KR20120052219A - 광섬유 액 레벨 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학 빔의 존재하에 액 레벨을 검출하기 위한 중공 프리즘을 제공하며, 이 중공 프리즘은 중공 부재, 중공 부재에 밀봉된 유전체 부재로서, 유전체 부재 중 하나는 다른 유전체 부재에 대해 경사진 각도로 배열되는 유전체 부제, 및 상기 유전체 부재 사이에 배치된 밀봉된 중공 공간을 포함하고, 입사 광학 빔은 수직 입사로 제1 유전체 부재를 통하여 들어가서, 제2 유전체 부재를 통하여 사출 빔으로 출사하고, 사출 광학 빔은 중공 부재가 액 매체에 잠겨있지 않을 때는 비편향되어 유지되며, 사출 광학 빔은 중공 부재가 액 매체에 잠겨있을 때는 편향한다. 또한, 본 발명은 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 갖는 광섬유 액 레벨 검출기를 제공한다.
Description
본 발명은 액 레벨 검출용 중공 프리즘(hollow prism)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 본 발명의 중공 프리즘을 구비한 광섬유 액 레벨 검출기에 관한 것이다.
탱크의 액 레벨은 다양한 방법, 즉, 외부의 판독장치에 기계적으로 또는 자기적으로 연결된 플로트(float), 또는 초음파/광파 또는 커패시턴스(capacitance)에 기초한 센서를 조작하는 장치에 의해 검출될 수 있다. 각 검출 방법은 각기 장점 및 단점을 갖는다.
액체 질소, 액체 산소, 액체 수소 및 액체 헬륨과 같은 극저온 유체는 산업계, 항공, 우주기술 및 과학연구분야에 광범위하게 사용된다. 이들 사용분야의 대부분에서, 대용량 극저온 탱크의 충전 및 비움 중에, 이들 극저온 액체의 동적 거동에 대한 연구뿐만 아니라, 이러한 작업들이 고유량으로 실행될 때 이들 유체의 정량적으로 신뢰할만한 모니터링은 적극적인 연구분야로 성장해왔다. 특히, 극저온 시스템의 대용량 탱크 내 극저온 연료 및 산화제 레벨의 측정은, 특히 사용분야가 통합적인 방식으로 복잡한 계장 작업(instrumentation tasks)의 감지 및 규제를 포함하는 경우에, 극도로 중요하다.
많은 액-기체(L-V) 계면 감지 방법들이 이러한 레벨 측정을 용이하게 하도록 사용되었다. 공지의 방법들은 L-V 계면의 위치를 감지하기 위하여 저항, 커패시턴스, 음향 임피던스(acoustic impedance) 또는 점성 감쇠(viscous damping)의 차이에 의존하였다. 이들 방법 중, 커패시턴스에 기초한 감지 시스템만이 항공우주분야에서의 광범위한 사용을 위해 상당한 관심을 받았다. 그러나 고비용, 저응답성, 고하중 및 잠재적인 '전기 스파크 위험'과 관련된 요소는, 특히 항공우주분야에서 연료탱크 내 액 레벨 검출용으로 사용될 때, 그 신뢰성에 대한 몇몇 문제점을 제기한다.
항공우주분야와 관련된 연료탱크 내 레벨-검출에 특정된 문제들을 해결하기 위해, 다양한 광섬유 시스템이 개발되어왔다. 이러한 시스템들은 종래의 레벨 감지 방법에 비해 많은 장점을 갖는다; 예를 들면, 이들은 본래 전기적으로 수동적이며(passive), 내재적으로 스파크가 없는 레벨-감지를 보장하며 기계적 가동부분들을 갖지 않는다. 액체 수소 및 액체 산소에 특징적인 폭발잠재성 환경에서, 이러한 특징들은 향상된 효율과 저하된 보수유지 부담으로 안전한 작업을 실현하는데 도움을 준다. 또한, 광섬유는 구리 도선보다 여섯 배나 강하고 단위부피당 네 배나 가볍다. 이들은 EMI를 생성하지도 그런 경향도 없어서, 차폐/절연의 필요성도 없으며, 이는 전기 대응부보다 이들을 훨씬 가볍게 만든다. 이러한 무게감소는 항공우주분야에서 중요하다. 통신산업에서 이들 광섬유 시스템에 대한 점증하는 요구로 인해, 또한 비용면에서도 경쟁력을 갖춰가고 있다. 더욱이, 이러한 장치들이 반사/굴절의 원리를 이용해 액 레벨을 감지할 때, 이들은 고속 레벨-검출을 극히 용이하게 한다.
공지의 광섬유 시스템은 레벨 측정을 위해, 두 개의 광섬유 단부들에 장착되는 내부 전반사 프리즘 또는 구형 렌즈, 원뿔형 광섬유 팁 또는 U자형으로 만곡된 광섬유 같은 장치들에 의존한다. 사용분야에 따라 상기 장치들은 몇몇 제한을 겪을 수 있다. 예를 들면, 이러한 장치에서, 반사광의 세기는 레벨-감지를 위한 기초가 되며, 이러한 감지는 액뿐만 아니라 프리즘을 위해 사용되는 물질 모두의 굴절률에 의존한다. 이는 주변 상태에 따라 변하기 때문에, 특히 극저온 액체의 레벨을 측정하는데 사용될 때, 상기 장치는 각각의 작업압력 및 온도에서 개별적인 보정(calibration)을 필요로 한다. 또한, 이들 장치는 흔히 180°편향 각도로 작동하도록 설계되며, 이는 어떤 면에서 감지장치의 상대적인 '부피' 증가로 이어진다.
이러한 감지장치의 제조는 적어도 세 개 이상의 면을 광학적으로 고도의 표면 정밀도까지 마무리하는 것과 프리즘의 정밀한 각도를 유지하는 것을 포함한다. 또한, 광 안내장치에 대한 감지장치의 위치는 불변으로 고정되며 선형 또는 각운동을 위한 어떠한 자유도도 허용하지 않는다.
미국 제6801678호는 프레스넬 반사(Fresnel reflection)에 기초한 액 센서를 사용하는 광섬유 레벨 검출기를 개시하고 있는바, 여기에서 송신된 광의 일부는 굴절률이 다른 계면 경계에서 반사되며, 반사광 세기는 주위 환경의 섬유 및 액의 굴절률에 의존한다.
고체 프리즘의 굴절특성은 편향 없는 광학 빔의 송신을 허용하지 않는다. 프리즘이 대기중에 있거나 액에 잠겨 있거나, 사출 광학 빔(the emerging optical beam)은 항상 입사 광학 빔으로부터 편향한다. 또한, 액에 잠겨 있을 때, 이러한 프리즘의 편향의 정도는 프리즘의 제조에 사용되는 물질뿐만 아니라 액 매체의 굴절률에 달려있다. 이러한 요소들 모두는 레벨 측정 대상액이 변하거나 또는 그 작업 조건들이 동적으로 변할 때마다, 고체 프리즘에 기초한 광섬유 레벨 검출기에서의 재보정 및 재위치 설정 과정을 필요로 한다.
본 발명의 주 목적은 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 소스로부터 오는 광학 빔의 존재 하에 특징적인 주위 의존적 굴절 거동을 보이는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공기 또는 진공 충전된, 누설이 없는 프리즘 작용 중공 공간(a leak-tight prismatic hollow space)을 갖는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 레벨 검출 과정이 중공 프리즘의 제조에 사용되는 광학 물질의 굴절률에 독립적인 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중공 프리즘의 레벨-감지 영역에 존재하는 광학 물질의 부피가 감소된 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 액의 압력 및 온도와 같은 주위 조건의 변화가 중공 프리즘의 굴절 거동에 영향을 주지 않는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 중공 프리즘이 액 매체에 잠겨있지 않을 때 사출 광학 빔이 입사 광학 빔의 방향으로부터 편향하지 않는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중공 프리즘이 액 매체에 잠겨있을 때 사출 광학 빔이 입사 광학 빔의 방향으로부터 편향하는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 세 개의 기준 축을 따라 선형 이동의 세 개의 자유도를 가지며 z-축에 대해 회전운동을 위한 하나의 자유도를 갖는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 액 매체에서 플로트로서 작용할 수 있는 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 갖는 광섬유 액 레벨 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명은 소스로부터 오는 광학 빔을 통해 액 레벨을 검출하는 중공 프리즘을 제공하며, 이 프리즘은 유전체 부재들로 밀봉된 중공 부재를 포함하되, 상기 유전체 부재의 하나는 다른 유전체 부재에 대해 경사지게 배열되며 유전체 부재 사이에 누설이 없는 중공 공간을 형성한다. 중공 프리즘으로부터 출사하는 광학 빔은, 광학 빔이 나가는 중공 프리즘의 면이 각각 대기 중에 있거나 액에 잠겨 있는 가에 따라서, 중공 프리즘으로 입사하는 광학 빔의 방향으로부터 편향하지 않은 채 유지되거나 편향한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 액 레벨 검출용 중공 프리즘을 갖는 광섬유 액 레벨 검출기를 제공한다.
본 발명은, 중공 프리즘을 비추기 위한 광원을 사용하여 액 레벨을 검출하기 위해 특징적인 굴절 거동을 갖는 중공 프리즘을 제공한다. 본 발명의 중공 프리즘은 중공 부재를 포함하되 중공 부재의 단부 중 하나는 중공 부재 축에 대해 수직하게 절단되며 다른 단부는 제1 단부에 대해 상당한 각으로 절단된다. 원통의 각 단부들은, 테스트되는 액에 대해 누설이 없도록 만드는 한 쌍의 얇고 투명한 또는 반투명한 유전체 부재로 밀봉될 때, 중공 원통 내에 프리즘 작용 중공 공간을 형성한다. 이는 본 발명에 따른 중공 프리즘을 구성한다. 이러한 중공 프리즘은 수직 입사로(at normal incidence) 중공 부재 내로 들어가는 외부 광학 빔의 방향과 중공 부재의 축을 따라 중공 부재를 진행한 후에 이로부터 사출하는 방향과의 사이에 특징적인 관계를 강조하는 굴절 거동을 보여준다. 중공 프리즘으로부터 출사하는 광학 빔은, 중공 프리즘의 출사면(the emerging surface)이 각각 대기 중에 있거나 액에 잠겨 있는 가에 따라, 입사 광학 빔으로부터 편향하지 않은 채 유지되거나 편향한다. 상기 중공 프리즘 근방에서의 '가스 대(對) 액' 변화 또는 그 역에 따른 광학 빔 방향의 변화는, 광섬유 수신기(fiber optic receiver)가 중공 프리즘으로부터 나오는 광학 빔을 수집할 때, 고효율적이고 고분해능으로 즉시 판별될 수 있다. 본 발명에서의 광섬유 수신기는 방향-필터로서 사용된다.
따라서, 본 발명은, 중공 프리즘이 액 외부에 유지될 때, 프리즘의 단측들(shorter sides)의 하나를 통해 들어가는 광학 빔이 그 최장측(longest side)으로부터 '편향되지 않은 채(undeviated)' 나가도록 하는 굴절 거동을 갖는 중공 프리즘을 제공한다. 즉, 액에 잠겨 있을 때, 프리즘으로부터 나가는 광학 빔은 그 사출각이 편향된다. 편향의 정도는 프리즘의 각도뿐만 아니라 액의 굴절률에 의존하며, 프리즘 장치 제조에 사용되는 물질에는 무관하다.
따라서 본 발명의 중공 프리즘에서 레벨 검출을 위해 사용되는 원리는, 중공 프리즘의 주위 환경이 가스에서 액으로 및 그 역으로 변화할 때, 광원으로부터 조사되는 중공 프리즘의 굴절 거동에서 일어나는 변화이다.
본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.
1. 본 발명의 중공 프리즘의 경우, 레벨 검출 과정은 액의 굴절률에만 의존하며 극저온 액 환경에서 동적으로 변하는 온도 및 압력과 같은 액의 다른 조건에는 의존하지 않는다.
2. 본 발명의 중공 프리즘은 구성이 간단하고 작동에 견고하며, 이해 및 작동에 특별한 기술을 요하지 않으며, 대규모 제조가 용이하며, 산업적으로 적합하며, 고정밀도의 광학면을 요구하지 않는다.
3. 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기는 측정되는 액이 변할 때마다 재보정을 요구하지 않는다.
4. 본 발명의 중공 프리즘은 중공 프리즘의 광학 부피를 감소시킴으로써 최소화될 수 있다.
5. 본 발명의 중공 프리즘은 또한 x-y 면으로의 세 개의 선형 자유도 및 z-축에 대한 하나의 회전 자유도를 갖는 것이 허용되며 플로트로서 사용될 수 있고 액 레벨 검출을 위해 원하는 위치에 정지될 수 있다.
6. 본 발명의 중공 프리즘은 10 기압과 같은 높은 압력과 액체 헬륨 온도와 같은 저온에서도 작동할 수 있다.
7. 본 발명에 따른 액 레벨 검출기의 중공 프리즘의 방향은 180°까지 변경될 수 있다.
8. 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기는 채움 및 비움 작업 중에 액 레벨 검출을 위한 응답시간이 동일하며 이 응답은 검출이 빛의 속도로 진행하기 때문에 매우 빠르다.
도 1은 본 발명의 중공 프리즘의 등척도이다.
도 2는 본 발명의 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 3(a),(b)는, 액 매체 내에 있지 않을 때 비편향된 광학 빔이 사출되며, 액 매체에 잠겨 있을 때 편향된 광학 빔이 사출되는 것을 보여주는 본 발명의 중공 프리즘의 개념도이다. 도 3(c)는 x,y,z축을 따른 중공 프리즘의 선형 거동 및 z축에 대한 회전운동을 위한 가능한 자유도를 보여준다.
도 4는 각각 30°, 45°, 60°의 프리즘 각에 있어서, 액들의 굴절률에 대하여 도시된 사출 광학 빔의 편향을 보여주는 그래프이다.
도 5는 일체형 조준렌즈를 갖는 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 6은 일체형 광 송신기를 갖는 본 발명의 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 7은 일체형 광 송신기와 조준렌즈를 갖는 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 8은 탱크의 고정 위치에 유지되는 중공 프리즘을 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 개략도이다.
도 9는 조준렌즈가 없는 중공 프리즘을 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 정면도 및 단면도이다.
도 10은 중공 프리즘과 조준렌즈를 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 정면도 및 단면도이다.
도 11은 하우징에 내장된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 결합도이다.
도 12는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기 6개의 배열을 보여준다.
도 13은 콘트롤러에 연결된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 블록 다이어그램이다.
도 14는 콘트롤러에 연결된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기 6개 배열의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 3(a),(b)는, 액 매체 내에 있지 않을 때 비편향된 광학 빔이 사출되며, 액 매체에 잠겨 있을 때 편향된 광학 빔이 사출되는 것을 보여주는 본 발명의 중공 프리즘의 개념도이다. 도 3(c)는 x,y,z축을 따른 중공 프리즘의 선형 거동 및 z축에 대한 회전운동을 위한 가능한 자유도를 보여준다.
도 4는 각각 30°, 45°, 60°의 프리즘 각에 있어서, 액들의 굴절률에 대하여 도시된 사출 광학 빔의 편향을 보여주는 그래프이다.
도 5는 일체형 조준렌즈를 갖는 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 6은 일체형 광 송신기를 갖는 본 발명의 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 7은 일체형 광 송신기와 조준렌즈를 갖는 중공 프리즘의 정면도 및 단면도이다.
도 8은 탱크의 고정 위치에 유지되는 중공 프리즘을 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 개략도이다.
도 9는 조준렌즈가 없는 중공 프리즘을 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 정면도 및 단면도이다.
도 10은 중공 프리즘과 조준렌즈를 갖는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 정면도 및 단면도이다.
도 11은 하우징에 내장된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 결합도이다.
도 12는 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기 6개의 배열을 보여준다.
도 13은 콘트롤러에 연결된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 블록 다이어그램이다.
도 14는 콘트롤러에 연결된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기 6개 배열의 블록 다이어그램이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 설명된다. 도 1 및 2는 중공 프리즘의 등척도, 정면도 및 단면도이다. 중공 프리즘은 후술되는 바와 같이 중공 프리즘을 위한 하우징 역할을 하는 중공 부재(101)를 포함한다. 중공 부재(101)의 기하학적 형상은 원통형 대칭(cylindrical symmetry)을 갖도록 구성된다. 중공 부재(101)의 말단부들은 입사 광학 빔이 중공 부재(101)를 들어가는 위치에 대해 상대적으로 규정되는 근단부 및 원단부(proximal and distal ends)를 각각 구성한다. 본 발명에서, 예시적인 실시예로, 중공 부재(101)의 기하학적 형상은 원통형 대칭으로 도시되었다. 그러나 중공 부재(101)로서 다각형 형상과 같은 다른 적합한 형태 또는 형상을 사용하는 것도 본 발명의 범위 내이다. 중공 부재(101)는 레벨이 검출될 액체와 적합성을 갖는 반투명/투명, 금속 또는 비금속 물질로 만들어진다. 또한, 적합성 요소는 온도 및 압력 조건뿐만 아니라 사용될 액에 대한 중공 부재(101)로서 선택된 물질의 화학적 및 기계적 강도/저항에 기반하여 고려된다. 후술되는 바와 같이 액 레벨 감지 중, 중공 부재(101)의 이동을 억제하기 위해 중공 부재(101)의 표면상에 평면(106)이 제공된다.
중공 부재(101)의 근단부에는 원통형 중공 부재의 기하학적 축 'a'에 수직하게 배향되는 제1 평면(102)이 제공된다. 이 면의 개구는 광원으로부터 오는 광학 빔이 중공 부재(101) 내로 입사하는 것을 용이하게 한다.
또한, 중공 부재(101)의 원단부에는 제2 평면(103)이 제공된다. 제2 평면(103)은 경사각 'α'로 제1 평면(102)에 대해 경사지게 배열된다. 경사각 'α'의 값은 특정 굴절률의 액체에 대해 요구되는 광학 빔의 편향의 정도와 같은 중공 프리즘의 설계 파라미터에 기초하여 선택된다. 경사각 'α'는 광범위한 프리즘 각들로부터 선택되며 액 레벨이 측정될 액의 굴절률에 의존한다. 따라서 경사각 'α'는 10-70°, 바람직하게는 30-45°범위의 각도로 설정될 수 있다.
제1 유전체 부재(104)가 중공 부재(101)의 제1 평면(102) 상에 배열되며 누설이 없도록 밀봉된다. 중공 부재(101)가 검출 중에 액에 잠겨질 때마다, 밀봉 배열은 액이 제1 유전체 부재(104)와 제1 평면(102) 사이의 결합지점을 통해 중공 부재(101)로 들어가는 것을 방지한다. 마찬가지로, 역시 제2 유전체 부재(105)가 제2 평면(103) 상에 배열되며 제2 평면(103)에 대해 누설이 없도록 밀봉된다.
제1 및 2 유전체 부재(104, 105)의 이러한 배열은, 제2 평면(103) 상에 배열되는 제2 유전체 부재(105)가 제1 유전체 부재(104)에 대해 원하는 경사각 'α'로 위치되는 것을 보장한다.
제1 및 2 유전체 부재(104, 105)는 다이아몬드, 사파이어, 석영, 실리콘, 게르마늄, 비정질 용융 석영, 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown), 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리 비닐 클로라이드(PVC) 또는 이들의 조합으로 만들어지는 투명 또는 반투명의 평행 판 또는 막이다. 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)를 위한 물질은 또한 사용되는 광학 빔에 대한 전달성을 가지며 유전특성을 나타내는 어떠한 물질로부터 선택될 수 있다.
제2 유전체 부재(105)의 두께는 작업 온도, 압력 및 유전체 부재(105)와 액의 반응성을 포함하는 액 레벨 감지의 작업조건에 따른 기계적 강도 요구조건에 기초하여 결정된다. 제2 유전체 부재(105)의 두께는 적절하게 변경될 수 있으며, 100 미크론(μ)에서 1 mm의 범위에 있다. 그러나 두께 요소는 제한사항이 아니며 임의의 적당한 두께의 유전체 부재(104, 105)가 본 발명에서 채택될 수 있고, 본 발명의 중공 프리즘은 얇은 두께의 유전체 부재를 가진 액 레벨 감지를 위해 사용될 수 있다.
본 발명에서 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)의 표면들은 이들을 통과하는 광학 빔에 대해 이들이 투명하게 되도록 연마된다. 그러나 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)의 표면들이 광학적으로 높은 표면 정밀성을 갖도록 마무리될 것을 요구하지 않는다.
각각 제1 및 2 평면(102, 103) 상에 밀봉될 때 유전체 부재(104, 105)는 이들 사이에 누설이 없는 프리즘 작용 중공 공간(107)을 형성한다.
중공 프리즘의 특성은 밀봉된 중공 공간(107)이 상온 및 상압에서 공기로 채워지거나 또는 진공화되면 변화하지 않고 유지된다. 중공 부재(101)가 레벨 검출을 위해 액 매체(113) 내로 잠겨질 때, 액이 밀봉된 중공 공간(107) 내로 들어가지 않도록 보장된다.
도 3은 중공 부재(101) 내의 제1 및 2 유전체 부재(104, 105) 사이에 형성된 중공 공간(107)에 대한 개념적 도시이다. 중공 프리즘의 제1 유전체 부재(104)는 선택된 광원으로부터의 입사 광학 빔(109)이 수직입사로 중공 프리즘으로 들어가는 단측(shorter side)에 해당한다. 제2 유전체 부재(105)는 사출 광학 빔(110)이 경사각 'α' 로 제2 유전체 부재(105)로 입사하는 중공 프리즘의 최장측(longest side)에 해당한다.
따라서, 밀봉된 중공 공간(107)을 따른 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)의 내면은 특히 본 발명의 중공 프리즘 또는 프리즘 장치에 해당한다.
본 발명에서, 예시적인 실시예로, 중공 부재(101)의 기하학적 형상은 원통형으로 도시되었다. 그러나 중공 부재(101)의 형상은, 단측이 선택된 광원으로부터의 입사 광학 빔(109)의 입사를 허용하도록 제1 유전체 부재(104)가 위치되며, 최장측이 해당하는 사출 광학 빔(110)을 사출하도록 제2 유전체 부재(105)가 위치되고 제2 유전체 부재(105)가 제1 유전체 부재(104)에 대해 경사지게 배열되는 중공 부재(101)인 한도에서는, 변경될 수 있다.
본 발명에서, 밀봉된 중공 공간(107)의 크기와 부피는 작동 효율성을 변경하지 않으므로 중공 부재(101)의 제조 고려사항에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 밀봉 중공 공간(107)은 공기 또는 진공으로 충전된, 누설이 없는 프리즘 작용 중공 공간을 형성한다. 레벨 감지 영역에 존재하는 광학 물질의 부피는 필요하다면 마이크로 리터까지 감소될 수 있다.
도 3(a)는 광원으로부터의 광학 빔(109)의 입사를 보여주는 본 발명에 따른 중공 프리즘의 개념도이다. 도 3에 도시된 중공 프리즘은 누설이 없는 밀봉된 중공 공간(107)에 의해 각각 중공 프리즘의 단측 및 최장측을 형성하는 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)를 포함한다. 다중 모드 광섬유인 광섬유 전송기(108)가 광원으로부터의 단색의 입사 광학 빔(monochromatic incident optical beam)(109)을 전송한다. 50/125 미크론의 다중 모드 실리콘 유리 섬유가 광학 빔의 전송 및 수신을 위해 사용된다. 단일 모드 또는 다중 모드로 작동하는 폴리머, 석영, 사파이어 등과 같은 다른 적합한 광섬유 요소들 역시 레벨 감지를 위해 사용되는 액의 특정한 성질에 따라 적절하게 사용될 수 있다. 광원은 레이저 또는 발광 다이오드 또는 적외선 영역에서 볼 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 본 발명에서, 5mW, 633nm 파장의 레이저 다이오드가 광섬유 전송기(108)를 통해 중공 프리즘을 위한 입력 광원으로 사용된다. 다중 모드 광섬유로부터 나가는 광학 빔이 지나치게 분기할 때마다, 광학 빔은 적당한 렌즈를 사용하여 조준된다. 50미크론 코어 크기를 갖는 광섬유 수신기(112)가, 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 전송기(108)와 동축이 되도록 배열된다. 광섬유 수신기(112)는 방향 필터기능을 한다. 광섬유 수신기(112)의 코어 크기는 적절하게 변경될 수 있음이 이해될 것이다.
광섬유 전송기와 수신기(108, 112)의 동축 배열은, 입사 광학 빔(109)이 중공 프리즘을 동축으로 진행하며 액(113)의 부재 시에 비편향된 광학 빔으로 나갈 때마다, 광섬유 전송기(108)로부터 나가는 입사 광학 빔(109)이 광섬유 수신기(112)에 의해 수신되는 것을 용이하게 한다.
제2 유전체 부재(105)의 출구면(105a)의 임계지점과 광섬유 수신기(112)의 수신면(111)의 임계지점 사이의 공간상 이격 거리 'd'는 액의 최소 굴절률에 기초하여 결정되며, 이 때문에 중공 프리즘은 레벨 검출을 위해 사용된다. 공간상 이격 거리 'd'의 결정이 아래에 설명된다.
후술되는 바와 같은 광 검출기(photo detector)(141)가 각각 기상 또는 액상에 대한 중공 프리즘의 노출에 따라 온/오프 형태의 신호를 보내는 콘트롤러(142)와 광섬유 수신기(112)에 연결된다.
도 3(b)는 광원으로부터의 입사 광학 빔(109)이 중공 프리즘에 의해 전송되는 방식을 보이는, 액 매체(113)에 잠겨진 중공 프리즘의 개념도를 보여준다. 도 3(b)에 도시된 바와 같은 중공 프리즘은 누설이 없도록 밀봉된 중공 공간(107)에 의해 각각 중공 프리즘의 단측 및 최장측을 형성하는 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)를 포함한다. 광섬유 전송기(108)는 단색의 입사 광학 빔(109)을 중공 프리즘으로 전송한다. 수신면(111)의 임계지점이 중공 프리즘의 출구면의 임계지점(105a)으로부터 거리 'd'에 위치하는 광섬유 수신기(112)가 광섬유 전송기(108)와 동축으로 위치한다. 광섬유 전송기와 수신기(108, 112)의 동축 배열은 편향된 사출 광학 빔(114)으로서 중공 프리즘의 지점(105a)으로부터 나가는 광학 빔의 미수신(non-receipt)의 검출을 용이하게 한다.
후술되는 바와 같은 콘트롤러(142)는 광섬유 수신기(112)의 먼 단부에 연결되어서, 광 검출기(141)의 출력 상태의 변화를 검출하고, 중공 프리즘으로부터 나가는 광학 빔이 비편향 타입인가 편향 타입인가를 평가하고, 중공 프리즘이 레벨이 변하는 액의 내부에 있는가 또는 공기 중에 있는가를 대응하게 지시하기 위하여 디스플레이를 작동시킨다.
본 발명의 중공 프리즘의 굴절 거동은, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 중공 프리즘이 액 매체 외부에 유지될 때, 그 단측들 중 하나를 통해 나가는 광학 빔이 그 최장측으로부터 '비편향되어' 나가는 것이다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 액에 잠겨질 때, 액으로부터 출사하는 광학 빔은 액의 출사 방향으로 편향한다.
도 3(c)는 센서의 기준 축들을 따른 및 축에 대한 중공 프리즘 거동의 가능한 자유도를 도시한다. 중공 프리즘은 기준 프레임의 x,y,z 축 각각을 따르는 세 개의 가능한 선형 이동의 자유도와 z-축에 대한 하나의 가능한 회전 자유도를 가진다. 이는 본 발명의 중공 프리즘이 광섬유 도관들(conduits) 사이에 고정된 거리를 갖도록 광섬유 도관들에 견고하게 연결되며 중공 프리즘의 출구면 상의 임계지점에 대한 초기의 고정된 관계를 유지할 필요가 없음을 의미한다. 그 작동은 중공 부재(101)가 액의 레벨을 따라 플로트처럼 이동하도록 허용되더라도 변함없이 유지된다. 이러한 배열에 의한 액 레벨을 측정하기 위해, 플로트는 편리한 장치를 통해 임의의 원하는 위치에 정지될 필요가 있다. 따라서, 중공 프리즘은 액의 레벨을 따라 플로트처럼 자유롭게 선형으로 이동할 수 있으며 액 레벨이 측정될 필요가 있는 위치에서 정지된다.
선택된 액(113)은 비-극저온 액 또는 극저온 액일 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 액은 제한 없이 상이한 굴절률을 갖는 다양한 액, 즉 물, 우유, 액체 추진체, 액체 수소, 액체 산소, 액체 질소, 유독성 유체, 알코올, 오일, 등유 및 원유 산물(petroleum products)(굴절률 1.1 내지 1.7을 가짐)을 포함한다.
중공 프리즘이 액에 잠겨질 때, 광학 빔의 편향의 정도는 액 매체(113)의 굴절률에 의존하며 프리즘 장치의 제조에 사용되는 물질에는 무관하다. 본 발명의 프리즘은 따라서 선택된 액(113)의 굴절률에만 의존하며, 특히 극저온 액 환경에서, 동적으로 변하는 온도 및 압력과 같은 액의 다른 조건에는 의존하지 않는다. 즉, 본 발명의 중공 프리즘의 굴절 거동은 온도 및 압력의 주위 조건에는 민감하지 않다. 이 특성은 측정될 액의 압력 및 온도와 같은 주위 조건들이 레벨 검출 중에 동적으로 변할 때마다 광섬유 수신기(112)가 재위치될 필요가 없는 중공 프리즘을 사용하여 레벨을 감지한다는 특정한 장점을 반영하며 이를 나타낸다.
도 4는 1-1.7 범위의 매체(113) 굴절률에 대한 빔(114)의 각편향 변화에 대한 그래프 도시이다. 또한, 상기 도면은 이러한 관계에 대한 프리즘 각의 영향을 도시한다. 예시적인 실시예로서, 각각 1.1, 1.195, 1.33의 굴절률을 갖는 액체 수소, 액체 질소 및 물이 매체(113)일 때, 예측되는 편향 각에 대한 추정치가 아래에 주어진다. α=30°에서, 액체 수소가 (도 8에 도시된) 본 발명의 광섬유 레벨 검출기(117)로 측정될 때, 도 3에 도시된 바와 같이 편향된 광학 빔(114)은 2.5°편향되어 진행하나, 액체 질소와 물의 레벨을 측정할 때는 동일한 빔이 각각 5°와 7.5°편향된다. 경사각이 증가하면, 대응하는 편향 각 역시 상응하는 크기만큼 증가를 나타낸다. 편향 각에 대한 이러한 추정의 지식은 출구면의 임계지점(105a)과 광섬유 액 레벨 검출기(117)의 수신면(111)의 임계지점 사이의 공간 거리 'd'를 고정하는데 도움을 줄 것이다. 따라서, 후술되는 바와 같이, 본 발명의 광섬유 레벨 검출기(117)는, 액의 굴절률이 거리 'd'에 의해 고정된 임계값 이상일 때 다양한 굴절률을 갖는 상이한 액들의 액 레벨을 측정하는데 사용될 수 있다.
공간 이격 거리 'd'는 굴절률 1.1 이상을 가지며 각 α=30°의 경우 2.5°와 같은 낮은 편향을 나타내는 모든 액의 레벨 검출을 실행하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 굴절률 1.1, (α=30°의 경우) 2.5°의 편향을 나타내는 액체 수소의 경우, 수신면(111)의 임계지점에서의 설계된 수평 편향이 5mm라면, tan(2.5°)는 5/d, 즉, d x tan(2.5°) = 5이며, 이로부터 mm 단위의 'd'가 계산된다.
따라서, 액에 잠겨있을 때, 중공 프리즘에 의해 도입되는 광학 빔 편향의 크기는 측정대상 액(113)의 굴절률 및 프리즘의 적절한 각도에 의해서만 결정된다.
도 5는 중공 부재(101)의 정면도 및 단면도이다. 이 실시예에서, 유전체 부재(104)는 원통형의 기하학적 형상을 갖는 조준렌즈(115)로 대체된다. 중공 부재(101)의 내경과 조준렌즈(115)의 외경은 정밀공차로 매치된다. 조준렌즈(115)는 렌즈의 저면단부가 면(102)과 동일 평면에 있도록 중공 부재(101) 내에 동축으로 위치된다. 조준렌즈의 벽과 중공 부재(101)의 내면 사이의 공간이 누설이 없도록 밀봉되면, 조준렌즈의 상면(116)과 유전체 부재(105) 사이에 누설이 없는 프리즘작용 공간이 형성된다. 이는 본 실시예의 중공 프리즘을 구성한다. 이 실시예에서, 중공 프리즘은 광섬유 송신기(108)로부터 나오는 광학 빔의 발산에 있어 소량의 변화를 허용하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 정면도 및 단면도이다. 중공 프리즘은 도 6에 도시된 바와 같이 중공 부재(101)의 근단부에서 광섬유 전송기(108)와 직접적으로 통합된다. 광섬유 전송기(108)의 자유단부는 양자 모두 원통형상인 페룰(ferrule)(108a) 및 금속 캡(108b)에서 종료된다. 페룰(108a)의 외경과 중공 부재(101)의 내경은 정밀공차로 매치된다. 페룰(108a)은 중공 부재(101)의 근단부 근방에서 누설이 없도록 밀봉되며 동축으로 위치된다. 본 발명에서 페룰(108a)은 세라믹 물질로 만들어지나 다른 적당한 물질이 페룰이나 캡으로 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 제1 평면(102a)을 형성하는 상면을 갖는 광섬유 전송기(108)는 제1 유전체 부재(104) 대신에 배열되며 중공 프리즘의 단측으로 작용하고, 경사각을 갖는 제2 유전체 부재(105)는 중공 프리즘의 최장측으로 작용하며, 여기로부터 광학 빔이 중공 프리즘으로부터 사출한다. 즉, 중공 공간(107)은 광섬유 전송기의 상평면(102a)과 유전체 부재(105b) 사이에 형성된다. 이 실시예에서 광섬유 전송기(108)는 단일 모드 섬유로 만들어진다. 이러한 섬유는 거리 'd'에 걸쳐서 실질적으로 편향되지 않은 채 유지되는 광학 빔을 출력하므로 효율적인 작업을 위한 부가적인 조준렌즈를 필요로 하지 않는다.
도 7은 본 발명의 중공 프리즘의 또 다른 실시예의 정면도 및 단면도이다. 이 실시예에서 광섬유 전송기(108)의 상평면(102a)과 유전체 부재(105b) 사이의 중공 공간에 부가적인 조준렌즈(115)가 동축으로 위치된다. 세라믹 페룰(108a)에 배치된 광섬유 전송기(108)는 중공 부재(101)의 근단부의 개구에 끼워진다. 광섬유 전송기(108)는 중공 부재(101)의 근단부에 대해 누설이 없도록 밀봉된다. 또한, 본 발명의 실시예에서 조준렌즈(115)는 광섬유 전송기(108)로부터의 광학 빔을 조준하기 위하여 광섬유 전송기(108)와 유전체 부재(105b) 사이에 배열된다. 조준렌즈(115)의 상면(116)은 제1 유전체 부재(104) 대신에 사용되며 중공 프리즘의 단측으로 작용하며, 유전체 부재(105b)는 광학 빔이 나가는 중공 프리즘의 최장측으로 작용한다. 본 발명에서 사용되는 바와 같은 조준렌즈(115)는 고정된 초점길이를 갖는 원통형 렌즈, 또는 길이 6mm, 직경 2mm 및 초점길이 2mm의 그래디언트 인데스(Gradient Index) 렌즈이다. 그러나 여기서 제시된 조준레즈(115)의 사양은 예시적은 것으로 한정요소가 아니라는 것이 이해될 것이다.
또한, 본 발명은 광원(120)의 존재하에 액 레벨을 검출하는 중공 프리즘을 갖는 광섬유 액 레벨 검출기를 제공하며, 이는 도 8 내지 14를 참조하여 설명된다. 액 레벨 검출기(117)는 본 발명의 중공 프리즘을 포함하며, 액 레벨이 검출되는 참조번호 119로 도시된 표면 레벨을 가지는 원하는 액(113)으로 채워지는 밀봉된 탱크 또는 용기(118) 내에 배열된다.
탱크(118)는 뚜껑(121)으로 밀봉된다. 광원(120)은 광섬유 전송기(108)를 통해 액 레벨 검출기(117)의 중공 프리즘을 향한 광학 빔을 전송하도록 연결된다. 광섬유 수신기(112)는 광섬유 수신기(112)로부터 나오는 광학 빔의 존부를 검출하기 위한 광 검출기(141)를 통해 콘트롤러(142)에 연결된다. 광섬유 수신기(112)는 액이 존재하지 않을 때의 비편향된 광학 빔을 수신하도록 배열되며, 액이 존재할 때의 편향된 사출 빔은 수신하지 않는다. 광섬유 수신기(112)는 광 검출기(141)에 연결되어서, 중공 프리즘이 각각 가스 또는 액 환경 내에 있는지를 지시하며, 액의 채움/비움 작업 중에 원격 조절 및 제어를 용이하게 하도록, 온/오프 타입 전압 또는 전류신호를 발생한다. 측정 대상의 액 컬럼의 한정된 높이에 걸쳐서 연속적으로 레벨을 감시하기 위하여 본 발명의 액 레벨 검출기를 사용하는 레벨 검출 시스템 역시 상정할 수 있다.
도 9는, 액 레벨 검출기(117)의 다른 관련 부분들을 지지하기 위하여 로드(rod) 또는 빔(beam)과 같은 구조물인, 지지부재(122)를 포함하는 액 레벨 검출기(117)의 정면도 및 단면도이다. 한 쌍의 개구(126, 127)를 갖는 광섬유 전송기 홀더(125)가 개구(126)를 통해 지지부재(122)에 연결된다. 광섬유 전송기(108)는 x-y 평면에서 광섬유 전송기(108)의 직선운동을 효율적으로 정지시키는 광섬유 전송기 홀더(125)의 개구(127)를 관통하도록 배열된다. 고정장치(fixture)(129)는 한 쌍의 개구(126a, 127a)를 갖는다. 이 장치는 개구(126a)를 통해 지지부재(122)에 연결된다. 또한, 상기 고정장치(129)가 개구(127a)를 통해 광섬유 전송기(108)에 연결된다. 고정장치(129)는 z-축을 따른 광섬유 전송기(108)의 직선운동을 효율적으로 정지시킨다. 지지부재(122)에 장착되는 스페이서 부재(128)는 고정장치(129)를 광섬유 홀더(125)에 평행하게 유지시키는데 도움을 준다. 고정장치(131)는 한 쌍의 개구(126b, 127b)를 갖는다. 이 장치는 개구(126b)를 통해 지지부재(122)에 그리고 개구(127b)를 통해 중공 부재(101)에 연결된다. 지지부재(122)에 장착되는 스페이서 부재(130)는 고정장치(131)를 고정장치(129)에 평행하게 유지시키는데 도움을 준다. 파스너(132)가 중공 부재(101)를 상기 연결부재들과 함께 지지부재(122)에 견고하게 연결하기 위해 사용된다. 평탄부(106)가 중공 부재(101)의 회전운동을 방지하도록 중공 부재(101)의 면 상에 제공된다.
도 9에 도시된 중공 부재(101)는 조준렌즈(115)를 포함하지 않음에 유의한다.
근단부와 원단부를 갖는 거리 조절기(124)가 지지부재(122) 상에 장착된다. 거리 조절기(124)는 가변 길이의 슬리브 또는 스페이서이다. 고정장치(133)는 광섬유 수신기 홀더이며 한 쌍의 개구(126c, 127c)를 갖는다. 고정장치는 개구(126c)를 통해 지지부재(122)에 연결된다. 광섬유 수신기(112)는 개구(127c)를 통해 고정장치(133)에 관통 연결된다. 또한, 고정장치(133)는 거리 조절기(124)의 원단부 상에 위치하도록 배열된다. 고정장치(133)는 광섬유 수신기(112)를 광섬유 전송기(108)에 대해 동축상으로 고정할 뿐만 아니라 광섬유 수신기(112)가 x-y 평면에서 직선운동을 하는 것을 방지한다. 거리 조절기(124)는 제2 유전체 부재(105)의 유전체 부재(105b)의 임계지점(105a)과 광섬유 수신기(112)의 수신면(111)의 임계지점 사이의 거리 'd'를 고정하기 위하여 배열된 스페이서이다.
한 쌍의 개구(126d, 127d)를 갖는 고정장치(135)는 개구(126d)를 통해 지지부재(122)에 연결된다. 또한, 고정장치는 개구(127d)를 통해 광섬유 수신기(112)에 연결된다. 고정장치(135)는 z-방향을 따른 광섬유 수신기의 직선운동을 방지하기 위해 사용된다. 지지부재(122) 상에 장착되는 스페이서(134)는 고정장치(133, 135)를 서로 수평하게 고정하는데 도움을 준다. 파스너 요소(123)는 고정장치(133, 135)를 고정하기 위해 사용된다. 광섬유 수신기(112)는 광 검출기(141)를 통해 콘트롤러(142)에 연결된다. 콘트롤러(142)는 광 검출기(141)에 의해 검출된 신호를 처리하여 액 레벨 검출 중에 광 검출기(141)에서의 광학 빔의 존부를 평가한다.
홀딩 부재(holding member)(136)는 고정장치(137)를 통해 지지부재(122)에 연결되며 앵커로서 작용하여 액 레벨 검출기(117)를 탱크(118) 내에 현수시키기 위해 사용된다.
도 10은 도 8에 도시된 액 레벨 검출기(117)의 정면도 및 단면도로서, 액 레벨 검출기의 중공 부재(101)는 조준렌즈(115)를 포함한다. 이 구성의 모든 다른 요소들은 도 9에 도시된 것과 유사하다.
도 11은, 액 레벨 검출 중에 하우징(138)으로의 액의 통과를 위한 개구(139)를 갖는, 하우징(138)에 내장된 액 레벨 검출기(117)의 결합도이다.
도 12는 구성에 있어 액 레벨 검출기(117)와 동일하며 액(113)이 담겨있는 탱크에 직렬로 서로 다른 공간 위치에 배치되어 탱크(118)의 해당하는 여러 위치들에서 액 레벨을 검출하는 6개의 광섬유 액 레벨 검출기의 배열을 도시한다. 또한, 이러한 광섬유 액 레벨 검출기(117)의 대규모 배열이 탱크(118)의 임의 영역에서 상이한 공간 해상도를 갖는 액 레벨을 검출하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 액 레벨 검출기를 사용하여 액 레벨을 검출하는 방법은 도 13 및 14를 참조하여 설명된다.
이 방법은 탱크(118)가 선택된 액으로 채워지고 비워지는 과정으로 설명된다.
도 13은 광 검출기(141)와 콘트롤러(142)에 연결된 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기의 블록 다이어그램이다.
원하는 액으로 채워지는 과정 동안에 탱크(118) 내 액 레벨을 검출하기 위하여, 광섬유 액 레벨 검출기가 액이 채워지게 되는 원하는 위치에서 탱크(118)에 배열된다. 액이 탱크(118) 내로 유입된다. 광원(120)이 작동되고, 대응하는 광학 빔(109)이 액 레벨 검출기(117)를 관통하며, 액이 유전체 부재(105b)의 임계지점(105a)에 도달하지 않는 한, 비편향된 광학 빔이 광섬유 수신기(112)에 의해 수집된다. 광 검출기(141)는 광섬유 수신기(112)로부터의 광학 빔을 감지하며 전압 또는 전류 형태의 전기신호를 콘트롤러(142)의 신호처리모듈로 전송한다. 1msec 이하의 응답시간을 갖는 어떠한 반도체 다이오드계 광 검출기도 사용될 수 있다. 콘트롤러(142)는 신호처리기와 입력/출력 장치들을 갖는 표준 PID(Proportional, Integral and Differntial) 콘트롤러이다. PID 콘트롤러는 신호처리기를 통하여 광 검출기(141)로부터의 입력신호의 상태를 판독하며 사전결정된 로직에 기초하여 출력장치를 통해 펌프, 밸브 등과 같은 최종 제어장치를 작동시켜서 채움/비움의 시퀀스를 조절한다. 액이 유전체 부재(105b)의 임계지점(105a)에 도달하는 순간, 광학 빔은 편향되며 광 검출기(141)에서의 광검출 신호의 부재가 콘트롤러(142)로 통신됨으로써 원하는 레벨에서 액이 존재함을 지시한다. 이 신호는 탱크 내 액 레벨을 확인하기 위한 전압 비교기/임계값 검출기에 연결된다. 이때 전압 또는 전류의 아날로그 값은 액(113)의 레벨을 지시하도록 콘트롤러(142)에 의해 평가된다. 또한, 이 작업은 도 12 및 14에 도시된 바와 같은 커플러(couplers)(140)와 함께 광섬유 액 레벨 검출기(117)의 배열을 사용함으로써 다중 레벨의 액 채움에 대해서 수행될 수 있다. 본 발명에서 사용된 바와 같은 커플러는, 광이 하나의 섬유로부터 안내되며 동일한 세기의 'N' 개 빔들로 분할되고, 각각의 빔은 'N' 개의 개별 섬유로 안내되는 타입이다. 빔의 총수 'N'은 배열에 사용되는 광섬유 액 레벨 검출기의 수와 동일하다. 본 발명에서, 예시적인 실시예로서, 단일 빔을 분할하여 6개의 빔을 발생시키는 커플러가 6개의 광섬유 액 레벨 검출기를 독립적으로 제어하기 위해 사용되며, 단일 빔을 분할하는데 필요한 만큼의 커플러를 사용하는 것 역시 본 발명의 범위 내에 있다.
유사한 방식으로, 탱크(118) 내 액의 비움이 또한, 액 레벨이 본 발명의 광섬유 액 레벨 검출기(117)의 유전체 부재(105b)의 임계지점(105a) 이하로 내려갈 때마다 결정된다.
통상의 기술자는, 본 발명의 의미 및 범위를 벗어나지 않고, 본 발명이 다양한 용도와 조건에 적합하도록 하기 위하여 본 발명에 다양한 수정 및 변경을 할 수 있다. 이러한 수정 및 변경은 다음의 청구범위와 균등한 범위 내에서 적절히 수행될 수 있다.
101 중공 부재 102 제1 평면
103 제2 평면 104 제1 유전체 부재
105 제2 유전체 부재 107 중공 공간
109 입사 광학 빔 110 사출 광학 빔
113 액 매체 114 편향 빔
103 제2 평면 104 제1 유전체 부재
105 제2 유전체 부재 107 중공 공간
109 입사 광학 빔 110 사출 광학 빔
113 액 매체 114 편향 빔
Claims (22)
- 적절한 기하학적 형상을 갖는 중공 부재(101) 및 상기 중공 부재(101)의 기하학적 축 'a'에 대해 수직하게 위치되며 상기 중공 부재(101)의 근단부에 배치되는 제1 평면(102), 상기 중공 부재(101)의 원단부에서 상기 제1 평면(102)에 대해 경사각 'α'로 배치되는 제2 평면(103), 상기 제1 평면(102)에 밀봉되는 제1 유전체 부재(104), 상기 제2 평면(103)에 밀봉되는 제2 유전체 부재(105), 및 상기 제1 유전체 부재와 제2 유전체 부재(104, 105) 사이에 배치되는 밀봉된 중공 공간(107)을 포함하는, 광학 빔의 존재하에 액 레벨을 검출하는 액 레벨 검출용 중공 프리즘으로서,
입사 광학 빔(109)이 상기 제1 유전체 부재(104)를 통해 들어가서 상기 제2 유전체 부재(105)를 통해 사출 광학 빔(110)으로 나가며, 상기 사출 광학 빔(110)은 상기 중공 부재(101)가 액 매체(113)에 잠겨있지 않을 때는 비편향되어 유지되며, 상기 사출 광학 빔은 상기 중공 부재가 상기 액 매체(113)에 잠겨있을 때는 편향 빔(114)이 되는 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 중공 부재(101)는 투명 또는 반투명, 금속 또는 비금속 물질인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 기하학적 형상은 원통형 또는 다각형인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 경사각 'α'는 10-70°범위, 바람직하게는 30-45°범위인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)는 투명 또는 반투명인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)는 다이아몬드, 사파이어, 석영, 실리콘, 게르마늄, 비정질 용융 석영, 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown), 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리 비닐 클로라이드(PVC) 또는 이들의 조합으로 만들어지는 투명한 평행 판 또는 막인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 2 유전체 부재(104, 105)의 표면은 고 광학 정밀성을 갖지 않는 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
상기 밀봉된 중공 공간(107)의 크기가 가변적인 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
조준렌즈(115)가 상기 제1 유전체 부재(104) 대신에 상기 중공 부재(101)에 동축으로 배치되는 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
광섬유 전송기(108)가 상기 제1 유전체 부재(104) 대신에 상기 중공 부재(101)에 동축으로 배치되는 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 청구항 1에 있어서,
조준렌즈(115)와 광섬유 전송기(108)가 상기 제1 유전체 부재(104) 대신에 상기 중공 부재(101)에 동축으로 배치되는 액 레벨 검출용 중공 프리즘. - 지지부재(122),
상기 지지부재(122)에 연결되는 홀딩 부재(136),
중공 프리즘으로서, 상기 중공 프리즘은, 적절한 기하학적 형상을 갖는 중공 부재(101), 상기 중공 부재(101)의 기하학적 축 'a'에 대해 수직하게 위치되며 중공 부재(101)의 근단부에 배치되는 제1 평면(102), 상기 중공 부재(101)의 원단부에서 상기 제1 평면(102)에 대해 경사각 'α'로 배치되는 제2 평면(103), 상기 중공 부재(101)에 동축으로 배치되는 조준렌즈(115), 상기 근단부에서 상기 중공 부재(101)에 동축으로 밀봉되는 광섬유 전송기(108), 상기 제2 평면(103) 상에 배치되어 밀봉되는 유전체 부재(105b), 및 상기 광섬유 전송기(108)와 유전체 부재(105b) 사이에 배치되는 밀봉된 중공 공간(107)을 포함하고, 상기 광섬유 전송기(108)로부터의 입사 광학 빔(109)이 유전체 부재(105b)를 통해 사출 광학 빔(110)으로 나가며, 상기 사출 광학 빔(110)은 상기 중공 부재(101)가 액 매체(113)에 잠겨있지 않을 때는 비편향되어 유지되며, 사출 광학 빔은 상기 중공 부재가 액 매체(113)에 잠겨있을 때는 편향 빔(114)이 되는 상기 중공 프리즘,
상기 지지부재(122)상에 장착되는 거리 조절기(124),
상기 거리 조절기(124)의 상기 원단부에 연결되며 상기 광섬유 전송기(108)와 동축으로 배열되어서 비편향된 광학 빔을 수신하는 광섬유 수신기(112),
액의 유입을 위한 개구(139)를 갖는 하우징(138),
상기 광섬유 수신기(112)에 연결되는 광 검출기(141), 및
상기 광 검출기(141)에 연결되는 콘트롤러(142)를 포함하는 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 제 12항에 있어서,
상기 중공 부재(101)는 투명 또는 반투명, 금속 또는 비금속 물질인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 중공 부재(101)의 기하학적 형상은 원통형 또는 다각형인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 경사각 'α'는 10-70°범위, 바람직하게는 30-45°범위인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 유전체 부재(105b)는 투명 또는 반투명인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 유전체 부재(105b)는 다이아몬드, 사파이어, 석영, 실리콘, 게르마늄, 비정질 용융 석영, 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown), 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리 비닐 클로라이드(PVC) 또는 이들의 조합으로 만들어지는 평행 판 또는 막인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 유전체 부재(105b)의 표면은 고 광학 정밀성을 갖지 않는 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 밀봉된 중공 공간(107)의 크기가 가변적인 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
상기 조준렌즈(115)는 상기 제1 유전체 부재(104) 대신에 상기 중공 부재(101)에 동축으로 배치되는 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 제12항에 있어서,
복수의 상기 광섬유 액 레벨 검출기(117)가 직렬로 연결되는 광섬유 액 레벨 검출기(117). - 청구항 12에 있어서,
중공 부재(101)가 플로트로서 상기 액 매체(113)에 배치되는 광섬유 액 레벨 검출기(117).
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