KR101252396B1 - 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치 - Google Patents

비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치 Download PDF

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Abstract

간섭계 기술을 이용하여 증발계의 수위를 레이저로 관측이 가능한 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 개시한다.
일 실시예로서, 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치는, 빔을 출력하는 레이저; 상기 빔을 두 개의 서로 다른 경로를 지나가도록 나누는 빔분할기; 상기 서로 다른 경로의 빔을 반사하여 상기 빔분할기에서 합하는 미러; 및 상기 빔분할기에서 합해진 빔의 간섭무늬를 카운트하여 증발계 수조의 수위를 측정하는 디텍터를 포함하여 구성 함으로써 간섭무늬의 갓 수 변화를 카운트하여 증발계 수조 속의 물의 두께 변화 즉, 증발량의 변화 정도를 정확히 실시간으로 측정할 수 있다.

Description

비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치{NONCONTACT OPTICAL INTERFEROMETRIC EVAPORATION MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 간섭계 기술을 이용하여 증발계 수조의 수위를 레이저로 관측이 가능한 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치에 관한 것이다.
물의 증발량은 온도, 태양 빛의 유무와 태양광의 세기, 바람의 유무 및 세기, 습도 등에 큰 영향을 받게 된다. 이러한 여러 가지 변수로 인하여 물의 증발량은 시시각각 변하게 되고 이를 정확하게 측정하는 것은 기상관측에서 중요한 한 부분을 차지하게 된다. 물의 증발은 결국 에어로졸의 생성과 밀접한 연관이 있으며, 결국 구름의 발달과 연결되는 중요한 기상 요소이자 변수이므로 물의 증발량을 아주 정밀하고도 정확하게 측정하는 기술과 장치는 매우 중요하고 필요하다.
지금까지의 증발계 수조는 흰색으로 칠해진 지름 1.2 m의 대형 금속수조에 물을 채운 후 그 증발되는 정도를 일종의 눈금자를 이용하여 측정을 수행하였다. 그 측정은 바늘(needle) 모양의 뾰족한 탐침이 부이(buoy)에 연결되어 있고 그 탐침은 수조 속에 담긴 물 표면의 수위에 뾰족한 바늘의 끝이 잘 일치하게 손으로 잘 조절하여 맞추어 계측을 시작하기 전의 물 수위를 측정 한다. 그런 후 기상 관측소의 잔디로 만들어진 외부 노지에 증발계 수조를 두고 그 수조의 물이 차츰 증발함에 따라 물의 수위가 감소하면 물에 떠있는 부이가 같이 내려가게 되고 그러면 바늘 모양의 탐침도 같이 하강하여 그 측정 시점의 물의 수위를 알 수 있다. 이 때 눈금자의 눈금은 일반적인 눈금자보다는 조금 더 눈금이 세분화되어 좀 더 정밀한 자로 읽어서 얼마만큼 물이 증발하여 감소하였는지를 측정하나, 여전히 측정은 눈금자를 사용하고 측정은 전자식이 아닌 사람(관측자)의 눈에 의존하는 구조로 측정의 정밀도에 많은 오차를 일으킬 여지가 크다. 이러한 눈금자와 관측자의 관측 대신에 아주 정밀한 비접촉식인 광학적인 기술인 간섭계(Interferometry) 기술을 이용하여 증발계 수조의 측정 정밀도를 획기적으로 향상시키고자 한다.
본 발명의 일실시예는 기상상태에 따라 달라지는 물의 증발량을 간섭계 기술을 이용하여 증발계 수조의 수위를 레이저로 관측이 가능한 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 제공한다.
상기의 일실시예를 이루기 위한, 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치는, 빔을 출력하는 레이저; 상기 빔을 두 개의 서로 다른 경로를 지나가도록 나누는 빔분할기; 상기 서로 다른 경로의 빔을 반사하여 상기 빔분할기에서 합하는 미러; 및 상기 빔분할기에서 합해진 빔의 간섭무늬를 카운트하여 증발계 수조의 수위를 측정하는 디텍터를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 간섭무늬의 갓 수 변화를 카운트하여 증발계 수조 속의 물의 두께 변화 즉, 증발량의 변화 정도를 정확히 실시간으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증발에 의해 시간 흐름상에서 간섭 무늬의 강도 변화를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발계 제어 장치를 도시한 블록도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다. 두 실시예에서 빔분할기(120)가 수조(170) 내에 포함되거나 수조(170) 밖에 위치하는 구성에 차이가 있다. 도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 도시한 도면이다. 레이저(110)와 빔분할기(120)가 증발계 수조 위에 위치하여 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치를 구성하는 예를 보인 도면이다.
이하, 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치의 구성에 대해 설명한다.
간섭계는 기본적으로 레이저(110)에서 출력되는 하나의 빛을 빔분할기(Beam splitter)(120)를 이용하여 두 개의 서로 다른 경로를 지나가게 나누어 진행하게 한 후 미러(130)에서 다시 반사하여 되돌아오는 빔을 빔분할기(Beam splitter)(120)에서 다시 합하여 진다. 이때 두 개의 광경로에서 하나는 레퍼런스(Reference) 역할을 하는 고정된 위치의 광경로를 가진 암(arm)이 존재하고 또 다른 한 부분은 빔의 광경로가 변하는 암 부분에 길이, 온도, 두께 등 미세하게 변화하는 그 무엇인가를 관측하는 광학장치이다. 간섭계에서 만들어 지는 간섭무늬는 밝은 색과 어두운 색의 무늬가 규칙적이고 교대로 정렬된 모습을 가지고 있다.
증발계 수조(170)의 수위를 측정하기 위해서는 먼저 레이저(110) 및 여러 광학 구성품을 이용하여 간섭계를 구성하고, 이를 통하여 간섭무늬를 만들어야 한다. 간섭무늬는 어둡고 밝은 무늬가 교대로 형성하게 되는데, 수조(170)의 길이, 두께, 온도 등의 변화에 따라 간섭무늬의 이동이 발생하고, 그 간섭무늬 이동의 개수를 디텍터(150)를 통하여 카운터하면 길이나 두께의 변화를 정확하게 읽을 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 간섭계를 이용하여 관측하고자 하는 물리량은 바로 증발계 수조 속에 담긴 물의 두께 변화이다.
간섭계에서 사용하는 레이저(110)의 파장이 λ(한 예로 He-Ne 레이저의 파장인 633 nm) 라면 He-Ne 레이저를 사용하여 만든 간섭계에서 만들어진 간섭무늬에서 밝은 무늬의 중심에서부터 다음 밝은 무늬의 중심 사이의 간격 또는 어두운 무늬의 중심에서부터 다음 어두운 무늬의 중심까지의 간격은 간섭계에 사용한 레이저 파장의 절반인 λ/2 를 나타내며, 이를 거리로 환산하면 633 nm의 반인 316.5 nm의 두께가 된다. 이러한 간섭무늬가 증발계 수조에서 몇 개가 움직여 갔는지를 포토다이오드(Photo Diode) 또는 PMT(Photomultiplier) 등의 디텍터(150)로 정확히 읽어 카운터하면 증발계 수조에서 수조(170) 속의 물이 얼마나 증발하였는지를 정확히 계측할 수 있다.
광학식 간섭계에 사용되는 광원은 주로 코히런스 길이(coherence length)가 긴 가스 레이저(He-Ne, Ar, He-Cd 등) 종류가 적합하다. 레이저 파장은 모든 가스 레이저의 파장을 다 사용할 수 있으며, 주로 633 nm, 532 nm, 등의 레이저 파장이 적합하다. 단 가시광선 영역의 파장은 태양 빛의 영향을 심하게 받아서 광원에서 나오는 광신호를 왜곡시킬 수 있으므로 가능한 한 피하는 것이 바람직하다.
간섭계로 만들어진 간섭무늬에서 신호를 수신하는데 사용되는 디텍터(150)는 2종류를 사용하는데, 일반적으로 포토다이오드나 PMT를 사용할 수 있다. 포토다이오드나 PMT는 그 종류가 다양한데 중요한 특징은 그 종류나 다이오드의 재료에 따라 빛의 파장에 따른 수신감도가 다르다는 것이다. 그러나 디텍터(150)의 선정은 사용하는 레이저(110)의 파장에 가장 민감도가 좋은 디텍터(150)를 선정하여 사용한다. 이렇게 선정된 디텍터(150) 앞에 아주 작은 지름 0.1 mm - 1 mm 이하의 핀 홀(140)을 디텍터(150) 바로 앞에 설치하고 만들어진 동그랗게 만들어진 간섭무늬의 중앙부분에 위치시키고 간섭무늬의 이동을 측정한다. 이 때 핀 홀(140)과 디텍터(150) 사이에는 공간이 없게 하여 다른 태양광이 들어가지 않게 하여야 한다.
본 발명의 일실시예에서 사용할 수 있는 간섭계는 거의 모든 간섭계를 다 이용할 수 있으며, 특히 증발량 측정의 오차를 줄이기 위해 레이저(110) 빔이 지나가는 광경로가 외부 온도의 변화에 영향을 적게 받게 하는 것이 중요하다. 간섭계는 빔이 지나가는 광경로 상의 온도 변화도 감지하여 실제 측정해야 할 증발계 수조(170) 속의 물의 두께 변화에 오차를 주게 된다. 즉, 본 발명의 일실시예에서 측정하고자 하는 수조(170) 속의 물의 두께 변화의 측정에 오차를 일으키는 요소로 동작하게 된다. 이를 최소화하기 위해서는 간섭계의 두 빔이 지나가는 경로가 온도의 변화가 최소화 되어야 하는데, 이를 위해서 간섭계가 가진 두 개의 빔이 지나가는 광경로 두 개는 외부 온도의 변화에 영향을 가장 적게 받는 증발계 수조의 물속을 통과하는 것이 가장 좋다. 이를 위해 두 개의 광경로는 증발계 수조(170)의 일정한 부분을 동일한 광경로를 가지고 서로 평행하게 지나가게 만드는 빔 디스플레이싱(Beam displacing) 프리즘 등을 사용하여 두 개의 빔이 평행하게 수조(170)의 물속을 투과하는 컴먼 패스(Common-path) 간섭계를 구성하는 것이 가장 적합한 간섭계 구성이다.
본 발명의 일실시예는 또한 미켈슨(Michelson) 간섭계를 이용하여 구성할 수 도 있다. 미켈슨 간섭계는 빔분할기에서 나누어진 두 개의 빔이 증발계 수조(170)의 바닥에 뚫린 25 mm 정도의 구멍에 레이저(110) 빔이 투과할 수 있는 윈도우(Window)를 설치하고 이를 통하여 위로 수직으로 빔이 진행하고 증발계 수조에 담긴 수면 바로 위에 반사 미러를 설치하여 수면을 투과하여 온 빔이 그 경로를 따라 그대로 되돌아가게 하여 수면의 깊이 변화량을 읽고, 다른 한 빔은 90도 각도로 꺾여서 수조(170) 속의 물을 통과하던지 아니면 수조(170) 아래의 공간에서 공기 속을 통과하여 미러에 반사되어 되돌아온다. 이렇게 되돌아 온 빔 두 개를 빔분할기(120)로 다시 경합하면 간섭무늬가 만들어지고 간섭무늬의 갓 수 변화를 카운트하여 수조 속의 물의 두께 변화, 즉, 증발량의 변화 정도를 정확히 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 바람에 의하여 수조(170) 안의 수면이 흔들리면 간섭계에 오차가 발생되므로 이를 최소화시키기 위하여 레이저(110) 빔이 지나가는 경로 부분의 물의 흔들림 방지를 위하여 광경로 부분을 유리로 된 투명 시험관(160)과 같은 부분으로 덮어 씌워서 물의 흔들림을 방지하고 최소화한다.
본 발명의 일실시예에서 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치는 증발계 수면의 흔들림을 최소화하기 위한 유리, 석영, 플라스틱, 금속 등으로 만든 수면 흔들림 방지 장치, 바람막이 장치 또는 바람막이 시험관 안으로 증발계 속의 물이 들어가 흔들림 방지 장치의 내외부 수면 높이를 동일하게 할 수 있도록 증발계 수조 바닥과 닫는 부분 또는 그 근처에 단일 또는 여러 개의 구멍이나 톱니 또는 사각형 모양의 홈이 파져 있는 수면 흔들림 방지 장치, 바람막이 장치 또는 바람막이 시험관을 더 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 레이저 빔은, 증발계 수조 속의 물을 통과하므로 레이저 빔의 반사를 위해 미러가 금속 증발계 수조 내부 또는 외부에 부착된 흰색 금속 증발계 통을 포함할 수 있고, 또한, 상기 흰색 금속 증발계 통에 레이저 빔의 자유로운 통과를 위해 금속 수조에 윈도우가 부착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서, 레이저 빔 반사를 위한 미러는, 금속 증발계 통의 내부, 표면 또는 외부의 적절한 곳에 부착하여 레이저 빔이 원래 입사되는 광경로를 미러에서 반사 한 후 입사경로를 그대로 일치하게 따라가는 반사 경로를 가질 수 있게 위치를 정하고 고정하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 레이저 빔이 증발계 수조 속 물을 통과하여 윈도우를 지날 때, 증발계 수조는, 광원의 파장에 대하여 비반사 코팅이 된 윈도우가 부착된 흰색 금속 증발계 통을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증발에 의해 시간 흐름상에서 간섭 무늬의 강도 변화를 보인 예시도이다. 도 4의 간섭무늬에서 한 주기 즉, 어떤 최고점(마루)에서 다음 최고점(마루)까지가 만들어 지기 위한 간섭조건은 다음과 같다.
수식 1
2nd cosθ = mλ
여기서, n은 물질의 굴절율 값으로 물의 경우 1.33이며, d는 빛이 통과하는 매질의 거리, θ는 빛의 입사각, m은 간섭 차수이며 정수 값, 그리고 λ는 레이저의 파장이며 본 발명의 일실시예에서는 He-Ne 레이저의 파장인 632.8 nm 이다.
본 발명의 일실시예인 간섭계식 증발량 측정 장치에서 사용하는 레이저에는 제한을 두지 않고 532 nm 등 모든 레이저 파장을 사용할 수 있다. 레이저 빔의 입사각 θ는 다른 각도로의 변화도 가능하나 본 발명의 일실시예에서는 θ = 0도 의 입사각을 사용한다. θ = 0도 의 입사각이 물 표면의 흔들림을 고려했을 때 가장 적합한 빔의 입사각도이다.
간섭계에 의하여 만들어진 간섭무늬를 스크린에 조사하고 디텍터를 통하여 간섭무늬의 변화를 측정하면 도 4와 같이 사인(Sine) 파형의 신호가 잡힌다. 이 신호는 증발계 수조 속의 물이 증발하여 그 양이 천천히 감소하게 되어 레이저 빔이 통과하는 광경로 d가 감소하게 되고 이에 따라 간섭무늬가 천천히 움직이게 된다. 간섭무늬의 움직임은 고정되어 있는 디텍터 앞의 핀홀을 통하여 간섭무늬의 밝고 어두운 빛이 핀홀을 통과하여 들어옴에 따라 도 4와 같은 연속적으로 움직이는 사인 파형의 신호가 잡히게 된다. 즉, 도 3의 간섭무늬의 밝은 부분은 도 4 사인파의 마루가 되고 어두운 부분이 골이 되어 진동하게 된다. 이러한 진동의 개수를 측정하여 물이 얼마나 증발하였는지 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 수조 속 물의 높이 변화는 수식 1에서 d 값의 변화로 증발계가 측정해야 할 값이며, 물의 굴절율 n = 1.33, 입사각 θ = 0, m = 1, 그리고 λ= 632.8 nm 값을 사용하여 수식 1을 풀면 다음 수식 2와 같다.
수식 2
2nd = λ
여기서, n = 1.33 이므로 이를 정리하면 2.66 d = 632.8 nm 이다. 즉, 간섭계를 이용한 증발계에서 구하여야 할 값 d = 632.8 nm/2.66 = 237.89 nm ≒ 238 nm 이다. 즉, 본 발명의 일실시예인 간섭계를 이용한 증발계에서 측정된 도 4 신호에서 한 주기 사이의 거리는 238 nm 임을 나타낸다. 따라서 도 4의 간섭무늬 신호 한 주기(마루에서 마루, 또는 골에서 골)의 이동은 238 nm 만큼 광경로가 변하였음을 나타내고 이는 증발계 수조 속의 물이 238 nm 증발하였음을 나타낸다. 따라서 증발계 수소 속 물의 깊이가 238 nm 감소하였고 이를 물의 부피변화로 변환하면 된다.
증발계 수조 속에서 증발 된 물 부피의 변화는 다음과 같다. 증발계 수조의 단면적, 즉, 3.14 * 반지름 r의 제곱 (πr2 )에 물이 감소한 높이를 곱한 것이 물의 증발한 부피이다.
수식 3
증발부피 = 수조의 단면적 ＊ 증발 높이
여기서 수조의 단면적은 πr2 으로 r은 수조의 반지름이며, 증발 높이는 d로 수조 속의 물이 감소한 높이이다. 증발 높이 d는 본 발명에서 구하고자 하는 값으로 간섭무늬가 몇 개 이동하였는가를 프로그램으로 카운터 하면 정확하게 계산할 수 있다. 이렇게 한 것이 어떤 주어진 시간 동안 만약 1000 개의 간섭무늬가 감지되었다면 물이 감소한 높이는 238 nm * 1000 이 되며, 이는 0.238 mm 물이 증발하였음을 나타낸다. 이를 표준사이즈 증발계 직경인 1.2 m 증발계를 사용하면 수조 직경의 반지름은 0.6 m 이므로 수조의 단면적은 1.1304 m2 이 되며, 이 값에 1000 개의 간섭무늬가 통과하여 물이 증발한 높이인 0.238 mm(=2.38 * 10-4m)를 곱하면 증발한 물의 부피가 계산된다. 이를 계산하면 2.69 * 10-4 m3 만큼의 물이 증발한 것임을 나타낸다. 물 1 리터는 가로, 세로, 높이가 각각 10 cm인 정육면체의 부피이므로 10 cm * 10 cm * 10 cm = 1000 cm3 이 되며, 1 리터 = 1000 cm3 = 1 * 10-3 m3 이고 물 1 m3은 1000 리터이다. 따라서 1000 개의 간섭무늬가 측정되면 2.69 * 10-4 m3 만큼 물이 증발한 것이고 이는 2.69 * 10-4 리터(0.269 ml)의 물이 증발하였음을 나타낸다. 본 발명의 일실시예에서 광학 간섭계식 증발계와 표준 증발계의 지름인 1.2 m 증발계를 사용하면 간섭무늬 1개의 이동은 0.269 ml/1000 이므로 0.269 μl(=0.269 * 10-6 리터)의 증발을 뜻한다.
비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치는 물의 증발에 따른 간섭무늬의 변화를 나타내는 사인파의 한 주기의 1/4인 1/4 주기까지는 측정이 쉽게 가능하므로 매우 정밀하게 물의 증발량을 측정할 수 있다. 이 1/4 신호 파형의 주기를 우리는 광학증발계의 해상도라고 말 할 수 있다. 이 1/4 주기의 신호파형 변화는 238 nm의 1/4 즉, 59.5 nm 만큼의 물의 증발을 뜻하며, 이는 간섭무늬를 측정한 사인파의 한 주기의 해상도가 뜻하는 0.269 ml의 1/4인 67.25 nl(=67.25 * 10-9 리터) 증발량 변화를 아주 쉽게 측정할 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예인 광학 간섭계식 증발량 측정 장치의 측정 정밀도는 간섭신호의 1/4 주기 즉, 67.25 nl(=67.25 * 10-9 리터)이다.
만약 증발계 수조의 지름이 다르면 앞에서 보여 준 계산에서 반지름 r 값만 바꾸어서 이를 앞의 계산처럼 사용하여 쉽게 증발한 물의 부피변화로 계산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 광학 간섭계식 증발계 제어 장치를 도시한 블록도이다.
제어 장치는 간섭계를 이용하여 수위를 정밀하게 측정한다. 제어 장치는 기상 환경의 변화에 따른 순간순간의 증발량 변화를 측정할 수 있다. 제어 장치는 디텍터를 제어하여 간섭계의 간섭무늬를 카운트하여 수조의 수위 변화를 측정하여 어느 시간의 증발량 변화를 측정한다. 디텍터는 간섭계의 간섭무늬에 따라 다른 감지 레벨을 출력하여 카운트된 수치를 제어 장치로 전달하여 증발량 변화를 측정하도록 한다.
제어 장치는 순간 증발량, 시간당 증발량, 낮 시간 증발량, 야간 증발량 및 일간 증발량, 주간 증발량, 월간 증발량, 연간의 증발량을 실시간으로 순간 및 평균 증발량 관측할 수 있다. 제어 장치는 시간 타이머에 기반하여 어느 시간 별로 증발량을 실시간으로 측정하여 데이터베이스에 저장한다. 제어 장치는 어느 시간 별로 측정된 실시간 증발량을 데이터베이스에 저장하여 중앙 센터의 요청시 해당 증발량 데이터를 제공한다.
제어 장치는 물의 채움과 비움을 타이머 및 솔레노이드 밸브 등을 이용하여 자동으로 전기 전자식으로 컨트롤러(310)를 제어하여 증발계 수조 속에 있는 물의 채움과 비움 및 세척을 가능하게 한다. 제어 장치는 타이머 및 솔레노이드 밸브를 제어하는 컨트롤러(310)를 제어하여 수조에 저장된 물을 채움, 비움, 세척을 수행하여 수조의 물을 관리한다. 제어 장치는 컨트롤러(310) 제어를 통해 수조의 물을 관리하여 증발량 관측을 자동화한다.
제어 장치는 지피에스(GPS) 모듈(320)을 통하여 위치를 측정하여 위치를 포함하는 원격 지점에서의 수위 측정을 가능하게 하여 무인 동작에 의한 증발계 측정을 원격에서 측정할 수 있도록 한다. 제어 장치는 지피에스 모듈(320)을 통해 위치 정보를 계산하여 원격지의 수조에 대한 수위를 무인으로 측정한 값에 연관시켜 저장한다. 제어 장치는 위치 정보와 증발계 측정값을 연관시켜 저장해서 중앙 센터에 위치에 해당하는 증발계 측정값을 제공한다.
제어 장치는 통신 장치(330)를 제어하여 증발계 측정 수치를 종합 수집 관리하는 중앙 센터에 인터넷을 통한 실시간 증발량 관측 및 관측 정보 전달을 가능하게 한다. 제어 장치는 통신 장치(330)를 제어하여 네트워크를 통해 중앙 센터에 접속하여 실시간 증발량 관측 데이터를 전송한다. 중앙 센터는 네트워크를 통해 증발계 측정 수치를 수집하여 지역별, 시간별로 관측 데이터를 관리한다.
제어 장치는 레이저 빔이 외부 환경 변화에 의한 영향을 피하고 증발량 오차를 최소화하기 위하여 증발계 수조의 아래 방향에서 수조 속의 물을 통과하도록 레이저 빔을 경로 유지한다. 제어 장치는 레이저 빔이 증발계 수조의 아래 물을 통과하도록 구성하여 외부 환경 변화에 의한 영향을 방지한다.
간섭계는 모든 간섭계가 사용가능하나 온도 변화에 따른 오차 최소화를 위해 수조 아래쪽에서 컴먼 패스(common-path) 간섭계 기술이 최적이다. 제어 장치는 증발계 수조 속을 통과하는 두 빔이 서로 평행하게 진행하는 컴먼 패스 간섭계 기술 이용하여 오차를 최소화한다.
제어 장치는 미켈슨(Michelson), 마흐 젠더(Mach-Zehnder), 헤테로다인(heterodyne), 컴먼 패스(Common-path) 등 모든 간섭계 기술 중 어느 하나의 기술을 적용할 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 제어 장치는 컴먼 패스 간섭계 기술을 이용하는 것이 바람직하다.
바람에 의하여 수조 안의 수면이 흔들리면 간섭계에 오차가 발생되므로 이를 최소화시키기 위하여 레이저 빔이 지나가는 경로 부분의 물의 흔들림 방지를 위하여 광경로 부분을 유리로 된 투명 시험관과 같은 부분으로 덮어 씌워서 물의 흔들림을 방지하고 최소화한다.
간섭계 구성에서 두 개로 나누어진 두 개의 광경로가 나란히 물속을 진행하게 하는 월러스톤 프리즘(Wallastone prism)을 이용하여 두 빔의 광경로를 일정하게 유지하고, 한 개의 미러는 물이 최대로 차 있는 수조 바로 위에 물과 접촉하지 않는 근접 거리에 고정하여 위치시키고, 또 다른 하나의 빔은 물이 점점 증발함에 따라 수위가 감소하게 되는데 그 물 자체가 주는 약 5% 정도의 반사율 때문에 반사되는 레이저 빔을 이용하여 간섭무늬를 만들 수 있다.
미켈슨 간섭계를 빔분할기에서 2개로 나누어진 빔 중에서 한 개의 빔은 수조 속의 물이 있는 바닥면과 평행하게 빔이 진행하여 수조 옆면에 부착한 미러에서 반사하고, 또 다른 한 빔은 아래에서 위로 레이저 빔이 통과하여 수면이 바로 위에 있는 미러에서 반사하여 되돌아온 빔을 간섭시키면 간섭무늬가 수조 속의 물 수위 변화 정보를 그 속에 가지고 있어서 제어 장치가 간섭무늬의 갓 수를 카운트하면 증발량의 변화를 알 수가 있다. 또한, 수면을 통과하는 빔 경로에 시험관을 설치하면 이러한 구성에 의해 수조 속의 물 수위가 바람에 좀 흔들려도 시험관 내 수면이 크게 영향을 받지 않아 제어 장치가 증발량 변화를 측정하는데 있어 바람에 의한 오차를 줄이는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 구성들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 레이저
120 : 빔분할기
130 : 미러
140 : 핀 홀
150 : 디텍터
160 : 시험관
170 : 수조

Claims (15)

  1. 빔을 출력하는 레이저;
    상기 빔을 두 개의 서로 다른 경로를 지나가도록 나누는 빔분할기;
    상기 서로 다른 경로의 빔을 반사하여, 상기 서로 다른 경로의 빔이 상기 빔분할기에서 합해지도록 하는 복수의 미러; 및
    상기 빔분할기에서 합해진 빔의 간섭무늬를 카운트하여 증발계 수조의 수위를 측정하는 디텍터
    를 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 서로 다른 경로는,
    수면을 투과하여 진행하는 경로와 상기 증발계 수조의 바닥에 평행하게 진행하는 경로인 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증발계 수조는,
    상기 증발계 수조 속의 물을 통과하는 상기 빔의 반사를 위해 상기 미러를, 내부 또는 외부에 부착한 흰색 금속 증발계 통을 포함하고,
    상기 흰색 금속 증발계 통은,
    상기 빔의 통과를 위한 윈도우를 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔의 반사를 위한 미러는,
    상기 빔이 입사되는 경로에 따라 반사되는 위치의, 상기 증발계 수조의 내부, 표면 또는 외부 중 어느 하나에 부착하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증발계 수조는,
    상기 빔이 상기 증발계 수조 속 물의 통과하여 윈도우를 지날 때, 광원의 파장에 대하여 비반사 코팅이 된 윈도우가 부착된 흰색 금속 증발계 수조
    를 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    0.1부터 1밀리미터까지의 지름을 가지고 상기 디텍터 앞에 위치하는 핀 홀
    을 더 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디텍터는,
    상기 빔의 간섭에 의하여 만들어지는 간섭무늬와 간섭무늬의 밝고 어두운 변화의 이동을 감지해서 증발계 수조의 수위 변화를 계산하고 측정하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디텍터는,
    아래 수식 4과 수식 5를 사용하고, 레이저의 파장 λ를 이용하여 증발계 수조의 수위 변화를 계산하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
    수식 4
    2nd cosθ = mλ
    여기서, n은 물질의 굴절율 값으로 물을 경우 1.33이며, d는 빛이 통과하는 매질의 거리, θ는 빛의 입사각, m은 간섭 차수이며 정수 값, 그리고 λ는 레이저의 파장임.
    수식 5
    2nd = λ
    여기서, n = 1.33 이므로 이를 정리하면 2.66 d = 632.8 nm 이다. 즉, 간섭계를 이용한 증발계에서 구하여야 할 값 d = 632.8 nm/2.66 = 237.89 nm ≒ 238 nm 임.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 디텍터는,
    파장 λ를 가진 레이저와 간섭무늬의 변화를 읽기 위해 포토다이오드(Photo diode: PD) 또는 광증폭튜브(Photo Multiplier Tube; PMT)
    를 포함하는 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    수조에 물을 채움, 비움, 세척 중 어느 하나를 수행하는 컨트롤러
    를 더 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 증발계 수조의 측정 위치를 알리는 지피에스 모듈
    을 더 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 증발계 수조의 수위를 실시간 관측하여 획득된 정보를 네트워크를 통해 전송하는 통신 장치
    를 더 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 간섭무늬는,
    미켈슨, 마흐-젠더, 헤테로다인, 컴먼-패스 중 어느 하나의 간섭계 기술이 적용된 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    간섭계 빔이 진행하는 경로에 위치하는 증발계 수면의 흔들림을 최소화하기 위해 유리, 석영, 플라스틱, 또는 금속 중 적어도 하나를 선택하여 제작한 수면 흔들림 방지 장치, 또는 바람막이 장치 또는 바람막이 시험관
    을 더 포함하는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수면 흔들림 방지 장치 또는 바람막이 장치 또는 바람막이 시험관은,
    내외부 수면 높이를 동일하게 할 수 있도록, 증발계 수조 바닥과 맞닿는 부분 또는, 바닥 근처에, 단일 또는 여러 개의 구멍이나 톱니, 또는 사각형 모양의 홈이 파져 구성되는 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정 장치.
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