KR910002655B1 - 무전극 검파기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

무전극 검파기

제1도는 본 발명의 단면을 개략적으로 도시한 정면도.

제2도는 본 발명의 정전학적 커플링을 조시한 부분 절개도.

제3도는 본 발명의 자기유도 커플링을 도시한 부분 절개도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 피스톤 12 : 실린더

14 : 환형부재 16 : 파이프

17 : 슬리이브 전도체 28 : 신호처리기

본 발명은 불균일계 전기화학적 평형상태에서의 전기이중층(ELECTRICAL DOUBLE LAYER) 효과를 측정하는 장치에 관한 것으로 특히 유동전위나 유동전류와 같은 전기화학적 불균일계에서의 전기이중층 효과에 관한 계량정보를 구하기에 유용한 무전극 검파기에 관한 것이다.

전해액과 절연체가 접한 경우 비흡수 현상이 일어나게 됨은 주지의 사실이다. 이때 절연체의 한쪽부분 즉, 공기중 노출부분은 전해액과의 계면에 헬름홀쯔면(Helmholz plane)을 형성하는 이온으로 덮이게 된다.

헬름홀쯔면을 형성한 전하는 용기내에서 절연체의 노출부문에 수직방향으로 고루확산되어 있는 반대 극의 과잉전하에 의해 화학양론적으로 보상되게 된다. 이 음, 양이온들은 헬름홀쯔면 양쪽에서 가장 접근하여 있다. 부동의 헬름홀쯔면과 이동 가능한 전극사이의 공간하전은 계면 동전위를 유발하는데 이것은 응결 조절 , 용수 정화, 쓰레기 처리 등의 공업적 공정에서 액체와 액체 또는 액체와 고체의 불균일계의 화학적 평형형태를 설명하는데 매우 중요하다. 계면 동전위에 관해서는 이미 오래전 부터 알려져 왔으나 적당한 계측장치가 없어 그 응용이 답보 상태에 있다.

통상적으로 응결과정이 포함되는 액상계에서 응결이 일어나면 부유 입자들은 침강, 여과, 부양, 원심작용 또는 이상의 현상중 2개이상의 현상이 복합적으로 일어나 전해액과는 분리되어 질 수 있다. 통상적으로 응결은 명반, 염화제2철 또는 여러가지 중합물질들 즉 수용성 양이온 및 음이온을 띠는유기질 다전극과 같은 음결제등을 사용하면 반응이 매우 빨라진다. 미세한 중합입자들이 부유되는 액상은 제지 공정에서 많이 볼 수 있다. 미세입자가 부유된 현탁액의 전형적인 응결제는 수용성 양이온 응결제이다. 이때 부유입자들은 음이온을 띄어 응결제를 첨가하면 전기적으로 수용액이 중화가 된다. 정전하가 평균치 제로가 되거나 임의의 수치에 이르면 확산된 유기 또는 무기 입자들이 응결 즉, 입자들의 집합이 빨라진다. 하지만 양이온 첨가제를 너무 많이 투입하면 응결이 오히려 일어나기 어렵게 되는 것이다.

따라서 수용액(전해액)에 얼마만큼의 첨가제를 넣어야 빠른 시간내에 넓은 범위의 응결이 일어날 수 있는 가를 결정하는 것이 매우 중요하다.

이에 정확한 용법을 찾는 여러가지 방법이 공지되어 있다. 그중 한예는 전해액의 양과 탁도의 감소량에 따라 응결제의 양을 증가시키는 방법이다. 즉 최소의 응결제에 대한 탁도의 최대 감소치를 결정하는 것이다. 이 방법은 시간이 매우 많이 소모되고 용액이 바뀌면 실용적이 되지 못하며, 용액의 성질이 시간에 따라 변하는 경우 더욱 큰 불편이 초래된다.

또다른 방법은 제타메터 방법이라는 것인데 이것은 전해액의 전하의 조건과 같은 계면동전위 현상을 이용하는 방법이다. 이 제타메터방법은 주어진 온도의 전기장하에서 단일 전하입자가 미리 예정된 거리를 이동하는데 필요한 시간을 관찰하는데 매우 유용하다. 이방법도 시간을 많이 요하며 응결제의 양을 최근 사용했던 양과 동일하게 해야하고, 전해액의 유량이 고른 상태에서만 가능하며 테스트한 정보를 해독하는데 전문 지식이 필요하기 때문에 비실용적이다.

더블유. 에프. 거드스가 발명한 미국특허번호 3,368,145의 장치는 전해질 유체로부터 흡수된 전하밀도를 연속적으로 측정하는 것이다.

제트. 제이. 무어가 발명한 미국특허번호 2,297,640의 장치는 두개의 감응전극에 대하여 특정지점에 위치한 접지된 전극을 공급하고 부드러운 전도성 전해액 상에서 절연성 입자의 전하를 측정하는 장치이다. 이 장치는 미세한 전위차에 의한 간섭을 완전무결하게 제거하지 못하거나 감응전극의 전해액으로 인한 부식을 막지 못한다면 매우 비효율적이다.

칸조네리가 발명한 미국특허번호 4,446,435의 장치는 전해질 사이의 전극을 띤 입자들의 하전을 전기적 신호로 감응하는 초음파유동 전류 감지기이다.

그외에 칸조네리 등이 발명한 미국특허번호 4,449,101의 장치는 감응기에 클리닝유체를 가변적으로 나르는 수단을 공급한 초음파 유동 전류 감지기를 위한 제트분사장치에 관한 것이다.

이에 본 발명은 두 개의 상 즉, 엑체와 액체, 고체와 액체계에서 계면 동전위의 양적수치를 계량하는 장치에 있어서, 계측회로와 전해질을 구분하는 전기적으로 불활성인 절연성 벽을 포함한다.

특히 본 발명은 자신은 절연성 물질이지만 표면에서는 전화를 응집시키는 유동성 액상 매체에서 전하의 기능을 결정하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 내벽이 절연체이고 한쪽 단부가 개방된 실린더 또는 관형 유로부재를 포함하고 있다. 감응수단은 정전학적 또는 자기유도 커플링에 위한 이온활동에 비례하는 신호를 전개시키기 위해 실린더 외의 외측면 또는 전해질 용액에 젖지 않는 부분에 설치한다. 절연벽을 갖는 왕복운동 가능한 블록은 유로부재에 대해 왕복운동을 할 수 있는 지점에 위치한다. 이 블록은 상기한 유로부재에 느슨하게 미끄럼 가능하게 설치되거나 지면상에 설치하는 피스톤이 될 수 있다. 상기 감응수단에는 감응수단에서 자기유도되는 전기신호를 증폭하거나 유용하게 하는 수단이 커플될 수 있다. 상기 유로부재는 전해질이 계속적으로 유동할 수 있도록 하고 실린더 내벽과 왕복운동 부재사이의 틈새로 전해질이 유출 유입 가능하게 설치한다

감응수단은 전해질 용액으로부터 전기적화학적으로 보호 가능토록 실린더를 통하여 공간하전에 정전학적 또는 전자기적으로 커플된다.

본 발명의 선택된 실시예에 따르면 하나의 개방단부를 가진 챔버를 유동성 액상 매질의 전하의 전기적 조건을 결정하기 위한 장치는 절연성, 저 유연성, 화학적 불활성 물질이 상기 챔버에 동심으로 설치된 절연성 왕복운동 부재와 끼워 맞춰져 있다. 상기한 두 부재(챔버와 왕복운동 부재)는 챔버의 개방단부로 유동성 매질이 유입, 유출 가능토록 설치되어 있다. 전기전도 감응수단이 챔버의 내벽에 공급되어 있다. 챔버내에서 유도된 전기신호를 처리하는 수단이 감응수단과 연결되어 있다.

본 발명의 제1목적은 전해질에 감응전극이 직접 노출되지 않고 유동전류 및 유동전위와 같은 계면 동전류, 계면 동전위를 측정하는 장치를 공급하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 전기화학적 계에서 발생되는 유동전류, 유동전위의 효과의 수치정보를 얻어내는 장치를 공급하는 것이다.

그외의 목적들은 이하에 기술하는 본 발명의 상세한 설명과 특허청구의 범위를 통해 잘 알 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 장치 구조를 설명하겠다. 본 발명의 요지부문에서는 일부 전문용어를 사용하였으나 본 발명의 취지를 한정하는 것은 아니다.

제1도를 참조하면 실린더(12) 또는 전기적 불활 관형 유로부재의 상단부는 개방되어 있고 하단부(13)는 폐쇄되어 있다. 상단부(14)는 개방되어, 자신은 전기적으로 절연체이나 정전하를 모으는 역할을 하는 전극을 포함하는 유도유체(15)에 노출되어 있다. 파라데이상자(Faraday case)(19) 정전학적으로 간섭을 최소화한 실린더로 둘러싸여 있다.

전기적으로 불활성 왕복부재 또는 피스톤(10)은 실린더(12)내에서 유체가 개방 환형부재(14)를 경유하여 출입되도록 직선 왕복운동을 할 수 있도록 설치되어 있다. 피스톤(10)은 실린더(12)에 느슨하고 미끄러질 수 있도록 장착되어 있다. 피스톤(10)은 지면에 설치할 수도 있다.

피스톤(10)은 전기모터 구동캡(22)과 같은 전기 구동장치에 위해 지지되어 왕복운동한다. 피스톤(10)은 1초사이에 4사이클정도의 왕복운동을 한다. 유동유체는 피스톤(10)이 상행정 시에 유입되고 하행정시에는 빠져 나온다. 유동유체는 파이프(16)와 실린더(12) 내에서만 유동한다. 외부 신호처리기(28)와 연결된 감지기(27)는 실린더(12) 외벽에 설치되어 있다.

실린더(12)는 절연재로 하여 미세한 누전을 방지한다.

제2도를 참조하면 정전학적 커플링이 설치되어 있는데, 두 개의 슬리이브 전도체(17, 17')가 공급되어 있다. 이 슬리이브 전도체는 실린더(12)의 외측면에 설치되어 있다. 슬리이브 전도체(17,17')는 실린더 길이와 피스톤의 행정을 고려하여 최적한 신호응답이 이루어질 수 있는 간격으로 서로 이격되어 있다. 슬리이브 전도체(17,17')는 리드선(32,33)으로 신호처리기(28)와 연결되어 있어서, 피스톤(10)의 왕복운동과 동시에 슬리이브 전도체(17,17')에 의하여 커플신호가 발생하도록 한다. 접지된 파라데이 상자(19)는 슬리이브 전도체(17,17')로 둘러싸여 외부의 간섭신호를 최소화한다.

검파기의 모든 고정 부품들은 절연재 또는 전기적 불활성 재료로 된 지지수단(20)에 의하여 안정되어 있다. 따라서 환형부재에서 요구되어지는 이온운동에 비례하는 신호는 실린더(12)에 확산된다.

제3도면을 참조하면, 이온운동 신호를 유도커플링으로써 실린더(12)내에 확산시키도록 되어 있다. 자기유도 코일(22)은 트로이달 형상으로 감겨 있고 거의 붙어 있다. 유동유체와는 실린더(12)로써 분리되어 환형부재(31)에서 물리적으로 이동하는 이온들에 의해 자기유도를 일으킨다. 자기유도코일(22)은 외부의 신호처리기(18)와 리드선(32,33)으로 전기적으로 연결되어 있어 피스톤(10)의 왕복운동에 의해 발생한 자기유도신호가 전기기계적으로 처리되게 된다. 접지된 파라데이상자(19)는 자기유도 코일로 둘러싸여 있고 외부환경에 의한 오 신호를 최소화한다.

본 발명의 장치는 다음과 같은 방법으로 동작한다. 계측될 매체는 일반적으로 파이프(16)를 통해 유입된 전해액(15)와 접하는 절연체를 포함하는 불균일계이다. 실린더(12)의 상단부를 통과하는 유동유체는 피스톤(10)의 왕복운동이 상행정 시에 환형부재(14)를 통해 실린더 내부로 들어오고 하행정 시에 배출된다. 따라서 피스톤(10)의 매 행정 마다 유동유체(15)로부터 새로운 샘플이 유입되는 것이다. 피스톤(10)의 왕복운동과 환형부재(14)의 형상을 정밀하게 조정함에 따라 실린더 내부(실린더내벽과 피스톤과의 틈새, 이것을 셀(cell)이라 한다.)의 압력강하도 정밀하게 조절될 수 있다. 피스톤의 왕복운동은 실린더(12)의(유체에 접하는) 내벽상에 분포된 반대 극성의 전하의 고체로 이루어지는 고체를 지나는 이동성 액상(21)에 기계적인 힘을 가한다. 한편 이와 반대 극성의 이동성 이온이 피스톤(10)의 매 행정마다 환형부재(14)의 반대단부에 모이게 된다. 이렇게 하여 모이는 전하는 기계적으로 이동되어 이온구름을 형성하여 환형부재의 양쪽단부 사이의 전자기력을 측정하기에 충분하게 된다. 슬리이브 전도체(17,17')는 유도자기장내에 위치하지만 저유도성, 저절연성의 화학적 불활성 실린더(12)에 의해 이격되어 있다. 슬리이브 전도체(17,17')들 사이에서는 집합된 이온량에 비례하는 전자기력과 계측 가능한 에너지를 발생한다. 따라서 2개 이상의 슬리이브 전도체(17,17')를 공급한다.

신호를 검파하는 다른 방법은 제3도에 도시한 바와 같이 화학적으로 불활성이고 전기절연체인 자기유도 커플링을 사용하는 방법이 있다. 피스톤(10)의 이동에 따라 반대극성의 이동성 이온들이 물리적으로 이동할 때, 전하의 이동에 따라 전류가 흐르게 된다. 셀내에서의 이온들의 이동은 전도체에서의 전하의 움직임과 비교될 수 있다. 그리하여 외부의 전도체(28)에 대하여 실린더(12)의 자기유도 커플링이 가능하다. 단일 외부전도체(28) 대신에 코일이 다수 감긴 자기유도 코일(27)은 환형부재(31)와 매우 밀착되어 있다. 외부 전도체(28)에는 환형부재내의 유체의 유속과 이동성 이온의 양에 비례하여 발생하는 신호를 처리하는 처리기가 공급되어 있다.

계면동전위에 따라 계면동전류가 자연스럽게 흐르고 이것은 수용액 속에서 절연성 입자에 대해전하의 역할이다. 계면 동전위와 계면동전류는 전하의 양에 비례하고 또한 피스톤(10)의 왕복운동 주파수와 비례한다. 파라데이 상자는 검파기를 외부의 간섭으로부터 보호한다.

신호처리기(28)는 교류전류를 처리하여 전해액의 이온의 조건을 나타내는 직류신호로 처리한다. 전자유도선(35)은 기계장치(22)와 신호치리기(28)를 연결하여 기계구동장치(22)에 의해 구동되는 피스톤(10)에 의해 리드선(32,33)상에 발생하는 교류를 신호치리기(28)로써 전류로 거의 동시적으로 검파한다.

피스톤, 실린더 또는 플라스틱 지지부재들은 가급적 다음 화합물 가운데 하나를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 폴리할로겐화 중합체와 공중합체 : 폴리유사할로겐화 중합체와 공중합체 : 폴리우레탄 : 실리카, 수산화 실리카 및 산화 실리카 : 질산연, 질화물, 탄화물, 붕산염 및 붕화물 : 산화금속 및 수화물 : 비닐-에스터를 함유한 수지 :중합된 탄화수소 및 그 유사화합물 : 슬리이브 전도체(17,17')는 적당한 전도체를 포함한다.

미국특허번호 2,297,640의 셀과 본 발명의 셀을 비교할 때 본 발명의 것이 훨씬 고도로 개량되었음을 알수 있다.

상기 기술한 본 발명의 실시예에는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일뿐 본 발명의 취지와 실시예를 한정하는 것이 아니다.

Claims (11)

1. 정전하는 포함하는 유동성인 2개의 액상매체에서 외부로 부터 첨가제를 넣지 않고 전하의 전기적 조건을 감응하고 계측하는 무 전극 검파기에 있어서, 한쪽 단부는 개방되고 다른 한쪽 단부는 폐쇄되고 내벽은 전기적으로 절연체이고 내부는 유동유체로 가득 채워지게 되는 관형 유로부재를 포함하고, 상기 관형 유로부재내에서 이온을 유도하기 위해 1방향 이상으로 왕복하는 절연 외벽을 가진 왕복운동 부재를 포함하고, 상기 왕복운동 부재의 횡단면은 왕복운동부재가 관형 유로부재의 절연내벽과 거의 밀착되는 형상으로 되어 압력강하를 조절하게 하고, 상기한 관형 유로부재내로 미리 예정된 양만큼 유동성 유체가 유입되게 하는 수단을 포함하고, 정전학적 또는 자기유도 커플링에 의해 요구되어지는 이온활동에 비례하는 신호를 완벽하게 확산시키기 위해 관형유로부재의 건 표면상에 감을 수단을 공급하고, 상기 감응수단을 통해 유도된 전기신호를 증폭하기 위한 수단이 감응수단에 연결된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
2. 제1항에 있어서, 상기 감응수단이 정전학적 커플링에 의해 전기신호를 증폭하게 된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
3. 제1항에 있어서, 상기 감응수단이 자기유도 커플링에 의해 전기신호를 증폭하게 된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
4. 제1항에 있어서, 상기 감응수단이 전자기 코일에 의해 전기신호를 증폭하게 된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
5. 제1항에 있어서, 상기 감응수단 둘레에 파라데이 상자를 공급한 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
6. 2개의 유동성 액상에서 계면동전 위 에너지를 계량하기 위한 무전극 검파기에 있어서, 한쪽 단부는 개방되고 다른 한쪽 단부는 폐쇄되고 내벽은 전기적으로 절연체이고 내부는 유동유체로 가득 채워지게 되는 관형 유로부재를 포함하고, 상기 관형 유로부재내에서 이온을 유도하기 위해 1방향 이상으로 왕복하는 절연외벽을 가진 왕복운동 부재를 포함하고, 상기 왕복운동 부재의 횡단면은 왕복운동부재가 관형 유로부재의 절연내벽과 거의 밀착되는 형상으로 되어 정전하들을 흥분시키게 하고, 정전학적 또는 자기유도 커플링에 의해 요구되어지는 이온활동에 비례하는 신호를 완벽하게 확산시키기 위해 관형 유로부재의 건 표면상에 감을수단을 공급하고, 상기 감응수단을 통해 유도된 전기신호를 증폭하기 위한 수단이 포함된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
7. 제6항에 있어서, 상기 감응수단 둘레에 파라데이 상자를 공급한 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
8. 제6항에 있어서, 상기 감응수단이 1개 이상의 전도체를 포함된 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
9. 제8항에 있어서, 전도체 2개를 설치하고 이들의 표면적의합이 유로부재의 습 표면적 보다 크지 않게 되는 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
10. 제6항에 있어서, 상기 감응수단 둘레에 파라데이 상자를 공급한 것을 특징으로 하는 무전극 검파기.
11. 2개의 유동성 액상에서의 계면동전위 에너지를 계량하기 위한 무전극 검파기에 있어서, 한쪽 단부는 개방되고 다른 한쪽 단부는 폐쇄되고 내벽은 전기적으로 절연체이고 내부는 유동유체로 채워지도록 설치된 관형 유로부재를 포함하고, 상기 관형 유로부재내에서 이온을 유도하기 위해 1방향 이상으로 왕복하는 절연외벽을 가진 왕복운동부재를 포함하고, 상기 왕복운동부재의 횡단면은 왕복운동부재가 관형유로부재의 절연내벽과 거의 밀착되는 형상으로 되어 정전하들을 흥분시키게 하고, 흥분된 이온을 감지하기 위한 자기유도 커플링 수단을 공급하고, 상기 전해질로 부터 커플링수단을 분리하기 위해 분리벽 형상의 유로부재의 건표면 상에 이온활동을 비례하는 신호를 완벽하게 확산시키는 커플링수단을 설치하고 상기 커플링수단을 통해 유도된 전기신호를 증폭히기 위한 수단이 포함된 것을 특징으로 하는 무선극 검파기.

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