KR101171518B1

KR101171518B1 - 다중 모드 준수평전단 공진기를 사용하여 유체 특성을 측정하는 센서, 시스템, 및 방법

Info

Publication number: KR101171518B1
Application number: KR1020107013218A
Authority: KR
Inventors: 앙드레 씨. 제프리
Original assignee: 델라웨어 캐피털 포메이션 인코포레이티드
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2012-08-07
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: EP2093556A3; JP2011510305A; KR20100095598A; WO2009105354A2; WO2009105354A3; EP2093556A2; RU2010127028A; RU2451287C2; JP5069799B2; US7878044B2; US20090216467A1

Abstract

세 변수 밀도 (

), 점도 (

), 및 탄성계수 (

) 중에서 한 변수에 대한 독립적 지식을 가지고 단일 센서에 의하여 나머지 두 변수가 측정될 수 있도록 하여 나머지 두 변수에 대한 정보를 제공하는 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명은 개략적으로 수평전단음파 장치(준수평전단)와 유체의 상호 작용에 의존하는데, 이로써 둘 이상의 음파 공진 상태들 또는 다중 모드 공진기들 또는 도파관들의 도파 모드들의 상호 작용 상의 미묘한 차이를 측정하여 그로부터 소망하는 유체 특성을 추정할 수 있도록 한다. 가장 바람직한 실시예는 한 공진 모드는 높은 대칭도를 가지고, 다른 하나의 공진 모드는 높은 비대칭도를 가지는 듀얼모드 커플링된 공진기 필터 구조이다. 다중 모드 동작의 추가적인 정보와 유체 환경에서 동작되는 수평 편파된 준 수평전단 음파 장치(AWD)의 고유 능력을 결합함으로써 다중 모드 준수평전단(MMQSH) 공진기를 제공한다.

Description

다중 모드 준수평전단 공진기를 사용하여 유체 특성을 측정하는 센서, 시스템, 및 방법{Sensor, system, and method, for measuring fluid properties using Multi-Mode Quasi-Shear-Horizontal Resonator}

본 발명은 센서에 관한 것으로 특히 유체의 점도, 탄성계수, 및 밀도 센서에 관한 것이다.

산업재 및 소비재 기계들과 프로세스들에서 유체의 특성을 측정하는 것은 중요하다. 유체 특성의 측정은 많은 분야들에 적용이 가능하지만 미네랄 오일과 관련 합성 화합물에 기초하는 윤활 및 전력 전달 설비에서 중요한 의미가 있다. 이러한 유체들의 기능을 상실하는 것은 결합된 장비의 조기 노화, 때로는 최악의 고장을 초래한다.

현재는 그러한 유체들에 대하여 유체 샘플들의 연구 분석을 사용하여 유체를 정의하는 것이 주로 이루어진다. 연속적인 모니터링을 위해서는 장비에 직접 위치시키고자 하는 요구가 증가하고 있다.

그린우드 외에 의한 미국특허 5,708,191, 5,886,250, 6,082,180 및 6,082,181호에는 입사 임계각 근처에서 음파가 반사될 때 그 음파의 반사 신호 강도 변화를 측정하기 위한 입력 및 출력 트랜스듀서를 채택하고 있는 농도계 센서 디자인들이 개시되어 있다. 이러한 농도계들은 트랜스듀서를 지지하는 고체 물질의 액체 인가 면에서 음파의 반사에 기초하는 점도-밀도 또는 탄성-밀도 곱을 측정한다. 상기 센서들은 고체-액체 경계에서 펄스 또는 연속파 신호의 몇 개의 반사 이벤트시에 파의 반사 계수를 측정한다. 그러한 방법들은 공진, 다중반사, 또는 표면 생성 음파 장치들에 비하여 측정량이 적은 감도 및 해상도를 제공한다. 마지막 번째 특허에서는 고체-액체 경계와 음파의 연속적인 상호작용으로부터 보다 높은 감도를 얻는다. 이산반사법은 연속적인 음파 간섭 표면에서 제조 또는 운영 상의 단순함을 얻을 수 없고 유사한 감도 또는 해상도도 제공하지 못한다. 상기 이산반사법은 센서의 측정된 응답으로부터 밀도 정보를 추출하기 위하여 고정된 탄성계수 (보다 일반적인 압축파 버젼에서) 또는 점도 (보다 덜 일반적인 전단파 버젼에서)를 가정한다.

밀도-점도 곱을 측정하는 것은 압전판상에 제조되고 횡전단 모드공진을 지원하며 통상은 AT 컷 디스크 수정 결정의 디스크 또는 근사적으로 Y-컷 랜거사이트(langasite)인 공진기를 액체에 넣고 공진 주파수의 시프트 또는 공진시 전력 손실을 측정함으로써 이루어진다. 보다 잘 알려져 있는 것은 예를 들어 앙드레 외에 의하여 2007년 3월 7일자로 등록된 미국 특허 제 6,033,852에 기재된 바와 같이 SH-SAW(Shear Horizontal-Surface Acoustical Wave : 수평전단 - 표면탄성파), SHAPM(Shear Horizontal Acoustical Plate Mode : 수평전단 음파판 모드), MPS(Monolithic Piezoelectric Sensor : 모노리틱 압전 센서)와 같은 전단파 음파모드를 사용한 다중극 공진기들을 기반으로 하는 2-포트 장치를 사용하는 것이다.

마틴 외에 의한 미국특허 제 5,741,961호 및 미국 특허 제5,798,452호에서는 다른 표면 처리부를 구비하는 두 음파 센서를 개시하고 있고 이 센서는 점도-밀도 곱에 대해서는 근본적으로 동일한 응답을 보이지만 밀도에 대해서는 다른 응답을 보인다. 기준 센서는 점도와 밀도의 곱에 대한 데이터를 제공하며, 평탄한 표면을 적용한다. 제2 센서는 의도적으로 거칠게 처리된 표면을 가지며 통상 일정한 체적의 유체를 그 표면에 잡아두기 위한 그루브 또는 피트들을 가진다. 점성적으로 잡아두어진 액체의 전력 손실 및 주파수 시프트에 더불어 추가된 체적은 전력 손실이 거의 없거나 없는 유한적인 주파수 시프트를 만든다. 밀도-점도 곱은 일반 모드의 주파수 시프트를 거쳐 사용이 가능하게 된다. 이러한 방법은 매력적이지만 센서 대 센서 재연성에서 어려움이 있고 특히 두 센서가 다른 기판에서 제조되었을 때 그러하다.

그러한 그루브들을 한 쌍의 수평전단 표면음파(SH-SAW, 또한 러브 웨이브(Love Wave)나 표면 전단파 및 그와 같은 것들로 알려져 있음,) 센서 중 하나에 추가하는 것은 허만 외(Herrmann et al.)에 의한 미국특허 6,543,274호에 개시되어 있으며, SHAPM 센서에 대한 이러한 접근의 연장은 본 명세서에서 참조된다. 이러한 방법은 제조 공정의 복잡성과 적용가능한 다이나믹 레인지가 적은 대신에 보다 높은 주파수, 적은 사이즈, 및 향상된 감도를 제공한다. 하지만 허만은 양 파라미터를 측정하는데 필요한 것으로 완전히 분리되지만 동일한 (주름져 있지만) 두 개의 센서 부품을 사용하는 것을 여전히 시도하고 있으며, 따라서 마틴 센서의 센서-대-센서 한계를 극복하지 못하고 있다. 그것은 또한 고주파는 유동학 분야에서 알려져 있는 것으로 전단 박화(shear thinning)와 막스웰리언(Maxwellian) 점탄성 문제를 악화시키는 높은 동작 주파수로 인하여 점도 측정 정밀성의 저하를 유발한다.

미국 특허 제7,007,546호(본 명세서 전체에 걸쳐 참조로써 통합된다)는 "음파 센서에서 등가적인 전단 속도의 측정, 보상, 및 제어"라는 발명 명칭으로 2006년 3월 7일자로 등록되었으며, 본 출원의 발명자는 점도와 전단속도의 측정 방법을 개시하고 있다. 여기서 측정은 음파 센서를 사용하고, 주어진 유체로 전달되는 전력과 유체의 점도에 대하여 응답하는 유체 운동의 특징적인 속도 함수로서 전단 속도를 계산함으로써 수행된다. 음파 장치는 입력 전력과 출력 전력 및 입력 및 출력 트랜스듀서 사이에서 선택된 영역에서의 음파 진폭 사이에는 특성 관계를 가진다. 상기 음파 장치는 측정되는 유체에 걸린다. 선택된 영역에서 음파를 주기 위하여 소정의 전력 레벨 P_in의 조화 신호가 입력 트랜스듀서에 가해진다. 출력 트랜스듀서에서는 출력 파워 레벨 P_out이 측정된다. 이러한 특성 관계와 입력 및 출력 레벨을 사용하여 유체에 가해지는 음파의 평균 진폭이 계산된다. 선택된 영역에서 측정된 점도를 구하기 위하여 유체의 점도를 측정함으로써 주파수, 점도 측정 및 음파 진폭을 사용하여 선택된 영역에서 유체의 전단속도를 계산하는 것이 가능하게 한다. 이 발명은 아래에서 설명되는 바와 같이 본 발명에서 유용하게 사용될 수 있다.

2007년 2월 14일자로 출원되고 US-2007-0144240-A1로 공개된 미국 특허 출원 제10/597,487호에서 출원인은 액체 또는 가스와 같은 측정 대상 유체와 접촉되는 텍스쳐 처리된 잡아가둠층을 가지는 2-포트, 2-극 결합 공진기를 기술하고 있으며, 이로써 유체의 점도 및 밀도의 측정을 허용한다. 하지만, 텍스쳐 처리된 잡아가둠층을 추가하는 것은 장치의 복잡성을 높인다. 그렇지만 미국특허출원10/597,487호에 개시된 구조 및 방법은 본 발명에 결합되어 사용될 수 있다. 텍스쳐 처리된 표면을 결합하는 것은 본 발명의 사상을 구현하는데 필요하지는 않다는 것을 주목하여야 할 것이다.

따라서 단일 장치에 통합되어 가능한 많은 파라미터들을 측정할 수 있게 한다는 점에서 센서 및 측정 방법상 분명히 장점이 있다 할 것이다. 그러한 장치들이 연구되었지만 제조의 복잡성 및 예측 불가성, 낮은 정밀도 등과 같은 많은 단점들을 겪는다.

본 발명의 과제는 점도, 밀도, 및 탄성계수의 세 파라미터 중에서 세 번째 파라미터가 알려져 있거나 가정할 수 있을 때 두 파라미터를 유도할 수 있는 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 과제는 그러한 센서를 사용하여 측정을 수행하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 점도를 측정하는 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이 유체와 대부분의 수평전단 음파 장치(준수평전단 : quasi-shear-horizontal)의 상호 작용에 의존한다. 본 발명은 특히 둘 이상의 음파 공진 상태 또는 다중모드 공진기 또는 도파관의 음파 공진 상태에서 상호 작용의 미묘한 차이에 의존한다. 본 발명의 가장 바람직한 실시예는 하나의 공진 모드는 높은 대칭도를 가지고 다른 하나는 높은 비대칭도를 가지는 듀얼모드 결합 공진기 필터 구조로 이루어진다. 유체 환경에서 동작할 수 있도록 수평 편파된 준수평전단(quasi-shear-horizontal) 음파 (AWD) 장치의 고유 능력에 추가적인 멀티 모드 동작 정보를 결합함으로써 다중모드 준수평전단(quasi-shear-horizontal) (MMQSH) 공진기를 얻게 된다.

밀도(

), 점도(

), 및 탄성계수(

)의 세 변수들 중에서 두 정보를 제공하고자 하는 것으로, 독립적인 한 변수를 알면 단일 센서에 의하여 나머지 두 변수가 측정된다.

즉, 본 발명이 추구하고자 하는 것으로, 밀도, 점도, 및 탄성계수의 유체 특성들 중에서 세 번째 특성을 알거나 가정될 때 세 유체 특성들 중에서 선택된 적어도 두 유체 특성을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 에너지 입력부를 가지는 다중모드 준수평전단 공진기(MMQSHR) 를 준비하는 단계; 상기 유체에 접촉하는 표면을 측정하는 과정; 및 계산하는 과정을 포함한다. 상기 측정 표면은 적어도 제1 영역과 제2 영역 및 상기 영역들 사이로 정의되는 이격 영역을 가진다. 상기 입력부를 통하여 상기 MMQSHR에 각각 제1 및 제2 공진모드로 여기시켜 상기 음파 모드들의 각각은 상기 표면에서 수평 전단파 운동 성분을 유발하도록 제1 및 제2 주파수로 여기 에너지를 공급하며, 상기 제1 주파수의 여기는 상기 영역들에서 위상이 서로 상대적으로 움직이도록 하며, 상기 제2 주파수의 여기는 상기 두 영역들에서 서로에 대하여 위상이 어긋나도록 한다. 상기 이격 영역 내에서 수직 변위를 유도하고 상기 제1 모드 및 제2 모드에서 에너지 관련 변수들을 측정한다. 상기 에너지 관련 변수들과 세 번째 특성과 관련된 정보를 사용하여 상기 유체 특성들 중의 둘을 계산한다.

상기 영역들은 물리적으로 기술되어질 필요가 없고 각 모드에서 장치 내의 음파 에너지 프로파일로 정의될 수 있다.

에너지 관련 변수들은 예로써 삽입 손실, 주파수 시프트, 위상 시프트, 진폭, 전류 변화, 등가 직렬 저항, 이들의 조합 등과 같은 것에서 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서 MMQSHR은 압전소자를 포함하며, 입력부는 입력 트랜스듀서를 포함한다. 가장 바람직한 실시예에서는 출력 트랜스듀서와 입력 및 출력 트랜스듀서에 접지되는 접지 전극을 더 포함한다. 하지만 MMQSHR에 에너지를 주기 위하여 비 압전 물질 또는 다른 방법들, 예로써 벌크 음파 공진기, 플래너 공진기, 및 수평전단 표면 음파 공진기와 같은 어떠한 것이라도 편리한 구조가 적용될 수 있음을 주목하여야 할 것이다.

일 실시예에서 측정 표면은 주름지어질 수 있으며, 상기 방법은 상기 주름상에 잡아 가두어진 유체로 기인한 에너지 관련 변수들의 변화에 응답하여 상기 유체 밀도를 계산하는 단계를 측정하는 단계를 더 포함한다. 밀도, 점도, 및 탄성계수의 유체 특성들 중에서 세 번 째 특성을 알거나 가정될 때 세 유체 특성들 중에서 선택된 적어도 두 유체 특성을 측정하는 시스템이 제공되며, 상기 시스템은,

상기 유체에 접촉되는 측정 표면;과 에너지 입력 포트 및 에너지 출력 포트;와 제1 영역과 제2 영역 및 상기 영역들 사이로 정의되는 이격 영역; 를 구비하는 다중모드 준 수평전단 (MMQSHR) 공진기;

상기 에너지 입력부에 접속되어 상기 표면에 두 음파 공진 운동 모드를 주도록 기여하는 여기 회로부;

MMQSHR 공진기로 입력되고 출력되는 적어도 하나의 에너지 변수를 측정하도록 기여하는 측정회로부;를 포함하며,

상기 표면의 다양한 영역에서 서로 다른 편파 관계를 가지는 수평운동 성분을 유발하도록 두 음파 모드가 선택되어진다.

상기 시스템은 이격 영역의 이격을 모니터링하기 위한 광학적 및/또는 기계적 모니터를 더 구비할 수 있다. 상기 시스템은 상기 측정 회로부로부터 얻어진 정보를 사용하여 상기 유체 특성을 계산하는 계산부 또는 컴퓨터를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서 MMQSH는 압전 모노리틱 크리스털 필터를 포함하지만 압전 결합 연성 공진기 필터, 및 전자기 음향 트랜스듀서과 같은 다른 구조들이 적용될 수도 있다.

본 발명은 적어도 두 주파수에서 변화하는 전력레벨과 결합하여 여기 에너지를 제공하는데 이로써 상기 표면이 상기 주파수들에서 유체에 다양한 전단속도를 주도록 유발함으로써 변화하는 전단속도에서 측정이 이루어질 수 있게 한다.

본 발명의 선택적인 태양으로는 잡아 가두어진 에너지 영역으로 정의되는 추가된 체적의 영역을 포함하는 공진기가 제공되며, 여기서 잡아 가두어진 에너지 영역은 복수 개의 가로 속박 모드를 지지하는데 상기 모드들은 상기 잡아가둠 에너지 공진기 내에서 에너지 손실과 관련된 전기적인 임피던스를 제공하는 적어도 하나의 트랜스듀서와 상호작용한다.

본 발명에 따르면 점도, 밀도, 및 탄성계수의 세 파라미터 중에서 세 번째 파라미터가 알려져 있거나 가정할 수 있을 때 두 파라미터를 유도할 수 있는 센서와, 그러한 센서를 사용하여 측정을 수행하는 시스템 및 방법이 제공된다. 이러한 센서와 시스템 및 방법은 단일 장치에 통합되어 가능한 많은 파라미터들을 측정할 수 있게 한다는 점에서 센서 및 측정 방법상 분명한 장점이 있다할 것이다.

상술한 요약과 다음의 상세한 설명들은 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하도록 첨부된 도면들을 참조하여 보다 용이하게 이해되어 질 것이다. 하지만 그러한 도면들은 단지 예시로써 제공되는 것으로 본원 발명은 그러한 도면에 나타내어져 있는 세부적인 배치로 한정되지 않는다.
도 1은 기본적인 실시예로서 센서 구조에서 이상적인 조건하에서 선택된 운동 벡터를 나타낸 도면,
도 2는 횡적 무한 평면에서 단순화된 파 전달을 나타낸 도면,
도 3은 주어진 폭에서 파 전달을 나타낸 도면,
도 4는 여러 여기 모드에서 단순화된 파동 전달로서 대칭 및 비대칭 파동 프로파일을 나타낸 도면,
도 5는 바람직한 실시예의 상면도,
도 6은 도 5의 측면도,
도 7은 바람직한 실시예에 따른 동작 모드에서 액체 부하 모드와 액체 무부하 모드 사이의 삽입 손실 차이를 나타낸 도면,
도 7b는 선택적인 주름내에 잡아 가두어진 액체로 인하여 기인하는 추가적인 주파수 변화를 나타낸 도면,
도 8은 2-포트 MMQSH 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면,
도 9는 MMQSH 센서를 사용하여 유체의 점도 및 탄성계수를 측정하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 10은 MMQSH 센서를 사용하여 밀도 및 점도를 측정하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 11은 MMQSH 센서를 사용하여 밀도 및 탄성계수을 측정하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 12는 유체 변수들을 측정하기 위하여 MMQSH를 사용하는 시스템을 간략히 나타낸 도면, 및
도 13은 비압전소자 공진기를 사용하는 시스템을 간략히 나타낸 도면,

쉬운말로 하자면 본 발명의 바람직한 실시예에서는 음파 에너지가 속박되는 영역이 추가된 표면을 구비하는 압전판이 제공된다. 음향 공진기의 다양한 다중 공진 모드는 상기 표면상의 다양한 위치에서 운동의 극성 관계가 변하는 진동 운동을 가진다. 공진 모드들은 가장 바람직하게는 단일 음파 타입의 단일 두께 조화에서 횡 속박 에너지 부조화로부터 모두 유추된다. 일반적으로 주어진 장치 구조 내에 세가지 벌크 음파 타입과 적어도 하나의 표면파 타입이 있다. 벌크파들 중 하나는 준-압축 파이고 다른 둘은 준 전단파들이다. 가장 바람직한 케이스는 가능한 가장 높은 압전 결합과 가능한 가장 높은 수평 편파도를 가지는 준 전단파를 사용하는 것이다. 그렇지만 본 발명에서는 적어도 두 모드의 공진에서 기본적으로 비조화인 두 준 전단파 타입들을 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 표면에 대하여 접선 성분 운동이 유기되는 적어도 두 인접한 영역을 가진다. 제1 공진 주파수에서 두 영역 내의 접선 성분 운동은 위상이 일치(0°)하고 기본적으로 바깥 모서리, 즉, 영역들 중 외곽 영역에서 유기되는 수직 운동이다. 제2 공진 주파수에서 영역들 내의 접선 성분 운동은 위상이 어긋나고(180°) 영역들 사이의 면적에서는 제1 공진주파수에 비하여 실질적으로 높은 진폭을 가지는 수직운동을 겪는다. 아래에 기술한 바와 같이 이러한 운동들의 조합을 사용하는 것으로써 측정되어지는 유체 특성, 즉, 점도, 탄성계수, 및 밀도의 세 번째 특징이 알려지거나 가정될 때 어느 둘을 측정하는 것이 가능하게 된다. 당업자라면 다양한 지원 모드들의 자연 공진 주파수들 외의 어떠한 주파수에서 공진기의 여기는 면외 운동 왜곡의 변화를 가지는 주파수 근처에서 음파 공진의 중첩을 생성하는 다른 위상 관계를 가지는 에너지 분포를 초래한다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 다중 주파수들에서 그러한 여기는 면외 운동의 다른 정도를 초래하게 되지만, 자연 공진 주파수에서 또는 부근에서 여기의 장점이 있다는 것은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

본 명세서에서 수직 운동 및 수직 변위라는 용어는 면외 운동 또는 변위, 즉, 활성 평면/표면에 수직인 운동과 관련된다.

도 1에는 판 면에 대하여 영역 2 및 3 내에서의 수평 전단 운동을 유발함에 의하여 결합된 공진기를 형성하는 압전판 1을 포함하는 단순화된 센서의 단면을 나타내었다. 그러한 운동을 유발하는 것은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 예로써 트랜스듀서 5 및 6에 의하여 각각 제공될 수 있다. 도 1에서는 또한 수평 화살표 9 및 10으로 나타낸 바와 같이 영역 2 및 3이 서로 위상이 맞아 움직이는 판 운동을 나타내었다. 두 영역들 사이에서 이격된 영역 사이 공간 4에서는 어떠한 수직 운동이 있다고 하여도 적게 겪지만 영역들의 모서리들에서는 판 표면의 "좌굴" 운동의 결과로서 화살표 7 및 8로 표시된 바와 같이 수직 운동을 보인다는 것을 주목하여야 할 것이다. 하지만 판 영역 2 및 3이 화살표 9’및 10’으로 표시된 바와 같이 반대 위상을 가지고 움직일 때, 이격 공간 4는 반대 방향으로 급격한 수직 운동을 겪게 될 것이다. 이러한 두 모드의 진동은 적절히 설계된 단일 트랜스듀서에 의하여 여기될 수 있음은 자명하다 할 것이며 도면에 나타낸 것으로 본 발명을 한정하기 위한 것으로 이해되어서는 아니될 것이다.

거의 순수한 수평 전단파 여기는 가장 바람직한 실시예이다.; 하지만 소망하는 특성을 가지는 수많은 "기울여진" 전단파 기판들은 잘 알려져 있다. 한정이 아닌 예시로써, SC-컷 석영은 기울여진 준수평전단 모드들에서 훌륭한 진동 및 가속 감도를 제공한다. SC-컷은 주파수 제어 응용 분야에서 일상적으로 서로 다른 면외 성분을 가지는 두 파 타입을 동시에 여기시키는데 사용된다는 것을 주목하여야 할 것이다. 본 명세서를 이해할 때에 순수한 수평 편파는 단지 설명적인 목적이고 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 명세서에 걸쳐 유사한 기능을 만들어내기 위하여 그러한 기판을 사용하는 것이라는 점을 다시 한번 강조하고자 한다.

본 발명은 유한 빔 폭을 가지는 무한 평면파와 잡아 가둔 에너지파 사이의 잘 알려진 차이를 이용한다. 도 2에 간략한 예시로서 두께 t를 가지고 Y에 걸쳐 파 변위

인 단순한 판을 나타내었다. 이 판은 n의 홀수 정수배에서 공진을 지원한다.; 하지만 예시의 목적으로는 도시한 바와 같이 n=1임. 출원중인 미국특허 출원 11/814,074에 개시된 바와 같이 비록 n 값은

종속성을 요구하지만 합성 공진기를 사용하지 않는 두께 필드 여기에 연결되지 않는다. 즉, 두께 t인 물질의 유한 판을 살펴보면 Y=0에 중심이 맞춰진 Y축을 따라 압전 물질을 구성하면 Y를 따른 전기장

는 결정 덩어리 내에서 전단 XY 응력을 유발한다. 공진 조건은 음파 변위

를 가짐으로써 응력으로부터 자유로운 경계 조건을 만족한다. 파는 X 또는 Z에서 속박되지 않으며 평면 표면에 대하여 접선(수평) 편파를 가지는 순수 전단 변위를 가진다. 상기 파는

인 웨이브 벡터를 가진다. 전단파 조건은 변위와 웨이브벡터의 스칼라 도트곱

가 0을 만족하는 것이다. 상기 장치는 Y 방향의 전기장에 전기적으로 결합하는 세 벌크파 타입의 각각에 대하여 n번째 차수 주파수 하모닉 계열을 지원한다. 단순 명확한 설명을 위하여 전기장이 단일 준수평전단 벌크파에 결합되어 단일 계열의 하모닉들이 존재한다고 가정한다.

순수 전단파 모드의 기판과 이상적인(무점성의) 유체에서 존재할 수 있는 압축파 사이에는 어떠한 결합도 없을 것이므로 그러한 이상적인 공진기는 이상적인 무점성의 액체에 대해서는 어떠한 상호 작용도 가지지 않을 것이다. 뉴턴 점도

와 밀도

가 있다면 여기서는 점도 효과로 코히런트한 음파 진동으로부터의 에너지를 열로 변환하는 유체내로 전단파의 에너지 전달이 존재할 것이다. 하지만 이상적인 공진기의 경우에는 압축파의 방사가 있을 수 없을 것이다. 이상적인 공진기는 단일 차원에 한정되지만 실질적이지 않고 실제 공진기들은 유한한 횡차원을 가진다. Z를 따른 유한 차원 w를 두면 cos() 식을 사용한 공식은 홀수값 m과 결합되고 sin() 식을 사용한 공식은 짝수값 m과 결합되는

또는

로써 추정될 수 있는

로의 횡진동이 유발된다.

도 3에는 Y를 따라 두께 t이고 폭 w 및 파 변위

로 에너지를 잡아 가두는 단순 판을 나타내었다. 상기 판은 n 및 m의 정수배로 공진하는 것을 지원한다.; 하지만 실례의 목적으로는 도시한 바와 같이 n=1임. 실제로는 잡아 가둠이 불완전하여 필드가 전극폭 w를 넘어 새어나온다. 그러한 이상적인 공진기들에서 m값은 각 정수 M-

보다 약간 낮다. 단순 명확을 위해 전극들은 X 차원에서 길이를 가지는 것으로 도시하지 아니하였다.

파 벡터는 Z 성분

를 얻는다; 하지만

의 전단파 조건은 여전히 순수하게 X 편파된(순수 수평전단) 파를 만족한다. 순수 전단 해법은 평면 영역 범위의 모든 점들에서 접선 방향 편파를 가진다.

도 4에는 Y를 따라 두께 t이고 X를 따라 유한 길이

, 인 단순 판을 나타내었다. n=1 및 j=1에 대한 파 변위를 가지는 모드 프로파일 40은

으로, n=1 및 j=2에 대한 것은

으로 나타내어진다. 실제로는 전극을 넘어서 j=

유한 확장이 있다. 또한 도시한 바와 같이 해당 진폭 성분은 j=1에 대하여

및 j=2에 대하여

이다.

유한 X 차원을 유도함으로써 길이

에 대하여

로 추정되는 U_x로의 또 다른 횡진동이 유도된다. 파 벡터는 X 성분이

이다. 이 경우에 추가적인 음파 진폭

이 없으면 더 이상 전단파 조건

을 만족시키지 않는다. 진동 방향을 따른 유한 범위는 전단 수직 성분을 초래하고 순수 전단 해법은 장치 표면에서 더 이상 접선 방향으로 편파되지 않는다. 이는 유체와 결합된 에너지 방사 사이에서 경계의 국부적 수직 운동을 초래하여, 압축 파가 유체 내로 방사되게 한다. 실제 장치들에서 이러한 효과는 모드 수 j를 작게 하도록 순수 수평 전단 기판을 선택하고 길이 비율로 작은 두께를 가지는 전극을 적용함으로써 최소화할 수 있다. 이처럼 압축파 방사를 최소화하기 위하여 큰 전극을 사용하는 것은 추가적인 비조화 모드의 주파수 이격 요구에 의하여 제한된다고 일반적으로 알려진 가르침이다.

j=2와 연관되는 모드 프로파일은 전극길이에 걸쳐 영으로 집적되는 진폭을 가지며, 통상의 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 전극 구조에 매우 약한 접속을 가지게 됨이 주목된다. 다음 모드 j=3은 솔리드 전극에 영이 아닌 결합을 가지며 위에서 제안한 바와 같은 단일 트랜스듀서를 가지는 QCM 내에서 본 발명을 구현하는데 사용될 수 있다.

모노리틱 결정 필터(MCF)기반의 실시예에서는 대향하는 접지 전극으로 기준되는 입력 및 출력 전극으로 나뉘어지는 전극을 구비하는 적어도 하나의 표면을 구비한다. 그러한 2-트랜스듀서 장치에서는j=1 및 j=2와 관련된 공진들이 결합되며 다중모드 대역 통과 필터 응답을 형성한다. 이와 같은 결합된 공진기 구조로 바람직한 실시예를 제공하는데 이는 전기적인 전달 함수에 의하여 정의됨으로써 분리되어지는 입력 및 출력 포트를 제공하기 때문에 그러한 장치에 대해서 장치 설계를 단순화한다.

즉, 이를 요약하면, 도 1에서 화살표 7 및 8로 표시된 바와 같은 유한 차원의 모든 공진기들에서 평면에 대하여 수직인 작은 운동이 발생하는데 이 운동은 판의 활성 영역의 두께 대 길이 비율(t/

)과 비례하는 상수 K로 곱해져 평면내 운동 9 및 10에 비례하며, 모드 수의 비 j/n에도 비례하는 것으로 추정될 수 있디. 위에서의 설명으로부터 각 모드는 선택된 영역들내에서 서로 다른 평면외 운동을 유발하고 어떠한 주어진 실시예에서 평면 운동의 진폭은 j에 비례하게 된다는 것이 추론될 수 있다. 모드수 j에 비례하는 평면 운동의 증가는 j²에 비례하는 전력 손실을 야기시킨다.

QCM 기반의 실시예에서는 동일한 n 및 m에 해당하며 다른 홀수값 j를 가지는 적어도 두 공진 주파수를 가지며, 이 주파수들은 QCM 결정을 여기시키는데 사용되어질 것이다. 기본적으로 점도로 인하여 유발되는 전력 손실은 적어도 두 공진 주파수들에 대하여 거의 동일하게 된다.; 하지만 운동의 수직 성분과 연관되는 전력손실은 j값의 제곱에 비례하여 차이나게 된다. 전기적 효율을 감안하여 n=1, m=1이 되고 두 공진 주파수 모드들 각각에 대하여 j값이 1 및 3이 된다. ; 하지만 측정 오류를 최소화하기 위하여 사용되는 잉여 데이터를 얻기 위하여 추가적인 홀수값 j를 사용하는 것이 효과적이다. 보다 높은 j 차수 모드의 전기적 접속은 1/j에 의하여 적어지고 실질적인 값의 모드 수를 제한한다.

본 명세서에서 모드라는 용어는 공진 주파수 또는 그 부근에서 결정을 작동시킴으로써 얻어지는 저장 음파 에너지의 패턴과 관련된다. 실제적 응용으로 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서 비대칭 라벨은 짝수값 j에만 적용되고 j=2로부터 얻어진다. 이러한 가르침으로부터 장치의 중심에서 대칭 또는 그렇지 않은, 다른 j값을 가지는 어떠한 두 모드들이 본 발명에서 사용될 수 있고 잉여 데이터를 얻기 위하여 두 모드 이상의 모드들이 적용될 수 있을 것임은 당업자에 의하여 인식될 수 있을 것이다. 모드 선택의 용어에서 "대칭"은 영역들 내에서 기준 평면의 어느쪽으로도 동일한 방향의 평면 운동을 가지는 모드를 칭하며, "비대칭"은 상기 영역들내에서 반대 방향의 평면 운동을 가지는 모드를 칭한다.

MCF 기반의 바람직한 실시예에서는 분리된 전극을 구비하며 이는 접지 전극 13에 대하여 입력 전극 10과 출력 전극 11 사이에 에너지 전달을 제공한다. 바람직한 실시예에서 입력 및 출력 전극들이 대부분의 잡아 가두어진 음파 에너지를 수집 저장하는 두 영역들에 통합된다. 또한 두 전극이 결합된 영역들은 하나의 선택된 모드에 대하여 그들 사이의 갭에 걸치는 영역들에 연결되는 기본적으로 축에 평행한 기본적으로 동일한 횡 운동을 가지며, 제2 선택 모드에서 상기 축에 평행한 반대의 횡 운동을 가진다. 이러한 타입의 운동은 결합된 공진기의 두께 전단 모드로 알려져 있다. 대안적인 설계에서는 소위 두께 트위스트 모드를 적용하는데 이 모드에서는 횡운동 축이 전극들 사이의 갭에 평행하다. 이러한 두 조건들을 중재가 있을 수 있도록 전극들과 결정을 얼라인시키는 것이 가능하다. 갭에 대하여 운동축이 수직인 정도는 본 발명에서 제시한 효과를 허용하는 정도를 결정한다.

다중 모드 구조의 또 다른 바람직한 실시예에서는 TCRF로 알려지고 가장 바람직하게는 수평 전단 표면-가이트 음파로 구현되는 가로지르게 결합된 공진기 필터를 적용한다. TCRF는 MCF에 연속적이지만 표면 음파(SAW) 장치에서 잘 알려진 바와 같이 파들이 트랜스듀서 표면에 잡아 가두어질 수 있으며, 인터 디지털 트랜스듀서(IDT : interdigital transducer)의 주기에 해당하는 Z 방향의 주기적 진동을 가진다. 당업자 수준에서 이해되듯이 준수평전단 TCRF 도파관의 짝수 및 홀수 모드들은 MCF의 j=1 및 j=2 모드에 연속적이다.

도 5 및 도 6에는 본 발명의 간단한 실시예를 나타내었다. 도 5에는 그위에 전극 10 및 11을 가지는 압전 디스크 12를 나타내었다. 바람직하게는 접지 전극 13이 판의 반대편이 올려 놓아진다.; 하지만 다른 실시예에서는 접지 전극이 전극들 내에 맞물리게 놓여지며 또는 횡 필드 여기에서는 존재하지 않는다. 도 6에는 측면도를 나타내었다. 전극 10 또는 11에 의해 전극 10 및 11이 위상 일치(0°)된 상태에서의 횡운동을 위하여 자연 공진 주파수 F₁ 에서 에너지 E가 디스크에 제공되면 파장 진폭 성분은 평면외에 놓이고 그 수직 운동은 곡선 S로 나타내었다. 위상 불일치(화살표 16 및 17로 나타낸 바와 같이 180°)된 상태에서의 횡운동을 위하여 전극 10 및 11에 자연 공진 주파수 F₂의 에너지가 공급되었을 때의 수직 운동은 곡선 A로 나타내었다. 모서리 영역 14 및 14a 수직 운동은 대칭 및 비대칭 모드들의 양쪽 모두에서 존재하지만, 사이 영역 공간 4에서의 수직 운동 15은 훨씬 크고 j > 1인 모드들로만 유기됨을 알 수 있다. 그러한 영역들의 수와 그들의 정확한 위치는 j에 의존하며 오직 짝수값 j에 대해서 장치의 중심에 위치한 그러한 수직 운동 영역이다. 당업자에 의하여 인식되어질 수 있듯이, 정확한 자연 공진 주파수가 아닌 어떤 주파수에서 입력 전극 10의 여기는 가능하지만 실질적인 주파수 편차는 두 자연 공진 모드들의 중첩을 통하여 전극 10 및 11 하에서의 횡 운동 사이에 서로 다른 위상 관계를 제공하게 된다. 소망하는 유체 특성을 얻기 위하여 반복 재생적이고 충분히 작은 오프셋 주파수를 사용하면 풀 수 있는 반복 재생적인 변수가 됨은 당업자에 의하여 역시 이해되어질 것이다. 따라서 F₁ and F₂ 를 기술하는 것은 바람직한 실시예를 정의하기 위한 것이지 구체적인 한정조건이 아닌 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한 당업자라면 상기 구조들의 공진 주파수들은 온도와 압력 및 기타 다른 환경 영향들이 가해진 상태에서 변화됨을 인식할 수 있을 것이다. 또한 본 명세서에서는 전극 10에 에너지를 공급하도록 기술하였으나 이는 하나의 선택적인 동작 모드이며 여기에 제공된 원칙들은 접지 전극 13에 대하여 두 전극 10 및 11에 에너지를 공급하는 것과 같은 등가 모드의 동작들에까지 확장될 수 있음을 주목하여야 할 것이다.

바람직한 실시예에서는 2극 압전 장치를 사용한다. 입력 및 출력 공진기는 기판을 통하여 서로 결합되고 서로 접속되어 즉, 입력 공진기에서 출력 공진기에 이르는 과정에서 섭동이 생겨 소망하는 2극 주파수 전달 함수를 제공하게 된다. 그러한 근접한 연결을 이루기 위해서는 특수한 공진기 구조에 한정되는 방법들에 의하여 계산되거나 근사화될 수 있으며 이는 널리 공지된 것이다. 전반적으로 계산에는 먼저 한 공진기 외부에서와 다른 공진기의 방향으로 소멸 또는 플린징(fringing) 기계장의 정도를 추정하는 제1 추정 단계와, 그리고 한 공진기의 플링진장과 다른 공진기의 플린징장과의 중첩을 추정하는 단계를 포함하며 상기 상호 작용도는 상기 공진기들 사이의 결합 계수를 나타낸다. 계산의 바람직한 방법은 단면 구조를 다중 영역, 일차원, 및 기계적인 진폭의 연속성과 기계적인 응력의 연속성을 가지는 상기 영역들 사이에서 경계 조건을 가지는 도파관으로서 다루는 것이다. 그러한 경계값 분석에 의하여 연결된 구조와 연관된 주파수들에 대한 대칭 및 비대칭 모드들에 관하여 풀 수 있는 결합된 미분식을 얻는다. 이러한 계산방법은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 어떠한 편리한 방법들이 사용되어도 무방하다. 위에서는 두 반원 구조를 적용하였지만 다른 바람직한 응용들에서 사각형, 원형, 타원형, 쌍곡형, 및 기타 다른 공진기 모양들이 동일하게 적용될 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이 유체가 가해지지 않은 모드와 가해진 모드들 사이에서

과

에서 또는 부근에서 측정될 때 삽입 손실에는 차이가 있다. 낮은 주파수

에서의 전력소실은 기본적으로 장치와 액체 사이 경계면에서의 전단파 에너지에 기인하지만, 보다 높은 주파수

에서의 전력소실은 이러한 점성 손실과 유체내로 방사되는 압축 에너지에 기인하는 추가적인 손실

로 이루어진다. 전력 소실은 일반적으로 MCF 또는 TCRF와 같은 2-포트 장치에 대한 삽입 손실로서 특징되어진다. QCM과 같은 단일 포트 AWD 또는 횡 필드 공진기에서 손실 에너지는 임피던스 대 주파수 함수에서 저항 항으로 간주되며, 상기 저항이 증가된다는 것은 보다 높은 손실 및 보다 낮은 품질 계수 공진임을 나타낸다. 2-포트 삽입 손실은 도 8에 나타낸 바와 같이 등가 저항값으로 변환될 수 있고 이로써 일반적인 분석 기반이 가능하게 된다.

도 8에는 바람직한 실시예에 따라 동작되는 2-포트 MMQSH 센서의 등가 회로를 나타내었다. 이러한 현상학적인 모델은 물리적 전극 패시턴스에 대하여 두 트랜스듀서를 접지시키며, 0°(F₂ 에서 직렬공진) 및 180°(F₁ 에서 직렬공진) 전송 위상을 가지는 기계적인 공진에 의하여 음파적으로 두 전극을 결합시킨다. 전극 캐패시컨스는 입력 전극 및 출력 전극의 물리적 캐패시턴스를 나타낸다. MCF의 평행판에서는 전극 중첩 영역 A, 두께 t, 및 유전 상수

를 가지는 장치에서 C_o 를

로 나타낼 수 있다. 보다 완벽한 공식은 인터디지털 트랜스듀서와 횡 필드 전극에서 잘 알려져 있다. 일반적으로 정전 캐패시턴스에 관한 직렬 공진 회로의 동적 캐패시턴스를 구하기 위하여 물질의 압전 커플링 계수 k² 를 기반으로 하는 캐패시턴스 비율이 유도될 수 있다. 대안적으로 실효 트랜스포머의 음파와 전기 회로 사이에서 위의 구조적인 요소와 압전 상수

에 관한 전기 기계적 턴 비율을,

로써 정의할 수 있다. 이러한 비율을 사용하여 공진기의 N번째 하모닉에서의 동적 캐패시턴스

에 대한 결정의 실효 탄성 계수

를,

과 같이 나타낼 수 있다. 소망하는 자연 공진 주파수를 얻기 위하여 동적 인덕턴스 L_m가 설정될 수 있으며 그것은 결정의 밀도

및 두께 t에 관하여

와 같이 근사화시킬 수 있다.

유한 횡 차원 또는 소위 비조화 수 m 또는 j 에 관하여

또는

의 어느 것도 적절히 계수화할 수 없다. 따라서

을 추정하고 측정된 자연 공진 주파수로부터

을 계산하는 것이 더 바람직하다. 어떠한 경우에도 이러한 변수들은 임피던스가 복수 개의 구성 요소들에 의하여 결정되는 경우로 장치를 자연 공진 주파수가 아닌 어떤 주파수의 에너지로 여기시키는 경우에만 요구된다. 자연 주파수들은 정의에 의하여 연관되는 전송 경로 내에서 직렬 공진에 걸쳐 인덕턴스 및 캐패시턴스를 상쇄시키는 주파수들이므로 좁은 공진 폭과 적당한 손실을 가지는 장치에서 공진 주파수에서의 전기적 특성은 순수하게 연관된 운동 저항에 의하여 결정된다. 운동 저항의 결정 항은 근사적으로 모드 수 m 또는 j에 독립적이고, 결정 점도

에 관하여,

과 같이 나타낼 수 있다. 이러한 변수들은 유체 인가가 없을 때 MCF를 기술한다. 낮은 MHz 주파수 대역에서 일반적인 장치들에서

는 펨토 패럿 단위이고

는 밀리 헨리 단위이며,

은 싱글 옴 단위이다. 결과적인 직렬 공진의 품질 계수는,

을 직관적으로 만족하며, 이는 결정 공진기의 잘 알려진 주파수-Q 곱이다. 유체의 점도 효과는 마틴에 의하여 유도될 수 있으며, 기계적 인덕턴스 및 저항의 증가에 의하여 모델링될 수 있다. 이들 항목은

과 같이 나타낼 수 있다. 여기서

및

는 각각 유체의 시어 점도와 질량 밀도를 나타낸다.

압축 파 방사 저항을 기술하며 추정을 요하는 추가적인 항이 존재하는데 이는,

과 같이 대략적으로 근사화될 수 있다. 모드 수 j에 관한 이 항목의 종속성과 다른 j값들에 대한 하나 이상의 모드들에서 저항을 측정하는 것의 용이성으로

및

의 추정을 가능하게 한다.

와

사이의 차는

와 관련된다. 특히 삽입 손실은

의 경우에 j=1과 연관된 공진에서 유체가 인가되기 이전 및 이후에 저항을 추정하는데 사용될 수 있고, 저항 변화는,

과 같이 나타내어지는 결과를 가지며,

의 경우에 j=2에 대한 공진에서의 저항의 변화는,

과 같이 나타내어지는 결과를 가진다. 여기서, K₂ ~ 4K₁, 또는 다른 j 값에 대하여,

여기서 j=1,2,3,...K_o에 대하여 K_j ~ j²K₁ 은 j에 대하여 독립적이라고 가정하고,

는 오류항과 같은 다른 손실들의 합을 나타내며 남은 논의에 걸쳐 영이라고 가정하거나 암시적으로 제외하기로 한다. 실제 장치에서 K_o 는 모드 수에 약간 종속적이고 평균이 분석적으로 사용되게 된다.

계수 4는 j=2의 제곱에 해당한다. 저항 변화로서,

가 되는 차는,

과 같이,

가 되는 차는

과 같이 나타내어진다. 이러한 수학식의 시스템을 푸는데는 세 변수들중에서 알려지거나 가정되는 하나의 변수가 요구되어 그를 이용하는 장치 및 방법은 두 유체 변수의 측정을 가능하게 한다. 실제 장치들에서 j 값은 정확히 정수가 아니고 연관된 항 K_j는 센서 교정을 통하여 가장 잘 구해질 수 있다는 것에 주목하여야 한다.

상기한 수학식들은 바람직한 실시예에서 근사 및 설명하는 것에 불과하며 유사한 수학식들 및 방법들은 다른 계수들을 사용할 수 있다는 것도 주목하여야 할 것이다. 일반적인 태양으로, 압축 방사를 영으로 되돌리는 외삽법은 점도 및 밀도의 곱에 관한 정보를 추론할 수 있게 하지만, 두 모드들 사이의 손실의 차이는 유체 밀도와 탄성 계수의 곱에 관한 정보를 추론할 수 있게 한다.

당업자라면 모드 수를 영으로 되돌리는 외삽법은 점도 및 밀도의 곱에 관한 정보를 추론할 수 있게 하며, 손실 항에 대한 선형 커브 피팅을 포함하는 방법은 거기서의 피팅 경사로 유체 밀도와 탄성 계수의 곱에 관한 정보를 얻는다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서 두 모드 이상이 측정될 수 있고 적어도 제곱 오류 피팅은 위의 직접 해법 대신에 K_j와 연관된 알려지지 않은 유체 특성 항목을 얻는데 유용하게 사용될 수 있다는 것이 명백하여진다 할 것이다. 따라서, 측정되어나 가정된 밀도 (

)가 주어지면 유체의 점도 (

) 및 탄성계수 (

)을 측정하는 방법이 제공된다.

도 9에는 그 방법을 나타내었으며, X 축 (모드수 j_n)에 걸친 복 수의 파 진폭의 진동에 해당하는 복수의 자연 주파수를 가지는 MMQSH 공진기를 제공하는 과정, 모드 수 j₁에 해당하고 경사 K₁를 가지고 두 다른 영역들에서 위상이 맞아 이동하는 제1 자연 공진 주파수 F₁에서 에너지 E로 AWD를 여기시키는 과정, 모드 수j₂에 해당하고 경사 K₂를 가지고 두 다른 영역들에서 각각 반대의 위상 900 및 910을 가지고 이동하는 제2 자연 공진 주파수 F₁에서 에너지 E로 AWD를 여기시키는 과정, 및 대칭 및 비대칭 삽입 손실 905 및 915를 각각 측정하고 알려져 있는 유체없는 상태에서의 손실의 변화를 계산하는 과정을 포함하며, 여기서 제1 j 값 및 제2 j 값에 대한 K₁ 및 K₂ 는 두 개의 알려진 경사를 나타내며, 이전의 예시에서와 같이 j=1 및 j=2와 연관될 필요가 없다는 것을 주목한다.

본 명세서에서 대칭 및 비대칭은 두 영역들의 상대적인 운동을 나타내며 장치의 구조적 중심과 관련된 특수한 대칭이 아니라는 것을 주목하여야 할 것이다. 가장 바람직한 실시예에서 운동의 대칭과 구조의 대칭은 등가적이나 많은 대안적인 구현들 및 실시예들이 존재할 수 있다.

유체 밀도 (

)를 측정, 유추, 또는 가정하는 과정(920)에 의하여,

탄성계수 (

)은,

점도 (

)는,

과 같이 유도될 수 있다.

측정되거나 가정된 탄성계수 (c_F) 이 주어지면 유사한 센서를 사용하여 유체의 점도 (

) 및 밀도 (

)를 측정하는 방법이 제공된다. 그 방법을 도 10에 나타내었으며, 모드 수 j_n 값에 해당하며 x축을 따른 복수 속도를 가지는 파 진폭의 진동에 해당하는 복수 개의 자연 주파수를 가지는 압전 센서를 준비하는 과정, 두 다른 영역들에서 위상이 맞아 움직이는 제1 자연 공진 주파수 F₁ 의 에너지로 AWD를 여기시키고, 다른 영역들에서 각각 반대의 위상 940 및 950을 가지고 움직이는 제2자연 공진주파수로 AWD를 여기시키는 과정, 대칭 및 비대칭 삽입 손실 9455 및 955를 각각 측정하는 과정, 유체가 없는 상태에서의 알려진 손실로부터 손실의 변화를 계산하는 과정을 포함한다. 유체의 탄성계수 (c_F)을 측정, 추정, 또는 가정함에 의하여, 밀도 (

)는,

와 같이 계산되고,

점도 (

)는

와 같이 유도된다.

계속해서 유사하게는 측정되거나 가정된 점도 (

)가 주어지면 유체의 밀도 (

) 와 탄성계수 (

)을 측정하는 방법이 제공된다. 도 11에는 그 방법을 나타내었으며, 상기 방법은, 모드 수 j_n에 해당하며 x축 을 따른 복수 속도를 가지는 파 진폭의 진동에 해당하는 복수 개의 자연 주파수를 가지는 압전 센서를 준비하는 과정, 두 다른 영역들에서 위상이 맞아 움직이는 제1 자연 공진 주파수 F₁ 의 에너지로 AWD를 여기시키고, 다른 영역들에서 각각 반대의 위상 970 및 980을 가지고 움직이는 제2자연 공진주파수로 AWD를 여기시키는 과정, 대칭 및 비대칭 삽입 손실 975 및 985를 각각 측정하는 과정, 유체가 없는 상태에서의 알려진 손실로부터 손실의 변화를 계산하는 과정을 포함한다.

유체의 유체 점도 (

)를 측정, 추정, 또는 가정 990 함에 의하여,

중간 항목은,

와 같이 계산되며,

밀도 (

)는

와 같이 계산되며, 탄성계수 (

)은 중간 변수를 제공하고 밀도로 나눔으로써 계산될 수 있다.

위에서 기술한 바와 같이 미국 특허 10/597,487(이하 487 특허출원이라 칭함)에서는 기본적으로 감지 표면의 전체 영역에 걸쳐 액체를 잡아 가두는 주름진 표면을 사용하여 유체 밀도를 측정하는 것에 대한 가르침을 주고 있다. 본 명세서에서 텍스쳐 처리된 표면은 본 명세서에 개시한 다양한 태양들에 적용될 수 있으므로, 487 특허를 흐뜨리지 않는 범위내에서 487 특허 출원의 가르침을 본 출원에 결합하는 것을 고려하고자 하는데, 487 특허출원에 기술된 발명에서는 측정된 유체 밀도가 추정에 사용되며 단일 센서에 의하여 얻어지는 측정값으로부터 밀도, 점도, 및 탄성계수의 세 특징적인 변수들을 계산할 수 있게 한다. 도 7b에는 주름내에 잡아 가두어진 액체로 인하여 추가적인 주파수 변화

가 발생하는 것을 나타내었다. 이러한 변화는 당업자에 의하여 충분히 알려져 있는 바와 같이 점도로 기인하여 발생할 수 있는 다른 변화들에 추가적으로 발생한다. 주파수 시프트 정보에 대한 지식은 필요한 세 번째 정보를 제공하며, 이로써 탄성 및 점도의 분석에 측정된 밀도가 적용될 수 있도록 한다. 487 특허의 방법을 본 발명과 통합할 때 고려하여야 하는 것은 주름내에 잡아 가두어진 유체의 밀도에 기인한 질량 인가 시프트

를 적절히 계수화하기 위하여 모드 수 j_n에 해당하는 것으로 변화하는 주파수

을 적절히 선택하여야 한다는 것이다.

바람직한 실시예에서는 측정된 변수로서 삽입 손실을 사용하지만 당업자라면 등가 저항, 공진 Q, 및 기타 다른 측정값들이 유체 인가로 기인하는 것과 유사하게 변화하며, 삽입 손실 또는 등가 직렬 저항을 기술하는데 사용한 방법에서와 등가적으로 사용할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 삽입손실, 저항, Q 변화, 및 기타 다른 유사하게 작용하는 센서 변수들과 같은 변수들을 사용하는 것은 청구항들 및 상세한 설명에 걸쳐 등가적인 것으로 간주되어야 할 것이다.

방사 에너지의 특성 및 양은 표면에 수직인 운동 성분 |U_Y|²뿐만 아니라 유체 탄성계수

와 유체 밀도

에 종속적이다. 방사 에너지는 j²으로 변화하며 j=2 및 j=1 사이에서 이 항목에서는 명목상 4 대 1 차이가 있고 j=3 및 j=1 사이에서는 9 대 1의 비율이 됨을 알 수 있다.

또한, 명세서 및 도면들에서는 두께장을 따른 전기적 여기를 나타낸다.; 하지만 횡 필드 여기는 잘 알려진 것이고 동일하게 적용할 수 있다. 사실상 본 발명의 범위는 어떻게 판 1 면 운동이 여기되는가 하는 것으로 한정되지 않으며 압전 소자를 사용하는 것이 본 발명 범위의 중심은 더욱 아니다. 유체와 접촉하는 고체 물질들에 속박되는 음파와 작용하는 전자 회로들에 의한 많은 다른 수단들이 잘 알려져 있다. 일예로 전자기적 음파 트랜스듀서(electromagnetic acoustic transducer : EMAT)는 자기 바이어스 필드와 상호 작용하는 기판상에 올려 놓아진 전류 운반 와이어를 사용하는 것 과 같이 그러한 대안들 중의 하나이다. 당업자라면 본 발명의 범위는 그러한 여기 방법에도 미친다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 준수평전단(quasi-shear-horizontal) 변위축을 따른 횡적 속박으로 기인한 다중 모드들에서 파를 지지하는 고체 물질의 적어도 한 표면은 본 발명의 기본적인 태양을 가능하게 한다는 것이 명백하여진다 할 것이다. 에너지 잡아가둠은 압전 물질들내에서 음파 공진기들의 질량 인가를 통하여 발생할 수 있다. 전단파들은 자기적 상호 작용 또는 기타 다른 잘 알려진 방법들을 사용하여 비 압전 물질상에서도 여기될 수 있다. 따라서 본 발명은 그러한 공진기, 즉, 추가된 질량은 에너지를 잡아가둔 영역을 정의하고, 영역들은 복수 개의 횡 속박 모드를 지지하는 공진기에까지 미친다 할 것이다. 상기 모드들은 횡 속박된 에너지 잡아가둠 공진기에서 에너지 손실과 관련된 전기적 임피던스를 제공하는 적어도 하나이상의 트랜스듀서와 상호작용한다.

사실상 본 발명의 어떤 실시예들에서는 전통적인 벌크 음파 공진기를 적용할 필요가 없으며, 음파 평판 모드를 기반으로 하는 평면 공진기와 수평전단 표면 음파들 및 그와 같은 것을 사용하여 구현할 수 있으며, 이는 상술한 벌크 음파 공진기에 대하여 기술한 요구사항들을 만족하는 커플링된 파에서 제시된 조건들, 즉, 전단 표면 진폭의 편파에 의하여 정의되며 서로 다른 횡 진폭 프로파일을 가지는 제1 및 제2 모드를 만족하는 것을 얻을 수 있다. 예를들어 두 개의 표면 생성된 음파 장치의 도파관 장치를 근접하게 배치하면 가로지르게 커플링되는 공진기 필터가 만들어진다. 운동의 방향은 한 커플링 모드에 대해서는 두 파장들에서 동일하고, 다른 커플링 모드에 대해서는 역평행하다.

일예로써의 선택적인 실시예로 도 13에는 그러한 메탈 공진기 1300와 자기 바이어싱 필드 1310를 사용하여 동작하는 단순한 개략적인 시스템을 도시하였다. 변화하는 주파수 및/또는 전력 레벨로 전류를 공급하는 컨트롤러는 전자석 1320과 1330에 진동 에너지를 제공한다. 메탈 디스크 1300과 같은 공진기는 적어도 부분적으로 바이어싱 자기필드와 여기자인 전자석 1320과 1330의 진동 자기장내에 위치되어진다. 공진기 1300은 횡 속박을 위한 에너지 잡아가둠 구조를 가진다. 진동 필드에 기인한 에디 전류는 메탈 디스크내에서 시간조화 역장(force field)을 생성한다. 바이어싱 필드의 신중한 편파와 전자석들에서의 도체의 배향에 의하여 , 이 역장들은 횡적 속박에 의하여 가능하게 되는 다양한 모드들에 해당하는 자연 주파수들을 가지고 준수평 전단 음파들을 유발한다. 인접하는 유체의 점도, 밀도, 및 탄성으로 기인한 메탈 공진기의 운동에 대한 저항은 코일들 사이에서의 전달 손실의 변화와 단일 코일 내에서 저항 손실의 변화로서 관측되어진다. 이는 코일들과 공진기 사이의 커플링된 메커니즘의 상호 작용에 기인한다. 대안적으로, 광학 트랜스미터 1340과 리시버 1350와 같은 검출 메커니즘은 영역들 사이에서 형성되는 이격 영역의 이동을 추적하고, 그리하여 소망하는 유체 변수들을 계산하는데 사용되는 정보를 제공한다. 한 모드에서 여기되는 영역들, 또는 그들 사이의 이격 영역에서 제2 모드의 여기에서와 동일할 필요는 없다는 것이 주목되지만 바람직한 실시예에서 계산을 단순화하고 공진기 내에서의 비균일 현상을 최소화하기 위하여 상기 영역들은 서로 동일하게 맞추어질 것이 요구된다. 도 13은 단순화된 비한정적 예시로 제공된 것이며 기타 다른 실시예들도 본 발명의 범위와 당업자의 범위내에 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 도면에서 구동 필드를 바이어싱하는 실질적인 얼라인을 나타내기 위한 노력은 하지 않는다.

본 명세서에서 제공하는 것으로 유체 변수들을 추정하기 위하여 바람직하게 가장 단순하게 지원하는 회로는 도 12 블록도의 부분을 사용한다. 공진 주파수 F_A는 영위상 증폭기 520의 피드백 부재로서 센서 부재 510을 적용함으로써 추적된다.증폭기 게인이 센서 부재 손실을 초과하게 되면 이 루프 내에서 영위상 공진 주파수 F_A에서 진동이 일어나게 되며, 전체 루프 위상은 실질적으로 영 또는 360°의 배수가 된다. 주파수는 주파수 카운터 525와 같은 주파수 감지 장치에 의하여 측정된다.

밀도 뿐만 아니라 점도를 측정하기 위해서도 180도 증폭기 530의 피드백 부재로서의 센서 부재 510와 주파수 카운터 535와 같은 주파수 검출회로를 적용함으로써 공진 주파수 F_S가 추적된다. 도면에 나타내지는 않았지만 당업자라면 다른 회로들이 주파수 믹싱 또는 그와 같은 것과 같은 공통 모드 주파수 시프트를 감지하기 위하여 등가적으로 적용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 미국 특허 공개 2007-0144240-A1에 개시된 방법을 사용하여 본 명세서에서 제공되는 공식과 조합하면 점도, 밀도, 및 탄성계수을 구성하는 군에서 세 번째 변수가 알려지거나 가정되면 예를 들어 P_INA와 P_OUTA 또는 P_INS의 합 또는 차를 사용하고 위에서 제공된 공식을 사용함으로써 모든 두 변수들이 계산되어질 수 있다.

본 발명의 다른 태양은 압전 MMQSH 공진기를 포함하는 시스템에 미치며, 상기 시스템은 입력부 및 출력부와, 상기 MMQSH 공진기를 여기시켜 적어도 두 모드들에서 공진시키는 회로, 및 MMQSH 공진기로 입력되거나 그로부터 출력되는 적어도 하나의 에너지 변수를 측정하는 회로를 구비한다. MMQSH 공진기의 표면에 있는 다양한 영역들의 편파를 바꾸는 접선 운동을 유발하도록 두 모드들이 선택된다. 측정된 변수들은 일예로 삽입 손실, 주파수 시프트, 위상 시프트, 진폭 등일 수 있다.

미국 특허 7,181,957 및 US 7,219,537의 가르침은 본 발명에서 유용하게 사용되고 상기 두 특허들은 본 명세서에서 참조로써 통합된다는 것을 주목하여야 할 것이다.

가장 바람직한 실시예에서는 입력 및 출력 전기 포트들에 대하여 이격된 트랜스듀서를 구비한다.; 하지만 공통 포트를 통하여 전기 신호를 입력 및 출력할 수 있는데 그러한 장치들도 입력부 및 출력부를 가지는 것으로 본다. 전기적으로 신호를 생성하고 광학적 또는 기계적으로 진폭을 모니터링하여 전력 손실의 변화를 검출하는 것도 가능하다. 이러한 변형들은 모두 여전히 복수 개의 다중 모드의 준수평전단(quasi-shear-horizontal) AWD에 대한 복수 개의 전력 손실을 측정하는 범위에 있다.

바람직한 실시예에서는 단일 음파 타입과 결합하여 복수 개의 모드들을 적용하며, 보다 바람직하게는 단일 값의 모드 수 n 및 m을 사용하며, 가장 바람직하게는 n = m = 1에 대한 준수평전단파 타입을 사용한다. 보다 높은 차수의 n 및 m 모드들도 적용할 수 있다.

결정 단절면에서 전단파(X 및 Z 편파된)의 두 다른 편파를 사용하여 두 파 타입의 여기를 전기적으로 지지하는 것도 구현가능하다. 예를들어 SC-석영 및 유사한 이중 회전 단절면은 두 전단 모드의 여기를 허용한다. 당업자라면 압축파 생성에 기인하는 서로 다른 손실 분포를 가지고 다중 모드 여기시키기 위한 목적으로 이러한 두 모드들이 적용될 수 있고 이는 본 발명의 기본적인 가르침을 이루는 것임을 인식할 것이다.

본 명세서에서 개시한 것은 단지 예시적으로 본 발명은 그것으로 한정되지 않는다할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예들로 고려될 수 있는 것들이 기재되었으나 본원 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 실시예들, 변경, 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 그러한 다른 실시예들, 수정, 및 변경들은 여기서 기술되어진 본원 발명의 진정한 사상 및 범위내에 있다는 것은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

Claims

밀도, 점도, 및 탄성계수의 세 유체 특성들 중에서 측정할 두 유체 특성이 선택되고 나머지 유체특성인 세 번째 유체 특성과 관련된 정보는 알거나 가정되어 상기 선택된 두 유체 특성을 측정하는 시스템에 있어서,
상기 유체에 접촉되는 측정 표면과, 에너지 입력 포트 및 에너지 출력 포트; 제1 영역과 제2 영역 및 상기 영역들 사이로 정의되는 이격 영역을 구비하는 다중모드 준 수평전단(MMQSHR) 공진기;
상기 에너지 입력 포트부에 접속되어 상기 표면에 두 음파 공진 운동 모드를 주도록 기여하되 상기 공진기의 두 음파 모드에 해당하는 적어도 두 주파수 성분의 에너지를 공급하여 상기 에너지 공급에 따라 상기 표면에 공진 운동이 유발되게 하고 상기 두 음파 모드는 상기 서로 다른 음파 모드들의 공진 주파수에서 여기될 때 서로 다른 진폭의 상기 표면에 수직인 운동을 유발하도록 선택되는 여기 회로부; 및
MMQSHR 공진기로 입력 또는 그로부터 출력되는 적어도 하나의 에너지 변수를 측정하도록 기여하는 측정회로부; 와 상기 측정 회로부에 접속되어 상기 세 번째 유체 특성이 알려지거나 가정될 때 상기 유체 특성들을 계산하는 변수 계산부를 포함하는 유체 특성 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 에너지 입력부는 상기 에너지 소스에 결합되고, 상기 이격 영역의 변위를 모니터링하기 위한 광학적 또는 기계적 모니터를 더 포함하고 상기 모니터는 상기 측정 회로부에 접속된 유체 특성 측정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 계산 회로부로부터 얻은 정보를 사용하여 상기 유체 특성들을 계산하는 계산부 또는 컴퓨터를 더 포함하는 유체 특성 측정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 MMQSHR 공진기는 압전 모노리틱 크리스털 필터를 포함하는 유체 특성 측정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 MMQSHR 공진기는 가로지르게 접속되는 압전 공진 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 MMQSHR 공진기는 전자기 음파 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 시스템.
밀도, 점도, 및 탄성계수의 세 유체 특성들 중에서 측정할 두 유체 특성이 선택되고 나머지 유체특성인 세 번째 유체 특성과 관련된 정보는 알거나 가정되어 상기 선택된 두 유체 특성을 측정하는 방법에 있어서,
에너지 입력부와 상기 유체와 접촉하는 측정 표면을 구비하되 상기 측정 표면은 적어도 제1 영역과 제2 영역 및 상기 영역들 사이로 정의되는 이격 영역을 가지는 다중모드 준 수평전단 공진기 (MMQSHR) 를 준비하는 과정;
제1 및 제2 음파 모드로 여기시키도록 선택된 제1및 제2 주파수로 상기 에너지 입력포트를 통하여 여기 에너지를 공급하되, 상기 음파 모드들은 상기 표면에 수평 전단파 성분을 유발하고; 상기 이격 영역에서 상기 표면의 평면에 수직인 변위를 유발하도록 상기 제1주파수에서의 여기는 상기 영역들이 서로에 상대적으로 위상이 맞아 움직이고 상기 제2주파수에서의 여기는 상기 두 영역들이 서로에 대하여 상대적으로 위상이 어긋나게 움직이도록 여기 에너지를 공급하는 과정;
상기 제1및 제2 주파수에서 에너지 관련 변수들을 측정하는 과정; 및
상기 에너지 관련 변수들과 상기 세 번째 유체 특성과 관련된 정보를 사용하여 상기 두 유체 특성을 계산하는 과정;을 포함하는 유체 특성 측정 방법.
제7항에 있어서, 상기 에너지 관련 변수들은 삽입 손실, 주파수 시프트, 위상 시프트, 진폭, 전류 변화, 등가 직렬 저항, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항에 있어서, 상기 MMQSHR은 압전 크리스털을 포함하고 상기 입력부는 입력 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항에 있어서, 상기 계산 과정은 상기 계산된 유체 특성들의 각각에 대하여 별도로 계산하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제9항에 있어서, 상기 MMQSHR은 출력 트랜스듀서를 더 포함하고, 상기 입력 트랜스듀서와 상기 출력 트랜스듀서는 대향하는 접지 전극으로 기준되는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MMQSHR 센서는 음파 공진기, 평판 공진기, 및 수평 전단 표면 음파 공진기로 이루어지는 군에서 선택된 구조를 적용하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성계수는,

에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점도는,

에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀도는,

또는

에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면은 주름져 있고, 상기 주름 내에 잡아 가두어진 유체로 기인한 에너지 관련 변수들의 변화에 응답하여 상기 유체 밀도를 계산하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 공급과정은,
상기 표면이 제1 및 제2 주파수보다 높은 주파수로 공진되도록 추가적인 주파수들과 조합하여 여기 에너지를 제공하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제9항에 있어서 상기 압전 크리스털은 상기 여기에 응답하여 복수 개의 전단 모드를 허용하도록 커팅된 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서 상기 MMQSHR은 전기적으로 도전성 물질을 포함하고 상기 여기 에너지는 전자기적인 것인 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
제7항, 제8항, 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 공급 과정은 상기 주파수들에서 상기 유체에 변화하는 전단 속도를 주어 변화하는 전단 속도에서 측정을 가능하게 하도록 적어도 두 주파수에서 변화하는 전력 레벨과 조합하여 여기 에너지를 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 특성 측정 방법.
바이어싱 자기장;
진동하는 자기장;
하나이상의 도전성 표면 영역과 상기 바이어싱 및 진동 자기장내에 배치되는 에너지 잡아가둠 구조를 구비함으로써 상기 진동 자기장이 상기 도전성 표면 영역내에서 에디 전류를 유발하게 하고, 상기 에디 전류는 상기 바이어싱 자기장과 상호작용하여 공진기 내에서 시간조화 역장을 생성하여 상기 역장이 상기 공진기의 표면에서 준 수평전단 음파를 제공하되 상기 음파는 적어도, 제1 이격 영역을 사이에 구비하는 상기 표면의 제1 및 제2 영역이 서로에 대하여 상대적으로 위상이 맞아 움직이도록 선택되는 제1 주파수와, 제2 이격 영역을 사이에 구비하는 상기 표면의 제3 및 제4 영역이 서로에 대하여 상대적으로 위상이 어긋나 움직이도록 선택되는 제2 주파수를 가지도록 하여 상기 제2 주파수에서 상기 제2 이격 영역내 수직 변위를 유도하여 공진을 유발하는 에너지를 주는 공진기; 및
상기 표면중에서 선택된 영역들의 변위를 추적하도록 이루어진 추적부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 변수 측정 시스템.
제21항에 있어서, 상기 제1 이격 영역은 상기 제2 이격 영역과 동일하게 맞추어진 것을 특징으로 하는 유체 변수 측정 시스템.