KR102063136B1 - 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계 - Google Patents

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KR102063136B1
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장윤식
장용환
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Abstract

본 발명의 목적은 탱크 또는 수조 내에 포함된 측정 대상물의 충전 레벨을 판단하는데 있어 불감대 구간에서 레이더 센서의 측정이 가능하도록 함과 아울러 레이더 센서의 방사각을 좁힐 수 있는 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계는, 신호를 송수신 및 연산 출력하는 회로가 내장된 하우징; 상기 하우징과 연결되며 레이더파를 유도하는 도파관; 상기 하우징의 하측에 연결되며 상기 도파관을 수용하는 커플러; 상기 커플러의 하측에 연결되는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나 하부에 장착되는 렌즈; 및 상기 송수신 안테나와 상기 렌즈 사이에 결합되며 수조 또는 탱크의 측정 대상물 투입부를 밀폐 또는 레벨계 자체를 고정시키는 플랜지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계{SMART LEVEL METER WITH REMOVED MEASUREMENT DEAD BAND}
본 발명은 스마트 레벨계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에 관한 것이다.
일반적으로 레이더 레벨계는 탱크 내에 포함된 측정 대상물의 충전 레벨(예를 들면, 측정 대상물의 수위 레벨)을 판단하는데 널리 사용된다.
레이더 레벨계는 전자기 신호가 탱크 내에 포함된 측정 대상물을 향해 방사되는 비접촉 측정에 의해, 또는 전자기 신호가 도파관 역할을 하는 프로브를 통해 물질에 접촉되어 전송된다.
프로브는 일반적으로 탱크의 상부에서 탱크의 하부를 향해 수직으로 뻗어있도록 배열된다.
가장 보편적으로 레이더 레벨계는 레이더 주파수 편이의 원리를 이용하는 레벨계이다.
이러한 레이더 레벨계는 통상 20m 내외의 개방형 수조, 탱크 등의 플랜트나, 수처리 프로세스 레벨 측정에 적용된다.
레이더 레벨계에서 전송되는 레이더파는 측정 대상물의 표면에서 반사되며, 반사된 레이더파는 레이더 레벨계에 포함된 수신기나 송수신기에 의해 수신된다.
전송되고 반사된 레이더파의 신호들을 기초로, 측정 대상물의 표면으로의 거리가 결정될 수 있다.
더 상세하게, 측정 대상물의 표면으로부터의 거리는 탱크 내 환경과, 물질에 전송된 신호와, 그 신호가 반사되어 돌아오는 시간 또는 주파수 편이를 토대로 결정된다.
측정 대상물의 실제 충전 레벨을 판단하기 위해, 기준 위치에서 표면으로의 거리는 상술한 시간(소위 비행 시간(time-of-flight)) 및 송수신된 레이더파의 주파수 편이, 즉 전파 속도차를 기초로 결정된다.
이러한 레이더 레벨계가 설치되는 탱크의 경우, 탱크 상단에는 일반적으로 레벨 측정 장치를 설치하기 위한 설치홀이 형성될 수 있다.
그런데, 레이더 레벨계가 탱크 내에 포함된 측정 대상물의 충전 레벨을 판단하는데 있어서 크게 2가지 문제점이 있다.
이러한 2가지 문제점은 레이더 레벨계의 레이더 센서에서 레이더파를 송신시 발생하는 불감대(예를 들면, 레이더 센서로부터 10 ㎝ ~ 50 ㎝의 영역대)와, 방사각(예를 들면, 레이더 센서로부터 4°~ 12°의 방사각)이다.
도 1을 참조하면, 탱크 또는 수조(10) 내에 수용되어 있는 측정 대상물(30)의 충전 레벨을 확인하기 위해 레이더 레벨계 시스템(20)이 측정 대상물(30)의 표면을 향해 레이더파를 송신한다.
이때, 탱크 또는 수조(10)의 직경이 협소하거나, 탱크 또는 수조(10) 내의 측벽에 교반기 또는 사다리 등의 장애물(40)이 존재할 경우, 레이더 레벨계 시스템(20)에서 전송되는 레이더파는 측정 대상물(30)의 표면에서 반사되지 않고, 탱크 또는 수조(10)의 측벽이나, 측벽에 존재하는 장애물(40)에 의해 반사된다.
이와 같이 반사된 레이더파는 레이더 레벨 시스템에 포함된 수신기나 송수신기에 의해 수신되어 되어 측정 대상물(30)의 실제 충전 레벨을 획득하지 못하고 잘못된 거짓 에코에 따라 데이터를 획득하게 되는 문제점이 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 탱크 또는 수조(10) 내에 수용되어 있는 측정 대상물(30)의 충전 레벨을 확인하기 위해 레이더 레벨계 시스템(20)이 측정 대상물(30)의 표면을 향해 레이더파를 송신한다.
이때, 레이더 센서로부터 10 ㎝ ~ 50 ㎝의 영역은 근거리 센서 송신파 최소 전송 구간 확보 등의 구조적인 문제로 인한 센서의 불감대의 영역으로 레이더 센서의 정밀한 측정이 불가능한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1961672호 (2019.03.26. 공보)
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 탱크 또는 수조 내에 포함된 측정 대상물의 충전 레벨을 판단하는데 있어 불감대 구간에서 레이더 센서의 측정이 가능하도록 함과 아울러 레이더 센서의 방사각을 좁힐 수 있는 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계는, 신호를 송수신 및 연산 출력하는 회로가 내장된 하우징; 상기 하우징과 연결되며 레이더파를 유도하는 도파관; 상기 하우징의 하측에 연결되며 상기 도파관을 수용하는 커플러; 상기 커플러의 하측에 연결되는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나 하부에 장착되는 렌즈; 및 상기 송수신 안테나와 상기 렌즈 사이에 결합되며 수조 또는 탱크의 측정 대상물 투입부를 밀폐 또는 레벨계 자체를 고정시키는 플랜지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 송수신 안테나는 주파수 영역이 120 ㎓ ~ 130 ㎓인 테라 헤르츠(밀리미터파)의 레이더파를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계는, 상기 송수신 안테나에서 방사되는 상기 레이더파가 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 렌즈는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 렌즈는 상기 송수신 안테나로부터 방사되는 레이더파를 굴절시켜 모으는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 플랜지 하부에는 상기 렌즈와 미리 정해진 간격을 두고 이격되어 형성되는 에어포켓 관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 에어포켓 관 내에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 에어포켓 관의 내부는 에어포켓 원리에 의해 액체 또는 이물질이 들어오지 않는 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 에어포켓 관의 하부에는 단열관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서, 상기 에어포켓 관과 상기 단열관의 사이에는 석영 재질의 단열판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 탱크 또는 수조 내에 포함된 측정 대상물의 충전 레벨을 판단하는데 있어 불감대 구간에서도 레이더 센서의 측정이 가능하도록 함과 아울러 레이더 센서의 방사각을 좁힐 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 레이더 레벨계 시스템에서 발생하는 방사각 영역을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 레이더 레벨계 시스템에서 발생하는 불감대 영역을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서 FMCW 방식의 기본 원리를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에 단열판이 형성된 구성을 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계와 연결되는 다채널 하이브리드형 스마트 레벨계의 구성을 나타내는 블록도.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 하우징(100)과, 도파관(200)과, 커플러(300)와, 송수신 안테나(400)와, 렌즈(500)와, 플랜지(600)와, 에어포켓 관(700)과, 단열관(800)을 포함한다.
하우징(100)은 신호를 송수신 및 연산 출력하는 회로가 내장된다.
즉, 회로는 송수신 안테나(400)에 의해 방사되는 레이더파의 신호를 송수신한다.
이러한 하우징(100)의 측면에는 케이블 포트(110)가 형성된다.
이러한 케이블 포트(110)는 케이블에 의해 회로와 후술하는 다채널 하이브리드형 스마트 레벨계에 연결되어 외부 장치에 정보 출력을 하게 된다.
도파관(200)은 하우징(100)과 연결되며 레이더파를 유도하는 역할을 수행한다.
커플러(300)는 하우징(100)의 하측에 연결되며 도파관(200)을 수용한다.
송수신 안테나(400)는 커플러(300)의 하측에 연결된다.
여기서, 송수신 안테나(400)는 주파수 영역이 120 ㎓ ~ 130 ㎓인 테라 헤르츠(밀리미터파)의 레이더파를 이용한다.
테라 헤르츠 대역은 100 ㎓ 이상의 밀리미터파 주파수 대역을 말한다.
테라 헤르츠는 광원 확보 등의 문제로 종래에는 과학 기술의 미개척 분야였다.
즉, 기존 레이더파는 일반적으로 5 ㎓ ~ 30 ㎓의 주파수 영역을 이용하였다.
하지만, 최근에는 테라 헤르츠의 주파수 영역을 이용하여 의료, 환경, 군사 센싱 기술 등과 같이 광범위하게 연구가 수행 중이다.
이러한 테라 헤르츠는 광파의 직진성과, 전자파의 투과성의 2가지 중요한 성질을 가진다.
이 2가지 성질(직진성과, 투과성)을 이용하여 후술하는 렌즈(500)를 형성할 수 있다.
또한, 송수신 안테나(400)에서 방사되는 레이더파는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식이다.
일반적으로 항공기 탐지용으로 가장 널리 쓰이는 레이더는 펄스 레이더이다. 펄스 레이더는 짧은 시간 동안만 전파를 송신한다. 송신된 전파가 되돌아온다면 물체에 부딪혀 되돌아온 것이며, 이때 전파가 내보낸 이후 되돌아오는데 걸린 시간을 측정하면 표적과 레이더 사이의 거리를 알 수 있다. 이러한 펄스 레이더는 안테나가 1개만 있는데, 전파를 내보내는 짧은 시간 동안 송신 안테나로 작동하고, 다시 일정 시간 동안 신호가 되돌아오길 기다리는 수신 안테나로 작동한다.
또한, CW 레이더는 연속파(Continuous Wave)를 사용한다. 즉, CW 레이더는 전파를 연속하여 송신하는 레이더이다. 이러한 CW 레이더는 표적의 속도를 측정하는데 유용한 레이더이다. 전파도 일종의 파장이기 때문에 표적이 가까워지면 주파수가 높아지고 멀어지면 주파수가 낮아지는 도플러 효과가 나타난다. CW 레이더는 되돌아오는 전파의 주파수가 바뀌는 정도를 측정하면 표적의 속도를 알 수 있다. 대신 송신용 안테나와 수신용 안테나가 별도로 각각 1개씩 있어야 한다. 펄스 레이더와 달리 전파를 한쪽은 계속 내보내고 한쪽은 계속 받아들여야 한다. CW 레이더의 장점은 펄스를 만들거나 하는 타이밍을 잴 필요가 없으므로 구조가 간단하면서도 속도를 측정할 수 있기 때문에, 군용뿐만 아니라 전파식 속도 측정 장치 등에도 사용된다. 그러나 장거리 탐식 레이더로 사용하려면 큰 출력의 전파를 계속 전송해야 하므로 장비의 부담이 커서 개발이 어렵고, 표적의 속도는 측정할 수 있는데 거리는 측정하지 못한다는 단점이 있다.
한편, FMCW는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더이다. CW 레이더가 거리를 측정하지 못한다는 점을 보완하기 위해 개발된 레이더로, 전파를 연속파로 송신하되, 그 주파수가 시간에 따라 계속 변하는 레이더이다. 즉 수신된 신호의 주파수를 보고 이전 시간에 내보낸 송신파가 반사되어 되돌아온 것인가를 알 수 있다. 물론 실제로는 도플러 효과에 의해 주파수 값 자체는 바뀌지만, 연속적으로 바뀌므로 0, 1, 2, 3으로 송신한 주파수가 2, 3, 4, 5로 되돌아왔다면 앞뒤 신호를 보고 판단하여 2라는 주파수 신호가 실은 0으로 내보냈던 신호란 것을 알 수 있다. 이러한 방식은 CW 레이더 방식이면서도 거리 측정이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 FMCW 레이더는 탐지거리는 짧지만 정밀한 표적 측정이 가능하므로 군에서 미사일의 최종 유도용으로 사용하거나, 정밀한 고도 측정용으로 사용(지면과 항공기/유도탄 사이의 거리를 측정)한다.
도 4는 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에서 FMCW 방식의 기본 원리를 나타내는 그래프로, 도 4를 참조하면, 본 발명에서 FMCW의 기본 원리는 레이더가 탱크 상단에서 전자기파를 송신하고, 송신된 전자기파가 매질에 부딪쳐 반사된 후 다시 레이더에 의해 수신되면, 수신된 신호와, 송신된 신호 사이의 주파수 차이는 δf와 매질 표면 사이의 거리 R은 일정한 비례 관계를 가진다.
즉, R = C(속도) * δf(주파수 차이)/2/K(주파수 변조 기울기)이다.
광속 C와 주파수 변조 기울기 K는 이미 알고 있기 때문에, 주파수 차이 δf를 추산할 수 있고, 레이더 설치 위치에서 대상 표면까지 거리 R을 획득할 수 있으며, 다시 이미 알고 있는 탱크 전체 높이를 통해, 레이더부터 대상 표면까지 공간 거리를 빼면, 대상 높이를 획득할 수 있다.
다음, 플랜지(600)는 송수신 안테나(400)와 후술하는 렌즈(500) 사이에 연결되며 수조 또는 탱크의 측정 대상물 투입부를 밀폐 또는 레벨계 자체를 고정시키는 역할을 수행한다.
렌즈(500)는 송수신 안테나(400) 하부에 장착된다.
여기서, 렌즈(500)는 송수신 안테나(400)로부터 방사되는 레이더파를 굴절시켜 모으는 역할을 수행한다.
또한, 렌즈(500)는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 제작되는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 레이더파를 굴절시켜 모으는 역할을 수행할 수 있으면 어떠한 재질로 제작되어도 무방하다.
레이더파가 렌즈(500)를 통과하면, 레이더파는 렌즈(500)로 들어갈 때와 렌즈(500)에서 공기 중으로 나올 때 렌즈의 앞뒤 경계면에서 굴절한다.
이렇게 굴절한 레이더파는 렌즈(500)의 뒤쪽에서 축의 한 점에 모인다. 이 점을 렌즈(500)의 초점이라 하며, 렌즈(500) 중심에서 초점까지의 거리를 초점 거리라 한다.
렌즈(500)의 초점 거리는 렌즈(500)의 두께가 두꺼울수록 짧고, 렌즈(500)의 두께가 얇을수록 길다.
렌즈(500) 축에 수직으로 들어오는 레이더파는 렌즈를 지난 후, 물체와 반대쪽에 있는 초점을 지난다.
또한, 렌즈(500)의 중심으로 들어오는 파는 그대로 곧게 나아간다.
이러한 렌즈(500)의 성질을 이용함으로써, 렌즈(500)는 레이더파의 방사각을 조절할 수 있게 된다.
즉, 렌즈(500)의 초점 거리를 길게 하여 레이더파가 수조 또는 탱크의 내벽이나 장애물에 방해되지 않도록 할 수도 있고, 렌즈(500)의 두께를 조절하여 레이더파의 방사각을 감소시킬 수도 있다.
기존에는 빔각이 4° ~ 12° 이었지만 본 발명에 따른 레이더 레벨계(1000)는 방사각을 1° 이하까지 낮출 수 있어 장애물에 의한 측정 불감대를 제거(직진성)할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)에서, 플랜지(600) 하부에는 렌즈(500)와 미리 정해진 간격을 두고 이격되어 형성되는 에어포켓 관(700)을 더 포함한다.
에어포켓 관(700) 내에는 공기층이 형성된다.
이에 의해, 에어포켓 관(700)의 내부는 에어포켓 원리에 의해 액체 또는 이물질 등이 들어오지 않는 구조로 형성된다.
즉, 에어포켓 관(700) 내에 공기층을 포함함으로써, 에어포켓 원리에 의해 에어포켓 관(700) 내에 액체 또는 이물질 등이 들어오지 않는 구조로 형성된다.
또한, 전자파 성질 가운데 투과성은 측정대상물 또는 측정범위의 공간에 이물질의 물성이 도전성 물질이면 반사하고 비전도성 또는 절연물인 경우는 투과하는 성질을 가지므로 렌즈 표면에 비전도성 또는 절연물이 접촉되어도 레벨 측정에는 영향을 주지 않는 특징을 가지고 있다. 에어포켓 관은 액체 등 도전성 물질이 렌즈에 접촉되는 것을 차단하여 측정에 영향을 없애주는 것을 목적으로 하여 불감대를 제거하는 것이다.
이에 의해, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 수조 또는 탱크 내에 측정 대상물이 충만하더라도, 에어포켓 원리에 의해 에어포켓 관(700) 내에 액체 또는 이물질 등이 들어오지 않도록 구조화하는 것이다.
따라서, 에어포켓 관(700) 내에 장착되어 있는 렌즈(500)를 통해 방출되는 레이더파는 측정 대상물의 표면을 측정하여 측정 대상물의 충전 레벨을 측정할 수 있다.
이에 의해, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(100)는 구조적인 문제로 인해 발생하는 레이더 레벨계의 불감대의 영역도 정밀하게 측정할 수 있다.
즉, 불감대(50㎜ 이하) 또는 기존의 센서 표면 부근의 측정 불감대(100㎜ ~ 500㎜)가 제거된다.
이러한 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(100)의 레이더 전파는 매질 영향이 적어 500㎜ 거품 및 수증기층을 투과(투과성)할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계에 단열판이 형성된 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)에서, 에어포켓 관(700)의 하부에는 단열관(800)을 더 포함한다.
또한, 에어포켓 관(700)과 단열관(800)의 사이에는 석영 재질의 단열판(810)을 더 포함할 수 있다.
이러한 단열관(800)의 외주면에는 에어 퍼지(Air Purge; 820)가 형성되어 단열관 내에 공기압(3㎏/㎝ ~ 5㎏/㎝)을 주입하여 공정 또는 고온의 측정 대상물로부터 센서를 물성적으로 분리시킬 수 있다.
레벨을 측정하는 일반적인 레이더 레벨 게이지에 많은 수분이 생김으로 인해 발생하는 결로 현상은 레벨 측정에 영향을 미친다.
안테나 표면에 맺힌 이슬은 측정 레벨 게이지 오차를 증가시키거나 측정 결과를 불안정하게 한다.
하지만 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 단열관(800)과 에어 퍼지(820)에 의해 렌즈(500)를 보호하므로 이와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 렌즈는 빔의 굴절을 위해 볼록렌즈와 같이 라운드 구조화되어 혹시 렌즈 표면에 수적현상이 생겨도 쉽게 중력작용으로 수적(결로 또는 물방울)들이 이탈되는 구조이다.
이에 의해 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 고온(400도 이상)에도 측정가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계와 연결되는 다채널 하이브리드형 스마트 레벨계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 복수의 레이더 센서 모듈 또는 초음파 센서 모듈(2000)을 스마트 통신 기반으로 혼용할 수 있으며 한 대의 트랜스미터(3000)로 운전 제어된다.
즉, 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)와 복수의 레이더 센서 모듈 또는 초음파 센서 모듈(2000)에 각각 IOT 소자가 탑재되어 트랜스미터(3000)에 의해 다채널 원격 운전 제어가 가능하다.
이와 같은 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 다음과 같은 제품 성능을 가진다.
1. 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)의 측정 정밀도는 Max ±1 ~ 2㎜이며, 측정 최소 불감대(사각 지대)는 50㎜ 이하이다.
2. 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)의 방사각은 1° 이하로, 설치 환경이 매우 복잡한 조건이라도 정확한 레벨을 안정적으로 측정할 수 있다.
3. 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 렌즈식 안테나 설계로, 빔 각도가 더 작고, 작은 지름을 갖는 탱크나, 탱크 내부에 교반기, 사다리, 돌출부 등이 있는 복잡한 작업 상황에 더 적합하다.
4. 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 발사 에너지가 집중되고, 반사파 신호가 더 크며, 동일한 작업 조건에서, 다른 레이더 제품에 비해 신회성이 더 높고, 기기의 최대 유효 측정 거리는 150m에 달한다.
5. 본 발명에 따른 측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계(1000)는 투과성이 더 높고, 탱크 내부에 일부 장애물(결정)이 있을 경우에도, 정상 사용이 가능하다.
6. 서로 다른 작업 상황에 의거하여 다양한 안테나를 선택할 수 있고, 적용성이 개선되었으며, 레이더가 고온, 고압, 고분진 등과 같이 복잡한 상황에서도 안정적이고 정확한 측정이 가능하다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
1000 : 레이더 레벨계
100 : 하우징
110 : 케이블 포트
200 : 도파관
300 : 커플러
400 : 송수신 안테나
500 : 렌즈
600 : 플랜지
700 : 에어포켓 관
800 : 단열관
810 : 단열판

Claims (10)

  1. 신호를 송수신 및 연산 출력하는 회로가 내장된 하우징;
    상기 하우징과 연결되며 레이더파를 유도하는 도파관;
    상기 하우징의 하측에 연결되며 상기 도파관을 수용하는 커플러;
    상기 커플러의 하측에 연결되는 송수신 안테나;
    상기 송수신 안테나 하부에 장착되는 렌즈; 및
    상기 송수신 안테나와 상기 렌즈 사이에 결합되며 수조 또는 탱크의 측정 대상물 투입부를 밀폐 또는 레벨계 자체를 고정시키는 플랜지;를 포함하며,
    상기 렌즈의 초점 거리를 길게 하거나 두께를 조절함으로써 상기 송수신 안테나로부터 방사되는 주파수 영역이 120 ㎓ ~ 130 ㎓인 테라 헤르츠(밀리미터파)의 레이더파를 굴절시켜 모아서 상기 레이더파의 방사각을 감소시키고,
    상기 플랜지 하부에는 상기 렌즈와 미리 정해진 간격을 두고 이격되어 형성되는 에어포켓 관을 더 포함하며,
    상기 에어포켓 관 내에는 공기층이 형성되고,
    상기 에어포켓 관의 내부는 에어포켓 원리에 의해 액체 또는 이물질이 들어오지 않는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신 안테나에서 방사되는 상기 레이더파는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식인 것을 특징으로 하는,
    측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene) 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는,
    측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어포켓 관의 하부에는 단열관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 에어포켓 관과 상기 단열관의 사이에는 석영 재질의 단열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    측정 불감대를 제거한 스마트 레벨계.
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