KR20140080623A - 초전도체와 금속체를 이용한 액화가스의 액면 측정 장치 및 방법 - Google Patents

초전도체와 금속체를 이용한 액화가스의 액면 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용기에 담긴 액화질소와 같은 액화가스의 액면 높이를 측정하기 위하여 초전도체와 금속체를 이용한 액면 높이 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 액화가스의 액면 높이 측정 장치는, 용기 내부에 가열용 전원에 의해 가열되는 초전도 선재와 이와 이격하여 동일한 높이와 길이를 갖는 금속 선재를 병렬로 연결한 후 측정용 전원을 인가한다. 그리고 초전도 선재와 금속 선재로부터 각각 저항을 측정하고 그 차이값으로부터 상기 액화가스에 침지된 금속 선재의 저항을 추출하고 이로부터 액화가스의 액면 높이를 측정한다. 이에 의해 액화가스의 액면 높이를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

초전도체와 금속체를 이용한 액화가스의 액면 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING LEVEL OF LIQUID GAS USING SUPERCONDUCTOR AND METAL}
본 발명은 액화가스 액면 높이를 측정하는 장치로서, 보다 자세히는 용기에 담긴 액화질소와 같은 액화가스의 액면 높이를 측정하기 위하여 초전도체와 금속체를 이용한 액면 높이 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
고온 초전도체는 대부분 액체 질소의 액화온도에서 초전도 특성을 나타내므로 액화질소의 유무를 판단하는데 사용된다. 따라서 고온 초전도체는 용기에 담긴 액화질소와 같은 액화가스의 액면 높이를 측정하는 장치로서 사용된다.
종래의 액화질소의 액면 높이 측정 장치로서 한국특허공보 제1994-0002192호에 개시된 바 있다. 이 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹스 기판(2) 상에 발열체(3), 절연체막(4) 및 초전도체막(5)을 적층하여 박막 형태의 검지부 본체(1)를 구성한다.
도 2는 액화질소(11)가 충전된 용기(10) 내부에 도 1의 액면 높이 측정 장치가 설치된 전체 구성도이다. 발열체용 전원(6)은 검지부 본체(1)의 발열체(3)에 연결되어 초전도체막(5)을 가열한다. 이에 의해 기상의 질소에 노출된 초전도체막(5) 부분의 온도를 액화질소에 침지된 부분보다 높게 유지시킴으로써 상전도 상태가 되도록 한다. 그리고 액면 측정용 전원(7)은 초전도체막(5)에 연결되어 액면 위치를 전압변위로서 검출한다.
그러나 이에 의하면, 발열체용 전원(6)에 대한 제어에 있어서 민감성이 높아 정확한 액면 높이를 측정하기 힘들었다. 또한 초전도체막(5)에서 측정되는 전압변위는 기상의 질소에 노출된 부분에 대한 값이므로, 엄밀하게는, 측정 대상이 되는 액화질소에 침지된 초전도체막(5) 부분에 대한 값이 아니다. 따라서 초전도체막(5)에서의 전압변위에 따른 액면 높이의 실험 데이터와, 실제 측정값을 비교하여 액면 높이를 구하므로 정확도가 낮다는 문제점이 있었다.
종래의 다른 실시예로서, 액면 높이의 정확한 측정을 위하여 위와 같이 구성된 액면 검지부를 다수개의 단위칩소자로 형성하고 단위칩소자를 소정 개수 연결하였다. 그러나 이 경우 단위칩소자의 설치 위치별로 액면을 측정하므로 정확한 액면 높이를 측정하기 위해서는 용기 크기에 따라 다수개의 단위칩소자를 사용하여야 하므로 제작비가 많이 소요된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 초전도체와 금속체를 이용한 액화가스의 액면 측정 장치 및 방법은, 발열체용 전원에 대한 민감성을 낮추고자 용기 내에 별도의 전도성의 금속 도체를 초전도체와 병렬로 연결하여 초전도체와 금속 도체에서 측정된 저항으로부터 정확한 액면 높이를 측정할 수 있는 초전도체를 이용한 액화가스의 액면 높이 측정 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 액화가스의 액면 높이 측정 장치는, 상기 액화가스 온도에서 초전도 현상을 가지며, 상기 용기 내부에 하부는 상기 액화가스에 침지되고 상부는 기상가스에 노출되도록 설치되는 초전도 선재; 상기 초전도 선재에 열원을 공급하는 가열용 전원; 상기 용기 내부에 상기 초전도 선재와 이격하여 동일한 높이로 설치되며 상기 초전도 선재와 동일한 길이를 갖는 도전성 금속 선재; 상기 초전도 선재와 상기 금속 선재를 병렬로 연결하여 전원을 공급하는 측정용 전원; 및 상기 초전도 선재와 상기 금속 선재에 상기 측정용 전원을 인가한 상태에서, 상기 금속 선재의 저항과 상기 초전도 선재의 저항을 측정하여 그 차이값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 측정하는 액면 검지부; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 액면 검지부는, 상기 초전도 선재의 저항을 측정하는 제1저항계; 상기 금속 선재의 저항을 측정하는 제2저항계 및 상기 제1, 제2저항계에서 측정된 저항의 차이값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 검출하는 계산부; 를 포함한다.
본 발명의 액화가스의 액면 높이 측정 방법은, 상술한 액면 높이 측정 장치를 이용한 액면 높이 측정 방법에 있어서, 상기 가열용 전원에 전원을 인가하여 상기 기상가스에 노출된 상기 초전도 선재의 부분이 상전도 상태가 되도록 승온시키는 단계; 상기 측정용 전원에 전원을 인가하는 단계; 상기 초전도 선재의 저항과 상기 금속 선재의 저항을 측정하는 단계; 상기 금속 선재의 저항과 상기 초전도 선재의 저항 차이값으로부터 상기 액화가스에 침지된 상기 금속 선재 부분의 저항값을 추출하는 단계; 및 추출된 상기 금속 선재의 저항값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 구하는 단계; 를 포함한다.
본 발명에 의하면 히터를 구비하는 초전도 선재와 이와 이격하여 설치되는 금속 선재를 병렬로 연결한 상태에서 전원을 인가하고 각각의 저항 차이값으로부터 실질적으로 액화가스에 침지된 금속 선재 부분의 저항값을 추출함으로써 액화가스의 액면 높이를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한 종래의 초전도체에 설치하는 히터의 용량이나, 전압변위의 계측을 위한 전류량에 대한 제한 없이 초전도 선재와 금속 선재에 대한 저항 측정만으로 액면 높이를 측정할 수 있어 장치의 구성이 간단하다.
도 1은 종래 박판 형태의 측정 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 도 1의 측정 장치가 용기에 설치된 상태를 나타내는 개략 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 측정 장치가 용기에 설치된 상태를 나타내는 개략 구성도.
본 발명의 초전도체와 금속체를 이용한 액화가스의 액면 높이 측정 장치와 방법은, 액화가스가 충전된 용기 내부에 액화가스와 기체 상태의 가스(이하, '기상가스')와의 경계면(이하, '액면')의 높이를 측정하기 위한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도 3을 참고하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 액면 높이 측정 장치는, 초전도 선재(20), 가열용 전원(30),금속 선재(40), 측정용 전원(50) 및 액면 검지부(60)로 이루어진다.
초전도 선재(20)는, 액화가스(11) 온도에서 초전도 현상을 갖는 물질로 이루어지며, 하부는 액화가스(11)에 침지되고 상부는 기상가스(12)에 노출되도록 용기(10) 내부에 수직하게 설치된다.
가열용 전원(30)은, 초전도 선재(20)에 열원을 공급하는 히터(22)에 연결되어, 기상가스(12)에 노출된 부분이 액화가스(11)에 침지된 부분보다 고온이 되도록 하여 기상가스(12)에 노출된 초전도 선재(20) 부분이 상전도 상태가 되도록 한다.
금속 선재(40)는, 도전성 재질을 가지며 초전도 선재(20)와 함께 용기(10) 내부에 설치된다. 구체적으로 초전도 선재(20)와 동일한 높이와 동일한 길이를 갖도록 하면서 이격하여 상호 평행하게 설치된다. 즉, 초전도 선재(20)와 금속 선재(40) 모두 액화가스(11)에 침지된 높이(L1)와 기상가스(12)에 노출된 높이(L2)가 동일하며, 그 길이의 합(L) 역시 동일하다(L = L1 + L2). 이때 액화가스의 액면 높이(H)는, 용기(10) 바닥면으로부터 초전도 선재(20)와 금속 선재(40) 각각의 하단 까지의 거리(HO)와 액화가스(11)에 침지된 높이(L1)의 합이 된다(H = H0 + L1).
측정용 전원(50)은, 초전도 선재(20)와 금속 선재(40)를 병렬로 연결한 상태에서 전원을 공급한다.
액면 검지부(60)는, 측정용 전원(50)에 전원을 인가한 상태에서 초전도 선재(20)의 저항을 측정하는 제1저항계(62)와, 이와 동시에 금속 선재(40)의 저항을 측정하는 제2저항계(64)를 구비한다. 그리고 제1, 제2저항계(62, 64)로부터 측정된 각각의 저항의 차이값으로부터 액화가스(11)에 침지된 금속 선재(40) 부분의 저항을 추출함으로써, 액화가스(11)에 침지된 높이(L1)를 구하고 이 값에 용기(10) 바닥면으로부터 초전도 선재(20) 또는 금속 선재(40) 하단까지의 거리(H0)를 가산함으로써 액화가스(11)의 액면 높이(H)를 최종적으로 산출하는 계산부(미도시 됨)로 이루어진다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 구성된 장치를 이용한 액면 측정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 가열용 전원(30)을 인가하여 기상가스(12)에 노출된 초전도 선재(20) 부분을 상전도 상태가 되도록 승온시킨다. 즉, 액화가스에 침지된 초전도 선재(20) 부분에서만 초전도 현상이 발생하도록 승온시킨다. 이때, 상전도 상태의 초전도 선재(20)의 저항은 같은 상태에서 금속 선재(40)가 갖는 저항과 같은 수준이 되도록 열을 공급한다.
측정용 전원(50)을 인가하여 초전도 선재(20)와 금속 선재(40)에 전원을 공급한다. 이에 의해 초전도 선재(20)와 금속 선재(40)에 전류가 흐르게 된다.
초전도 선재(20)의 저항(RS) 금속 선재(40)의 저항(RM)을 각각 제1, 제2저항계(62, 64)로 측정한다.
이때 금속 선재(40)의 저항(RM)은 액화가스(11)에 침지된 부분의 저항(RM1)과 기상가스(12)에 노출된 부분의 저항(RM2)의 합으로 볼 수 있다(RM = RM1 + RM2). 그리고 초전도 선재(20)의 저항(RS)은 기상가스(12)에 노출된 상전도 상태에서의 측정값이므로 마찬가지로 기상가스(12)에 노출된 금속 선재(40) 부분의 저항(RM2)과 동일한 값으로 볼 수 있다(RS = RM2).
따라서 초전도 선재(20)와 금속 선재(40) 각각의 저항의 차이값(RM - RS = RM - RM2)을 액화가스(11)에 침지된 금속 선재(40) 부분의 저항값(RM1)으로 볼 수 있다.
이와 같이 추출된 침지된 금속 선재(40) 부분의 저항값(RM1)과, 해당 온도에서의 저항률 및 단면적으로부터 저항체의 길이에 상당하는 액화가스(11)에 침지된 금속 선재(40) 부분의 높이(L1)를 계산부로부터 구할 수 있다.
마지막으로, 용기(10)의 바닥면부터 금속 선재(40) 하단까지의 거리(H0)를 상술한 액화가스(11)에 침지된 금속 선재(40) 부분의 높이(L1)에 가산함으로써, 최종적으로 액화가스(11)의 액면 높이(H)를 구할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일실시예를 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 기술적 사상은 물론 그 균등물 내지 변형물에까지 미침은 자명하다.
10 : 용기 11 : 액화가스
12 : 기상가스 20 : 초전도 선재
22 : 히터 30 : 가열용 전원
40 : 금속 선재 50 : 측정용 전원
60 : 액면 검지부 62 : 제1저항계
64 : 제2저항계

Claims (3)

  1. 용기 내부의 액화가스 액면 높이 측정 장치에 있어서,
    상기 액화가스 온도에서 초전도 현상을 가지며, 상기 용기 내부에 하부는 상기 액화가스에 침지되고 상부는 기상가스에 노출되도록 설치되는 초전도 선재;
    상기 초전도 선재에 열원을 공급하는 가열용 전원;
    상기 용기 내부에 상기 초전도 선재와 이격하여 동일한 높이로 설치되며 상기 초전도 선재와 동일한 길이를 갖는 도전성 금속 선재;
    상기 초전도 선재와 상기 금속 선재를 병렬로 연결하여 전원을 공급하는 측정용 전원; 및
    상기 초전도 선재와 상기 금속 선재에 상기 측정용 전원을 인가한 상태에서, 상기 금속 선재의 저항과 상기 초전도 선재의 저항을 측정하여 그 차이값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 측정하는 액면 검지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스의 액면 높이 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액면 검지부는,
    상기 초전도 선재의 저항을 측정하는 제1저항계;
    상기 금속 선재의 저항을 측정하는 제2저항계 및
    상기 제1, 제2저항계에서 측정된 저항의 차이값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 검출하는 계산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스의 액면 높이 측정 장치.
  3. 제1항의 측정 장치를 이용한 액화가스의 액면 높이 측정 방법에 있어서,
    상기 가열용 전원에 전원을 인가하여 상기 기상가스에 노출된 상기 초전도 선재의 부분이 상전도 상태가 되도록 승온시키는 단계;
    상기 측정용 전원에 전원을 인가하는 단계;
    상기 초전도 선재의 저항과 상기 금속 선재의 저항을 측정하는 단계;
    상기 금속 선재의 저항과 상기 초전도 선재의 저항 차이값으로부터 상기 액화가스에 침지된 상기 금속 선재 부분의 저항값을 추출하는 단계; 및
    추출된 상기 금속 선재의 저항값으로부터 상기 액화가스의 액면 높이를 구하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스의 액면 높이 측정 방법.
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