KR101049946B1 - 전반사를 이용한 수위 조절 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전반사를 이용한 수위 조절 장치에 관한 것으로, 용기; 용기의 저면으로부터 수위 조절을 위한 기준 높이에 직선으로 된 하면이 위치하도록 배치되는 반원형 유리; 직선으로 된 하면의 중심점을 향해서 빛을 조사하고, 액체의 수위에 따라 조사된 빛이 전반사되거나 투과되는 각도의 위치에 배치되는 발광부; 중심점으로부터 반사되는 빛을 감지하는 수광부; 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 외부로부터 유입되는 액체를 차단하고, 빛이 감지되면 외부로부터 유입되는 액체를 통과시키는 제1 전동 벨브; 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 액체를 외부로 유출시키도록 개방되고, 빛이 감지되면 액체를 외부로 유출시키지 않도록 폐쇄되는 제2 전동 벨브; 및 수광부에서 빛이 감지되지 않음을 알리기 위한 경보부를 포함함으로써, 제작 경비가 저렴하고, 가볍고 작아 운반, 설치하기가 용이하며, 액체의 종류와 관계없이 사용할 수 있고, 고온의 액체나 위험한 화공약품, 점성이 강한 액체에서도 사용 가능한 효과가 있다.

Description

전반사를 이용한 수위 조절 장치{Apparatus for controling liquid level using a light reflection}
본 발명은 빛의 굴절율에 따른 전반사 현상을 이용하여 용기에 수납된 액체 등의 수위를 조절하기 위한 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 화장품을 만들 때 사용되는 화학약품 탱크에서 수위조절이 잘 안되어서 화학약품이 넘치면 무척 위험할 수 있다. 다른 예로, 논에 든 물에 대해서 수위조절이 안되면 주변 논 등에 피해를 줄 수도 있다.
기존의 수위 조절 장치로는 전극봉(ELECTRODE)식 수위조절기, 플로트(FLOAT)식 수위조절기, 오뚜기(QUICK)식 수위조절기가 있다.
전극봉(ELECTRODE)식 수위조절기는 전기가 잘 통하는 액체 속에서 다양한 길이의 전극봉에 미소전압이 가해지고, 액체의 수위가 높아지면 설정된 제어위치까지 각 전극들 사이로 액체를 통하여 전류가 흐르며, 이 전류가 릴레이를 작동하여 수위 조절을 하는 방식이다.
그러나, 전극봉(ELECTRODE)식 수위조절기는 기름 혹은 화공약품 등의 액체에는 사용될 수 없고, 응축수 탱크나 증기가 발생하는 탱크에는 사용될 수 없다.
플로트(FLOAT)식 수위조절기는 리드 스위치가 스테인리스 스틸 혹은 다양한 재질의 파이프 스템 안에 고정되어, 내부의 중간지점에 영구자석을 내장한 플로트가 부력에 의해 상하로 움직이는 방식이다.
그러나, 플로트(FLOAT)식 수위조절기는 화공약품 등에는 사용될 수 없고, 압력(5kg이상)이 높을 때는 별도로 주문 제작하여야 하며, 80℃ 이상의 온도에서 사용할 때도 별도로 주문 제작하여야 한다.
오뚜기(QUICK)식 수위조절기는 내부에 마이크로 스위치와 metal ball이 설치되어 있고, 플로트가 액체의 부력에 의해 움직일 때 metal ball이 아래쪽 방향으로 움직여서 마이크로 스위치를 작동하는 방식이다.
그러나, 오뚜기(QUICK)식 수위조절기는 후드나 걸림이 없는 곳을 선정하여 설치되어야 하며 후드 가까이에 부래가 있을 시는 흡입에 의하여 작동이 되지 않으며, 60℃이하에서만 사용 가능하고, 세제나 기름에 의하여 센서선이 경화될 수 있다.
한편, 수조에 물을 절반정도 담고 우유를 조금 넣은 후, 다양한 각도로 레이저포인터를 비추면서 빛이 진행하는 경로를 관찰할 수 있다. 레이저포인터를 쏘는 각도에 따라 빛이 물 속에서 공기로 굴절하기도 하고, 물과 공기의 경계면을 지나가기도 하고, 모두 반사하기도 하였다. 물 속에서 공기로 레이저포인트를 쏘면 빛이 물 속에서는 직진하다가 공기로 갈 때 굴절을 하게 된다. 그런데 입사각을 계속 크게 하면 빛이 공기와 물의 경계면을 지나가는 순간이 있다.
따라서, 빛이 유리에서 공기로 갈 때, 유리에서 물로 갈 때 전반사할 수 있 는 최소의 입사각(임계각)을 이용하여, 어느 곳이던지 편리하게 수위조절을 하거나 수위를 알려주는 장치를 제공할 필요성이 있다. 또한, 기름과 같이 점도가 높은 액체나, 화공약품, 높은 온도에서도 사용할 수 있는 수위 조절 장치를 개발할 필요성이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 빛이 유리에서 공기로 갈 때, 유리에서 물로 갈 때 전반사할 수 있는 최소의 입사각(임계각)을 이용하여 어느 곳이던지 편리하게 수위 조절을 하거나 수위를 알려주는 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기름과 같이 점도가 높은 액체나, 화공약품, 높은 온도에서도 사용할 수 있는 수위 조절 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치는 액체를 수납하기 위한 용기; 곡선으로 된 상면, 직선으로 된 하면 및 직선으로 된 2개의 측면으로 구성되고, 상기 용기의 저면으로부터 수위 조절의 기준으로 설정된 기준 높이에 상기 직선으로 된 하면이 위치하도록 배치되는 반원형 유리; 상기 직선으로 된 하면의 중심점을 향해서 빛을 조사하고, 상기 곡선으로 된 상면의 상부에 배치되며, 액체의 수위가 상기 기준 높이보다 낮을 때 상기 조사된 빛이 전반사를 일으키고 상기 기준 높이보다 높거나 같을 때 상기 조사된 빛이 굴절되어 투과되는 각도의 위치에 배치되는 발광부; 상기 중심점으로부터 반사되는 빛을 감지하고, 상기 곡선으로 된 상면의 상부에 배치되며, 상기 중심점을 포함하고 상기 용기의 저면에 대해 수직인 중심선을 기준으로 상기 발광부의 반대편에 배치되는 수광부; 상기 용기의 측면에 배치되고, 상기 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 외부로부터 유입되는 액체를 차단하고, 빛이 감지되면 외부로부터 유입되는 액체를 통과시키는 제1 전동 벨브; 상기 용기의 측면에 배치되고, 상기 용기의 저면을 기준으로 한 상기 제1 전동 벨브의 높이보다 낮은 곳에 배치되며, 상기 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 액체를 외부로 유출시키도록 개방되고, 빛이 감지되면 액체를 외부로 유출시키지 않도록 폐쇄되는 제2 전동 벨브; 및 상기 수광부에서 빛이 감지되지 않음을 외부로 알리기 위한 경보부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 상기 발광부는 레이저 포인터이고, 상기 수광부는 광 센서이며, 상기 경보부는 경보 LED 디바이스 또는 경보 스피커일 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 상기 발광부 또는 상기 수광부의 각도는 유리와 공기 사이의 경계면에서의 임계각 내지 유리와 액체 사이의 경계면에서의 임계각 사이에 속할 수 있다.
본 발명에 따르면, 빛의 전반사 원리를 적용하여 원하는 액체의 높이를 감지하고, 수광부에서 나오는 신호에 의해 경보장치 (경보 스피커, 경보 LED)와 전동 밸브가 작동하여 댐이나 기름탱크, 위험한 화공약품 저장탱크의 수위를 자동으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전반사를 이용한 수위조절장치는 제작 경비가 저렴하고 가볍고 작아 운반, 설치하기 쉬우며 설치공간을 적게 차지하여 수위 조절 장치 로 효과적으로 이용할 수 있다. 액체의 종류와 관계없이 사용할 수 있고 장치가 부식이 되지 않아 고온의 액체나 위험한 화공약품, 점성이 강한 액체에서도 사용 가능하다. 또한, 경보장치로 경보 스피커와 경보 LED를 사용하므로 일반인뿐만 아니라 장애인도 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
빛이 물(또는 액체) 속에서 공기로 지나갈 때 물과 공기의 경계면을 지나는 각도가 발견될 수 있다. 레이저 포인터와 같은 발광부(110)는 물 속에 장착되고, 광 센서와 같은 수광부(120)는 공기와 물의 경계면에 설치된다. 빛이 물 속에서 공기로 지나갈 때 물과 공기의 경계면을 지나가도록 발광부(110)를 물 속에 장착한다. 물이 광 센서를 설치한 높이까지 올라오면 발광부(110)에서 나온 빛은 수광부(120)로 들어오게 된다. 빛이 수광부(120)로 들어오면 물이 일정한 높이까지 올라왔음을 알려준다.
도 1의 실시예에서, 발광부(110)는 물 속에 설치되고, 물 속에 있는 장애물이 빛의 진행 경로를 가로막을 수 있으며, 물이 출렁이면 빛이 수광부(120)로 제대로 들어올 수 없는 염려가 있다. 따라서, 전반사를 이용하여 물 높이를 감지하는 장치를 만들 때, 물 속이 아닌 다른 곳에 발광부를 장착하는 방법을 찾을 필요가 있다.
예를 들어, 발광부를 다양한 각도로 직각 프리즘, 반원형 유리, 광섬유에 비추어 빛이 진행하는 경로를 관찰하면, 빛이 전반사할 수 있음을 알 수 있다. 빛이 물 속에서 공기로 갈 때뿐만 아니라 유리에서 공기로 갈 때도 전반사할 수 있는데 이것은 물질마다 빛이 진행하는 속도가 다르기 때문이다. 전반사는 빛이 높은 굴절률의 물질에서 낮은 굴절률의 물질로 진행할 때에만 일어나는 현상이다. 예를 들어, 유리의 굴절률은 물과 공기의 굴절률보다 더 크다. 빛이 유리에서 공기로, 유리에서 물로 지나갈 때도 전반사하므로 반원형 유리를 사용하여 물 높이를 감지하는 장치를 만들 수 있다. 따라서, 전반사를 이용하여 물 높이를 감지하는 장치를 만들 때, 물 속이 아닌 반원형 유리에 레이저 포인터와 같은 발광부를 장착하기로 하였다.
이하에서는, 물의 높이를 감지하기 위해서 빛이 유리에서 공기로 지나갈 때는 전반사하고 유리에서 물로 지나갈 때는 굴절을 하도록 발광부를 설치하는 실시예를 설명하고자 한다.
먼저, 빛이 유리에서 공기로 지나갈 때와 유리에서 물로 지나갈 때 전반사할 수 있는 최소의 입사각 즉, 임계각을 찾을 필요가 있다. 다양한 각도로 발광부를 조사하여 빛이 전반사할 수 있는 최소의 입사각(임계각)을 찾아보았다(표 1).
빛이 유리에서 공기로 갈 때 빛이 유리에서 물로 갈 때
입사각 굴절각 입사각 굴절각
15° 23° 30° 35°
18° 27° 33° 38°
21° 31° 36° 41°
24° 37° 39° 46°
27° 42° 42° 48°
30° 49° 45° 53°
33° 55° 48° 56°
36° 62° 51° 61°
39° 71° 54° 65°
40° 76° 57° 70°
42° 80° 60° 75°
43° 85° 63° 87°
44° 90° 65° 90°
반원형 유리에 발광부를 설치할 적절한 위치를 찾기 위해서는 우선 빛이 유리에서 공기로 지나갈 때와 유리에서 물로 지나갈 때 전반사할 수 있는 임계각을 알아야 한다. 빛이 유리에서 공기로 갈 때는 입사각이 45°이상인 경우부터는 모두 반사를 하였고, 유리에서 물로 갈 때는 입사각이 66°이상인 경우부터는 모두 반사를 하였다. 따라서 실험으로 찾은 유리와 공기 사이의 경계면에서의 임계각 (유리→공기)는 44°이고, 유리와 물 사이의 경계면에서의 임계각 (유리→물)은 65°이었다. 실험에서 얻은 측정값을 이론값과 비교하여 보았다. 이론값은 유리와 공기 사이의 경계면에서의 임계각 (유리→공기)는 약 43°이고, 유리와 물 사이의 경계면에서의 임계각 (유리→물)은 약 64°이었다. 따라서 본 발명의 예시적인 실시예로서, 빛이 유리에서 공기로 지나갈 때는 전반사하고 유리에서 물로 지나갈 때는 굴절할 수 있도록 발광부를 법선에 대해 50˚ 정도의 위치에 설치하기로 하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부, 반원형 유리, 수광부의 배치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
광 센서와 같은 수광부(220)는 빛이 들어올 때는 작동하지 않고(즉, off되고), 빛이 들어오지 않을 때 작동하도록(즉, on되도록) 구성할 수 있다. 발광부(210)를 반원형 유리(230)의 상부에서 법선에 대해 50˚ 정도의 위치에 설치하면 물이 유리에 닿는 순간 빛이 굴절을 하기 때문이다. 따라서, 빛이 전반사해서 수광부(220)로 들어올 때는 작동하지 않고 빛이 굴절하여 들어오지 않으면 작동하게 된다. 예를 들어, 밤에만 켜지는 가로등은 빛이 강한 경우에는 광 센서가 전원을 차단하여 가로등에 불이 들어오지 않고 빛이 약한 경우에는 전원이 연결되어 가로등에 불이 들어오는 원리와 유사하게 동작할 수 있다. 발광부(210), 수광부(220), 반원형 유리(230)는 용기(240)의 내부에 설치된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는, 반원형 유리(330)의 상부에서 법선으로부터 50°인 위치에 발광부(310)와 수광부(320)가 부착되었으나, 그 각도는 반드시 50°로 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 다양한 각도로 부착될 수 있다.
한편, 용기(340)의 일측면에는 수도 꼭지(350)가 설치되어 외부 유입원(360)으로부터 용기(350)로 물이 들어오게 할 수 있다.
수광부(320)의 예로서 사용되는 광 센서는 야간에 가로등의 빛 자동 점멸에 사용되는 회로로써 광 센서에 빛이 들어오면 동작하지 않고 빛이 들어오지 않으면 동작하는 트랜지스터로 된 회로이다. 수광부(320)는 빛이 들어오면 저항이 내려가고 빛이 들어오지 않으면 저항이 올라가게 하는 스위치 역할을 하게 되어 빛이 들어오지 않으면 경보 장치(예를 들어, 경보 LED(380), 경보 스피커(370))가 작동하게 된다. 즉, 광 센서와 경보 장치는 빛이 들어올 때는 OFF 상태로 작동하고 빛이 들어오지 않을 때에는 ON상태로 작동할 수 있다.
상술한 실시예는, 발광부(310)를 물 속에 설치할 필요가 없으므로, 물 속에 있는 장애물이 빛의 진행경로를 가로막거나 물이 출렁임으로써 빛이 수광부(320)로 제대로 들어오지 않을 염려가 없는 장점이 있다.
발광부(310)에서 나온 빛은 전반사를 일으켜 수광부(320)로 들어갈 수 있고, 이 경우 수광부(320)에 연결되어 있는 경보 장치(370,380)가 동작하지 않게 된다. 수광부(320)로 들어오던 빛이 끊기게 되면 수광부(320)에 연결되어 있는 경보 장치(370,380)가 동작하여 물 높이가 기준 높이에 이르렀음을 알려줄 수 있다.
결국, 물이 반원형 유리(330)에 닿으면 전반사하던 빛이 굴절하여 수광부(320)로 들어오지 않게 되어 경보 장치(370,380)가 작동한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다. 본 실시예는 물이 일정한 높이까지 올라왔을 때 수위 조절이 될 수 있도록 물을 자동으로 빼내는 것을 특징으로 한다.
본 실시예는 외부 유입원(460)에서 들어오는 물을 수도꼭지(350)를 사용하여 수동으로 차단하지 않고, 물의 높이를 감지하여 자동으로 물을 차단하기 위해 제1 전동 밸브(440)를 설치할 수 있다. 즉, 물의 높이를 감지하여 외부 유입원으로부터 더 이상 물이 들어오지 않게 제1 전동 밸브(440)를 설치하여 물을 자동으로 차단할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치는 용기(490), 반원형 유리(430), 발광부(410), 수광부(420), 제1 전동 벨브(440), 제2 전동 벨브(450), 경보부(470,480)를 포함한다.
용기(490)는 액체를 수납한다. 반원형 유리(430)는 곡선으로 된 상면, 직선으로 된 하면 및 직선으로 된 2개의 측면으로 구성되고, 용기(490)의 저면으로부터 수위 조절의 기준으로 설정된 기준 높이에 직선으로 된 하면이 위치하도록 배치된다.
발광부(410)는 직선으로 된 하면의 중심점을 향해서 빛을 조사하고, 곡선으로 된 상면의 상부에 배치되며, 액체의 수위가 기준 높이보다 낮을 때 조사된 빛이 전반사를 일으키고 기준 높이보다 높거나 같을 때 조사된 빛이 굴절되어 투과되거나 산란되는 각도의 위치에 배치된다. 발광부(410)는 레이저 포인터일 수 있다. 발광부(410)의 배치 각도는 유리와 공기 사이의 경계면에서의 임계각 내지 유리와 액체 사이의 경계면에서의 임계각 사이에 속한다.
수광부(420)는 상기 중심점으로부터 반사되는 빛을 감지하고, 곡선으로 된 상면의 상부에 배치되며, 중심점을 포함하고 용기(490)의 저면에 대해 수직인 중심선을 기준으로 발광부의 반대편에 배치된다. 수광부(420)는 광 센서일 수 있다.
제1 전동 벨브(440)는 용기의 측면에 배치되고, 수광부(420)에서 빛이 감지되지 않으면 외부로부터 유입되는 액체를 차단하고, 빛이 감지되면 외부로부터 유입되는 액체를 통과시킨다.
제2 전동 벨브(450)는 용기(490)의 측면에 배치되고, 용기(490)의 저면을 기준으로 한 제1 전동 벨브(440)의 높이보다 낮은 곳에 배치되며, 수광부(420)에서 빛이 감지되지 않으면 액체를 외부로 유출시키도록 개방되고, 빛이 감지되면 액체를 외부로 유출시키지 않도록 폐쇄된다.
경보부(470,480)는 수광부(420)에서 빛이 감지되지 않음을 외부로 알린다. 경보부(470,480)는 경보 LED 디바이스 또는 경보 스피커일 수 있다.
상술한 구성요소들을 구체적으로 설명하면, 수광부(420)는 빛이 들어오면 저항이 내려가고 들어오지 않으면 저항이 올라가게 하는 스위치 역할을 하게 되어, 수광부(420)로 빛이 들어오지 않으면 경보 장치(470,480)가 작동하고 제1 전동 밸브(440)는 잠기게 된다. 즉, 수광부(420), 경보 장치(470,480) 및 제1 전동 밸브(440)는 빛이 들어올 때는 OFF 상태로 작동하고 빛이 들어오지 않을 때에는 ON 상태로 작동하도록 설치될 수 있다.
발광부(410)에서 나온 빛은 전반사를 일으켜 수광부(420)로 들어간다. 이때, 수광부(420)에 연결되어 있는 경보 장치(경보 스피커와 LED)(470,480)가 동작하지 않고 물이 외부 유입원(460)에서 계속 들어오도록 한다.
한편, 수광부(420)로 들어오던 빛이 끊기게 되면 수광부(420)에 연결되어 있는 경보 장치(470,480)가 동작하여 물의 높이가 사용자가 수위를 조절하기 위해서 미리 설정한 기준 높이가 되었음을 알려줄 수 있다. 이 때는 제1 전동 밸브(440)가 잠기게 되고 물이 외부 유입원(460)으로부터 더 이상 유입되지 않는다.
한편, 법선에서 50°인 위치에 발광부(410) 및 수광부(420)를 반원형 유리(430) 위에 부착한다. 물의 높이를 감지하는 수광부(420)에서 나오는 신호로 수위를 조절하기 위한 전동 밸브를 2개 설치한다(440,450). 수광부(420)에서 나오는 신호에 의해 제1 전동 밸브(440)는 폐쇄되어 외부 유입원(460)으로부터 들어오는 물을 차단하고, 제2 전동 밸브(450)는 개방되어 용기(490)의 물을 빼낼 수 있도록 구성한다.
수광부(420)는 야간에 가로등의 빛 자동 점멸에 사용되는 회로로써 빛이 들어오면 동작하지 않고 빛이 들어오지 않으면 동작하는 트랜지스터로 된 회로일 수 있다. 수광부(420)는 빛이 들어오면 저항이 내려가고 들어오지 않으면 저항이 올라가게 하는 스위치 역할을 하게 되어 수광부(420)로 빛이 들어오지 않으면 경보 장치(470,480)와 전동 밸브(440,450)가 작동하게 된다. 즉, 수광부(420), 경보 장치(470,480) 및 전동 밸브(440,450)는 빛이 들어올 때는 OFF 상태로 작동하고 빛이 들어오지 않을 때에는 ON 상태로 작동한다. 즉, 빛이 수광부(420)로 들어오지 않을 때 제1 전동 밸브(440)는 폐쇄되어 외부 유입원(460)으로부터 들어오는 물을 차단하고, 제2 전동 밸브(450)는 개방되어 용기(490)의 물을 빼게 된다.
발광부(410)에서 나온 빛은 전반사를 일으켜 수광부(420)로 들어간다. 이 때는 수광부(420)에 연결되어 있는 경보 장치(경보 스피커와 LED)(470,480)가 동작하지 않고 외부 유입원(460)에서 물이 계속 들어온다. 한편, 수광부(420)로 들어오던 빛이 끊기게 되면 수광부(420)에 연결되어 있는 경보 장치(470,480)가 동작하여 물의 높이가 기준 높이가 되었음을 알려준다. 이 때는 제1 전동 밸브(440)는 폐쇄되어 외부 유입원(460)에서 물이 더 이상 들어오지 않고 제2 전동 밸브(450)는 개방되어 용기(490)의 물을 빼냄으로써 자동으로 수위 조절을 할 수 있다.
결과적으로, 물이 반원형 유리(430)에 닿으면 전반사하던 빛이 굴절하여 수광부(420)로 들어오지 않아 자동으로 수위 조절이 된다.
기존의 수위 조절 장치는 광 센서가 직접 액체와 접촉하는 방식이어서 화공약품, 기름처럼 점도가 높은 액체, 높은 온도에서는 사용할 수가 없다는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 다양한 액체가 반원형 유리에 닿았을 때 법선에 대해 50˚의 위치에 설치한 발광부에서 나오는 빛이 수광부로 들어오는지 않는지를 실험해 보았다. 장마철에 물이 흙탕물이 되었을 때, 우리가 먹는 음식물인 우유, 물이 얼거나 물의 온도가 높을 때, 일상생활에서 흔히 사용하는 세제, 식용유나 글리세린처럼 점성이 강한 액체, 위험한 화공약품 등 다양한 액체를 사용하여 실험을 해 보았다. 그 결과, 액체가 유리에 닿지 않았을 때는 빛이 유리에서 공기로 지나가는 경우와 같으므로 모두 전반사하였다. 액체가 유리에 닿았을 때의 경우를 살펴보면 흙탕물이나 우유 같은 경우에는 빛이 통과하지 못하고 산란하였다. 이 경우 광 센서로 들어가는 빛은 없었다. 식용유, 글리세린, 휘발유의 경우에는 유리와 굴절률이 비슷하여 빛이 거의 그대로 지나가는 것을 볼 수 있었다. 나머지 액체에서도 빛이 굴절하여 역시 광 센서로 들어가지 않았다. 액체가 유리에 닿았을 때 빛이 광 센서로 들어가지 않으므로 액체의 높이를 감지할 수 있다는 것을 알았다. 빛의 전반사 원리를 이용하면 원하는 액체의 높이를 감지할 수 있으며, 특히 기름과 같은 점도가 높은 액체나, 화공약품, 높은 온도의 액체에서도 수위조절을 할 수 있다는 것을 알았다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 수광부(510)는 빛이 차단되었을 때 작동하는 회로로 만들고 제2 수광부(525)는 빛이 들어올 때 작동하는 회로로 구성한다. 물이 h만큼 올라왔을 때는 전반사가 일어나지 않으므로 제1 수광부(510)는 전동 밸브(도시되지 않음)를 폐쇄하고, 물이 줄어들어 h0만큼 내려갔을 때는 전반사가 일어나서 제2 수광부(525)는 전동 밸브(도시되지 않음)를 개방하도록 하여 물을 공급하게 된다. 이때는 발광부(505,520)와 수광부(510,525)가 액체에 잠겨도 상관이 없어야 하므로 발광부(505,520)와 수광부(510,525)를 유리 속에 내장할 수 있다.
따라서, 하나의 용기(540) 속에 반원형 유리(515,530), 발광부(505,520), 수광부(510,525)를 서로 다른 높이로 2개를 설치하면 수위가 언제나 h와 h0사이에 있게 할 수 있다. 즉, 전반사를 이용하여 수광부(510,525)에서 나오는 신호로써 유입되는 물의 수위를 조절할 수 있는 무인 수위 조절 장치로 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 빛의 전반사를 이용하여 액체의 높이를 감지하고, 광 센서에서 나오는 신호로 작동하는 경보 장치와 전동 밸브로 수위를 자동으로 조절할 수 있으며, 장치가 가볍고 작아 운반, 설치하기가 쉬우며 설치공간을 적게 차지하고, 가격이 저렴하고 경제적이며 누구나 쉽게 제작할 수 있어 대량 제작 및 보급이 용이하다.
또한, 상술한 발명은 댐의 교각에 설치를 하여 댐의 수위를 조절할 수 있고, 약품의 높이를 잴 때도 사용이 가능하며, 액체의 종류와 관계없이 사용할 수 있고 장치가 부식이 되지 않고, 고온의 액체나 위험한 화공약품, 점성이 강한 액체에서도 사용 가능하며, 서로 다른 높이로 장치를 2개를 설치하여 물의 수위가 언제나 h와 h0 사이에 있게 함으로써 무인 수위 조절 장치로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부, 반원형 유리, 수광부의 배치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전반사를 이용한 수위 조절 장치를 도시한 도면이다.

Claims (3)

  1. 액체를 수납하기 위한 용기;
    곡선으로 된 상면, 직선으로 된 하면 및 직선으로 된 2개의 측면으로 구성되고, 상기 용기의 저면으로부터 수위 조절의 기준으로 설정된 기준 높이에 상기 직선으로 된 하면이 위치하도록 배치되는 반원형 유리;
    상기 직선으로 된 하면의 중심점을 향해서 빛을 조사하고, 상기 곡선으로 된 상면의 상부로서 수면 밖에 배치되며, 액체의 수위가 상기 기준 높이보다 낮을 때 상기 조사된 빛이 전반사를 일으키고 상기 기준 높이보다 높거나 같을 때 상기 조사된 빛이 굴절되어 투과되는 각도의 위치에 배치되는 발광부;
    상기 중심점으로부터 반사되는 빛을 감지하고, 상기 곡선으로 된 상면의 상부로서 수면 밖에 배치되며, 상기 중심점을 포함하고 상기 용기의 저면에 대해 수직인 중심선을 기준으로 상기 발광부의 반대편에 배치되는 수광부;
    상기 용기의 측면에 배치되고, 상기 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 외부로부터 유입되는 액체를 차단하고, 빛이 감지되면 외부로부터 유입되는 액체를 통과시키는 제1 전동 벨브;
    상기 용기의 측면에 배치되고, 상기 용기의 저면을 기준으로 한 상기 제1 전동 벨브의 높이보다 낮은 곳에 배치되며, 상기 수광부에서 빛이 감지되지 않으면 액체를 외부로 유출시키도록 개방되고, 빛이 감지되면 액체를 외부로 유출시키지 않도록 폐쇄되는 제2 전동 벨브; 및
    상기 수광부에서 빛이 감지되지 않음을 외부로 알리기 위한 경보부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 수위 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 레이저 포인터이고, 상기 수광부는 광 센서이며, 상기 경보부는 경보 LED 디바이스 또는 경보 스피커인 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 수위 조절 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광부 또는 상기 수광부의 각도는 유리와 공기 사이의 경계면에서의 임계각 내지 유리와 액체 사이의 경계면에서의 임계각 사이에 속한 것을 특징으로 하는 전반사를 이용한 수위 조절 장치.
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