KR101978906B1

KR101978906B1 - 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법

Info

Publication number: KR101978906B1
Application number: KR1020170050899A
Authority: KR
Inventors: 박영준; 최수환
Original assignee: (주)무한콘트롤
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2019-05-15
Also published as: KR20180117854A

Abstract

본 발명의 일실시예는 수용 공간 내부의 내용물의 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법을 제공한다. 여기서, 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치는 송신신호제어부, 안테나부 그리고 수신신호처리부를 포함한다. 송신신호제어부는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 발생한다. 안테나부는 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 목표물로 방사되도록 하고, 목표물에서 반사되는 반사파가 수신된다. 수신신호처리부는 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 안테나부로 수신되는 반사파로부터 안테나부 및 목표물 사이의 거리 및 목표물의 레벨을 산출한다. 또한, 안테나부는 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급하는 급전부와, 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 하우징부의 후단에 구비되어 전자기파가 방사되는 개구를 형성하고, 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지며, 방사되는 전자기파의 사이드 로브(Side Lobe)를 감소시키는 산란방지부와, 산란방지부의 전단 및 후단 중 어느 한 곳 이상에 구비되고 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환시키는 파면변환부를 가진다.

Description

밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법{APPARATUS FOR MEASURING LEVEL USING MILLIMETER WAVE AND METHOD OF MEASURING LEVEL USING THE SAME}

본 발명은 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수용 공간 내부의 내용물의 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법에 관한 것이다.

초고주파를 이용한 레이더(Radar)는 마이크로파 또는 밀리미터파를 이용하여 목표 물체의 위치 또는 거리를 탐지하거나, 일정 영역에 마이크로파 또는 밀리미터파를 송수신하여 목표로 한 영역을 영상화한다. 마이크로파 또는 밀리미터파를 이용한 레이더에서 전자기파의 송수신을 위한 주요한 부품인 안테나는 전자기파를 송수신한다. 일반적으로, 안테나에서 전자기파가 송신될 때, 메인 로브(Main Lobe)와 함께 사이드 로브(Side Lobe)가 발생한다. 일반적으로 메인 로브의 폭이 작을 경우 레이더의 거리 및 위치에 대한 해상도가 증가한다. 그러나 사이드 로브에 의해 목표로 하지 않은 물체에 의해서 반사되는 신호는 레이더의 해상도를 나쁘게 하거나, 잘못된 물체에 대한 검출이 이루어지도록 하는 원인이 될 수 있다. 따라서, 레이더에서 고해상도 특성을 얻기 위해서는 안테나 이득을 높게 하여 메인 로브의 폭을 가능한 작게 함으로써 방사되는 안테나 빔의 직진성을 개선하는 것이 필요하다.

안테나 이득을 개선하기 위해서는 전자기파가 방사되는 안테나의 개구 (Aperture)가 방사 신호 파장보다 더 커야 한다. 즉, 동일한 개구의 크기를 가지더라도 주파수가 높은 밀리미터파 대역을 사용하는 것이 안테나의 이득을 높일 수 있다. 예를 들어, 최근 실용화가 되고 있는 차량 충돌 방지용 레이더는 차량 전방에 레이더 시스템을 장착해야 하기 때문에, 안테나 이득은 높으면서 작은 사이즈가 요구되며, 76-77GHz 또는 78GHz-80GHz의 주파수가 사용된다.

차량 충돌 방지용 레이더에서도 안테나의 사이드 로브에 의해서 차량 이외의 도로 주변의 물체에 의한 반사 신호가 수신될 수 있으며, 이러한 신호는 목표물 검출의 방해 신호로 작용될 수 있다.

도 1은 종래의 안테나에서 방사되는 전자기파의 모양을 나타낸 예시도이고, 도 2는 종래에 밀폐된 저장 용기에서 다중 경로 반사에 의한 신호 수신 현상을 나타낸 예시도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 안테나(10)에서 전자기파가 송신될 때, 전자기파에는 안테나(10)의 지향성(Directivity)의 수평방향 패턴 중 에너지가 가장 많이 방사되는 메인 로브(20)와, 메인 로브(20) 이외의 방향으로 방사되는 사이드 로브(21)가 발생한다.

한편, 노(Furnace), 원자력 발전소의 중수로, 콘크리트 배합 장치, 곡물 저장탱크, 유류 저장 탱크 등과 같은 사방이 닫힌 밀폐 공간(30)에서는 메인 로브(20)가 용탕, 중수, 콘크리트, 곡물, 유류 등과 같은 내용물(40)에 반사된 반사 신호(20a)와 함께, 사이드 로브(21)가 내용물(40) 및 밀폐 공간(30)의 벽면(31)에 반사된 반사 신호(21a)도 안테나(10)로 수신된다. 그리고, 이렇게 수신되는 사이드 로브(21)의 반사 신호(21a)는 내용물(40)에 대한 정확한 측정을 어렵게 한다. 더욱이, 밀폐 공간(30)의 벽면(31)이 금속 재질이나 콘크리트 소재로 만들어지는 경우, 사이드 로브(21)에 의한 반사 신호(21a)는 메인 로브(20)에 의한 반사 신호(20a)보다 더 클 수가 있다. 따라서, 내용물(40)의 정확한 레벨을 측정하기 위해서는 사이드 로브의 발생을 줄이는 것이 효과적일 수 있다.

특히, 고로(Blast Furnace)와 같이 내부가 고온인 저장 공간에서는, 종래에는 카메라로 고로의 용융물이 출선되는 출선구 및 출선구로부터 출선되는 용융물의 영상을 촬영하고, 촬영된 영상을 기초로 출선구에서 출선되는 용융물에 대한 출선각에 대응하여 용융물의 레벨을 측정하기도 한다. 그런데 이 경우에는, 출선각 각각에 대응하여 설정된 용융물의 레벨값이 저장되어야 하고, 출선각에 영향을 미치는 요소인 고로 내의 풍압도 추가로 감지해야 하는 어려움이 있다. 그리고, 노(Furnace)는 내부가 고온이기 때문에, 안테나를 이용하는 경우, 안테나의 개구가 직접 고온의 용탕을 향하게 되면, 용탕에서 방출되는 열에 의해 안테나 내부의 각종 부품들이 열에 의해 손상될 수 있다. 따라서, 고온의 내용물에 대해서도 안전하고 정확한 측정이 가능하도록 하는 측정기술이 요구된다.

그리고, 안테나(10)가 이동되면서 밀폐 공간(30) 내의 다양한 위치에서 밀폐 공간(30)에 저장된 내용물(40)의 레벨을 측정하는 경우, 안테나(10)가 이동되도록 하여 메인 로브(20)의 방향이 변경되도록 할 필요성이 있다. 그런데, 메인 로브(20)의 방향이 변경되는 경우, 사이드 로브(21)에 의하여 밀폐 공간(30)의 벽면(31)에 반사되는 신호의 크기는 더욱 커진다. 따라서, 안테나(10)에 수신되는 신호가 처리될 때, 사이드 로브(21)에 의한 반사 신호(21a)로 인해 밀폐 공간(30)에 저장된 내용물(40)의 정확한 측정값이 얻어지기 어려운 문제점이 있다.

공개특허공보 제2010-0071347호(2010.06.29. 공개)

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수용 공간 내부의 내용물의 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치 및 이를 이용한 레벨 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 발생하는 송신신호제어부; 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 목표물로 방사되도록 하고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 수신되는 안테나부; 그리고 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 수신신호처리부를 포함하고, 상기 안테나부는 상기 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급하는 급전부와, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 상기 전자기파가 방사되는 개구를 형성하고, 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지며, 방사되는 상기 전자기파의 사이드 로브(Side Lobe)를 감소시키는 산란방지부와, 상기 산란방지부의 전단 및 후단 중 어느 한 곳 이상에 구비되고 상기 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환시키는 파면변환부를 가지는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 파면변환부는 상기 하우징부 및 상기 산란방지부의 사이에 구비되는 렌즈를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고, 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파의 방향을 전환시켜 상기 전자기파가 상기 목표물로 방사되도록 하는 평판 형상의 반사체를 가지는 방향전환부를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 발생하는 송신신호제어부; 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 목표물로 방사되도록 하고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 수신되는 안테나부; 그리고 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 수신신호처리부를 포함하고, 상기 안테나부는 상기 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급하는 급전부와, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 상기 전자기파가 방사되는 개구를 형성하고, 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지며, 방사되는 상기 전자기파의 사이드 로브(Side Lobe)를 감소시키는 산란방지부와, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고, 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환시킴과 동시에 상기 전자기파가 상기 목표물로 방사되도록 상기 전자기파의 방향을 전환시키는 포물선(Parabolic) 형상의 반사체를 가지는 파면변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하우징부는 상기 급전부와 연결되고, 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 천이부와, 상기 천이부의 후단에 연결되고, 상기 산란방지부가 상기 파면변환부에 연결되도록 연장 형성되는 도파부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 파면변환부는 상기 도파부 및 상기 산란방지부 사이에 구비되는 렌즈를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 송신신호제어부는 상기 전자기파 신호를 발생하는 신호발생부와, 상기 신호발생부에서 신호를 수신하고 복수의 경로로 전송하는 방향성 결합부와, 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호를 상기 안테나부로 전달하는 서큘레이터를 가지고, 상기 전자기파는 미리 정해진 주파수 대역의 주파수 변조 연속파(FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave)이며, 주기적으로 발생될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수신신호처리부는 상기 안테나부 및 상기 서큘레이터를 통해 전달되는 수신신호 및 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호가 입력되고 믹싱되어, 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호를 받는 시점에서 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호와의 주파수 차를 가지는 차 신호를 생성하는 믹서부와, 상기 믹서부에서 전달되는 상기 차 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환부와, 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리(R)를 식(1)을 이용하여 산출하고, 상기 목표물의 레벨(H)을 식(2)를 이용하여 산출하는 처리부를 가질 수 있다.

식(1) --- R=T2×c×f1/(2Δf)

상기 식(1)에서, T2는 한 주기(TE) 중 전자기파 신호의 출력 시간이고, c는 전파속도이고, f1은 상기 주파수 차이고, Δf는 전자기파의 주파수 대역폭이다.

식(2) --- H=H1-R-H2

상기 식(2)에서, H1은 목표물이 수용되는 수용부의 높이이고, H2는 안테나부의 하단부에서 상기 수용부의 최상면까지의 높이이다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법에 있어서, (a) 송신신호제어부에서 밀리미터 파장을 가지는 전자기파가 발생되는 단계; (b) 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 안테나부를 통해 목표물로 방사되고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 상기 안테나부로 수신되는 단계; 그리고 (c) 수신신호처리부가 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 (b) 단계에서, 상기 전자기파는 출력전력을 공급하는 급전부에서 생성되고, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 개구를 형성하고, 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지는 산란방지부를 거치면서 사이드 로브(Side Lobe)가 감소되고, 상기 산란방지부의 전단 및 후단 중 어느 한 곳 이상에 구비되는 파면변환부를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 전자기파는 상기 하우징부 및 상기 산란방지부의 사이에 구비되는 렌즈를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 전자기파는 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되고, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 더 배치되는 평판 형상의 반사체에 의해 방향이 전환되어 상기 목표물로 방사될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는 신호발생부에서 상기 전자기파 신호가 발생되는 단계와, 방향성 결합부에서 상기 신호발생부로부터 신호를 수신하여 복수의 경로로 전송하는 단계와, 서큘레이터에서 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호를 상기 안테나부로 전달하는 단계를 포함하고, 상기 전자기파는 미리 정해진 주파수 대역의 주파수 변조 연속파(FMCW)이며, 주기적으로 발생될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 믹서부에서 상기 안테나부 및 상기 서큘레이터를 통해 전달되는 수신신호 및 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호가 입력되고 믹싱되어, 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호 및 상기 수신신호를 받는 시점에서 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호와의 주파수 차를 가지는 차 신호가 생성되는 단계와, 신호변환부에서 상기 믹서부로부터 전달되는 상기 차 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계와, 처리부에서 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리(R)가 식(1)을 이용하여 산출되고, 상기 목표물의 레벨(H)이 식(2)를 이용하여 산출되는 단계를 포함한다.

식(1) --- R=T2×c×f1/(2Δf)

식(2) --- H=H1-R-H2

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법에 있어서, (a) 송신신호제어부에서 밀리미터 파장을 가지는 전자기파가 발생되는 단계; (b) 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 안테나부를 통해 방사되고, 목표물에서 반사되는 반사파가 상기 안테나부로 수신되는 단계; 그리고 (c) 수신신호처리부가 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 (b) 단계에서, 상기 전자기파는 출력전력을 공급하는 급전부에서 생성되고, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 개구를 형성하고 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지는 산란방지부를 거치면서 사이드 로브(Side Lobe)가 감소되어 방사되되 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되고, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고 포물선(Parabolic) 형상의 반사체를 가지는 파면변환부를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환됨과 동시에 상기 목표물로 방사되도록 방향이 전환되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전자기파는, 상기 하우징부의 급전부와 연결되고 상기 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 천이부와, 상기 천이부의 후단에 연결되고 상기 산란방지부가 상기 파면변환부에 연결되도록 연장 형성되는 도파부를 통해 상기 파면변환부로 전파될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전자기파는 상기 도파부 및 상기 산란방지부 사이에 더 구비되는 렌즈를 통과할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 안테나부에 산란방지부가 구비되어 전자기파의 사이드 로브가 발생되지 않거나 감소되도록 할 수 있기 때문에, 밀폐 형성되는 수용부에서도, 수용부에 수용되는 내용물의 레벨의 측정값 정확도가 개선될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 안테나부가 수용부의 상부의 외측에 배치되고, 수용부의 내측에 방향전환부 또는 파면변환부가 적절하게 배치되도록 할 수 있다. 이를 통해, 수용부의 내부가 고온 환경인 경우에도 안테나부의 손상이 방지되도록 하면서 정확한 측정이 가능할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 안테나에서 방사되는 전자기파의 모양을 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래에 밀폐된 저장 용기에서 다중 경로 반사에 의한 신호 수신 현상을 나타낸 예시도이다
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 수신신호처리부에서 목표물의 레벨을 산출하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 내용물의 레벨 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 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 명세서에서, “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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 수신신호처리부에서 목표물의 높이를 산출하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치는 송신신호제어부(100), 안테나부(200) 그리고 수신신호처리부(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 송신신호제어부(100)는 신호발생부(110), 방향성 결합부(Directional Coupler)(120) 그리고 서큘레이터(Circulator)(130)를 가질 수 있다.

신호발생부(110)는 전자기파 신호를 발생할 수 있다. 여기서 상기 전자기파는 밀리미터 파장을 가질 수 있으며, 미리 정해진 주파수 대역의 주파수 변조 연속파(FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave)일 수 있다. 신호발생부(110)는 전자기파 신호를 주기적으로 발생할 수 있다.

그리고, 방향성 결합부(120)는 신호발생부(110)에서 신호를 수신하고 복수의 경로로 전송할 수 있다. 방향성 결합부(120)는 신호발생부(110)에서 신호를 수신하고 서큘레이터(130) 및 후술할 믹서부(310)로 전달할 수 있다.

또한, 서큘레이터(130)는 방향성 결합부(120)에서 전송되는 신호를 안테나부(200)로 전달할 수 있다.

안테나부(200)는 급전부(210), 하우징부(220), 산란방지부(230) 및 파면변환부(240)를 가질 수 있다.

급전부(210)는 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급할 수 있다.

하우징부(220)는 급전부(210)와 연결될 수 있으며, 전자기파의 전파방향으로 확대 형성될 수 있다. 하우징부(220)는 금속 소재로 이루어질 수 있다.

그리고, 산란방지부(230)는 하우징부(220)의 후단에 구비될 수 있으며, 전자기파(IW)가 방사되는 개구(Aperture)를 형성할 수 있다. 본 명세서에서, 후단 및 전단은 전자기파의 방사 방향을 기준으로 한다. 따라서, 하우징부(220)의 후단은 도 4를 참조했을 때, 하우징부(220)의 우측 영역을 의미한다.

산란방지부(230)는 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 돌기(231)를 가질 수 있으며, 돌기(231)는 산란방지부(230)의 길이방향을 따라 복수개가 형성될 수 있다. 돌기(231)의 높이는 신호발생부(110)에서 발생되는 전자기파의 주파수 대역의 중심 주파수 파장의 0.25배~0.5배로 형성될 수 있다. 돌기(231)는 전자기파의 전파방향으로 높이가 증가하도록 형성될 수 있으며, 가장 높이가 높은 돌기는 전자기파의 주파수 대역의 중심 주파수 파장의 0.5배로 형성될 수 있다.

그리고, 돌기(231)는 길이방향을 따라 복수개가 이격되어 형성되거나, 나선형상으로 연속적으로 형성될 수 있다. 돌기(231)가 길이방향을 따라 복수개가 이격되어 형성되는 경우, 돌기(231) 간의 간격은 중심 주파수 파장의 0.5배 이하이고, 돌기(231)의 두께는 중심 주파수 파장의 0.4배 이하일 수 있다. 그리고, 돌기(231)가 나선형상으로 형성되는 경우 한 피치(Pitch)는 중심 주파수 파장의 0.5배 이하이고, 한 피치 내의 돌기(231)의 두께는 중심 주파수 파장의 0.4배 이하일 수 있다. 이에 따라, 돌기(231)에서 전자기파의 파장의 상쇄가 발생할 수 있고, 산란방지부(230)에서는 표면을 따라 흐르는 전류가 제거될 수 있다. 이를 통해, 산란방지부(230)를 거쳐 방사되는 전자기파에서는 사이드 로브가 발생되지 않거나 크게 감소될 수 있다.

본 발명에서는 산란방지부(230)를 통해 전자기파의 사이드 로브가 발생되지 않거나 크게 감소되도록 할 수 있기 때문에, 밀폐되도록 형성되는 수용부에서도 신호의 정확성을 높일 수 있고, 이를 통해, 수용부에 수용되는 내용물의 레벨의 측정 정확도를 높일 수 있다.

하우징부(220) 및 산란방지부(230)의 길이 방향에 대한 단면 형상은 사각형을 포함하는 다각형의 형상이나, 정원 및 타원을 포함하는 원형의 형상으로 형성될 수 있다.

그리고, 파면변환부(240)는 산란방지부(230)의 전단 및 후단 중 어느 한 곳 이상에 구비될 수 있다. 본 실시예에서, 파면변환부(240)는 산란방지부(230)의 전단에 구비될 수 있으며, 구체적으로, 파면변환부(240)는 하우징부(220) 및 산란방지부(230)의 사이에 구비될 수 있다. 그리고, 파면변환부(240)는 렌즈(241)를 포함할 수 있다. 렌즈(241)는 공기보다 상대 유전율이 더 높은 유전체로 이루어질 수 있다. 렌즈(241)는 입력되는 전자기파의 위상이 균일해지도록 하여 전자기파의 에너지가 밀집되도록 할 수 있는 형상으로 형성될 수 있다. 신호발생부(110)에서 발생하는 전자기파가 밀리미터파인 경우, 렌즈(241)는 금속 소재로 된 인공 유전체로 이루어질 수도 있다.

급전부(210)에서 생성되는 전자기파는 파면의 모양이 구면을 이루면서 진행하는 파동을 가지는 구면파(Spherical Wave)(W1)의 형태를 가질 수 있다. 즉, 전자기파는 급전부(210)에서 생성되어 하우징부(220)를 통과하는 동안에 구면파(W1)의 형태일 수 있다.

일반적으로, 안테나에서 전자기파가 입력되는 입력부와, 전자기파가 방사되는 개구부의 크기가 작고, 상기 입력부 및 상기 개구부 사이의 거리가 짧은 경우, 안테나의 개구부에서 방사되는 전자기파의 중심과 가장자리에서의 위상차가 매우 커지기 때문에, 안테나의 이득은 저하되고, 전자기파의 직진성이 낮아질 수 있다. 따라서, 안테나의 이득을 높이고 전자기파의 직진성을 높이 위해서는 상기 입력부와 상기 개구부의 크기가 크고 상기 입력부와 상기 개구부 사이의 거리가 길어지도록 해야 한다. 그러나, 이 경우, 안테나의 전체 크기가 너무 커질 수 있다.

본 발명에서는 파면변환부(240)가 마련됨으로써 이러한 문제점이 해결되도록 할 수 있다. 즉, 렌즈(241)를 가지는 파면변환부(240)는 전자기파의 위상을 조절할 수 있다. 즉, 구면파 형태의 전자기파는 렌즈(241)를 통과하면서 균일한 위상을 가지는 전류 분포를 가지도록 변환될 수 있다. 이에 따라, 렌즈(241)를 통과한 전자기파는 균일 위상을 가지는 전자기파(W2)로 변환될 수 있어 안테나부(200)의 이득이 높아지고, 방사되는 전자기파의 직진성이 좋아질 수 있다. 본 발명에서는 파면변환부(240)가 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환 수 있으며, 이를 통해, 안테나부(200)의 전체 크기가 줄어들 수 있다.

안테나부(200)에서 방사된 후 목표물(51)에서 반사되는 반사파(RW)는 안테나부(200)로 수신될 수 있으며, 수신된 반사파 신호는 수신신호처리부(300)로 전달되어 처리될 수 있다.

수신신호처리부(300)는 믹서부(310), 신호변환부(320) 및 처리부(330)를 가질 수 있다.

믹서(Mixer)부(310)는 방향성 결합부(120)에서 전송되어 입력되는 신호(S1) 및 안테나부(200)와 서큘레이터(130)를 통해 전달되는 수신신호(S2)를 믹싱하여 방향성 결합부(120)에서 전송되는 신호 및 서큘레이터(130)를 통해 전달되는 수신신호의 주파수 차(f1)를 가지는 차 신호를 생성할 수 있다. 다시 말하면, 신호발생부(110)에서 발생되는 전자기파 신호(S1)는 시간이 경과함에 따라 일정한 기울기로 주파수가 증가되며, 이러한 주파수 증가는 T2 시간까지 유지될 수 있다. 그리고, 최초로 방사된 신호는 목표물(51)에 반사되고 안테나부(200)를 통하여 T1 시간 후에 수신신호(S2)로 수신될 수 있다. 그리고, 반사된 신호의 수신 시점에서의 두 신호의 주파수 차이는 f1이며, 주파수 차(f1)는 믹서부(310)에서 두 신호를 믹싱하여 얻어질 수 있다(도 4 참조).

신호변환부(320)는 믹서부(310)에서 전달되는 차 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 신호변환부(320)는 아날로그디지털 변환기(ADC: Analog-Digital Converter)일 수 있다.

처리부(330)는 아래 식(1)을 이용하여 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R)를 산출할 수 있다.

식(1) --- R=T2×c×f1/(2Δf)

여기서, T2는 한 주기(TE) 중 전자기파 신호의 출력 시간이다. 그리고, c는 매질에서의 전파속도이며, 공기 중일 경우 3×10⁸m/s 이다. f1은 주파수 차이고, Δf는 신호발생부(110)에서 발생되는 전자기파의 주파수 대역폭이다. Δf는 신호발생부(110)에서 발생되는 전자기파의 최대 주파수 대역폭일 수 있다.

또한, 처리부(330)는 산출된 거리(R) 및 아래 식(2)를 이용하여 목표물(51)의 레벨(H)을 산출할 수 있다.

식(2) --- H=H1-R-H2

여기서, H1은 목표물(51)이 수용되는 수용부(50)의 레벨이고, H2는 안테나부(200)의 하단부에서 수용부(50)의 최상면까지의 높이이다.

처리부(330)는 목표물(51)의 레벨(H)을 산출하기 위해, 연속적으로 복수 번 측정되어 산출된 거리(R)값을 활용할 수도 있다. 즉, 처리부(330)는 연속적으로 측정된 거리(R)를 비교하여, 측정된 거리(R)의 평균을 산출할 수 있다. 그리고, 연속적으로 복수 번 측정된 거리(R)값 중, 특정 시간에 측정된 거리값이 인접한 시점에 측정된 거리값과 비교하여 미리 정해진 허용 기준 이상의 차이를 가지는 경우, 해당 거리값을 제거할 수 있으며, 이를 통해 측정의 신뢰도가 높아질 수 있다.

또한, 안테나부(200)는 전자기파의 방사 방향이 변하도록 방향이 조절될 수 있다. 이 경우, 처리부(330)는 안테나부(200)의 방사 방향별로 산출된 거리(R)값을 비교하고, 이를 통해, 목표물(51)의 위치별 레벨(H)을 얻을 수 있다. 목표물(51)의 위치별 레벨(H)이 다른 경우는 예를 들면, 곡물 저장 탱크 등에서 발생할 수 있는데, 목표물(51)의 위치에 따른 레벨(H) 정보를 이용하여 목표물(51)의 레벨을 더욱 정확하게 산출할 수 있다. 처리부(330)에서 산출된 레벨(H) 정보는 영상화되어 표시될 수있으며, 이를 위해 표시부(미도시)가 더 마련될 수 있다.

수신신호처리부(300)는 증폭부(340)를 더 가질 수 있다. 증폭부(340)는 서큘레이터(130)에서 전달되는 신호를 일정 크기로 왜곡 없이 증폭시킬 수 있으며, 증폭된 신호는 믹서부(310)로 전달될 수 있다. 증폭부(340)는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)일 수 있다.

한편, 송신신호제어부(100), 믹서부(310) 및 증폭부(340)는 건 다이오드(Gunn Diode)에 의해 구현될 수도 있다. 즉, 건 다이오드를 이용하여 전자기파를 발생하고, 목표물(51)에 의해 반사되는 신호를 수신하여 송신되는 신호 및 수신되는 신호의 차 신호를 얻을 수 있다. 얻어지는 차 신호는 신호변환부(320)로 직접 입력될 수 있다. 전자기파는 건 다이오드에 인가되는 전압이 선형적, 주기적으로 조절되도록 하여 만들어질 수 있다.

도 6 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 안테나부(200)는 측정 대상인 목표물(51)이 수용되는 수용부(50)의 상부에 배치될 수 있다. 그리고, 안테나부(200)는 전자기파(IW)가 목표물(51)로 직접 향하도록 하고, 목표물(51)에서 반사되는 반사파(RW)가 안테나부(200)로 직접 향하도록 배치될 수 있다.

수용부(50)는 저장 용기일 수 있으며, 예를 들면, 곡물 저장소, 유류 저장 탱크, 콘크리트 배합 장치 등을 포함할 수 있다. 그리고, 수용부(50)에 저장된 목표물(51)은 분말형태, 액체형태 등 다양한 형태일 수 있다. 예를 들면, 곡물, 유류, 콘크리트, 시멘트 등을 포함할 수 있다. 또한, 수용부의 내부는 고온이 아닌 상태일 수 있으며, 이에 따라, 안테나부(200)가 수용부(50)의 상부에 내측에 구비될 수 있다. 도 5에서는 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R)가 목표물(51)의 상면에서 안테나부(200)의 하단부까지로 표시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R)는 목표물(51)의 상면에서 안테나부(200)의 일 지점으로 설정될 수도 있다. 이 경우, 높이(H2)는 상기 설정된 안테나부(200)의 일 지점에서부터 수용부(50)의 최상면까지의 높이로 설정될 수 있다. 수용부(50)의 높이(H1)와, 안테나부(200)의 하단부에서 수용부(50)의 최상면까지의 높이(H2)는 미리 저장될 수 있기 때문에, 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R)가 산출되면, 목표물(51)의 레벨(H)이 산출될 수 있다.

본 발명에 따르면, 안테나부(200) 및 목표물(51)의 사이의 거리(R)를 산출하고, 이를 이용하여 수용부(50) 내부의 목표물(51)의 레벨(H)을 산출할 수 있기 때문에, 수용부(50)의 형상에 제한을 받지 않을 수 있다. 따라서, 수용부(50)의 하부가 평평한 형상뿐만 아니라, 개폐장치가 더 있거나, 하부가 아래로 뾰족하게 형성되는 형태 등 다양한 형태의 수용부(50)에 저장되는 목표물(51)에 대해서도 레벨 측정이 가능하다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다.

도 7에서 보는 바와 같이, 안테나부(200)는 수용부(50)의 상부의 외측에 배치될 수 있으며, 이러한 배치 형태는 수용부(50)의 내부가 고온이어서 안테나부(200)가 손상될 위험이 있는 경우에 적용될 수 있다. 예를 들면, 노(Furnace)의 용탕이나 원자력발전소의 중수로의 중수의 레벨을 측정하는 경우에 적용될 수 있다.

안테나부(200)는 수용부(50)의 측벽 상부에 배치될 수 있다. 그리고, 안테나부(200)는 수용부(50)의 측벽에 산란방지부(230)가 마련되어 산란방지부(230)의 개구가 수용부(50)의 내측으로 개방되도록 배치될 수 있다.

그리고, 수용부(50)의 상부 내측에는 방향전환부(400)가 더 배치될 수 있다. 방향전환부(400)는 안테나부(200)의 산란방지부(230)와 일정거리 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 방향전환부(400)는 산란방지부(230)에서 목표물(51)의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파의 방향을 전환시켜 전자기파(IW)가 목표물(51)로 방사되도록 할 수 있다. 또한, 방향전환부(400)는 목표물(51)에서 반사되는 반사파(RW)가 안테나부(200)를 향상도록 방향을 전환시킬 수 있다. 방향전환부(400)는 평판 형상의 반사체일 수 있다. 방향전환부(400)는 전자기파의 특성에 영향을 주지 않으면서 전파 방향만 전환되도록 할 수 있다. 이를 통해, 고온으로 인한 안테나부(200)의 손상이 방지되도록 하면서 전자기파의 송수신이 가능해질 수 있다.

한편, 안테나부(200)는 수용부(50)의 상부의 외측에 배치될 수도 있다. 이 경우, 수용부(50)의 측면에는 전자기파의 위상, 에너지 등의 물리적 값을 포함하는 특성의 변화가 없이 전자기파 및 반사신호가 통과할 수 있도록 수용부(50)의 측벽에 윈도우(미도시)가 더 형성될 수 있다. 이를 통해, 고온으로 인한 안테나부(200)의 손상이 방지되도록 하면서 전자기파의 송수신이 가능해질 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이고, 도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다. 본 실시예에서는, 안테나부가 렌즈를 포함하는 파면변환부를 내부에 포함하지 않도록 구성되고, 안테나부의 외측에 다른 형태의 파면변환부가 구비될 수 있으며, 다른 구성은 전술한 제1실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.

도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 안테나부(1200)는 급전부(1210), 하우징부(1220), 산란방지부(1230) 및 산란방지부(1230)의 후단에 구비되는 파면변환부(1240)를 가질 수 있다.

여기서, 파면변환부(1240)는 산란방지부(1230)와 일정거리 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 그리고, 파면변환부(1240)는 포물선(Parabolic) 형상의 반사체(1241)를 포함할 수 있다. 반사체(1241)의 반사면(1242)은 산란방지부(1230)의 축방향의 단면형상, 즉, 개구의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 산란방지부(1230)의 축방향 단면형상이 원형인 경우 반사면(1242)의 모양은 원형일 수 있으며, 산란방지부(1230)의 축방향 단면형상이 사각형인 경우 반사면(1242)의 모양은 사각형일 수 있다. 그리고, 반사면(1242)은 포물선 커브를 가지도록 형성될 수 있다. 반사체(1241)가 동일한 두께를 가지도록 형성되는 경우, 반사체(1241)의 측면은 포물선 커브를 가지도록 형성될 수 있다.

포물선 형상의 반사체(1241)는 산란방지부(1230)에서 목표물(51)의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파의 방향이 전환되도록 함과 동시에, 전자기파가 균일한 위상을 가지도록 변환되도록 할 수 있다. 즉, 포물선 형상의 반사체(1241)는 전술한 제1실시예에서 렌즈(241, 도 4 참조)의 기능을 구현할 수 있다.

본 실시예는 수용부(50)의 내부가 고온인 경우, 안테나부(1200)의 파손이 방지되도록 하면서 측정이 가능하도록 하는 효과를 제공할 수 있다.

도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 안테나부를 나타낸 단면예시도이고, 도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치의 사용예를 나타낸 예시도이다. 본 실시예에서는 안테나부의 형상에 차이가 있을 수 있으며, 다른 구성은 전술한 제3실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.

도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 안테나부(2200)는 하우징부(2220)가 천이(Transition)부(2221) 및 도파부(2222)를 가질 수 있다.

그리고, 천이부(2221)는 급전부(2210)와 연결될 수 있으며, 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성될 수 있다.

도파부(2222)는 천이부(2221)의 후단에 연결되도록 형성될 수 있다. 도파부(2222)는 수용부(50)의 내측에 구비되는 파면변환부(2250)에 산란방지부(230)가 연결되도록 연장 형성될 수 있다. 여기서, 파면변환부(2250)는 포물선 형태의 반사체(2251)를 가질 수 있다.

도파부(2222)는 직선 형태를 이룰 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 적어도 일부분이 곡선 형태를 이룰 수도 있다.

본 실시예는 안테나부(2200) 및 파면변환부(2250)의 사이에 장애물이 있거나, 다양한 이유로 안테나부(2200) 및 파면변환부(2250)의 사이에 전파 신호가 왜곡되도록 하는 등의 외부 영향이 존재하는 경우에 효과적일 수 있다.

삭제

도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

도 12를 포함하여 보는 바와 같이, 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법은 송신신호제어부(100)에서 전자기파가 발생되는 단계(S510)를 포함한다.

S510 단계는 신호발생부(110)에서 전자기파 신호가 발생되는 단계와, 방향성 결합부(120)에서 신호발생부(110)로부터 신호를 수신하여 복수의 경로로 전송하는 단계를 가진다. 또한, S510 단계는 서큘레이터(130)에서 방향성 결합부(120)로부터 전송되는 신호를 안테나부(200)로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

이후, 송신신호제어부(100)에서 발생되는 전자기파가 안테나부(200)를 통해 목표물(51)로 방사되고, 목표물(51)에서 반사되는 반사파가 안테나부(200)로 수신되는 단계(S520)가 진행될 수 있다.

그리고, 수신신호처리부(300)가 송신신호제어부(100)에서 발생되는 전자기파 및 안테나부(200)로 수신되는 반사파로부터 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R), 그리고 목표물(51)의 레벨(H)을 산출하는 단계(S520)가 진행될 수 있다.

S520 단계는 서큘레이터(130)를 통해 전달되는 수신신호 및 방향성 결합부(120)로부터 전송되는 신호가 믹서부(310)에 입력되고 믹싱되어 방향성 결합부(120)로부터 전송되는 신호 및 수신신호의 주파수 차를 가지는 차 신호가 생성되는 단계를 가질 수 있다.

또한, S520 단계는 신호변환부(320)에서 믹서부(310)로부터 전달되는 차 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계를 가질 수 있다.

그리고, S520 단계는 처리부(330)에서 안테나부(200) 및 목표물(51) 사이의 거리(R) 및 목표물의 레벨(H)이 산출되는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

50: 수용부 51: 목표물
100: 송신신호제어부 110: 신호발생부
120: 방향성 결합부 130: 서큘레이터
200, 1200, 2200: 안테나부 210, 1210, 2210: 급전부
220, 1220, 2220: 하우징부 230, 1230, 2230: 산란방지부
231: 돌기 240, 1240, 2250: 파면변환부
241: 렌즈 300: 수신신호처리부
310: 믹서부 320: 신호변환부
330: 처리부 400: 방향전환부
2221: 천이부 2222: 도파부

Claims

밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 발생하는 송신신호제어부;
상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 목표물로 방사되도록 하고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 수신되는 안테나부; 그리고
상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 수신신호처리부를 포함하고,
상기 안테나부는
상기 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급하는 급전부와,
상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와,
상기 하우징부의 후단에 구비되어 상기 전자기파가 방사되는 개구를 형성하는 산란방지부와,
상기 산란방지부의 전단에 구비되고 상기 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환시키는 파면변환부를 가지는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 산란방지부는 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지며, 방사되는 상기 전자기파의 사이드 로브(Side Lobe)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제2항에 있어서,
상기 파면변환부는 상기 하우징부 및 상기 산란방지부의 사이에 구비되는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제2항에 있어서,
상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고, 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파의 방향을 전환시켜 상기 전자기파가 상기 목표물로 방사되도록 하는 평판 형상의 반사체를 가지는 방향전환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 발생하는 송신신호제어부;
상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 목표물로 방사되도록 하고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 수신되는 안테나부; 그리고
상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 수신신호처리부를 포함하고,
상기 안테나부는
상기 전자기파 생성을 위한 출력전력을 공급하는 급전부와,
상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와,
상기 하우징부의 후단에 구비되어 상기 전자기파가 방사되는 개구를 형성하는 산란방지부와,
상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고, 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되는 전자기파가 균일 위상을 가지도록 변환시킴과 동시에 상기 전자기파가 상기 목표물로 방사되도록 상기 전자기파의 방향을 전환시키는 포물선(Parabolic) 형상의 반사체를 가지는 파면변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제5항에 있어서,
상기 산란방지부는 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지며, 방사되는 상기 전자기파의 사이드 로브(Side Lobe)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제6항에 있어서,
상기 하우징부는
상기 급전부와 연결되고, 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 천이부와,
상기 천이부의 후단에 연결되고, 상기 산란방지부가 상기 파면변환부에 연결되도록 연장 형성되는 도파부를 가지는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 송신신호제어부는
상기 전자기파 신호를 발생하는 신호발생부와,
상기 신호발생부에서 신호를 수신하고 복수의 경로로 전송하는 방향성 결합부와,
상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호를 상기 안테나부로 전달하는 서큘레이터를 가지고,
상기 전자기파는 미리 정해진 주파수 대역의 주파수 변조 연속파(FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave)이며, 주기적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
제8항에 있어서,
상기 수신신호처리부는
상기 안테나부 및 상기 서큘레이터를 통해 전달되는 수신신호 및 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호가 입력되고 믹싱되어, 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호를 받는 시점에서 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호와의 주파수 차를 가지는 차 신호를 생성하는 믹서부와,
상기 믹서부에서 전달되는 상기 차 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환부와,
상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리(R)를 식(1)을 이용하여 산출하고, 상기 목표물의 레벨(H)을 식(2)를 이용하여 산출하는 처리부를 가지는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치.
식(1) --- R=T2×c×f1/(2Δf)
상기 식(1)에서, T2는 한 주기(TE) 중 전자기파 신호의 출력 시간이고, c는 전파속도이고, f1은 상기 주파수 차이고, Δf는 전자기파의 주파수 대역폭이다.
식(2) --- H=H1-R-H2
상기 식(2)에서, H1은 목표물이 수용되는 수용부의 높이이고, H2는 안테나부의 하단부에서 상기 수용부의 최상면까지의 높이이다.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따르는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법에 있어서,
(a) 송신신호제어부에서 밀리미터 파장을 가지는 전자기파가 발생되는 단계;
(b) 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 안테나부를 통해 목표물로 방사되고, 상기 목표물에서 반사되는 반사파가 상기 안테나부로 수신되는 단계; 그리고
(c) 수신신호처리부가 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 (b) 단계에서, 상기 전자기파는 출력전력을 공급하는 급전부에서 생성되고, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 개구를 형성하는 산란방지부를 거치고, 상기 산란방지부의 전단에 구비되는 파면변환부를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제10항에 있어서,
상기 (b) 단계에서
상기 전자기파는 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지는 상기 산란방지부를 거치면서 사이드 로브(Side Lobe)가 감소되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제11항에 있어서,
상기 (b) 단계에서
상기 전자기파는 상기 하우징부 및 상기 산란방지부의 사이에 구비되는 렌즈를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제11항에 있어서,
상기 (b) 단계에서
상기 전자기파는 상기 산란방지부에서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되고, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 산란방지부와 일정거리 떨어진 위치에 더 배치되는 평판 형상의 반사체에 의해 방향이 전환되어 상기 목표물로 방사되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제11항에 있어서,
상기 (a) 단계는
신호발생부에서 상기 전자기파 신호가 발생되는 단계와,
방향성 결합부에서 상기 신호발생부로부터 신호를 수신하여 복수의 경로로 전송하는 단계와,
서큘레이터에서 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호를 상기 안테나부로 전달하는 단계를 포함하고,
상기 전자기파는 미리 정해진 주파수 대역의 주파수 변조 연속파(FMCW)이며, 주기적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제14항에 있어서,
상기 (c) 단계는
믹서부에서 상기 안테나부 및 상기 서큘레이터를 통해 전달되는 수신신호 및 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호가 입력되고 믹싱되어, 상기 방향성 결합부로부터 전송되는 신호 및 상기 수신신호를 받는 시점에서 상기 방향성 결합부에서 전송되는 신호 및 상기 수신신호와의 주파수 차를 가지는 차 신호가 생성되는 단계와,
신호변환부에서 상기 믹서부로부터 전달되는 상기 차 신호가 디지털 신호로 변환되는 단계와,
처리부에서 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리(R)가 식(1)을 이용하여 산출되고, 상기 목표물의 레벨(H)이 식(2)를 이용하여 산출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
식(1) --- R=T2×c×f1/(2Δf)
상기 식(1)에서, T2는 한 주기(TE) 중 전자기파 신호의 출력 시간이고, c는 전파속도이고, f1은 상기 주파수 차이고, Δf는 전자기파의 주파수 대역폭이다.
식(2) --- H=H1-R-H2
상기 식(2)에서, H1은 목표물이 수용되는 수용부의 높이이고, H2는 안테나부의 하단부에서 상기 수용부의 최상면까지의 높이이다.
제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따르는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법에 있어서,
(a) 송신신호제어부에서 밀리미터 파장을 가지는 전자기파가 발생되는 단계;
(b) 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파가 안테나부를 통해 방사되고, 목표물에서 반사되는 반사파가 상기 안테나부로 수신되는 단계; 그리고
(c) 수신신호처리부가 상기 송신신호제어부에서 발생되는 전자기파 및 상기 안테나부로 수신되는 상기 반사파로부터 상기 안테나부 및 상기 목표물 사이의 거리 및 상기 목표물의 레벨을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 (b) 단계에서, 상기 전자기파는 출력전력을 공급하는 급전부에서 생성되고, 상기 급전부와 연결되고 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 하우징부와, 상기 하우징부의 후단에 구비되어 개구를 형성하는 산란방지부를 거치면서 상기 목표물의 방향이 아닌 방향으로 방사되고, 상기 목표물이 수용되는 수용부의 내측에 상기 하우징부와 일정거리 떨어진 위치에 배치되고 포물선(Parabolic) 형상의 반사체를 가지는 파면변환부를 거치면서 균일 위상을 가지도록 변환됨과 동시에 상기 목표물로 방사되도록 방향이 전환되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제16항에 있어서,
상기 전자기파는 내주면에는 원주방향을 따라 형성되는 복수의 돌기를 가지는 산란방지부를 거치면서 사이드 로브(Side Lobe)가 감소되어 방사되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.
제17항에 있어서,
상기 전자기파는, 상기 하우징부의 급전부와 연결되고 상기 전자기파의 전파 방향으로 확대 형성되는 천이부와, 상기 천이부의 후단에 연결되고 상기 산란방지부가 상기 파면변환부에 연결되도록 연장 형성되는 도파부를 통해 상기 파면변환부로 전파되는 것을 특징으로 하는 밀리미터 파장을 가지는 전자기파를 이용한 레벨 측정장치를 이용한 레벨 측정방법.