해 사용된다. 2개의 척도 간의 일치는 조직의 관류(w) 속도를 결정하는 데에 있어서의 두 가지 방법의 유효성을 나타낸다.
조직 수화(HYDRATION OF TISSUE) 측정 응용
위의 혈액 관류 측정을 위한 모든 예시적인 방법 및 실시예는 또한 를 결정하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 이러한 예시적인 방법들에서 정의되는 조직의 정상-상태 열 저항()이다. 조직의 정상-상태 열 저항()은 조직 수화의 정확하고 신뢰가능한 지표일 수 있다. 예를 들어, 상관관계들이 전개되어, 조직 정상-상태 열 저항에 기초하여 조직 수화 및 탈수 수준들을 계측하는 수단으로서 사용할 수 있다. 혈액 관류(w) 또는 다른 내부 파라미터들을 나타내는 독립적인 값들은 또한 조직 수화 및 탈수 수준들을 계측하기 위해 사용될 수 있다.
조직 심부 온도 측정 응용
수학식 37과 수학식 38을 결합하면 다음과 같다:
수학식 52를 NITI 센서 출력들에 관해 다시 쓰고, NITI 센서와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 효과들을 포함시키면 다음과 같다:
재정렬하고, TCore가 시간에 따라 변화하는 값(측정 인덱스(m))에 의존한다는 것을 인식하면 다음과 같다:
수학식 54는 심부 조직 온도(TTissue,m) 측정을 위한 예시적인 수학식이며 아래에서 이하의 예시적인 실시예에서 사용된다. 이러한 예시적인 실시예들의 일부에 대해, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 비열 용량(C), NITI 센서와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항(), 및/또는 혈액 관류(w)의 값들이 결정될 필요가 있다. 이것은 예를 들어 (예를 들어, 앞에서 설명된 CHFT+ 또는 CHFT- 방법을 통해) 이러한 값들을 결정함으로써, 또는 예를 들어 미리 결정된 값들(예를 들어, 교본으로부터의 값들)을 사용함으로써 수행될 수 있다.
조직의 심부 온도 -- CHFT+(능동 온도 측정) 실시예
CHFT+ 실시예는 NITI를 수행하기 위해 사용될 수 있는 열 이벤트(즉, 열 전달)를 발생시키기 위해 가열기와 같은 통합된 외부 열 디바이스를 사용한다. 심부 조직 온도(TCore,m) 측정을 위해, 가열기는 임의의 방식(정상, 주기적, 순환식 등)으로 동작할 수 있으며, 이 예에서 수학식 54는 우변에 혈액 관류(w), 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 열 용량(C) 및 추정된 열 접촉 저항()에 대한 값들이 입력될 때, 심부 조직 온도(TCore,m)를 정확하게, 그리고 실시간으로 출력한다. 이러한 값들은 예를 들어 데이터 프로세싱 방법(예를 들어, 파라미터 추정 방식을 포함함)을 사용하여 결정되거나, 달리 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다. 필수는 아니지만, 러닝, 접촉 등과 같은 외부 자극으로부터의 잘못된 신호들을 방지하기 위해 절연 재료로 CHFT+를 커버하는 것이 유리할 수 있다.
도 28은 2의 유량에서 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(통합된 가열기 있음)의 결과를 보여주는 그래프이다. 이러한 그래프에서, 예시적인 CHFT+ 실시예는 표면 온도 조건들에 관계없이 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 결정할 수 있음이 보여진다(즉, 측정됨(내부)). 구체적으로, 통합된 가열기가 켜진 결과로서 초기에 표면 온도가 증가한다. 후속하여, 일정 기간 후에, 예시적인 CHFT+ 실시예에서 외부 팬(즉, 열 교란)이 작동된 결과로서 표면 온도가 감소한다. 주변 열 조건들의 이러한 갑작스럽고 예상치 못한 변화에 관계없이, 예시적인 CHFT+ 실시예는 팬텀 내에서 의사 조직 아래에 배치된 내부 프로브와 거의 일치하게 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정한다.
조직의 심부 온도 -- CHFT-(수동 온도 측정) 실시예
CHFT- 실시예는 NITI를 수행하기 위해 예를 들어 포유동물로부터의 체열 소산과 같은 외부 열 이벤트들을 사용한다. 외부 열 이벤트에 종속되는 경우, 예를 들어, 수학식 54는 혈액 관류(w), 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 열 용량(C), 및 추정된 열 접촉 저항()이 우변에 입력될 때, 심부 조직 온도(TCore,m)를 정확하게, 그리고 실시간으로 출력한다. 이러한 값들은 예를 들어 데이터 프로세싱 방법(예를 들어, 파라미터 추정 방식을 포함함)을 사용하여 결정되거나, 달리 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다. 필수는 아니지만, 러닝, 접촉 등과 같은 외부 자극으로부터의 잘못된 신호들을 방지하기 위해 절연 재료로 CHFT-를 커버하는 것이 유리할 수 있다.
도 29는 2의 유량에서 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT- 실시예(통합된 가열기 있음)의 결과를 보여주는 그래프이다. 이러한 그래프에서, 예시적인 CHFT- 실시예는 표면 온도 조건들에 관계없이 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 결정할 수 있음이 보여진다(즉, 측정됨(내부)). 구체적으로, 표면 온도가 초기에는 안정적이지만, 외부 팬(즉, 열 교란)이 순환하여(즉, 켜지고 꺼짐) 예시적인 CHFT- 실시예 및 의사 조직에 공기를 불어넣는다. 주변 열 조건들의 이러한 갑작스럽고 예상치 못한 변화에 관계없이, 예시적인 CHFT- 실시예는 팬텀 내에서 의사 조직 아래에 배치된 내부 프로브와 거의 일치하게 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정한다.
조직의 심부 온도 -- CHFT+(주기적 측정) 실시예
위의 조직의 심부 온도 측정에 대한 예시적인 실시간 방법들 및 실시예들에 추가하여, 상이한 정상-상태 조건들에서 동작할 때 심부 조직 온도(TCore)의 주기적 측정을 수행하기 위해 NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 다음의 수학식을 사용하여 심부 조직 온도(TCore)를 결정하기 위해, 열 이벤트 이전의 정상-상태 측정값들()은 열 이벤트 동안, 열 이벤트 이후, 또는 열 이벤트 종료 시의 정상-상태 측정값들()과 비교될 수 있다:
CHFT+ 및/또는 CHFT- 예시적인 실시예들은 둘 다 시간에 따라 상이한 정상-상태 조건들에 종속될 수 있다. 그러나, CHFT+ 실시예들은 상이한 정상-상태 조건들을 생성하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 외부 열 디바이스의 증가된 동작 제어로 인해 선호된다.
심부 온도 -- CHFT+(제로 열 유속 온도 측정) 실시예
제어 회로부를 사용하여, 예시적인 CHFT+ 실시예는 조직과 센서 표면들 사이에 열 전달이 발생하지 않는, 즉 열 유속 센서에 의해 측정될 때 조직에 들어가거나 그로부터 나오는 열이 없는(최소 전압 출력, 즉 "제로") 제로 열 유속 환경을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 정상-상태 조건들에서, 제로 열 유속 환경은 수학식 54를 다음과 같이 단순화한다:
여기서, 측정된 센서 온도(TSensor,m)는 조직의 심부 온도(TCore,m)와 등가이다.
이러한 방법의 장점은, 일단 정상-상태 제로 열 유속 환경이 획득되고 나면, 심부 조직 온도(TCore,m) 측정이 내부 파라미터 값들(예를 들어, 혈액 관류(w), 조직 열 관성() 등) 및 열 접촉 저항()으로부터 독립적이라는 것이다. 측정된 센서 온도(TSensor,m) 출력에 의해 결정되는 이러한 정상-상태 조건들을 달성하는 데에 요구되는 시간의 양은 사용된 예시적인 실시예에 의존하여 달라지며, NITI 기술을 사용하지 않는 기존 제로 열 유속 기술들의 공통적인 한계이다. 정상-상태 제로 열 유속 환경이 획득될 때까지, 예시적인 NITI 제로 열 유속 온도 측정 실시예들은 심부 조직 온도(TCore,m)의 정확한 측정값들을 만들기 위해, 조직의 심부 온도 측정을 위한 예시적인 능동 온도 측정 실시예와 같은 다른 예시적인 실시예들을 이용할 수 있다.
도 30은 2의 유량에서 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 제로 열 유속(Zero Heat-Flux)(ZHF) 실시예의 결과를 보여주는 그래프이다. 이러한 그래프는 예시적인 CHFT+ ZHF 실시예가 표면 온도 조건들에 관계없이, 그리고 지연 없이, 팬텀에서 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 결정할 수 있음을 보여준다. 구체적으로, 표면 온도가 의사 조직 심부 온도(TCore,m)를 나타내는 출력을 달성하는 데 약 8분이 소요되지만, 예시적인 CHFT+ ZHF 실시예는 팬텀 내에서 조직 아래에 배치된 내부 프로브와 비교할 때 거의 일치하게, 처음부터 의사 조직의 심부 온도(TCore,m)를 측정한다.
심부 온도 -- 듀오 NITI(이중 온도 측정) 실시예
제1 및 제2 병렬 NITI 센서 노드(각각의 노드는 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 가짐)를 사용할 때의 예시적인 듀오 NITI 실시예에 대해, 2개의 독립 수학식이 형성된다:
몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용하면, 수학식 57/수학식 58은 다음을 산출한다:
재정렬하면 다음과 같다:
이러한 과도 수학식은 듀오 NITI 구성의 결과이며, 우변에 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 비열 용량(C), 및 혈액 관류(w)에 대한 전형적인 값들을 입력할 때 실시간 심부 조직 온도(TCore,m) 측정을 허용한다.
각각의 NITI 센서 노드(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 조직 표면들 사이의 열 접촉 저항들( 및 )에 대한 추정값들은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차들을 통해) 결정되거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항들( 및/또는 )은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
정상-상태 조건들에서, 또는 및 가 무시가능한 것으로 추정되는 경우, 수학식 60은 다음과 같이 축소된다:
여기서, 조직 열 전도도(k), 조직 밀도(ρ), 조직 비열 용량(C) 및 혈액 관류(w)에 대한 전형적인 값들이 우변에 더 이상 요구되지 않는다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(예를 들어, 가열기들, 냉각기들 등)을 통해 조직 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조정하는 제어 회로부를 포함하는 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
파이프 파라미터 결정 응용
도 31은 파이프 또는 다른 도관에서 흐르는 유체에 관련된 하나 이상의 내부 파라미터를 결정하기 위한 NITI 기술의 다른 응용을 보여준다. 이러한 예에서는 가열기가 사용되지만(예시적인 CHFT+ 실시예), 다른 예들에서는 가열기(즉, 외부 열 디바이스)는 임의적이다.
표면 열 유속에 종속될 때 내부 흐름을 갖는 파이프 또는 다른 도관(예를 들어, 구리 파이프)에 대한 예시적인 열 수학적 솔루션은 다음과 같다:
여기서, 초기 파이프 표면 온도는 다음과 같다:
여기서, 열 유속은 파이프/도관에 들어갈 때 양(positive)으로 정의되고, =는 파이프/도관의 열 시간 상수(즉, 시간 상수)이고, ρ는 파이프/도관의 밀도이고, C는 파이프/도관의 비열 용량이고, δ는 파이프/도관의 벽 두께이고, h는 파이프/도관의 내부 대류 열 전달 계수(즉, 대류 계수)이며 파이프/도관의 내부 유량(즉, 유량)에 관련되고, TPipe는 파이프/도관 표면 온도이고, TFluid는 심부(즉, 내부) 유체 온도이다.
수학식 62를 NITI 센서 출력들에 관하여 다시 쓰고, NITI 센서와 파이프/도관 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 효과를 포함시키면 다음이 산출된다:
여기서, 는 대류 내부 유량의 정상-상태 열 저항()이다.
수학식 62 및 수학식 64는 높은 열 전도도를 갖는 재료들로 만들어진 파이프들 또는 도관들에 유효하다. PVC와 같은 다른 재료들에 대해, 상이한 열 모델 및 대응하는 솔루션이 전개될 필요가 있다. 높은 열 전도도를 갖는 재료들에 대해, 다른 열 모델들 및 솔루션들이 또한 전개될 수 있다.
이러한 예에서, 유량()이 클수록 대류 열 전달 계수(h)가 커진다. 와 h 사이의 관계는 전형적으로, 낮은(예를 들어, 층류) 유량이 아닌 한 선형이 아니므로, 2개의 변수 간의 상관관계 함수가 바람직하다. 이러한 상관관계 함수는 예를 들어 실험 테스트를 통해 발견될 수 있다. CHFT+가 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 갖는 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프에서 동작될 때 실험적으로 발견된 상관관계의 일례는 다음과 같다:
재정렬하면 다음과 같다:
따라서, 대류 계수(h)와 유량() 간의 상관관계의 예시적인 일반적인 형태는 다음과 같을 수 있다:
여기서, Z와 P는 상관관계 값이다.
사용된 수학적 기법들(예를 들어, 대수 함수, 지수 등)에 의존하여, 상이한 형태들의 상관관계들이 전개될 수 있다.
도 32는 실험적 측정들로 예시적인 상관관계가 어떻게 전개될 수 있는지를 보여주는 그래프이다. 이러한 예에서, 상이한 유량들에서 이루어진 측정들에 대한 실험 결과들을 플로팅함으로써 상관관계가 발견된다. 상이한 유량들에서 충분한 수의 측정들이 이루어지면, 측정된 대류 계수(h)를 유량()에 관련시키거나 그 반대로 하는 상관관계(즉, 수학식)를 찾기 위해 최적 곡선(예를 들어, 추세선)이 사용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 대류 열 전달 계수(h)를 유량()에 관련시키거나 그 반대로 하는 상관관계 함수들 및/또는 다른 방법들은 기계 학습 방법들(예를 들어, 신경망 등)을 사용하여 결정될 수 있다.
파이프 응용 -- 파라미터 추정을 사용하는 주기적 측정 실시예
주기적 데이터 프로세싱 방법을 사용하는 예시적인 NITI 센서 실시예(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)에 대해, 수학식 64는 대류 계수(h), 심부(즉, 내부) 유체 온도(TFluid) 및/또는 NITI 센서와 파이프/도관 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 내부 파라미터를 결정하기 위해 파라미터 추정 방식에서 사용될 수 있다. 이것은 위의 하나 이상의 열 유속 센서-온도 센서 쌍 섹션에서 예시적인 NITI 시스템 실시예들의 예로서 제시된 일반적인 사례와 유사하지만, 상이한 NITI 응용에 대한 상이한 열 모델을 갖는다. 이러한 예에서, 파이프 밀도(ρ), 파이프 열 용량(C) 및 파이프 벽 두께(δ)의 내부 파라미터들에 대한 미리 결정된 상수 값들이 사용되었다. 이러한 예에서, 파이프 제조자 사양으로부터 미리 결정된 값들이 획득되었다. 이러한 예시적인 응용에서 최소화될 예시적인 목적 함수는 다음과 같다:
여기서,
이고, 여기서,
이다.
예시적인 CHFT+ 실시예(가열기 있음)는 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 가진 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프에서, 상이한 유량들 및 온도들에서 그를 통해 물이 흐르면서 테스트되었다. 파이프 표면에 CHFT+가 부착되었고 다음과 같이 측정들이 이루어졌다:
- 10초 동안의 정상-상태 데이터가 기록되었다.
- 가열기가 약 65초 동안 켜지고, 그에 의해 표면 열 유속 및 표면 온도 신호들을 통해 CHFT+에 의해 측정된 파이프 벽의 과도 열 응답을 초래했다.
- 전체 데이터가 1초 미만에 파라미터 추정 방식을 포함하는 주기적 데이터 프로세싱 방법을 통해 프로세싱되어, 대류 계수(h), 심부 수온(TFluid), 및 CHFT+와 파이프 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 출력을 초래했다.
대류 계수(h)가 결정되고 나면, 그것은 유체 질량 유량 및 속도(예를 들어, kg/s 및 m/s)에 관련된 유량을 결정하기 위해 상관관계 수학식(예를 들어, 수학식 66)에서 사용된다. 결과들은 아래의 표 4에 정리되어 있다.
<표 4. 파이프 파라미터 결정의 결과(주기적 파라미터 추정을 사용하는 예시적인 CHFT+ 실시예)>
실험 데이터와 함께 사용될 때의 최적의 대류 계수(h) 값을 결정하는 데 있어서의 이러한 데이터 프로세싱 방법에 사용되는 파라미터 추정 방식의 능력을 입증하기 위해, 10 사례에 대한 수학식 68의 예시적인 목적 함수(즉, RMSE)와 대류 계수(h)의 관계가 도 33에 도시된다. 도 33의 그래프는 관계가 1690의 대류 계수(h) 값에서 전역 최소값을 가짐을 보여준다. 이는 표 4에 기록된 대로 10 사례에 대한 추정값에 대응한다.
10 사례에 대해, 도 34는 계산된 (출력) 센서 온도 곡선과 측정된 (입력) 센서 온도 곡선 사이의 일치의 예를 나타내는 그래프이다. 2개의 온도 곡선 사이의 일치는 수학식 69를 통해 계산된 (출력) 센서 온도 곡선을 구성하는 데 사용되는 내부 파라미터 값들(h, ρ, C, δ)과 열 접촉 저항() 값이 파이프(즉, 물체)에서 발생하는 실제 값들과 동일함을 나타낸다.
앞에서 언급된 바와 같이, 이러한 예에서, 파이프 밀도(ρ), 파이프 열 용량(C), 및 파이프 벽 두께(δ)에 대한 미리 결정된 값들은 파이프 파라미터 결정을 위해 수행되는 예시적인 데이터 처리 방법에서의 상수값들로서의 입력 및 구리 파이프의 제조업체 사양을 사용하여 결정되었다. 그것이 이러한 예에서의 데이터 프로세싱 방법의 일부로서 결정되었지만, 추정된 열 접촉 저항()에 대한 값은 또한 미리 결정된 값으로서 미리 입력될 수 있으며, 여전히 유사한 결과들을 달성할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 열 접촉 저항()에 대한 미리 결정된 값이 정확한지 여부에 관계없이, 열 접촉 저항()의 미리 결정된 값의 임의의 부정확성들의 효과들이 후속하여 전개되는 상관관계에 의해 보상되기 때문에, 유량() 결과 출력은 정확할 수 있다.
열 접촉 저항()을 정의하고 결정하는 다른 방식은 열 전달 계수 U의 전체 정의를 사용하는 것에 의한 것이고, 여기서 다음과 같다:
U(즉, 물체의 전체 정상-상태 열 저항)는 다수의 방법을 통해 결정될 수 있다. 하나의 예시적인 방법은 정상-상태 조건들(예를 들어, 열 이벤트 전, 후 또는 종료 시)에서 이루어진 측정들을 사용하는 것이고, 예를 들면 다음과 같다:
따라서, 열 접촉 저항()은 다음과 같이 정의될 수 있고:
수학식 70을 대신하여 대입된다. 수학식 73을 이용하기 위해, 전형적으로 TFluid,END의 값이 결정되어야 한다. TFluid,END(즉, TFluid,m)를 결정하는 몇 가지 예시적인 방법이 아래에 설명된다. 다른 예시적인 실시예들에서, TFluid,m은 가정되거나, 그렇지 않으면, 예를 들어 절연될 수 있는 표면 장착 온도 센서를 사용하여 결정될 수 있다.
U를 결정하는 데에 있어서의 다른 예시적인 방법은 다양한 정상-상태 조건(예를 들어, 열 이벤트 이전, 종료 시 또는 이후)에서 이루어진 측정들을 사용하는 것이다.
여기서, 및 는 열 이벤트의 종료 시에 정상-상태 조건들에서 이루어진 열 유속 및 표면 온도 측정들을 나타낸다.
수학식 74는 예를 들어 외부 열 디바이스를 통해 열 이벤트가 발생되기 전과 후에 측정을 수행하여 획득될 수 있는 다양한 정상-상태 조건들을 요구한다는 점에 유의해야 한다.
수학식 74 및 수학식 71을 사용하면 다음과 같다:
파라미터 추정 방식과 유량() 상관관계를 포함하는 데이터 프로세싱 방법은 또한 대류 열 전달 계수(h)와 열 접촉 저항()을 차등화하지 않고서 수행될 수 있다. 대신에, 데이터 프로세싱 방법은 예를 들어 수학식 76에 나타난 바와 같이 전체 열 전달 계수(U)를 사용하여 표현되는 열적 솔루션에 기초할 수 있다:
여기서, 은 전체 열 전달 계수(U)를 사용할 때 찾아지는 계산된 (출력) 온도 곡선이다. 또한, 이러한 예시적인 실시예에서의 예시적인 목적 함수는 다음과 같을 수 있다:
이 방법은 추정된 열 접촉 저항()이 최소이거나, 그렇지 않으면 무시가능한 것으로 추정될 때 특히 유용하다.
파이프 응용 -- 파라미터 추정을 사용하는 실시간 측정 실시예
예시적인 파이프 응용 - 파라미터 추정을 사용하는 주기적 측정 실시예에서, 제어 회로부에 의한 데이터 프로세싱은 모든 측정이 이루어진 후에 시작된다. 따라서, 위의 실험적 파이프 테스트에서, 측정값들은 주기적 방식으로 약 75초 마다 출력되었다. 대안적으로, NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-) 데이터는 실시간으로 프로세싱되어, 대류 계수(h), 심부 유체 온도(TFluid) 및/또는 NITI 센서와 파이프/도관 표면 사이의 열 접촉 저항()의 실시간 출력들을 제공할 수 있다. 시간이 지남에 따라, 파라미터 추정 방식을 포함하고 1초 미만의 값들을 출력하는 데이터 프로세싱 방법에 의해 실시간으로 프로세싱되는 더 많은 데이터 포인트들이 표면 열 유속 및 표면 온도 곡선들에 추가된다.
파이프 응용 -- 파라미터 추정을 사용하지 않는 실시간 측정 실시예
수학식 64는 다음과 같이 재정렬될 수 있다:
여기서,
이다.
수학식 78과 수학식 79를 결합하면 다음과 같다:
NITI 센서(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 파이프/도관 표면 사이의 열 접촉 저항()이 알려진 경우, 열 시간 상수(τ)의 전형적인 값이 우변에 입력될 때, 수학식 80은 실시간 대류 계수(h) 측정에 사용될 수 있다. 앞에서 언급된 바와 같이, 열 시간 상수(τ)는 대류 계수(h)의 함수이다. 따라서, 대류 계수(h)의 전형적인 값이 결정되어야 한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 예를 들어 대류 계수(h)의 변화에 관심 있는 경우,하나 이상의 지정된 시간에서 수량 이 가정될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 수량 는 예를 들어 추가 온도 센서를 사용하여 결정될 수 있는데; 그것의 출력은 파이프 표면 및/또는 심부(즉, 내부) 유체 온도를 나타낸다.
좌변의 계산된 대류 계수(h) 값이 정확하지 않더라도, 정확한 정량적 및/또는 정성적 측정에는 여전히 충분하다. 또한, 가장 정확한 결과들을 위해, 우변의 열 시간 상수(τ)에 관련된 대류 계수(h)의 전형적인 값은 시간의 경과에 따라 업데이트되어 수학식 80을 통해 계산된 가장 최근의 및/또는 정확한 값을 반영할 수 있다. 다른 방법들에서, 좌변 및 우변의 대류 계수(h) 값이 동시에 결정되어, 정확한 정량적 측정들을 제공할 수 있다. 이것은 우변에 전형적인 대류 계수(h) 값을 입력할 필요를 생략할 수 있다. 열 접촉 저항() 값이 알려지지 않은 경우, 그것은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차를 통해) 결정되거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
수학식 80으로부터 결정된 대류 계수(h) 값을 상관관계 수학식(예를 들어, 수학식 66)에 입력하면, 실시간으로 대응하는 유량() 값이 초래된다.
또한, 정상-상태 조건들에서, 수학식 80은 다음과 같이 축소된다:
수학식 80은 더 이상 우변에 전형적인 열 시간 상수(τ) 값을 필요로 하지 않는다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(예를 들어, 가열기들, 냉각기들 등)을 통해 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조절하는 제어 회로부를 포함하는 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
수학식 76에 대해 유사한 재배열이 수행될 수 있고, 여기서 전체 열 전달 계수(U)가 이용되고 다음이 산출된다:
정상-상태 조건들에서는 다음과 같다:
파이프 응용 -- 듀오 NITI 센서 실시예
제1 및 제2 병렬 NITI 센서 노드(각각의 노드는 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 가짐)를 사용할 때의 예시적인 듀오 NITI 센서 실시예에 대해 2개의 독립적인 수학식이 형성된다:
예시적인 차분 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용하면, 수학식 84 - 수학식 85는 다음을 산출한다:
이러한 과도 수학식은 듀오 NITI 센서 구성의 결과이며, 우변에 대류 계수의 함수인 열 시간 상수(τ)에 대한 전형적인 값을 입력할 때, 심부 유체 온도(TFluid)에 관계없이 실시간 대류 계수(h) 측정을 허용한다.
좌변의 계산된 대류 계수(h) 값이 정확하지 않더라도, 정확한 정량적 및/또는 정성적 측정에는 여전히 충분하다. 또한, 가장 정확한 결과들을 위해, 우변의 열 시간 상수(τ)에 관련된 대류 계수(h)에 대한 전형적인 값은 시간의 경과에 따라 업데이트되어, 수학식 86을 통해 계산된 가장 최근의 및/또는 정확한 값을 반영할 수 있다. 다른 방법들에서, 좌변 및 우변의 대류 계수(h) 값이 동시에 결정되어, 정확한 정량적 측정을 제공할 수 있다. 이것은 우변에 전형적인 대류 계수(h) 값을 입력할 필요가 없게 할 수 있다.
각각의 NITI 센서 노드(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 파이프/도관 표면 사이의 열 접촉 저항( 및 )에 대한 추정값들은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차들을 통해) 결정될 수 있거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항( 및/또는 )은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
정상-상태 조건들에서, 수학식 86은 다음과 같이 축소된다:
여기서, 전형적인 열 시간 상수(τ) 값은 더 이상 우변에 요구되지 않는다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(예를 들어, 가열기들, 냉각기들 등)을 통해 각각의 센서 노드의 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조정하는 제어 회로부를 포함하는 다양한 방식들로 유지될 수 있다.
가열기가 있는 하나의 센서 노드(CHFT+)와 가열기가 없는 다른 센서 노드(CHFT-)를 갖는 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예는 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 가진 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프에서, 상이한 유량들 및 온도들에서 그를 통해 물이 흐르면서 테스트되었다. 듀오 CHFT+/- 배열은 파이프 표면에 부착되었고, 측정값들은 예시적인 CHFT+ 실시예는 물론, 인라인 유량계와 비교되었다.
<표 5. 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예의 결과>
수학식 76에 대해 유사한 재정렬이 수행될 수 있고, 전체 열 전달 계수(U)가 이용되며, 다음을 산출한다:
그리고, 정상-상태에서는 다음과 같다:
유량() 및 심부 유체 온도(TFluid) 외에도, 이러한 NITI 응용(즉, 파이프 파라미터 결정)은 및 TFluid의 함수인 파이프 내부의 흐름에 의해 전달되는 열 에너지를 결정할 수 있다.
부식/오염 검출 응용
위의 파이프 파라미터 결정에 대한 모든 예시적인 방법 및 예시적인 실시예는 h 또는 U를 결정했고, 그것은 이후에 유량()을 결정하기 위해 상관 함수에 입력된다. h 또는 U 값을 독립적으로 모니터링하는 것은 또한 시간 경과에 따른 파이프/도관의 부식 또는 오염의 발생을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이는 h 또는 U의 값이 파이프에서 발생하는 주어진 양의 유량에 대해 일관되어야 하기 때문이다. 부식 또는 오염이 발생함에 따라, 값이 변경되기 시작하고, 따라서 부식 또는 오염이 검출될 수 있다. 예를 들어, 높은 열 전도도 재료들로 만들어진 파이프/도관의 열 시간 상수(τ)를 모니터링하는 것도 유사한 기능을 제공한다. 예를 들어, 이러한 예시적인 응용에서, 열 시간 상수(τ)는 밀도(ρ), 비열 용량(C) 및 벽 두께(δ)를 포함하는 파이프/도관 속성들의 함수이다. 이러한 속성들의 값들은 결과적으로 파이프/도관의 열 시간 상수(τ)에 영향을 미치는 부식 또는 오염에 의해 영향을 받는다.
파이프 또는 도관의 내부 온도 측정 응용
수학식 62와 수학식 63을 결합하면 다음과 같다:
수학식 90을 NITI 센서 출력들에 관해 다시 쓰고, NITI 센서와 파이프/도관 표면들 사이의 열 접촉 저항()의 효과들을 포함시키면 다음과 같다:
재정렬하고, TFluid가 시간에 따라 변하는 값들(측정 인덱스(m))에 의존한다는 것을 인식하면 다음과 같다:
수학식 92는 높은 열 전도도를 갖는 파이프들 또는 도관들(예를 들어, 구리)에서의 심부 유체 온도(TFluid.m) 측정을 위한 예시적인 수학식이며, 아래의 예시적인 실시예들에서 사용된다. 이러한 예시적인 실시예들 중 일부에 대해, 대류 계수(h)의 값들, NITI 센서와 파이프/도관 표면들 사이의 추정된 열 접촉 저항(), 및/또는 열 시간 상수(τ)가 결정되어야 한다. 이것은 예를 들어 이러한 값을 (예를 들어, 앞에서 설명된 CHFT+ 또는 CHFT- 방법들을 통해) 결정하거나, 미리 결정된 값들(예를 들어, 교본으로부터의 값들)을 입력함으로써 수행될 수 있다.
아래의 것들과 유사한 예시적인 실시예들은 수학식 76과 함께 사용될 수 있으며, 여기서 대류 계수(h), 및 NITI 센서와 파이프/도관 표면 사이의 열 접촉 저항()의 조합을 대신하여, 전체 열 전달 계수(U)가 이용된다.
파이프 내부 온도 -- CHFT+(능동 온도 측정) 실시예
CHFT+ 실시예는 NITI를 수행하는 데 사용할 수 있는 열 이벤트(즉, 열 전달)를 발생시키기 위해, 가열기와 같은 통합된 외부 열 디바이스를 사용한다. 심부 유체 온도(TFluid,m) 측정에 대해, 가열기는 임의의 방식(정상, 주기적, 순환식 등)으로 동작할 수 있으며, 이 예에서, 우변에 대류 계수(h), 열 시간 상수(τ), 추정된 열 접촉 저항()에 대한 값들이 입력될 때, 수학식 92는 심부 유체 온도(TFluid,m) 실시간으로, 그리게 정확하게 출력한다. 이러한 값들은 예를 들어 (예를 들어, 파라미터 추정 방식을 포함하는) 데이터 프로세싱 방법을 사용하여 결정되거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다. 필수는 아니지만, 분위기 변화들, 접촉 등과 같은 외부 자극으로부터의 잘못된 신호들을 방지하기 위해 절연 재료로 CHFT+를 커버하는 것이 유리할 수 있다.
표 6은 상이한 유량들에서 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 가진 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프의 심부 유체 온도(TFluid,m)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(통합된 가열기 있음)로부터의 실험 결과들을 제공하고, 여기서심부 유체 온도 측정(TFluid,m)의 측정값들은 시간에 따라 평균화되었다.
<표 6. 내부 파이프 온도에 대한 예시적인 CHFT+ 실시예 결과>
도 354는 15의 유량을 겪고 있는 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 가진 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프의 심부 유체 온도(TFluid,m)를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 CHFT+ 실시예(통합되고 제어되는 가열기 있음)로부터의 결과들을 보여주는 그래프이다. 이러한 그래프에서, 예시적인 CHFT+ 실시예는 표면 온도 조건들에 관계없이 파이프의 심부 유체 온도(TFluid,m)를 결정할 수 있음이 보여진다. 구체적으로, 이러한 예에서, 통합된 가열기가 켜진 결과로서 시간에 따라 표면 온도가 증가한다. 시간에 따른 표면 온도의 이러한 일관된 증가에 무관하게, 예시적인 CHFT+ 실시예는 파이프 내부에, 그리고 파이프 흐름 내에 배치된 내부 프로브와 거의 일치하게 구리 파이프 내의 심부 유체 온도(TFluid,m)를 측정한다.
파이프 내부 온도 -- CHFT-(수동 온도 측정) 실시예
CHFT- 실시예는 환경으로의 파이프 열 소산과 같은 외부 열 이벤트들을 사용하여 NITI를 수행한다. 외부 열 이벤트에 종속되는 경우, 예를 들어, 수학식 92는 우변에 대류 계수(h), 열 시간 상수(τ), 및 추정된 열 접촉 저항()에 대한 값들이 입력될 때 심부 유체 온도(TFluid,m)를 정확하게, 그리고 실시간으로 출력한다. 이러한 값들은 예를 들어 (예를 들어, 파라미터 추정 방식을 포함하는) 데이터 프로세싱 방법을 사용하여 결정되거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항()은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다. 필수는 아니지만, 분위기 변화들, 접촉 등과 같은 외부 자극으로부터의 잘못된 신호들을 방지하기 위해 절연 재료로 CHFT-를 커버하는 것이 유리할 수 있다.
파이프 내부 온도 -- CHFT+(주기적 측정) 실시예
위의 파이프 또는 도관의 내부 온도 측정을 위한 예시적인 실시간 방법 및 예시적인 실시예들에 더하여, NITI 센서는 상이한 정상-상태 조건들에서 동작할 때 심부 유체 온도(TFluid)를 주기적으로 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다음의 수학식을 사용하여 심부 유체 온도(TFluid)를 결정하기 위해, 열 이벤트 이전의 정상-상태 측정값들은 열 이벤트 동안, 이후 또는 종료 시의 정상-상태 측정값들과 비교될 수 있다:
CHFT+ 및/또는 CHFT- 예시적인 실시예는 둘 다 시간 경과에 따라 상이한 정상-상태 조건들에 종속될 수 있다. 그러나, CHFT+ 예시적인 실시예들은 상이한 정상-상태 조건들을 생성하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 열 이벤트 디바이스의 증가된 동작 제어로 인해 선호된다.
파이프 내부 온도 -- CHFT+(제로 열 유속 온도 측정) 실시예
제어 회로부를 사용하여, 예시적인 CHFT+ 실시예는 파이프와 센서 표면들 사이에 열 전달이 발생하지 않는, 즉 열 유속 센서에 의해 측정될 때 파이프에 들어가거나 그로부터 나오는 열이 없는(최소 전압 출력, 즉 "제로") 제로 열 유속 환경을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
정상-상태 조건들에서, 제로 열 유속 환경은 수학식 92를 다음과 같이 단순화한다:
여기서, 측정된 센서 온도(TSensor,m)는 심부 유체 온도(TFluid,m)와 등가이다. 이러한 방법의 장점은, 일단 정상-상태 제로 열 유속 환경이 획득되고 나면, 심부 유체 온도(TFluid,m) 측정이 내부 파라미터 값들(예를 들어, 대류 계수(h), 열 시간 상수(τ) 등) 및 열 접촉 저항()으로부터 독립적이라는 것이다. 정상-상태 제로 열 유속 환경이 획득될 때까지, 심부 유체 온도(TFluid,m)의 정확한 측정을 위해, 파이프 또는 도관 내부 온도 측정을 위한 능동 온도 측정 실시예와 같은 다른 실시예들이 사용될 수 있다. 측정된 센서 온도(TSensor,m) 출력에 의해 결정되는 이러한 정상-상태 조건들을 달성하는 데에 요구되는 시간의 양은 사용된 예시적인 실시예에 의존하여 달라지며, NITI 기술을 사용하지 않는 기존 제로 열 유속 기술들의 공통적인 한계이다. 정상-상태 제로 열 유속 환경이 획득될 때까지, 예시적인 제로 열 유속 온도 측정 실시예들은 심부 유체 온도(TFluid,m)의 정확한 측정을 위해, 파이프 내부 온도 측정을 위한 예시적인 능동 온도 측정 실시예와 같은 다른 예시적인 NITI 실시예들을 이용할 수 있다.
파이프 내부 온도 -- 듀오 NITI(이중 온도 측정) 실시예
제1 및 제2 병렬 NITI 센서 노드(각각의 노드는 열 유속 센서-온도 센서 쌍을 가짐)를 사용할 때의 예시적인 듀오 NITI 센서 실시예에 대해, 높은 열 전도도를 갖는 재료로 만들어진 파이프/도관 상에 배치될 때 2개의 독립적인 수학식이 형성된다:
몫 기반 데이터 프로세싱 방법을 사용하면, 수학식 95/수학식 96은 다음을 산출한다:
재정렬하면 다음과 같다:
이러한 과도 수학식은 듀오 NITI 구성의 결과이며, 우변에 대류 계수(h) 및 열 시간 상수(τ)에 대한 전형적인 값들을 입력할 때 실시간 심부 유체 온도(TFluid,m) 측정을 허용한다.
각각의 NITI 센서 노드(예를 들어, CHFT+ 또는 CHFT-)와 파이프/도관 표면들 사이의 열 접촉 저항들( 및 )에 대한 추정값들은 (예를 들어, 위에서 설명된 NITI 절차들을 통해) 결정되거나, 다르게 결정되고 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 열 접촉 저항( 및/또는 )은 무시가능한 것으로 추정될 수 있다.
정상-상태 조건들에서, 그리고 이거나 및 가 무시가능한 것으로 추정되는 경우, 수학식 98은 다음과 같이 축소된다:
여기서, 대류 계수(h) 및 열 시간 상수(τ)에 대한 전형적인 값들은 더 이상 우변에 필요하지 않다. 이것은 정상-상태 조건들에서 수학식 99가 파이프/도관 재료, 벽 두께 등에 관계없이 파이프들 또는 도관들에 사용될 수 있음을 의미한다. 정상-상태 조건들은 외부 열 디바이스들(예를 들어, 가열기들, 냉각기들 등)을 통해 조직 표면에서 발생하는 열 유속 및/또는 온도를 조정하는 제어 회로를 포함하는 다양한 방식들로 달성될 수 있다.
도 36은 15의 유량을 겪고 있는 0.05"(0.00127m) 벽 두께를 가진 (0.01905m) 내경 L형 구리 파이프의 내부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(가열기가 있는 하나의 센서 노드, 및 가열기가 없는 하나의 센서 노드)로부터의 결과들을 보여주는 그래프이다. 이러한 예에서, 센서 노드들 둘 다는 산발적인 열 전달 및 온도 신호들이 측정 품질에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 절연재로 커버되었다. 이 예는 정상-상태 및 과도 조건들 둘 다에서 수행되었다. 그래프에 나타난 바와 같이, 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예와 내부 프로브(파이프 내부 및 파이프 흐름 내에 배치됨) 사이에 밀접한 일치가 있다.
도 37은 50의 유량을 겪고 있는 0.218"(0.0055372m) 벽 두께를 가진 1.939"(0.0492506m) 내경 스케줄 80 CPVC 파이프의 내부 온도를 측정하기 위해 사용될 때의 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예(가열기가 있는 하나의 센서 노드, 및 없는 하나의 센서 노드)로부터의 결과들을 보여주는 그래프이다. 이러한 예에서, 센서 노드들 둘 다는 절연재로 커버되지 않았다. 이 예는 정확한 측정을 위해 파이프의 내부 파라미터들이 요구되지 않는 정상-상태 조건에서 수행되었다. 그래프에 나타난 바와 같이, 예시적인 듀오 CHFT+/- 실시예와 내부 프로브(파이프 내부 및 파이프 흐름 내에 배치됨) 사이에 밀접한 일치가 있다. 그러나, 절연재로 센서 노드들을 커버하지 않은 결과로, 더 많은 산발적인 측정들이 존재한다.
다양한 예시적인 실시예들이 상세하게 도시되고 설명되었지만, 청구항들은 임의의 특정한 실시예 또는 예에 제한되지 않는다. 더욱이, 위의 예시적인 실시예들은 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해 열 수학적 모델들에 기초하는 분석 솔루션과 결합된 열 신호들(예를 들어, 열 전달 및 온도 신호들)을 사용한다. 다른 예시적인 실시예들은 물체 표면에서 측정된 열 신호들에 기초하여 물체의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해, 경험적 방법, 기계 학습 방법(예를 들어, 신경망), 회귀 기반 방법, 인공 지능 기반 방법, 이동 평균 기반 방법 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 방법들을 이용할 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에서, 물체의 내부 영역의 하나 이상의 내부 속성을 결정하기 위해, 다른 비-NITI 기반 디바이스들의 출력이 NITI 기법들과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 파이프 내의 내부 온도 프로브의 출력은 파이프 내의 유량을 결정하기 위해 표면 장착 NITI 센서와 함께 사용될 수 있다.
본 출원에서 "~하도록 구성된"이라는 용어는 장치의 요소가 정의된 동작을 수행할 수 있는 구성을 갖는 것을 의미하기 위해 사용된다. "구성"은 또한 하드웨어 또는 소프트웨어의 상호 연결의 배열 또는 방식을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 장치가 정의된 동작을 제공하는 전용 하드웨어를 가질 수 있거나, 프로세서 또는 다른 프로세싱 디바이스가 기능을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. "~하도록 구성된"은 장치 요소가 정의된 동작을 제공하기 위해 임의의 방식으로 변경되어야 함을 의미하지는 않는다.
위의 설명 중 어느 것도 임의의 특정한 부재, 단계, 범위 또는 기능이 필수적이라는 의미로 해석되어서는 안 된다. 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 위에서 설명된 실시예들의 부재들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본 명세서에 참조로 포함되고, 포괄되는 것으로 의도된다. 또한, 본 명세서의 어떠한 실시예, 특징, 컴포넌트 또는 단계도 공공의 것으로 제공되도록 의도되지 않는다.
예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 본 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 정확한 실시예들로 제한되지 않으며, 다양한 변경들 및 수정들이 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고서 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
Claims (16)
- 표면 및 내부 영역을 갖는 체적을 갖는 파이프의 비-침습적 감지(non-invasive sensing)를 위한 시스템으로서,
비-침습적 센서 - 상기 비-침습적 센서는:
하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자를 갖는 열 유속 센서(heat flux sensor), 및
하나 이상의 온도 센서 출력 단자를 갖는 온도 센서를 포함하고, 상기 비-침습적 센서는 상기 표면 상에 또는 그 근처에 배치되도록 적응됨 -; 및
상기 하나 이상의 열 유속 센서 출력 단자 및 상기 하나 이상의 온도 센서 출력 단자에 결합된 회로부
를 포함하고, 상기 회로부는:
하나 이상의 지정된 시간에 상기 온도 센서로부터 측정된 온도 신호를 수신하고;
하나 이상의 지정된 시간에 상기 열 유속 센서로부터 측정된 열 유속 신호를 수신하고;
적어도 상기 측정된 온도 신호 및 상기 측정된 열 유속 신호에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에서 상기 내부 영역의 내부 온도 분포를 결정하고;
하나 이상의 지정된 시간에서 상기 내부 온도 분포를 나타내는 정보를 생성하는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 회로부는 상기 측정된 열 유속 신호에 기초하여 상기 파이프 표면으로부터 떠나거나 상기 파이프 표면에 들어가는 열 전달의 척도를 결정하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로부는 상기 온도 센서와 상기 파이프 표면 사이의 추정된 열 접촉 저항과 관련된 하나 이상의 효과를 포함하도록 구성되고/되거나, 열 전도성 재료가 상기 파이프의 접촉 표면들과 상기 비-침습적 센서 사이에 배치되는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로부는 하나 이상의 기계 학습 기법 또는 하나 이상의 열 수학적 모델을 사용하여 상기 내부 온도 분포를 결정하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비-침습적 센서는 측정된 신호 노이즈를 감소시키거나 상기 비-침습적 센서를 통해 발생하는 열 전달의 양을 제어하기 위해 열적 절연재를 포함하는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 센서는 열전대, 광섬유, 반도체, 또는 서미스터 기술에 기초하는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열 유속 센서는 차동 서모파일 기술, 박막 기술, 또는 하나 이상의 열전 디바이스에 기초하는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열 유속 센서는 얇은 열 유속 센서 또는 가요성 열 유속 센서인, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 측정된 열 유속 신호 또는 측정된 온도 신호를 향해 상기 비-침습적 센서를 가열 또는 냉각하기 위해 하나 이상의 외부 열 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 센서는 열 유속 센서 감지 영역 상에 또는 그 근처에 위치되는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 센서가 상기 파이프와 상기 열 유속 센서 사이에 있거나, 상기 열 유속 센서가 상기 파이프와 상기 온도 센서 사이에 있거나, 상기 열 유속 센서가 상기 온도 센서 옆에 있는, 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로부는 적어도 상기 측정된 온도 신호, 상기 측정된 열 유속 신호, 및 상기 내부 영역의 하나 이상의 내부 파라미터들에 대한 하나 이상의 표시 수량들에 기초하여 하나 이상의 지정된 시간에서 상기 내부 온도 분포를 결정하도록 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에서 상기 하나 이상의 내부 파라미터 표시 수량들 중 하나 이상을 나타내는 정보를 생성하도록 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 내부 파라미터들은:
: 정상-상태 열 저항,
x: 표면으로부터의 깊이,
: 내부 반경,
: 외부 반경,
: 내경,
: 외경,
: 단면의 측정,
v: 체적,
: 전체 정상-상태 열 저항,
U: 전체 열 전달 계수,
k: 열 전도도,
ρ: 밀도,
C: 열 용량,
ρC: 체적 열 용량,
: 열 관성,
: 열 확산도,
h: 대류 열 전달 계수,
: 유량,
δ: 벽 두께, 및
τ: 시간 상수
를 포함하는 목록으로부터 하나 이상을 포함하는, 시스템. - 제12항에 있어서, 상기 회로부는 하나 이상의 지정된 시간에서 상기 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 미리 결정된 표시 수량 또는 하나 이상의 지정된 시간에서 상기 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 추정된 표시 수량을 사용하도록 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 하나 이상의 지정된 시간에서의 상기 내부 파라미터들 중 하나 이상에 대한 상기 표시 수량들 중 하나 이상은 상기 회로부에 입력되는 데이터에 기초하는, 시스템.
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