TEWS만의 특허방식, 마이크로웨이브 공명 기술을 이용한 수분과 밀도 측정법
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Mass and Moisture Measurement by use of
The Microwave Resonance Technique
Microwave 공진 기술을 사용함으로써 크기,부피 등에 의존하지 않는 제품의 수분 측정을 실현하실 수 있습니다. 또 한편으로는 제품의 수분과 관계없이 제품의 질량 측정이 가능합니다.
다음은 Mass 측정에 대한 기초를 다룹니다.
Microwave 공진기는 Microwave 전송의 맥시멈과 함께 특정주파수를 의미하는 다양한 공진 주파수를 가지고 있습니다. 그 공진 주파수는 공진기의 규격에 영향을 받습니다.
측정을 위해서는 단지 하나의 공명이 사용되며 공명곡선은 두 개의 parameters에 의해 특징을
나타냅니다. (see Fig.1):
1. 공명 주파수 The resonance frequency
2. 공명의 반폭 The half-width of the resonance
(width of the resonance curve at half level)
(절반 정도에서의 공명주파수의 폭)
Material 이 공진기의 내부에 위치되었을 때 (Empty - Filled), 공명곡선 변화의 특성(see Fig. 2):
1. Material 내부 파장의 감소로 인한 공명주파수 감소
2. Material 내부 마이크로웨이브 에너지의 손실로 인한 공명곡선의 반폭증가
Fig.2 : 비워진 공진기와 채워진 공진기의 공명곡선
측정하는 동안 두 매개 변수의 변화가 감지되고 이렇게 측정된 값은 공명곡선의 절반 넓이의 증가와 공명주파수의 변화를 가리킵니다. 그래서 두 미지의 material parameter가 측정되고 측정제품의 질량과 수분이 계산될 수 있습니다.
만약, 측정제품의 수분이 절대적으로 변하지 않고 일정하다면, 단지 하나의 parameter (공명주파수의 변화 또는 절반넓이의 증가) 측정 만으로도 제품의 질량을 측정하기에 충분할 것입니다.
이러한 경우에는, 두 도체 간의 전위차에 의한 정전용량 방법으로도 질량측정이 가능할 것입니다. 물은 건조 물질의 유전율 (일반적으로 ε′ ≈ 1,5 – 3)에 비해 물의 뛰어난 유전율(ε′ ≈ 80) 때문에 측정에 강한 영향을 미칩니다.
그러므로 수분함량이 다양하다면, 질량측정마다 수분함량의 영향에 대한 보정이 필요합니다. 그렇기 때문에 두 번째 parameter(공명주파수의 변화 & 반 폭의 증가)가 측정되어야만 합니다.
따라서 다양한 수분함량의 경우에는, 정전용량 방식을 이용한 질량측정이 가능하지 않습니다.
제품의 질량측정을 위해서는 특수한 마이크로웨이브 공진기가 적용되어야 하며, 측정 주파 필드는 제품이 위치하고 있는 공간에서 균일해야 합니다.
그에 따라서 측정 제품 각각의 부분은 측정 공명parameter에 동일한 영향을 주는 원인이 됩니다.
측정에 대한 수치 구하기 :
1. 첫 번째 측정 Parameter는 Hz에서의 공명주파수의 변화
A = f0 – fm
With f0: Hz에서 비워진 공진기의 공진주파수
fm: Hz에서 채워진 공진기의 공진주파수
2. 두 번째 측정Parameter는 Hz에서 반폭 B의 증대
B = wm – w0
With w0: Hz에서 비워진 공진기의 공명 반폭
wm: Hz에서 채워진 공진기의 공명 반폭
3. Microwave moisture value Φ 와 독립된 질량 계산 :
Φ = arctan (B/A)
A와 B Parameter는 모두 똑같은 방식으로 질량에 관계하고 A와 B의 지수는 질량에 독립적이며, 단지 측정 Material의 수분에 따라 달라집니다.
이 계수의 arc tangent는 moisture value (Φ: Φ ∈ [0, 1], Φ nondimensional) 의 치역을 줄이기 위해 계산됩니다.
Fig.3: 서로 다른 수분성분을 가진 세가지 다른 Sample에 대한 측정 parameter A와 B
Fig.3는 다양한 수분함량을 가진 세가지Sample에 대해 측정된 microwave Parameter A와 B를
보여줍니다.
moisture(sample#3) > moisture(sample#2) > moisture(sample#1).
각각의 Sample들은 측정 주파 필드에 위치한 각각의 다양한 질량으로 측정되었고 더 많은 질량이 필드에 차지되어 있을수록 A와 B의 value (+,＊,o)는 더 높게 측정됩니다. 계산된 value Φ1, Φ2, Φ3 은 공진기에 위치한 질량과 관계없이 단지 material의 수분함량에 의해 결정 된다는 것을 보여줍니다.
4. 수분측정에 대한 Calibration
microwave-moisture-value Φ는 측정 material의 질량과 관계없기 때문에 Φ는 material의 수분함량 u에 직접적으로 비례합니다.
u = a1⋅Φ + a2
with u : moisture content of the measured material in %
a1,a2 : calibration coefficients
Φ : microwave-moisture-value
선형교정은 수분함량의 측정 범위 내에서 적용할 수 있습니다.
microwave-moisture-value Φ와 수분함량 u 사이의 관계는 매우 낮은 그리고 매우 높은 수분 범위에서 비선형 됩니다. 이 범위의 제한은 material 특성에 따라 달라집니다. 이러한 범위 내의 수분측정은 특별한 calibration curve의 적용을 필요로 합니다.
5. 다양한 수분함량의 영향에 대한 보정과 함께 질량 M 의 계산.
M = b1⋅A⋅(1+b2⋅Φ)
with M: 공진기 내부에 놓여진 제품의 질량
b1, b2: 교정지수
A: 공명주파수의 변화
Φ: 마이크로웨이브 수분 value
건조 제품(Φ = 0)의 측정은, 제품의 질량M에 대한 공식이 질량M M = b1⋅A 로 단축됩니다.
즉, 질량M은 공명주파수의 변화에 따라 달라집니다.
만약 측정 material이 수분을 가지고 있다면(Φ ≠ 0), 질량측정에 관한 수분의 영향에 대한 보정이 필요합니다. 이것은 calibration 공식 (1+b2⋅Φ) 조건에 의해 이루어집니다.
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