KR101934069B1 - 액체수위측정장치 - Google Patents

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KR101934069B1
KR101934069B1 KR1020170123294A KR20170123294A KR101934069B1 KR 101934069 B1 KR101934069 B1 KR 101934069B1 KR 1020170123294 A KR1020170123294 A KR 1020170123294A KR 20170123294 A KR20170123294 A KR 20170123294A KR 101934069 B1 KR101934069 B1 KR 101934069B1
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김덕영
전필준
이희중
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 액체수위측정장치에 관한 것으로, 저장부에 담긴 액체의 수위를 측정하는 장치에 있어서, 상기 액체에 광을 예각의 입사각으로 조사하는 광원부, 및 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치를 촬영하는 카메라부를 포함하며, 상기 광원부에서 조사된 광이 상기 액체 유무에 따라 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치의 차이, 상기 광원부에서 상기 액체에 조사되는 광의 입사각, 및 스넬의 법칙을 이용하여 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 수위를 측정할 수 있다.

Description

액체수위측정장치{LIQUID LEVEL MEASURING EQUIPMENT}
본 발명은 액체수위측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 투명한 매질 내부를 진행하는 광선의 반사와 굴절을 응용한 광학식 수면측정기는 산업 전반에 걸쳐서 광범위하게 사용되고 있다. 기존의 광학식 수면측정기는 프리즘식(미국특허 제7109513호)과 광섬유식(일본특허 제04-125423호) 등이 있다. 이런 방식은 특정위치에서 수면의 위치를 감지하는 측정기로 사용하기에는 효과적이나 연속적으로 변하는 수면의 측정에는 적합하지 않다.
액체류 화학물질은 공업 전반에서 사용되며, 이러한 화학물질의 잔량, 즉 수위 확인은 생산량 극대화에 중요하다. 또한 수위측정장치는 급격한 수위 변화의 경우 해당 물질의 유출 가능성이 있어 안전기술 영역에서도 수요가 존재한다. 종래의 광학적 수위측정기술들은 액체면에서의 반사광으로 측정하기 때문에 불투명한 액체에 한하여 사용 가능하여 액체가 투명한 경우에는 광학적으로 측정이 어렵다는 문제가 있다.
종래 수심 측정에 있어 초음파를 이용한 기술이 많이 사용되고 있으며, 음향측심기는 음파를 측정하고자 하는 방향으로 발사한 후, 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 액체 매질 내에서의 음파의 속도와 왕복시간의 곱을 반으로 나누어 수심을 측정한다. 이와 유사한 기술로, 다중빔 다중빔 음향측심기는 액체내에서 음파가 바닥면에 반사되어 돌아오는 시간을 이용하여 바닥면까지의 거리를 측정할 수 있다. 종래 음파를 이용한 측심 기술은 속도가 느리고 부정확하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 광원부와 카메라부를 이용하여 투명 액체의 수위를 측정하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 액체수위측정장치는 저장부에 담긴 액체의 수위를 측정하는 장치에 있어서, 상기 액체에 광을 예각의 입사각으로 조사하는 광원부, 및 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치를 촬영하는 카메라부를 포함하며, 상기 광원부에서 조사된 광이 상기 액체 유무에 따라 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치의 차이, 상기 광원부에서 상기 액체에 조사되는 광의 입사각, 및 스넬의 법칙을 이용하여 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 수위를 측정할 수 있다.
상기 광원부로부터 입사각
Figure 112017093253419-pat00001
로 상기 액체 표면에 광을 조사할 때, 상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위(h)를 하기 제1 식으로 구할 수 있다.
Figure 112017093253419-pat00002
(s'은 상기 광원부로부터 시작되어 상기 액체의 표면에 직교하는 가상선이 상기 저장부의 바닥과 만나는 원점(0)으로부터 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리, s는 상기 원점으로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
Figure 112017093253419-pat00003
는 기체 굴절률,
Figure 112017093253419-pat00004
는 액체 굴절률)
상기 기체 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00005
)이 1인 경우 상기 제1 식을 이용하여 상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위를 구할 수 있다.
서로 다른 두 개의 입사각
Figure 112017093253419-pat00006
과
Figure 112017093253419-pat00007
를 갖는 입사광, 상기 광원부에서 조사된 광이 서로 다른 입사각에 따라 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치의 차이, 및 근사식(sinθ ≒ tanθ, θ << 1)을 이용하여 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 수위를 측정할 수 있다.
상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위(h)를 하기 제2 식으로 구할 수 있다.
Figure 112017093253419-pat00008
(입사각이
Figure 112017093253419-pat00009
인 경우,
Figure 112017093253419-pat00010
은 상기 원점으로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
Figure 112017093253419-pat00011
은 상기 원점으로부터 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리, 입사각이
Figure 112017093253419-pat00012
인 경우,
Figure 112017093253419-pat00013
는 상기 원점으로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
Figure 112017093253419-pat00014
는 상기 원점으로부터 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리)
본 발명에 따른 액체수위측정장치는 저장부에 담긴 액체의 수위를 측정하는 장치에 있어서, 상기 액체에 광을 수직으로 조사하는 광원부, 상기 광원부에서 조사된 광을 수광하는 수광부, 및 상기 수광부에서 수광된 광과 시간 상관 단광자 검출법(Time Correlated Single Photon Counting ; TCSPC)을 이용하여 광경로를 산출하는 제어부를 포함하며, 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 유무에 따라 상기 광원부에서 조사된 광의 광경로의 차이와 상기 액체의 굴절률을 이용하여 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 수위를 측정할 수 있다.
상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위(h)를 하기 제3 식으로 구할 수 있다.
Figure 112017093253419-pat00015
(d는 상기 광원부로부터 상기 저장부의 바닥까지의 왕복 광경로,
Figure 112017093253419-pat00016
는 상기 광원부로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 저장부의 바닥까지의 왕복 광경로, n은 액체 굴절률,
Figure 112017093253419-pat00017
는 기체 굴절률)
상기 기체 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00018
)이 1인 경우 상기 제3 식을 이용하여 상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위를 구할 수 있다.
본 발명은 광(레이저)을 이용하여 종래 음파를 이용한 기술에 비해 월등한 측정 속도로 실시간 측정이 가능하고, 신속한 측정 속도로 동시간에 더 많은 데이터를 얻을 수 있으며, 이를 이용해 측정 결과를 용이하게 보정할 수 있다.
종래는 액체면에서의 반사광으로 수위를 측정하여 불투명한 액체에 한하여 수위 측정이 가능하였으나 본 발명은 액체면에서의 굴절광을 이용하여 투명한 액체에 대해서도 수위 측정이 가능하며 여러 액체에 대한 별도의 설정 없이 빠른 수위 측정이 가능하다.
또한, 수 mm 영역까지 수위를 측정할 수 있으며, 동시에 빠른 측정속도를 기반으로 실시간 보정이 가능하므로, 액체의 수위가 변하는 경우에도 액체의 변화량을 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1은 스넬의 법칙의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액체수위측정장치 일실시예의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액체수위측정장치 다른 실시예의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 액체수위측정장치 또 다른 실시예의 개념도이다.
이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 액체수위측정장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 스넬의 법칙의 개념도이며, 도 2는 본 발명에 따른 액체수위측정장치 일실시예의 개념도이다.
본 발명의 일례에 따른 액체수위측정장치는 광원부(100), 카메라부(200), 저장부(300), 수광부(400) 등을 포함할 수 있다.
액체수위측정장치는 액체(10)에 광을 예각의 입사각으로 조사하는 광원부(100), 및 액체(10) 표면에서 굴절된 굴절광이 저장부(300)의 바닥(310)에 도달하는 위치를 촬영하는 카메라부(200)를 포함하며, 광원부(100)에서 조사된 광이 액체(10) 유무에 따라 저장부(300)의 바닥(310)에 도달하는 위치의 차이, 광원부(100)에서 액체(10)에 조사되는 광의 입사각, 및 스넬의 법칙을 이용하여 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위를 측정할 수 있다. 광원부(100)로부터 입사각
Figure 112017093253419-pat00019
로 액체(10) 표면에 광을 조사할 때, 저장부(300) 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위(h)를 하기 제1 식(수학식 1)으로 구할 수 있으며, 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00020
)이 1인 경우 (수학식 1)을 이용하여 저장부(300) 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위를 구할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112017093253419-pat00021

본 발명은 서로 다른 매질에서 광이 굴절하는 성질을 이용하여 액체(10)의 수위를 측정하는 장치에 관한 것이다. 도 1은 서로 다른 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00022
<
Figure 112017093253419-pat00023
)을 갖는 매질에서 입사각과 굴절각의 관계를 나타내는 스넬의 법칙(수학식 2)을 나타내고 있다.
(수학식 2)
Figure 112017093253419-pat00024
(
Figure 112017093253419-pat00025
는 입사각,
Figure 112017093253419-pat00026
는 굴절각,
Figure 112017093253419-pat00027
는 매질 1의 굴절률,
Figure 112017093253419-pat00028
는 매질 2의 굴절률)
광원부(100)는 저장부(300)에 담긴 액체(10)에 광을 조사하는 것으로, 저장부(300)에 담긴 액체(10)에 대해 서로 다른 입사각으로 광원을 조사하는 역할을 할 수 있다. 카메라부(200)는 광원부(100)에서 조사된 광이 액체(10) 표면에서 굴절되어 저장부(300)의 바닥(310)에 도달되는 위치를 촬영하는 역할을 할 수 있다.
도 2의 예시에서 알 수 있는 바와 같이 일례로, 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위(h)는 광원부(100)로부터 시작되어 액체(10)의 표면에 직교하는 가상선이 저장부(300)의 바닥(310)과 만나는 점을 원점(0)이라 할 때, 원점(0)으로부터 액체(10) 표면에서 굴절된 굴절광이 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(s'), 저장부(300)에 액체(10)가 없는 경우에 광원부(100)로부터 조사된 광이 원점(0)으로부터 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(s), 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00029
), 액체(10) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00030
), 및 예각의 입사각(
Figure 112017093253419-pat00031
)을 이용하여 측정할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명한다.
(수학식 3)
Figure 112017093253419-pat00032
(H는 광원부(100)에서 저장부(300) 바닥(310)까지의 거리)
(수학식 3)의 세째 줄 식에 스넬의 법칙(수학식 2)을 대입하여 식을 전개하면
(수학식 4)
Figure 112017093253419-pat00033

(수학시 4)의 둘째 줄의
Figure 112017093253419-pat00034
를 (수학식 3)의 세째 줄에 있는 h에 대입하여 식을 정리하면 (수학식 1)이 도출된다.
일례로, 굴절률이 1인 대기에서 광원부(100)의 광이 액체(10)의 표면에 조사되는 경우, (수학식 1)의 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00035
)에 1을 대입하여 정리하면 아래 (수학식 5)를 얻을 수 있다.
(수학식 5)
Figure 112017093253419-pat00036

(수학식 1)이나 (수학식 5)에서, s'은 카메라부(200)로 촬영하여 측정할 수 있으며, H는 측정하여 알 수 있고, s는 (수학식 3)의 첫째 줄에 있는 식으로 구할 수 있으며,
Figure 112017093253419-pat00037
값에 액체(10)의 굴절률을 대입하면 h를 구할 수 있다.
(수학식 1)이나 (수학식 5)는 액체(10)의 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00038
)을 아는 경우 사용가능한 식이므로 액체(10)의 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00039
)을 모르는 경우 다른 방법이 필요하다.
도 3은 본 발명에 따른 액체수위측정장치 다른 실시예의 개념도이다.
서로 다른 두 개의 입사각
Figure 112017093253419-pat00040
과
Figure 112017093253419-pat00041
를 갖는 입사광, 광원부(100)에서 조사된 광이 서로 다른 입사각에 따라 저장부(300)의 바닥(310)에 도달하는 위치의 차이, 및 근사식(sinθ ≒ tanθ, θ << 1)을 이용하여 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위를 측정할 수 있으며, 저장부(300) 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위(h)를 하기 제2 식(수학식 6)으로 구할 수 있다.
(수학식 6)
Figure 112017093253419-pat00042

액체(10)의 굴절률을 모르는 경우, 광원부(100)에서 서로 다른 입사각(
Figure 112017093253419-pat00043
,
Figure 112017093253419-pat00044
)을 갖는 입사광을 액체(10)에 조사하여 입사각에 따라 저장부(300)의 바닥(310)에 도달하는 위치의 차이와 근사식(sinθ ≒ tanθ, θ << 1)을 이용하여 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위를 측정할 수 있다.
도 3의 예시에서 알 수 있는 바와 같이 일례로, 저장부(300)의 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위(h)는 입사각이
Figure 112017093253419-pat00045
인 경우에 저장부(300)에 액체(10)가 없는 경우 광원부(100)로부터 조사된 광이 원점(0)으로부터 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(
Figure 112017093253419-pat00046
), 액체(10) 표면에서 굴절된 굴절광이 원점(0)으로부터 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(
Figure 112017093253419-pat00047
)를 이용하여 (수학식 6)으로 구할 수 있으며 또한, 입사각이
Figure 112017093253419-pat00048
인 경우에 저장부(300)에 액체(10)가 없는 경우 광원부(100)로부터 조사된 광이 원점(0)으로부터 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(
Figure 112017093253419-pat00049
), 액체(10) 표면에서 굴절된 굴절광이 원점(0)으로부터 저장부(300)의 바닥(310)에 도달한 지점까지의 거리(
Figure 112017093253419-pat00050
)를 이용하여 (수학식 6)으로 구할 수 있다.
도 3을 참조하여 설명한다.
일례로, 서로 다른 두개의 입사각(
Figure 112017093253419-pat00051
,
Figure 112017093253419-pat00052
)을 이용하여
Figure 112017093253419-pat00053
과
Figure 112017093253419-pat00054
을 측정하면 2개의 변수에 대한 연립방정식을 얻을 수 있어 수위를 측정할 수 있다. 이때 이를 완전히 수식적으로 풀기는 어려우나 산술적인 연산을 통하여 연립방정식의 해를 구할 수 있다. 그러나 입사각(
Figure 112017093253419-pat00055
,
Figure 112017093253419-pat00056
)이 매우 작을 경우에 한하여 근사를 통해 다음과 같이 수식적으로 수위를 구할 수 있다.
(수학식 7)
Figure 112017093253419-pat00057

이러한 근사식을 (수학식 3)의 첫째 줄에 있는 식에 대입하고 두 입사각(
Figure 112017093253419-pat00058
,
Figure 112017093253419-pat00059
)에 대해 정리하면 아래와 같다.
(수학식 8)
Figure 112017093253419-pat00060

(수학식 8)의 두 개의 식을 연립방정식으로 정리하면 아래와 같다.
(수학식 9)
Figure 112017093253419-pat00061

(수학식 9)를 h에 대해 정리하면 아래와 같다.
(수학식 10)
Figure 112017093253419-pat00062

(수학식 6)이나 (수학식 10)에서, H는 측정하여 알 수 있고,
Figure 112017093253419-pat00063
과
Figure 112017093253419-pat00064
는 (수학식 3)의 첫째 줄에 있는 식으로 구할 수 있으며,
Figure 112017093253419-pat00065
과
Figure 112017093253419-pat00066
은 카메라부(200)로 촬영하여 측정할 수 있어 액체(10)의 굴절률을 모르는 경우에도 h를 구할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 액체수위측정장치 또 다른 실시예의 개념도이다.
액체수위측정장치는 액체(10)에 광을 수직으로 조사하는 광원부(100), 광원부(100)에서 조사된 광을 수광하는 수광부(400), 및 수광부(400)에서 수광된 광과 시간 상관 단광자 검출법(Time Correlated Single Photon Counting ; TCSPC)을 이용하여 광경로를 산출하는 제어부를 포함하며, 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 유무에 따라 광원부(100)에서 조사된 광의 광경로의 차이와 액체(10)의 굴절률을 이용하여 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위를 측정할 수 있다. 저장부(300) 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위(h)를 하기 제3 식(수학식 11)으로 구할 수 있으며, 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00067
)이 1인 경우 (수학식 11)을 이용하여 저장부(300) 바닥(310)으로부터의 액체(10)의 수위를 구할 수 있다.
(수학식 11)
Figure 112017093253419-pat00068

광원부(100)는 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 표면에 대해 광이 수직으로 입사하도록 광을 조사하는 역할을 할 수 있다. 수광부(400)는 광원부(100)에서 조사된 광이 액체(10) 표면에서 반사되는 광과 저장부(300)의 바닥(310)에서 반사되는 광을 수광하는 역할을 할 수 있다. 제어부(미도시)는 광원부(100)에서 조사된 광이 수광부(400)에서 수광된 광과 시간 단광자 검출법(TCSPC)을 이용하여 광원부(100)에서 조사되어 수광부(400)로 수광된 광의 광경로를 산출할 수 있다.
투명한 액체(10)를 통과하는 광은 굴절률에 의해 광의 속도가 변하게 되며, 광의 진행 거리(path length : PL)는 다음과 같다.
(수학식 12)
PL = ct/n
여기서, c(c = 3.0 X 108 m/s)는 진공에서의 광의 진행 속도, t는 광의 진행 시간, n은 해당 매질의 굴절률이다. 매질 속에서 광은 매질의 굴절률에 의해 속도가 바뀌게 되므로 매질의 양, 즉 높이에 따라 광의 진행 시간이 바뀌게 된다. 광의 속도(3.0 X 108 m/s)는 매우 빠르기 때문에 광원부(100)에서 조사된 광이 저장부(300)의 바닥(310)에서 반사되어 돌아오는 시간이 매우 짧아 원하는 수준의 거리 분해능을 갖기 위해서는 측정장치의 높은 시간 분해능이 필요하며 이에 적합한 기술이 TCSPC 기술이다. TCSPC 기술은 광자 증폭 장치를 이용하여 단일 광자(Single photon) 하나하나가 측정장치로 입사된 시간을 측정하는 기술로 광원부(100)에서 광을 조사한 시간과 그 광이 수광부(400)로 돌아오는 시간을 측정할 수 있어, 서브-나노(Sub-nano) 혹은 피코(pico) 수준의 분해능을 가지며 이를 통해 수심을 수 mm 수준으로 측정할 수 있다. 단일 광자 수준으로 측정이 가능하므로, 광량이 매우 부족하거나 액체(10)에서 산란되어 다시 돌아오는 광량이 적더라도 측정이 가능하다. 따라서, 액체(10)의 수위를 측정할 때 수면의 유동 등에 의하여 측정값이 바뀔 수 있어 측정값의 평균을 내는 등의 조치가 필요한 경우, TCSPC 기술을 응용할 수 있다.
도 4의 예시에서 알 수 있는 바와 같이 일례로, 저장부(300)에 담긴 액체(10)의 수위(h)는 광원부(100)로부터 저장부(300) 바닥(310)까지의 왕복 광경로(d), 저장부(300)에 액체(10)가 없는 경우에 광원부(100)로부터 저장부(300) 바닥(310)까지의 왕복 광경로(
Figure 112017093253419-pat00069
), 액체(10) 굴절률(n), 및 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00070
)을 이용하여 측정할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명한다.
(수학식 13)
Figure 112017093253419-pat00071

(수학식 13)을 h에 대해 정리하면 (수학식 11)을 얻을 수 있다.
일례로, 굴절률이 1인 대기에서 광원부(100)의 광이 액체(10)의 표면에 수직으로 조사되는 경우, (수학식 11)의 기체(20) 굴절률(
Figure 112017093253419-pat00072
)에 1을 대입하여 정리하면 아래 (수학식 14)을 얻을 수 있다.
(수학식 14)
Figure 112017093253419-pat00073

(수학식 11)이나 (수학식 14)에서, d는 시간 단광자 검출법(TCSPC)을 이용하여 산출할 수 있으며,
Figure 112017093253419-pat00074
는 (수학식 13)의 첫째 줄의 식으로 구할 수 있으며, n에 액체(10) 굴절률을 대입하면 h를 구할 수 있다.
본 발명은 광(레이저)을 이용하여 종래 음파를 이용한 기술에 비해 월등한 측정 속도로 실시간 측정이 가능하고, 신속한 측정 속도로 동시간에 더 많은 데이터를 얻을 수 있으며, 이를 이용해 측정 결과를 용이하게 보정할 수 있다. 종래는 액체(10)면에서의 반사광으로 수위를 측정하여 불투명한 액체(10)에 한하여 수위 측정이 가능하였으나 본 발명은 액체(10)면에서의 굴절광을 이용하여 투명한 액체(10)에 대해서도 수위 측정이 가능하며 여러 액체(10)에 대한 별도의 설정 없이 빠른 수위 측정이 가능하다. 또한, 수 mm 영역까지 수위를 측정할 수 있으며, 동시에 빠른 측정속도를 기반으로 실시간 보정이 가능하므로, 액체(10)의 수위가 변하는 경우에도 액체(10)의 변화량을 정밀하게 측정할 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 액체 20 : 기체
100 : 광원부 200 : 카메라부
300 : 저장부 310 : 저장부의 바닥
400 : 수광부

Claims (8)

  1. 저장부에 담긴 액체의 수위를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 액체에 광을 예각의 입사각으로 조사하는 광원부; 및
    상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치를 촬영하는 카메라부;를 포함하며,
    서로 다른 두 개의 입사각
    Figure 112018084727887-pat00080
    과
    Figure 112018084727887-pat00081
    를 갖는 입사광, 상기 광원부에서 조사된 광이 서로 다른 입사각에 따라 상기 저장부의 바닥에 도달하는 위치의 차이, 및 근사식(sinθ ≒ tanθ, θ << 1)을 이용하여 상기 저장부에 담긴 상기 액체의 수위를 측정하는 액체수위측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장부 바닥으로부터의 상기 액체의 수위(h)를 하기 제2 식으로 구하는 액체수위측정장치.
    Figure 112019500784031-pat00082

    (입사각이
    Figure 112019500784031-pat00083
    인 경우,
    Figure 112019500784031-pat00084
    은 원점으로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
    Figure 112019500784031-pat00085
    은 원점으로부터 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
    입사각이
    Figure 112019500784031-pat00086
    인 경우,
    Figure 112019500784031-pat00087
    는 원점으로부터 상기 저장부에 액체가 없는 경우 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리,
    Figure 112019500784031-pat00088
    는 원점으로부터 상기 액체 표면에서 굴절된 굴절광이 상기 저장부 바닥에 도달한 지점까지의 거리)
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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