KR101245268B1 - 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치 - Google Patents

액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치 Download PDF

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KR101245268B1
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Abstract

본 발명은 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치에 관한 것으로, 본 발명의 장치는 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 자기장 왜곡(Magnetostriction)을 이용하여 액면높이와 비중을 측정할 수 있도록 된 액면높이 및 비중 측정장치에 있어서, 중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 받침 테두리가 형성된 원통형 몸체와, 상기 받침 테두리에 안착되어 상기 프로브 샤프트가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드와, 상기 상부 가이드 위에서 밀착 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 탄성파를 생성하는 액면높이 측정용 영구자석과, 상기 몸체의 하부에 끼워져 비중 측정용 부표 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드로 구성된 액면높이 측정용 부표; 및 외경이 크고 길이가 작은 하부 원통과 내경이 작고 길이가 긴 상부 원통을 일체로 합한 몸체와, 상기 상부 원통의 상부에 끼워져 상기 프로브 샤프트가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드와, 상기 하부 원통의 내측에 끼워져 상기 프로브 샤프트가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드와, 상기 하부 원통의 내부에 고정되어 위치를 알려주기 위한 탄성파를 생성하는 비중 측정용 자석으로 구성된다.

Description

액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치{LIQUID LEVEL AND DENSITY MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은 자기장 왜곡 방식으로 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외경의 크기를 50mm 이내로 만들어 개구부가 작은 유류 탱크에도 적용할 수 있음과 아울러 부표와 프로브 샤프트 사이에 표면장력을 최소화하여 정밀도를 향상시킨 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유량을 구하기 위해 유류 탱크와 같이 탱크 내부의 액면 높이를 측정하는 장치를 탱크 레벨 게이지(Tank Level Gauge)라고 한다. 탱크 레벨 게이지(TLG)가 액면 높이를 측정하는 방식은 다양하나 자기장 왜곡(Magnetostriction) 현상을 이용한 자기장 왜곡 방식이 가장 널리 사용되고 있다. 자기장 왜곡(Magnetostriction) 현상이란 자성체 물질에 자계를 가했을 때 분자구조가 정렬되어 재료의 길이가 변화되어 탄성변형이 일어나는 현상이다.
자기장 변형(Magnetostriction)을 이용한 액면 높이 측정장치는 통상 자왜선 상에 물 위에 뜨는 플로터(Floater)의 내부에 영구 자석을 배치하여 축방향의 자기장을 발생시키고, 자왜선에 펄스(Pulse)를 인가하여 원주방향의 자기장을 발생시킨다. 그러면 축방향과 원주방향 자기장과의 합성에 의하여 자기장 비틀림(Distortion) 현상이 발생하고, 이것은 일종의 기계적 진동이기 때문에 자왜선을 따라 탄성파(초음파)가 전파된다. 그리고 탱크 레벨 게이지는 자왜선에 펄스(Pulse)를 인가한 후, 초음파가 수신되기까지의 시간을 측정하여 영구자석의 위치(즉, 액면 높이)를 계산한다.
한편, 액체 저장 탱크에서 액체 수위와 비중을 동시에 측정하는 기술로는 공개특허 제10-2008-0090539호로 공개된 "액체 수위 및 밀도 측정장치"가 알려져 있다. 상기 액체 수위 및 밀도 측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 액체 밀도 측정용 부표(10)가 중공(cavity)을 갖는 실린더 형태로 제조되고, 중공 안에 수위 측정용 부표(20)가 삽입되어 프로브 샤프트(30)에 끼워지는 구조로 이루어져 있다.
그런데 이러한 구조의 밀도 측정용 부표는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 액면용 부표와 비중용 부표가 서로 근접하거나 접촉할 때 발생하는 액체의 표면장력 및 마찰계수를 없애기 위하여 액면용 부표와 비중용 부표가 서로 접촉하지 않을 정도로 "d1"의 간격을 충분히 유지해야 하고, 비중용 부표의 하단부에서 프로브 샤프트(30)와 접촉하는 영역 "d2"를 충분히 길게 해야 한다. 만약, d1의 간격이 좁거나 d2의 길이가 짧으면, 유동적으로 움직이는 액체 속에서 액면높이 측정용 부표(20)와 비중용 부표(20)가 도 2의 (b)와 같이 서로 접촉하여 액체의 표면장력 및 마찰계수의 영향을 받아서 측정 오류가 나타난다.
따라서 액면높이 측정용 부표(20)와 비중 측정용 부표(10)가 서로 근접하거나 접촉할 때 발생하는 액체의 표면장력 및 마찰계수를 없애기 위하여 액면높이 측정용 부표(20)와 비중 측정용 부표(10)가 서로 접촉하지 않을 정도로 충분히 띄워야 하기 때문에 제10-2008-0090539호로 공개된 장치의 외경을 50 mm 이내로 만들 수가 없는 문제점이 있다. 즉, 주유소 등에 사용되는 액체 저장 탱크의 상부에 위치한 맨홀에 개설된 개구부의 파이프 규격은 관습적으로 미국 및 유럽 권은 파이프 규격 100A(내경 105mm)로 개설되어 있으나 한국을 포함한 동양권은 파이프 규격 50A(내경 54mm) 또는 파이프 규격 40A(내경 42 mm)로 개설되어 한국이나 동양권의 유류 탱크에 사용하기 위해서는 개구부를 확장하는 공사가 필요한 문제점이 있다.
또한, 프로브 샤프트(30)에 끼워지는 측정용 부표(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 프로브 샤프트(30)와 부표(40)는 근접 또는 접촉해 있어서 표면장력이 작용할 경우에, 액체 표면 위에 떠 있는 부표가 수위가 내려가도 수위가 내려간 만큼 부표가 내려가지 않아 측정에 오류가 발생되는 문제점이 있다. 도 3을 참조하면, 수위가 h1이고 액체 위에 떠 있는 부표(40)의 높이가 d1 일 때, 수위가 h2로 내려가도 부표(40)는 수위가 내려간 만큼 내려가지 않고 d1보다 d2가 큰 경우를 나타내는데, "d2 - d1" 만큼 표면장력이 작용한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 외경의 크기를 50mm 이내로 만들어 개구부가 작은 유류 탱크에 별도의 공사 없이 적용할 수 있음과 아울러 부표와 프로브 샤프트 사이의 표면장력을 최소화할 수 있는 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 코어 형태로 제작된 비중 측정용 부표는 외경 - 내경의 두께가 얇도록 하여 액체의 비중 변화에 민감하게 반응하게 하고, 액면높이 측정용 부표는 비중 측정용 부표보다 두껍게 하여 액체의 비중 변화에 둔감하게 함으로써 상대적으로 민감도에 3배 이상의 차이를 갖도록 하여 정밀도를 향상시킨 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 액면높이 측정용 부표와 비중 측정용 부표를 관통하는 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 자기장 왜곡을 이용하여 액면 높이와 비중을 측정할 수 있도록 된 액면 높이 및 비중 측정장치에 있어서,
상기 액면높이 측정용 부표는, 중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 테두리가 형성된 원통형 몸체; 상기 원통형 몸체의 상부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드; 상기 액면높이 측정용 부표에 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 액면높이 측정용 영구자석; 및 상기 원통형 몸체의 하부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 비중 측정용 부표 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드를 포함하고,
상기 비중 측정용 부표는, 상부 원통과 하부 원통이 일체로 이루어지되 상기 하부 원통의 외경은 상기 상부 원통의 외경보다 크고, 상기 상부 원통의 길이는 상기 하부 원통의 길이보다 긴 원주형 몸체; 상기 원주형 몸체의 상부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드; 상기 원주형 몸체의 하부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드; 및 상기 비중 측정용 부표에 고정되어 위치를 알려주기 위한 비중 측정용 자석을 포함하며,
상기 액면높이 측정용 부표의 원통형 몸체에 상기 비중 측정용 부표의 원주형 몸체의 상부 원통이 끼워지는 결합 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 비중 측정용 부표는, 상기 원주형 몸체에 부착되어 상기 비중 측정용 부표의 부력을 조정하기 위한 웨이트를 더 포할 수 있고, 상기 액면높이 측정용 부표나 상기 비중 측정용 부표의 상부 가이드와 하부 가이드는 알루미늄 재질의 엽전 형상이고, 엽전 형태의 가이드 내부를 격자형으로 만들어서 해당 가이드가 프로브 샤프트와 닿는 면적을 최소화시킨 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 장치는, 액면높이 측정용 부표와 비중 측정용 부표를 관통하는 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 자기장 왜곡을 이용하여 액면 높이와 비중을 측정할 수 있도록 된 액면 높이 및 비중 측정장치에 있어서,
상기 액면높이 측정용 부표는, 중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 테두리가 형성된 원통형 몸체; 상기 원통형 몸체의 상부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드; 상기 액면높이 측정용 부표에 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 액면높이 측정용 영구자석; 및 상기 원통형 몸체의 하부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 비중 측정용 부표 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드를 포함하고,
상기 비중 측정용 부표는, 상부 원통과 하부 원통이 일체로 이루어지되 상기 하부 원통의 외경은 상기 상부 원통의 외경보다 크고, 상기 상부 원통의 길이는 상기 하부 원통의 길이보다 긴 원주형 몸체; 상기 원주형 몸체의 상부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드; 상기 원주형 몸체의 하부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드; 및 상기 비중 측정용 부표에 고정되어 위치를 알려주기 위한 비중 측정용 자석을 포함하며,
상기 액면높이 측정용 부표의 두께는 상기 비중 측정용 부표의 두께보다 3배 이상 두꺼운 것을 특징으로 한다.
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통상 액면높이 및 비중 측정장치는 액체 저장 탱크의 상부에 위치한 맨홀에 개설된 개구부에 삽입시켜 탱크의 내부로 관통하도록 장착하는데, 본 발명에 따른 장치는 고유한 구조에 의해 외경을 50 mm 이하로 설계할 수 있어 현재 널리 사용되고 있는 개구부의 파이프 규격 50A(내경 54 mm)에 설치할 경우에는 별도의 개구부 확장 공사 없이 용이하게 장착할 수 있어 설치비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 통상의 비중 측정 장치는 물리적 현상으로 나타나는 정밀도가 낮으면 정밀도를 높이기 위한 전자장치의 고도화가 필요하여 제작 원가가 상승하는 문제점이 있는데, 본 발명에서는 액체의 비중변화에 둔감한 액면높이 측정용 부표와 비중변화에 민감한 비중 측정용 부표를 이용하여 비중변화에 따른 상대적이 거리 차를 크게 함으로써 물리적 현상으로 정밀도가 높게 하여 제작원가를 낮추면서 저비용으로 정밀도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 종래의 비중 측정용 부표는 외경은 95mm, 내경은 82mm, 외경 - 내경의 두께는 6.5 mm로 되어 있는데, 본 발명의 비중 측정용 부표는 외경은 29mm, 내경은 23mm, 외경 - 내경의 두께는 3 mm로 되어 있다. 따라서 종래의 비중 측정용 부표의 단면적은 대략 1806 m2 이나 본 발명의 비중 측정용 부표의 단면적은 245 ㎡ 이므로 물리적 현상으로 나타나는 정밀도는 대략 730% 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 액면높이 및 비중 측정장치는 액면높이 측정용 부표와 비중 측정용 부표의 내부 관통홀에 프로브 샤프트와의 접촉면적을 최소화하기 위한 알루미늄 재질의 가이드를 부가하여 표면장력에 의한 측정오류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치를 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치의 문제점을 도시한 개략도,
도 3은 프로브 샤프트와 측정용 부표가 근접 또는 접촉할 경우 표면장력이 작용하는 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치를 도시한 측 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 액면높이 측정용 부표의 도면,
도 6은 도 4에 도시된 비중 측정용 부표의 도면,
도 7은 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중 변화가 없는 경우의 동작 예,
도 8은 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중이 상승한 경우의 동작 예,
도 9는 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중이 하강한 경우의 동작 예,
도 10은 본 발명에 따른 가이드의 역할을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
먼저, 본 발명에 따라 액면 높이와 비중을 동시에 측정하기 위하여 액면높이 측정용 부표는 비중변화에 둔하게 반응하도록 되어 있고, 비중 측정용 부표는 비중변화에 민감하게 반응하도록 되어 있으며, 액면높이 측정용 부표의 민감도와 비중측정용 부표의 민감도의 차이가 클수록 정밀도가 높아진다. 또한 한국이나 동양권에 설치되어 있는 유류탱크의 개구부가 대부분 내경 54mm인 점을 감안하여 이러한 유류탱크에 별도의 확장 공사없이 적용할 수 있도록 측정장치의 외경을 50mm 이내로 제한할 필요가 있다.
본 발명에서는 이러한 요구조건을 충족시키기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 내경이 상대적으로 큰 액면높이 측정용 부표(110)의 하측에 비중 측정용 부표(120)가 끼워지는 결합 구조를 갖도록 하고, 액면높이 측정용 부표(110)의 두께(T1)와 비중 측정용 부표(120)의 두께(T2)를 다르게 하여 민감도에 차이가 나도록 한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 장치의 구조는 원통형태의 액면높이 측정용 부표(110)가 상부에 위치하고, 내부에 관통홀이 형성된 원주 형태의 비중 측정용 부표(120)가 하부에 위치한다. 원주 형태의 비중 측정용 부표(120)는 내경이 프로브 샤프트(104)의 외경보다 커서 프로브 샤프트(104)를 관통시키는 구조이고, 원통형태의 액면높이 측정용 부표(110)는 내경이 비중 측정용 부표(120)의 상측 외경보다 커서 상부는 프로브 샤프트(104)를 관통시키고, 하부는 비중 측정용 부표(120)의 상부를 감싸는 구조이다.
본 발명의 실시예에서 측정하고자 하는 액체의 비중 값은 주로 0.65 ~ 1.0 이며, 통상 물은 1.0, 경유 0.82, 휘발유 0.72, 핵산 0.66로 규정되고, 측정용 부표의 비중 값은 0.55이다. 따라서 액면높이 측정용 부표(110)와 비중 측정용 부표(120)는 모두 측정하고자 하는 액체 위에 잘 뜨도록 되어 있다.
비중계의 감도는 비중 측정용 부표의 두께 T((외경-내경)/2)가 좁을수록 민감하고, 두께 T가 넓을수록 둔감하다. 본 발명의 실시예에서는 비중계의 정밀도를 향상시키기 위해서는 액면높이 측정용 부표(110)의 두께 T1 ((외경 - 내경)/2)는 비중 측정용 부표(120)의 상측 두께 T2보다 두껍게 하여 비중 측정용 부표(120)는 액체 비중의 변화에 민감하게 동작하도록 하고, 액면높이 측정용 부표(110)는 액체 비중의 변화에 둔감하게 동작하도록 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 액면높이 측정용 부표(110)의 두께 T1은 8 mm가 되고, 비중 측정용 부표(120)의 상측 두께 T2는 3 mm가 되도록 설계한 것이다. 액면높이 측정용 부표(110)와 비중 측정용 부표(120)의 비중 값이 같은 값 (예를 들어 0.55)일 경우, 액면높이 측정용 부표(110)의 단위 면적은 비중 측정용 부표(120)의 부피보다 약 3 배가 많아 액면높이 측정용 부표(110)의 감도는 비중 측정용 부표(120) 보다 약 3 배가 둔감하다. 예를 들어, 정상 상태에서 액체의 비중이 0.1 내려가면 액면높이 측정용 부표(110)는 약 7 mm 내려가나 비중 측정용 부표(120)는 약 21 mm 내려간다.
그리고 본 발명에서는 비중 측정 범위를 웨이트(129)로 조절할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서 비중 측정용 부표(120)의 종류로는 0.7, 0.8, 0.9를 중심 값으로 하여 구분한다. 바람직하게 측정 하한 값은 "중심 값-0.05"이고, 상한 값은 "중심 값 + 0.1" 로 설정한다. 예컨대, 휘발유 비중 값은 0.72이므로, 휘발유의 비중을 측정할 경우에는 비중 측정용 부표(120)는 중심 값을 0.7을 적용하여 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 종래의 표면장력에 따른 문제점을 해소하기 위하여 비중 측정용 부표(120)와 액면높이 측정용 부표(110)의 표면장력을 다음과 같은 방법으로 최소화한다.
비중 측정용 부표(120)는 하부 원통(도 6의 122a)과 상부 원통(도 6의 122b)이 일체로 이루어진 내부에 관통홀을 갖는 원주형으로 구성되어 원주형의 중앙으로 프로브 샤프트(104)가 관통하는 구조인데, 원주형 몸체의 상부와 하부에 엽전 형태의 가이드(126,128)를 부착한다. 가이드(126,128)의 재질은 알루미늄이고, 가이드의 내경은 프로브 샤프트(104)의 외경보다 크고 비중 측정용 부표(120)의 내경보다 작게 제작되며, 두께는 1 mm이다. 또한, 엽전 형태의 가이드(126,128) 내부를 격자형으로 만들어서 가이드(126,128)가 프로브 샤프트(104)와 닿는 면적을 최소화시킨다. 본 발명에 따라 가이드(126,128)를 부착한 비중 측정용 부표(120)는 프로브 샤프트(104)를 자유롭게 상하로 이동하면서 비중 측정용 부표(120)와 프로브 샤프트(104) 간에 작용하는 표면장력의 영향을 거의 받지않는다. 즉, 내부에 관통홀을 갖는 원주형태의 비중 측정용 부표(120)는 원주의 길이가 최소 100mm는 되어야 하는데, 가이드가 없는 형태에서는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 원주형 몸체(122)의 길이 100mm 전체가 프로브 샤프트(104)와 닿는 길이가 되어 표면장력 및 마찰계수의 영향을 심하게 받지만, 본 발명에 따라 가이드(126,128)를 부착한 형태에서는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 엽전모양의 두께 1mm인 알미늄 가이드(126,128) 2개만 프로브 샤프트(104)에 닿으므로 표면장력의 영향을 거의 받지않는다. 또한, 비중 측정용 부표(120)의 재질은 NBR로서 제조 특성상 비중 측정용 부표의 표면은 마찰계수가 알루미늄보다 크다. 그런데 본 발명에 따른 장치는 비중 측정용 부표(120)의 재질은 NBR(Nitrile Butadiene Rubber)로 제작되지만, 프로브 샤프트(104)와 닿는 부분은 알루미늄 재질의 가이드(126,128)이므로 마찰계수로 인한 영향도 최소화할 수 있다.
액면높이 측정용 부표(110)의 경우도 원통형으로 구성되어 원통형의 상부 중앙으로 프로브 샤프트(104)가 관통하고, 하부 중앙으로는 비중 측정용 부표(120)가 관통하는 구조이나 액면높이 측정용 부표(110)의 상부에는 본 발명에 따라 엽전 형태의 가이드(116)가 부착되어 액면높이 측정용 부표(110)의 상부와 프로브 샤프트 (104)간에 작용하는 표면장력의 문제를 해결하도록 되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치를 도시한 측단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 액면높이 측정용 부표의 도면이며, 도 6은 도 4에 도시된 비중 측정용 부표의 도면이다.
본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치(100)는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 측정 대상 액체의 액면을 따라 플로팅되는 액면높이 측정용 부표(110)와, 측정 대상 액체의 비중에 따라 액면으로부터의 플로팅되는 깊이가 가변되는 비중 측정용 부표(120)와, 액면높이 측정용 부표(110)와 비중 측정용 부표(120)를 관통하여 측정본체로부터 펄스가 인가되면 자기왜곡(Magnetostriction)을 이용하여 액면높이 측정용 부표(110)의 플로팅 위치와 비중 측정용 부표(120)의 플로팅 위치를 검출할 수 있도록 하는 프로브 샤프트(104)로 구성된다.
도 4를 참조하면, 프로브 샤프트(104)는 액면높이 측정용 부표(110)와 비중 측정용 부표(120)를 관통하면서 헤드 하우징(102) 내 혹은 별도의 측정본체로부터 인가된 펄스를 전파시키고 액면높이 측정용 영구자석(114)이나 비중 측정용 영구자석(124)에 의해 왜곡된 탄성파가 생성되면 측정본체의 초음파 수신부가 프로브 샤프트(104)로부터 탄성파(초음파)를 수신하여 액면높이 측정용 자영구석(114)과 비중 측정용 영구자석(124)의 위치를 파악하여 액면높이와 비중을 산출하도록 한다. 이를 위해 프로브 샤프트(104)에는 전기적 장치인 Magnetrostrictive Wire가 내장되어 있다.
액면높이 측정용 부표(110)는 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 테두리(112a)가 형성된 원통형 몸체(112)와, 테두리(112a)에 안착되어 프로브 샤프트(104)가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드(116)와, 상부 가이드(116) 위에서 밀착 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 탄성파를 생성하는 액면높이 측정용 자석(114)과, 몸체의 하부에 끼워져 비중 측정용 부표(120) 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드(118)로 구성된다.
도 5를 참조하면, (a)는 액면높이 측정용 부표의 사시도이고, (b)는 측단면도이며, (c)는 상부 가이드 도면, (d)는 하부 가이드 도면이다.
본 발명의 실시예에서 원통형 몸체(112)는 부력이 0.55인 NBR 재질로 되어 있으며, 내경이 34Φ, 외경이 50Φ이고, 두께 T는 8mm이다. 몸체의 높이는 110mm이고 이중에서 자석영역이 12mm이다. 상부 가이드(116)는 알루미늄 재질로서 두께가 1mm이고 내경이 20Φ인 엽전 형상으로 내부에 프로브 샤프트(104)가 관통되는 홀이 형성되어 있으며 4개의 홈이 내측에 십자로 배치되어 있다. 하부 가이드(118)는 두께가 1mm이고 내경이 30Φ인 엽전 형상으로 내부에 비중 측정용 부표(120)가 관통되는 홀이 형성되어 있으며, 내측에 다수개의 홈이 형성되어 있다.
비중 측정용 부표(120)는 도 6에 도시된 바와 같이, 외경이 크고 길이가 작은 하부 원통(122a)과 내경이 작고 길이가 긴 상부 원통(122b)을 일체로 합한 원주형 몸체(122)와, 상부 원통(122b)의 상부에 끼워져 프로브 샤프트(104)가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드(126)와, 하부 원통(122a)의 내측에 끼워져 프로브 샤프트(104)가 밀착되어 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드(128)와, 하부 가이드(128)를 밀착하면서 하부 원통(122a)의 내부에 고정되어 위치를 알려주기 위한 탄성파를 생성하는 비중 측정용 자석(124)과, 하부 원통(122a)과 상부 원통(122b)의 경계면에 끼워져 부력을 조정하기 위한 웨이트(129)로 구성된다.
도 6을 참조하면, (a)는 비중 측정용 부표의 사시도이고, (b)는 측단면도이며, (c)는 상부 가이드 도면, (d)는 하부 가이드 도면이다.
본 발명의 실시예에서 몸체(122)는 하부 원통(122a)과 상부 원통(122b)으로 이루어지고, 부력이 0.55인 NBR 재질로 되어 있으며, 하부 원통(122a)의 내측에는 하부 가이드(128)를 지지하기 위한 걸림 테두리가 형성되어 있고, 하부 원통(122a)의 내경은 31 Φ, 28 Φ이고, 외경이 48 Φ이며, 길이가 25mm이다. 상부 원통(122b)은 내경이 23 Φ이고, 외경이 29 Φ이며, 두께가 3mm, 길이가 95mm이다. 상부 가이드(126)는 내경이 20Φ인 와셔 형상으로 위로 돌기가 형성됨과 아울러 내부에 프로브 샤프트(104)가 관통되는 홀이 형성되어 있으며, 4개의 홈이 내측에 십자로 배치되어 있다. 하부 가이드(128)는 두께가 1mm이고 내경이 20Φ인 와셔 형상으로 내부에 프로브 샤프트(104)가 관통되는 홀이 형성되어 있으며, 4개의 홈이 내측에 십자로 배치되어 있다.
이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 액면높이 및 비중 측정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 액면높이 및 비중 측정장치는 자기장 왜곡 방법으로 액체의 액면 높이 및 비중 높이를 측정하는데, 액면 높이를 탱크 용적에 대한 부피 계산으로 탱크 내부의 재고량을 산출하고, 비중 높이를 환산표에 대입시켜 액체의 비중 값으로 산출한다.
도 7은 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중 변화가 없는 경우의 동작 예이다.
도 7을 참조하면, 평상시에 액체의 비중이 일정하면 액체의 액면 높이가 변경되더라도 액면높이 측정용 부표(110) 및 비중 측정용 부표(120)는 액면 위에 일정하게 뜬다. 즉, 비중의 변동이 없다면 헤드(102)에서 액면높이 측정용 부표(110)에 부착된 영구자석(114)까지의 거리 "a1"이 변동되더라도 액면높이 측정용 부표의 영구자석(114)과 비중 측정용 부표의 영구자석(124) 사이의 간격 "d = a2 - a1"는 변동이 없다.
그리고 액면 높이는 헤드(102)에서 액면높이 측정용 부표(110)에 부착된 영구자석(114)까지의 거리 "a1"를 측정하여 액체의 액면 높이를 측정할 수 있고, 비중 높이 측정은 액면 높이 측정값 "a1" 및 헤드(102)에서 비중 측정용 부표(120)에 부착된 영구자석(124)까지의 거리 "a2"를 측정하여 액체의 비중 높이 "d = a2 - a1"를 산출할 수 있다. 즉, 액체의 비중 높이 "d"는 액면높이 측정용 부표(110)의 영구자석(114)과 비중 측정용 부표(120)의 영구자석(124) 사이의 간격이다.
도 8은 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중이 상승한 경우의 동작 예로서, (a)는 비중이 상승하기 전 평상시의 상태이고, (b)는 비중이 상승한 상태이다.
도 8을 참조하면, 액체의 비중이 평상시보다 올라가면(예를 들어, 0.7에서 0.8로 변경될 경우) 액면높이 측정용 부표(110) 및 비중 측정용 부표(120)는 평상시 보다 위로 올라간다. 예컨대, 액면높이 측정용 부표(110)의 두께 T를 8mm, 비중용 부표의 두께 T를 3mm라 할 경우에, 액면높이 측정용 부표(110) 및 비중 측정용 부표(120)의 비중 값을 같은 값으로 설정하면(예를 들어 0.55), 비중 측정용 부표(120)의 단위 면적은 액면높이 측정용 부표(110)의 부피보다 약 1/3 배가 적으므로, 비중 측정용 부표(120)는 액면높이 측정용 부표(110)보다 약 3 배 더 위로 올라간다. 따라서 액면높이 측정용 부표의 영구자석(114)과 비중 측정용 부표의 영구자석(124) 사이의 거리는 a3에서 b3로 좁아지며, 변동폭 "d = a3 - b3" 만큼 좁아진다.
액면 높이는 헤드(102)에서 액면높이 측정용 부표에 부착된 영구자석(114)까지의 거리를 측정하여 액체의 액면 높이를 측정할 수 있는데, 액체의 비중이 변동되기 전의 액면의 높이는 "a1"이고, 액체의 비중이 변동된 후의 액면의 높이는 "b1"이다.
비중 높이는 액면 높이 측정값 및 헤드(102)에서 비중 측정용 부표에 부착된 영구자석(124)까지의 거리를 측정하여 액체의 비중 높이를 측정할 수 있는데, 액체의 비중이 변동되기 전의 비중의 높이는 "a3 = a2 - a1", 변동된 후의 비중의 높이는 "b3 = b2 - b1" 이다. 비중의 높이는 a3에서 b3로 좁아지며, 변동폭 "d = a3 - b3" 만큼 좁아진다.
도 9는 본 발명에 따른 액면 높이 및 비중 측정장치의 비중이 하강한 경우의 동작 예로서, (a)는 비중이 상승하기 전 평상시의 상태이고, (b)는 비중이 하강한 상태이다.
도 9를 참조하면, 액체의 비중이 평상시보다 내려가면(예를 들어, 0.8에서 0.7로 변경될 경우), 액면높이 측정용 부표(110) 및 비중 측정용 부표(120)는 평상시 보다 아래로 내려간다. 액면높이 측정용 부표(110)의 두께 T를 8mm, 비중 측정용 부표(120)의 두께 T를 3mm라 하고, 액면높이 측정용 부표(110) 및 비중 측정용 부표(120)의 비중 값을 같은 값으로 설정하면(예를 들어 0.55), 비중 측정용 부표(120)의 단위 면적은 액면높이 측정용 부표(110)의 부피보다 약 1/3 배가 적으므로, 비중 측정용 부표(120)는 액면높이 측정용 부표(110) 보다 약 3 배 더 아래로 내려간다. 따라서, 액면높이 측정용 부표(110)의 영구자석(114)과 비중 측정용 부표(120)의 영구자석(124) 사이의 거리는 "a3"에서 "b3"로 길어지며, 변동폭 "d = b3 - a3" 만큼 길어진다.
액면 높이는 측정 헤드(102)에서 액면높이 측정용 부표(110)에 부착된 영구자석(114)까지의 거리를 측정하여 액체의 액면높이를 측정할 수 있는데, 액체의 비중이 변동되기 전의 액면의 높이는 "a1" 이고, 액체의 비중이 변동된 후의 액면의 높이는 "b1"이다.
비중 높이는 액면 높이 측정값 및 헤드(102)에서 비중 측정용 부표(120)에 부착된 영구자석(124)까지의 거리를 측정하여 액체의 비중 높이를 측정할 수 있는데, 액체의 비중이 변동되기 전의 비중의 높이는 "a3 = a2 - a1"이고, 변동된 후의 비중의 높이는 "b3 = b2 - b1" 이다. 비중의 높이는 a3에서 b3로 길어지며, 변동폭 "d = b3 - a3" 만큼 길어진다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
102: 헤드 104: 프로브 샤프트
110: 액면높이 측정용 부표 112: 원통형 몸체
114: 영구자석 116: 상부 가이드
118: 하부 가이드 120: 비중 측정용 부표
122: 원주형 몸체 124: 영구자석
126: 상부 가이드 128: 하부 가이드
129: 웨이트

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 액면높이 측정용 부표와 비중 측정용 부표를 관통하는 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 자기장 왜곡을 이용하여 액면 높이와 비중을 측정할 수 있도록 된 액면 높이 및 비중 측정장치에 있어서,
    상기 액면높이 측정용 부표는
    중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 테두리가 형성된 원통형 몸체;
    상기 원통형 몸체의 상부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드;
    상기 액면높이 측정용 부표에 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 액면높이 측정용 영구자석; 및
    상기 원통형 몸체의 하부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 비중 측정용 부표 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드를 포함하고,
    상기 비중 측정용 부표는
    상부 원통과 하부 원통이 일체로 이루어지되 상기 하부 원통의 외경은 상기 상부 원통의 외경보다 크고, 상기 상부 원통의 길이는 상기 하부 원통의 길이보다 긴 원주형 몸체;
    상기 원주형 몸체의 상부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드;
    상기 원주형 몸체의 하부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드; 및
    상기 비중 측정용 부표에 고정되어 위치를 알려주기 위한 비중 측정용 자석을 포함하며,
    상기 액면높이 측정용 부표의 원통형 몸체에 상기 비중 측정용 부표의 원주형 몸체의 상부 원통이 끼워지는 결합 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비중 측정용 부표는
    상기 원주형 몸체에 부착되어 상기 비중 측정용 부표의 부력을 조정하기 위한 웨이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 액면높이 측정용 부표나 상기 비중 측정용 부표의 상부 가이드와 하부 가이드는
    알루미늄 재질의 엽전 형상이고, 엽전 형태의 가이드 내부를 격자형으로 만들어서 해당 가이드가 프로브 샤프트와 닿는 면적을 최소화시킨 것을 특징으로 하는 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치.
  7. 액면높이 측정용 부표와 비중 측정용 부표를 관통하는 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 자기장 왜곡을 이용하여 액면 높이와 비중을 측정할 수 있도록 된 액면 높이 및 비중 측정장치에 있어서,
    상기 액면높이 측정용 부표는
    중앙에 관통홀이 형성되고 상부에 내측으로 테두리가 형성된 원통형 몸체;
    상기 원통형 몸체의 상부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드;
    상기 액면높이 측정용 부표에 고정되어 액면높이를 알려주기 위한 액면높이 측정용 영구자석; 및
    상기 원통형 몸체의 하부에 고정되어 상기 액면높이 측정용 부표와 상기 비중 측정용 부표 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드를 포함하고,
    상기 비중 측정용 부표는
    상부 원통과 하부 원통이 일체로 이루어지되 상기 하부 원통의 외경은 상기 상부 원통의 외경보다 크고, 상기 상부 원통의 길이는 상기 하부 원통의 길이보다 긴 원주형 몸체;
    상기 원주형 몸체의 상부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 상부 가이드;
    상기 원주형 몸체의 하부에 고정되어 상기 비중 측정용 부표와 상기 프로브 샤프트 사이에 표면장력이 발생되는 것을 방지하기 위한 하부 가이드; 및
    상기 비중 측정용 부표에 고정되어 위치를 알려주기 위한 비중 측정용 자석을 포함하며,
    상기 액면높이 측정용 부표의 두께는 상기 비중 측정용 부표의 두께보다 3배 이상 두꺼운 것을 특징으로 하는 액체의 액면 높이 및 비중을 동시에 측정하는 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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