KR20000027507A - 광굴절을 이용한 수위 측정 장치 - Google Patents

광굴절을 이용한 수위 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광굴절을 이용한 수위 측정 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 액체(L)가 저장된 용기(1)의 입구에 발광부(10)와 수광부(11)가 좌우 소정 간격을 두고 배치되는데, 발광부(10)와 수광부(11)는 용기(1)의 저면과 평행하게 배치된다. 발광부(10)에서 발하여 액체(L)와 기체(G) 사이의 경계면에서 소정 각도로 굴절되어서 용기(1)의 저면으로 조사된 광을 수광부(11)로 반사하는 반사부(12)가 용기(1)의 저면에 배치되는데, 반사부(12)는 발광부(10)와 수광부(11) 사이의 정중앙에 배치된다. 액체(L)의 수위를 연산하는 연산부에는 기체(G)와 액체(L) 각각의 굴절율 n1과 n2, 발광부(10)와 수광부(11) 사이의 거리 xM, 반사부(12)에서 발광부(10)와 수광부(11) 사이의 정중앙간의 거리 yM, 및 발광부(10)에서 경계면으로 입사되는 광의 입사각 θ1이 입력되어서, 연산부는 하기 식으로 액체(L)의 수위 y2를 연산하게 된다.
y2 =xM/ 2[tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1] -
yMtanθ1/ [tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1]

Description

광굴절을 이용한 수위 측정 장치
본 발명은 광굴절을 이용한 수위 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 두 물질의 경계면에서 광로의 굴절이 발생된다는 원리를 이용해서 수위를 측정하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 장치 및 방법이 적용되는 한 예로서, 반도체 공정용 화학 용액을 들 수 있다. 반도체 공정에 사용되는 화학 용액은 고순수도가 요구되는 것으로서, 따라서 독성이 매우 강하기 때문에, 화학 용액이 저장되는 용기는 독성과 부식성에 대한 내성이 강하고 안전한 금속 재질이다.
그런데, 반도체 제조 공정은 주지된 사실대로 매우 높은 정밀도가 요구되는 공정이므로, 화학 용액의 사용량, 즉 용기에 남아 있는 화학 용액의 양이 정확하게 관리되어야 한다. 따라서, 화학 용액의 수위를 측정해야 하는데, 금속 용기를 외부에서 육안으로 관찰하여 수위를 측정할 수는 없으므로, 종래에는 다음과 같은 2가지 방식이 사용되었다.
화학 용액에 접촉된 전기봉에서 발생되는 전기 신호로 수위를 측정하는 방식과, 예리한 형상의 석영봉이 화학 용액에 담겨 있을 때와 반대일 경우에서의 상태 변화로 수위를 측정하는 방식이다.
그러나, 상기와 같은 종래의 수위 측정 방식은 다음과 같은 문제점을 안고 있다.
먼저, 전기봉을 사용하는 방식은, 전기봉이 화학 용액에 접촉하는 시간에 따라 전기 신호에 의한 측정치 변화가 발생될 소지가 많아서, 정확한 수위를 측정하기가 곤란하다.
석영봉을 사용하는 방식은, 석영봉의 선단이 위치한 부분에서만 화학 용액의 유무가 검출될 수가 있기 때문에, 이러한 방식 역시 수위 측정에는 적합하지 않다.
특히, 전기봉과 석영봉은 모두 화학 용액에 직접 접촉되는 방식이기 때문에, 부식될 소지가 높아서, 수위 측정치에 신뢰성이 약하다는 지적이 많았다.
따라서, 본 발명은 종래의 수위 측정 방식이 안고 있는 제반 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 공기와 화학 용액이 접하는 경계면에서 발생되는 광로의 굴절 현상을 이용해서 수위를 측정하는 비접촉 방식을 취하므로써, 정확한 수위 측정이 실현될 수 있는 광굴절을 이용한 수위 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치에 적용되는 굴절 원리를 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명에 따른 장치가 용기에 적용된 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 주요부인 발광부와 수광부 및 거리 변경 수단을 상세히 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 주요부인 4절 링크를 확대해서 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 장치로 수위 측정을 하는데 적용되는 연산식 산출 근거를 제시하기 위한 도면
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
1 ; 용기 10 ; 발광부
11 ; 수광부 12 ; 반사부
20 ; 실링재 30 ; 노브
31 ; 리드 스크류 40 ; 승강판
41 ; 지지판 50 ; 4절 링크
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수위 측정 장치는 다음과 같은 구성으로 이루어진다.
액체가 저장된 용기의 입구에 발광부와 수광부가 좌우 소정 간격을 두고 배치되는데, 발광부와 수광부는 용기의 저면과 평행하게 배치된다. 발광부에서 발하여 액체와 기체 사이의 경계면에서 소정 각도로 굴절되어서 용기의 저면으로 조사된 광을 수광부로 반사하는 반사부가 용기의 저면에 배치되는데, 반사부는 발광부와 수광부 사이의 정중앙에 배치된다. 액체의 수위를 연산하는 연산부에는 기체와 액체 각각의 굴절율 n1과 n2, 발광부와 수광부 사이의 거리 xM, 반사부에서 발광부와 수광부 사이의 정중앙간의 거리 yM, 및 발광부에서 경계면으로 입사되는 광의 입사각 θ1이 입력되어서, 연산부는 하기 식으로 액체의 수위 y2를 연산하게 된다.
y2 =xM/ 2[tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1] -
yMtanθ1/ [tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1]
용기 입구의 크기에 따라 발광부와 수광부간의 거리가 제한되어, 수위 측정이 제한되지 않도록, 발광부와 수광부간의 거리를 임의로 변경시키는 거리 변경 수단이 발광부와 수광부에 구비된다.
용기 입구는 실링재로 밀봉되고, 발광부와 수광부 사이의 정중앙을 따라 배치된 리드 스크류가 실링재에 회전가능하게 끼워진다. 실링재에서 상부로 연장된 리드 스크류 상단에 노브가 설치된다. 실링재 하부에 위치하는 리드 스크류 중간 외주에 승강판이 나사결합되어, 정위치에서 회전되는 리드 스크류의 회전 방향에 따라 승강판이 상승 또는 하강하게 된다. 승강판은 발광부와 수광부 각각에 평행사변형 구조의의 4절 링크로 연결된다. 4절 링크의 각 모서리는 승강판과 발광부 및 수광부 각각에 힌지연결된다. 승강판 하부의 리드 스크류 하단 외주에 지지판이 배치되고, 지지판의 양측에 4절 링크와 구름 접촉되는 가이드 롤러가 배치되어서, 승강판의 어느 한 높이에서 4절 링크가 소정의 형상으로 가이드 롤러에 지지를 받아, 발광부와 수광부간의 거리가 유지된다.
상기된 본 발명의 구성에 의하면, 굴절율이 서로 다른 두 물질의 경계면에서 광이 굴절된다는 원리를 이용해서, 종래와는 달리 비접촉식으로 수위를 정확하게 측정할 수가 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치에 적용되는 굴절 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 장치가 용기에 적용된 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 주요부인 발광부와 수광부 및 거리 변경 수단을 상세히 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 주요부인 4절 링크를 확대해서 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 장치로 수위 측정을 하는데 적용되는 연산식 산출 근거를 제시하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 수위 측정 장치는 도 1에 도시된 광굴절 원리를 이용하게 된다. 즉, n1과 n2로 서로 다른 굴절율을 갖는 2가지 물질의 경계면에 광이 입사각 θ1으로 입사되면, 광은 경계면에서 굴절각 θ2로 굴절된다는 원리를 이용한다. 이 원리를 식으로 나타내면 하기 식 ①과 같다.
n1sinθ1= n2sinθ2------------------------- ①
만일, 두 물질간에 굴절율이 동일하다면, 광은 경계면에서 굴절되지 않을 것이고, 수위에 상관없이 동일한 지점에서 반사될 것이다. 그러나, 용기에 저장된 액체와 그 상부의 기체간의 굴절율은 다르기 때문에, 경계면에서 굴절 현상이 당연히 일어나게 된다. 예를 들어서, 수위가 하강하면, 즉 경계면이 하강하면, 굴절이 일어나는 지점이 변화되어 반사 지점도 변화된다. 본 발명은 이러한 원리를 응용한 것으로서, 도 2 및 도 3에 본 발명에 따른 수위 측정 장치가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용기(1)내에는 액체(L)가 저장되어 있고, 액체(L) 상부는 기체(G)가 위치하게 된다. 여기서, 액체(L)의 굴절율을 n2, 기체(G)의 굴절율이 n1이다.
도 3에 도시된 발광부(10)와 수광부(11)가 용기(1)의 상단에 형성된 입구에 좌우 소정 간격을 두고 배치된다. 특히, 발광부(10)와 수광부(11) 사이를 잇는 선은 용기(1)의 저면과 평행을 이룬다. 발광부(10)에서 용기(1) 저면으로 조사된 광을 수광부(11)로 반사하는 반사부(12)가 도 2에 도시된 바와 같이, 용기(1) 저면에 배치된다. 특히, 반사부(12)는 발광부(10)와 수광부(11) 사이의 정중앙에 배치된다.
발광부(10)에서 조사된 광은 경계면에서 굴절된 후, 반사부(12)에서 반사되어 경계면에서 다시 굴절되어서 수광부(11)로 입사되고, 각각의 변수를 이후에 상술할 연산식에 대입하여 수위를 측정하게 되는데, 보다 정확한 수위 측정을 위해 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리를 변경시키는 수단이 용기(1)의 입구에 마련된다.
즉, 용기(1) 입구의 크기에 따라 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리는 소정의 거리로 제한되고 변경될 수가 없기 때문에, 굴절이 일어나는 지점도 경계면의 어느 한 지점만이 된다. 따라서, 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리를 임의로 변경하므로써, 굴절 지점을 달리하여 수위를 측정한 후, 측정된 각 수위를 평균하면 보다 정확한 수위 측정이 가능할 것이다.
이를 위해, 리드 스크류(31)의 상단이 용기(1)의 입구에 설치된 실링재(20)에 회전가능하게 끼워진다. 실링재(20) 상부로 돌출된 리드 스크류(31) 상단에 노브(30)가 고정되어서, 노브(30)를 회전시키면 리드 스크류(31)는 정위치에서 회전만 된다. 승강판(40)이 실링재(20) 하부의 리드 스크류(31)에 나사결합되어, 리드 스크류(31)의 회전 방향에 따라 승강된다.
발광부(10)와 수광부(11) 각각은 승강판(40)의 양측에 4절 링크(50)에 의해 연결된다. 4절 링크(50)는 도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 평행사변형 구조로서, 각 모서리에 설치된 4개의 힌지(51,52,53,54)가 승강판(40)과 발광부(10) 및 수광부(11)에 연결된다.
한편, 승강판(40)이 하강함에 따라 4절 링크(50)의 하단이 벌어진 상태로 유지되도록, 승강판(40) 하부의 리드 스크류(31)에 지지판(41)이 고정된다. 즉, 지지판(41)의 외주가 4절 링크(50)가 내측으로 오므려지지 않도록, 4절 링크(50)와 구름 접촉을 하여 지지를 하게 된다. 바람직하게는, 지지판(41)의 양측에 가이드 롤러(42)가 설치되어서, 이 가이드 롤러(42)에 4절 링크(50)가 미끄럼 이동이 가능하게 지지된다.
그리고, 승강판(40)이 하강함에 따라 용기(1) 내부의 기체가 압축되지 않도록 하기 위해서, 실링재(20)에 환상의 배기홈(21)이 형성된다. 승강판(40) 상부의 리드 스크류(31)에 밸브 몸체(60)가 나사결합되어, 리드 스크류(31)와 함께 승강되고, 밸브 몸체(60)의 외주에 배기홈(21)을 선택적으로 밀폐시키는 밸브 헤드(61)가 설치된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 장치를 이용해서 수위 측정 방법을 상세히 설명한다.
발광부(10)에서 발해진 광은 입사각 θ1로 경계면에 입사된 후, 경계면에서 굴절각 θ2만큼 굴절되어서 반사부(12)로 입사된다. 광은 반사부(12)에서 반사되어서, 다시 경계면에서 굴절된 후 수광부(11)로 입사된다.
여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, 발광부(10)가 배치된 지점을 Pe, 수광부(11)가 배치된 지점을 Pr, 반사부(12)가 배치된 지점을 Pb, 점 Pe와 점 Pr을 잇는 선과 Pb에서 연직 상부로 연장된 선이 만나는 점, 즉 점 Pe와 점 Pr사이의 중간점을 Pc, 경계면의 굴절 지점을 Pd, 점 Pd로부터의 연직선과 발광부(10)와 수광부(11)를 잇는 선이 만나는 점을 Px, 및 점 Pd로부터의 연직선이 용기(1) 저면에 만나는 점을 Py라 한다.
그리고, 점 Pe와 점 Px간의 거리를 x1, 점 Px와 점 Pc간의 거리를 x2, 점 Pe와 점 Pr간의 거리, 즉 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리를 xm이라 하고, 점 Px와 점 Pd간의 거리를 y1, 점 Pd와 점 Py간의 거리, 즉 측정하려고 하는 액체의 수위를 y2, 및 점 Pc와 점 Pb간의 거리를 ym이라 하면, 하기 식들이 구해진다.
x1= y1tanθ1------------------------------------------------- ②
x2= y2tanθ2------------------------------------------------- ③
xm= 2(x1+ x2) = 2(y1tanθ1+ y2tanθ2) ------------------------ ④
y2= ym- y1
= xM/ 2(tanθ2-tanθ1) - yMtanθ1/ (tanθ2- tanθ1) ------ ⑤
한편, 상기 식 ①을 굴절각 θ2에 대해 나타내면, 하기 식 ⑥과 같이 된다.
θ2= sin-1(n1/n2·sinθ1) -------------------------------------- ⑥
식 ⑥을 식 ⑤ 대입하면, 최종적인 수위 연산식이 하기 식 ⑦로 나타내어진다.
y2 =xM/ 2[tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1] -
yMtanθ1/ [tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1] --------------- ⑦
이와 같은 연산식이 수위 측정을 하는 연산부에 미리 입력되어 있어서, 기체(G)와 액체(L)의 굴절율 n1과 n2은 미리 정해진 상수이고, 따라서 입사각 θ1,발광부(10)와 수광부(11) 사이의 거리 xm, 및 용기(1)의 저면으로부터 발광부(10) 또는 수광부(11)간의 거리 ym을 상기 식 ⑦에 대입하면, 연산부에서 이러한 변수에 따라 연산식을 연산하여 수위를 산출하게 된다.
한편, 이러한 연산을 한 번만 수행하지 않고, 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리를 여러 가지로 변경하면서 수위 측정을 실시한다. 즉, 노브(30)를 회전시키면 리드 스크류(31)도 그 방향으로 회전되므로써, 승강판(40)이 상승 또는 하강하게 된다. 따라서, 평행사변형 구조의 4절 링크(50) 하단이 오므려지거나 또는 벌어지게 되므로써, 발광부(10)과 수광부(11)간의 거리가 짧아지거나 또는 길어지게 된다. 4절 링크(50)는 지지판(41)의 가이드 롤러(42)에 구름 접촉되면서 오므려지거나 벌어지게 되고, 아울러 승강판이 어느 한 위치에서 고정되면, 그 위치에서 지지판(41)에 의해 지지를 받게 되어, 내측으로 오므려지지 않게 된다.
여기서, 본 실시예에서는 평행사변형 구조의 4절 링크(50)를 이용해서 승강판(40)과 발광부(10) 및 수광부(11)를 연결시켰는데, 그 이유는 평행사변형의 마주보는 대변은 항상 평행을 이룬다는 것 때문이다. 즉, 평행사변형의 상하 두 변은 항상 평행을 이루므로, 승강판(40)에 대해서 발광부(10) 또는 수광부(11)가 기울어지지 않게 된다. 그러므로, 본 실시예의 4절 링크(50) 대신에 단일 링크를 사용해도 되는데, 전제 조건은 단일 링크의 하단이 발광부(10)와 수광부(11)의 중심에 연결되어서, 발광부(10)와 수광부(11)가 양측으로 이동될 때, 기울어지지 않도록 해야 한다.
또한, 승강판(40)이 하강할 때, 용기(1) 내부의 기체가 압축되는데, 밸브 헤드(61)가 배기홈(21)을 개방시키게 되므로, 압축 공기는 개방된 배기홈(21)을 통해 배기되어진다.
이러한 동작으로 발광부(10)와 수광부(11)간의 거리를 여러 가지로 변경하면서 상기 식 ⑦으로 각 수위를 측정하고, 측정된 각 수위들을 합산하여 평균을 구하면, 수위를 보다 정확하게 측정할 수가 있게 된다.
상기된 바와 같이 본 발명에 의하면, 광굴절 원리를 이용해서 비접촉식으로 수위를 측정하게 되므로써, 측정치에 대한 신뢰도가 향상된다. 따라서, 용기에 저장된 액체를 정밀한 양으로 관리할 수가 있게 된다.
한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

  1. 용기에 저장된 액체의 수위를 측정하는 장치로서,
    상기 용기의 상단 입구에 용기의 저면과 평행하게 배치되어, 상기 용기의 저면으로 광을 조사하고, 용기의 저면에서 반사된 광이 입사되는 발광부 및 수광부;
    상기 용기의 저면에 배치되어, 상기 발광부에서 각도 θ1으로 서로 다른 굴절율 n2와 n1을 갖는 액체와 기체간의 경계면으로 입사되어, 상기 경계면에서 각도 θ2로 굴절된 광을 상기 수광부로 반사하는 것으로서, 상기 발광부와 수광부 사이의 정중앙에 배치된 반사부; 및
    상기 기체와 액체 각각의 굴절율 n1과 n2, 상기 발광부와 수광부 사이의 거리 xM, 상기 반사부에서 발광부와 수광부 사이의 정중앙간의 거리 yM, 및 상기 입사각 θ1을 변수로 하여, 상기 변수들을 하기 식에 대입하여, 액체의 수위 y2를 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광굴절을 이용한 수위 측정 장치.
    y2 =xM/ 2[tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1] -
    yMtanθ1/ [tan{sin-1(n1/n2·sinθ1)}-tanθ1]
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발광부와 수광부 사이의 거리를 여러 가지로 변경하여, 상기 연산부에서 상기 식에 의해 연산된 수 개의 수위 측정치를 평균하여, 평균 수위를 측정하기 위해서, 상기 발광부와 수광부 사이의 거리를 변경하는 수단이 마련되고,
    상기 수단은 용기의 입구를 밀봉하는 실링재 중심에 회전가능하게 끼워진 리드 스크류;
    상기 실링재 상부로 돌출된 상기 리드 스크류 상단에 설치된 노브;
    상기 실링재 하부의 리드 스크류에 나사결합되어, 상기 리드 스크류의 회전 방향에 따라 승강되는 승강판;
    상단이 상기 승강판의 양측에 힌지연결되고, 하단은 상기 발광부와 수광주 중심에 힌지연결되어, 상기 승강판의 승강 동작에 따라 벌어지거나 또는 오므려지는 링크; 및
    상기 승강판 하부의 리드 스크류에 설치되어, 상기 링크가 벌어지거나 또는 오므려지는 동작이 가능하게 상기 링크와 미끄럼 접촉을 함과 아울러 어느 한 위치에서 상기 링크가 내측으로 오므려지지 않게 지지하는 지지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광굴절을 이용한 수위 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 링크는 평행사변형 구조의 4절 링크인 것을 특징으로 하는 광굴절을 이용한 수위 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 지지판의 양측에 가이드 롤러가 설치되고, 상기 가이드 롤러에 링크가 미끄럼 운동이 가능하게 지지된 것을 특징으로 하는 광굴절을 이용한 수위 측정 장치.
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