KR20170083632A

KR20170083632A - 초음파 액체 수위 감지 시스템

Info

Publication number: KR20170083632A
Application number: KR1020177016718A
Authority: KR
Inventors: 찰스 마이클 버쳐; 토마스 앤드류 슈타이들
Original assignee: 버슘머트리얼즈 유에스, 엘엘씨
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: EP3221671A4; EP3221671A1; WO2016081581A1; JP2017534893A; TW201621281A; JP6702995B2; KR20190100444A; CN106941778A; KR102014510B1; US20180023994A1; US20210003442A1; US10809115B2; CN106941778B; EP3221671B1; TWI598573B

Abstract

초음파 센서 프로브(100) 및 제어기(109). 제어기(109)는 작동 상 프로브(100)의 배럴(123)에 배치된 각각의 복수의 초음파 센서(156)의 습윤 및 건조 상태를 결정하고 나타내도록 구성된다. 제어기(109)는 특정 조건이 충족되는 경우에 센서(156)의 상태를 습윤에서 건조로 또는 건조에서 습윤으로 변화시킬 수 있다. 예컨대, 센서(156)는 다중 판독에 걸쳐 또는 소정 기간에 걸쳐 새로운 상태를 지속적으로 표시한다. 제어기(109)는 바람직하게는 프로브(100)가 배치된 컨테이너 내 유체 수위를 표시하는 단계식 아날로그 또는 디지털 신호를 생성시킬 수 있는 2-와이어 출력을 포함한다.

Description

초음파 액체 수위 감지 시스템{ULTRASONIC LIQUID LEVEL SENSING SYSTEMS}

관련 출원에 대한 상호 참조

2014년 1월 24일자 출원된 미국 특허 출원 제14/163,407호 및 2014년 8월 29일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/043668호는 충분히 기재된 바와 같이 본원에 참조로 포함된다.

반도체 제작 공정은 엄격한 순도 요건을 충족해야 하는 화학적 시약의 이용을 수반한다. 이러한 액체 화학적 시약은 전형적으로 밀봉된 컨테이너 (예컨대, 앰풀(ampoule))에 함유되어 화학적 시약의 오염을 막고 누수를 방지한다. 화학적 시약은 전형적으로 부식, 오염, 및 압력 상승에 따른 누수를 피하기 위해 금속 대 금속 시일(metal-on-metal seal)을 이용한 금속 컨테이너 및 컨테이너 피팅(container fitting)을 필요로 한다. 이러한 컨테이너에 저장된 화학적 시약을 이용할 때, 화학적 시약을 환경에 노출하지 않거나 작동자가 화학적 시약에 노출되지 않으며 컨테이너에 남아 있는 화학적 시약의 양을 측정할 수 있는 것이 종종 필수적이다.

반도체 산업에서는 밀봉된 컨테이너 내 화학적 시약의 수위를 측정하기 위해 초음파 프로브가 흔히 이용된다. 전형적인 설계는 프로브 내의 도관의 길이를 따라 연속하여 정위된 다수의 초음파 센서, 예컨대, Dam 등에 의한 미국 특허 제5,663,503호에 개시된 센서 및 구성을 포함한다. 신호 처리 장치 (예컨대, 제어기, 계량장치, 퍼스널 컴퓨터 등)는 전자 신호를 초음파 센서로 전송하는데, 이는 차례로 도관을 통과하여 센서로 에코 백(echo back)되는 음파의 파열을 발생시킨다. 각각의 센서는 이것이 받은 에코 파(echoed wave)를 전자 신호로 전환시키고, 전자 신호는 신호 처리 장치로 다시 전송된다. 이어서 신호 처리 장치는 전자 신호를 해석하여 에코 파의 세기뿐만 아니라 에코 파의 방출 및 도착 사이에 경과된 시간을 측정한다. 도관의 특정부를 따라 정위된 각각의 센서에 대해, 초음파가 도관을 통해 이동하는 속도 및 에코 초음파의 세기는 도관의 일부가 화학적 시약 또는 가스 또는 증기를 함유하는지 여부에 따라 상이할 것이다 (즉, 소리는 가스 또는 증기에 비해 액체 매질을 통해 더 빠르게 이동한다). 이러한 방식으로, 신호 처리 장치는 도관의 길이를 따라 화학적 시약의 수위 및 이에 따라 컨테이너 내 화학적 시약의 양을 측정할 수 있다.

일반적으로, 초음파 프로브 내에 배치된 더 많은 수의 초음파 센서는 화학적 시약 수위를 측정함에 있어서 증가된 정확도로 해석된다. 그러나, 센서와 제어기 소비 사이의 전기적 연결을 제조하는 통상적인 방법은 더 많은 갯수의 센서에 필요한 추가의 배선을 수용하는데 필요한 공간이 배관의 크기를 넘어서기 때문에 부족한 부분이 있다. 또한, 센서를 작동시키는 통상적인 방법은 신뢰성 있는 방식으로(예컨대, 혼선을 막는 방식으로) 그러한 전기적 연결을 제조하기 위한 선택을 제한하기 때문에 부족한 부분이 있다.

따라서, 센서와 제어기 사이의 전기적 연결을 제조하기 위한 개선된 수단을을 지니는 초음파 프로브 및 센서를 작동시키는 개선된 방법에 의해 초음파 프로브가 기존의 표준화된 컨테이너 피팅을 사용하면서 증가된 수의 초음파 센서를 신뢰성 있게 작동시킬 수 있게 할 필요성이 당 분야에 존재한다.

청구된 발명의 구체예는 이하에서 첨부된 도면과 함께 기술될 것이며, 도면에서 유사한 부호는 유사한 엘리먼트를 나타낸다.
도 1a는 예시적인 구체예에 따른 초음파 프로브의 분해된 투시도이다.
도 1b는 도 1a의 초음파 프로브의 라인 1B-1B에 따라 취해진 분해되지 않은 단면도이다.
도 2a는 예시적인 구체예에 따른 컨테이너 상에 설치된 도 1a 및 1b의 초음파 프로브의 투시도이다.
도 2b는 도 2a의 점선 영역 내에 도시된 초음파 프로브 및 컨테이너의 일부에서 라인 2B-2B에 따라 취해진 확대된 부분 단면도이다.
도 3은 또 다른 예시적인 구체예에 따른 초음파 프로브의 센서의 배선(wiring)을 도시하는 도 2b의 라인 2B-2B에 따라 취해진 확대된 부분 단면도이다.
도 4는 예시적인 구체예에 따른 초음파 프로브에 커플링된 제어기 회로의 블록 다이어그램이다.

이어지는 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적인 구체예를 제공하며, 본 발명의 범위, 이용가능성, 또는 구성을 제한하려는 것이 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 구체예의 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 예시적인 구체예를 실현할 수 있는 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 다양한 변경이 첨부된 청구범위에 개시된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으며 엘리먼트의 기능 및 배열에서 이루어질 수 있다.

도면에서, 본 발명의 다른 구체예의 엘리먼트들과 유사한 엘리먼트들은 100의 값만큼 증가한 참조 부호에 의해 표시된다. 그러한 엘리먼트들은 본원에서 달리 명시되거나 묘사되지 않는 한 동일한 기능 및 특징을 갖는 것으로 간주되어야 하며, 따라서 그러한 엘리먼트들의 논의는 다수의 구체예에서 반복되지 않을 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에서 이용되는 용어 "도관"은 이를 통해 유체가 시스템의 2개 이상의 부품 간에 수송될 수 있는 하나 이상의 구조물을 의미한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기, 및/또는 가스를 수송하는 파이프, 관, 통로, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에서 이용되는 용어 "유체 소통 관계"는 액체, 증기, 및/또는 가스가 부품들 간에 제어된 양상으로 (즉, 누수 없이) 수송될 수 있게 하는 2개 이상의 부품들 사이의 연결 특성을 나타낸다. 2개 이상의 부품이 서로 유체 소통 관계에 있도록 이들을 커플링하는 것은 용접, 플랜지 도관, 개스킷, 및 볼트의 이용과 같은, 당 분야에 알려진 임의의 적합한 방법을 수반할 수 있다. 2개 이상의 부품은 또한 이들을 분리시킬 수 있는 시스템의 다른 부품을 통해 함께 커플링될 수 있다.

본 발명을 기술하는 것을 돕기 위해, 지향성 용어가 본 발명의 일부를 기술하기 위해 본 명세서 및 청구범위에서 이용될 수 있다 (예컨대, 상부, 하부, 좌측, 우측 등). 이러한 지향성 용어는 단지 본 발명을 기술하고 청구하는 것을 돕고자 한 것이며, 본 발명을 어떠한 방식으로든 제한하려는 것이 아니다. 또한, 도면에 관해 본 명세서에 도입된 참조 부호는 다른 특징에 대한 맥락을 제공하기 위해 본 명세서에서 추가의 설명 없이 하나 이상의 후속 도면에서 반복될 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 예시적인 구체예에 따른 초음파 프로브(100)를 도시한 것이다. 더욱 특히, 도 1a는 초음파 프로브(100)의 분해된 투시도를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 라인 1B-1B에 따라 취해진 초음파 프로브(100)의 분해되지 않은 단면도를 도시한 것이다. 점선 1D는 프로브(100)의 세로 축을 나타낸다.

초음파 프로브(100)는 시일 피팅 부재(seal fitting member)(102a 및 102b); 가요성 커넥터(flexible connector)(104); 케이블 시스(cable sheath)(106); 숄더부(113)를 지닌 목 튜브(108); 및 배럴(123)을 포함한다. 본원에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 시일 피팅 부재(102a 및 102b)는 초음파 프로브(100)를 컨테이너(159)에 고정시키는 시일 피팅 어셈블리(157)의 일부이다. 예시적인 구체예에서, 2014년 1월 24일자 출원된 공동 계류 중인 관련 미국 특허 출원 일련 번호 제14/163,407호에 기재된 바와 같이, 시일 피팅 어셈블리(157)는 페이스 시일 피팅 어셈블리(face seal fitting assembly)이고, 여기서 시일 피팅 부재(102a)는 쓰루 홀(103)을 지닌 페이스 시일 피팅 글랜드(face seal fitting gland)이고, 시일 피팅 부재(102b)는 4분의 3인치 (19.1 mm)의 육각 너트를 갖는 표준 크기의 페이스 시일 피팅이다. 이러한 구체예에서, 시일 피팅 부재(102b)는 시일 피팅 부재(102a)의 립(lip)(149) 상에 놓이고, 쓰루 홀(103)을 통해 뽑힌 축 주위로 시일 피팅 부재(102a)에 대해 회전될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 당업자에게 자명할 바와 같이, 시일 피팅 부재들(102a 및 102b)은 더 긴 글랜드, 2분의 1인치 (12.7 mm) 또는 비표준 크기의 페이스 시일 피팅, 및/또는 시일 피팅 부재(102a)에 결합된 시일 피팅 부재(102b)와 같은, 다른 치수 및 특징을 지닐 수 있다. 유사하게, 시일 피팅 어셈블리(157)에, 예를 들어, 표면 실장 C-시일(surface mount C-seal)과 같은 다른 유형의 피팅을 이용할 수 있다.

시일 피팅 부재(102a)는 가요성 커넥터(104) 및 케이블 시스(106)에 커플링된다. 목 튜브(108)는 상부 개구를 규정하는 상단부(110), 하부 개구를 규정하는 하단부(112), 및 측벽(114)을 포함한다. 이러한 구체예에서, 목 튜브(108)의 숄더부(113)는 상부 개구를 규정하는 상단부(118) 및 하부 개구를 규정하는 하단부(120)를 갖는 숄더 튜브(116)를 포함한다. 도 1a에 도시된 바와 같은 예시적인 구체예에서 그리고 공동 계류 중인 관련 미국 특허 출원 일련 번호 제14/163,407호에 기재된 바와 같이, 숄더 튜브(116)는 원뿔형이고, 목 튜브(108)에서 배럴(123)의 외측 튜브(122)로의 매끄러운 이행을 제공한다. 목 튜브(108)의 하단부(112)는 숄더 튜브(116) 내에 배치되고, 숄더 튜브(116)는 목 튜브(108)의 측벽(114)에 커플링된다. 다른 구체예에서, 숄더부(113)를 포함하는 전체 목 튜브(108)는 단일한 통합부로 형성될 수 있다. 목 튜브(108)의 상단부(110)는 시일 피팅 부재(102a)의 쓰루 홀(103) 내와 가요성 커넥터(104) 내에 배치된다.

배럴(123)은 외측 튜브(122), 내측 튜브(132), 및 디스크 캡(disc cap)(140)을 포함한다. 외측 튜브(122)는 상부 개구를 규정하는 상단부(124), 하부 개구를 규정하는 하단부(126), 측벽(128), 및 상단부(124)에 가까운 측벽(128)에 배치된 쓰루 홀(130)을 지닌다. 외측 튜브(122)의 상단부(124)는 숄더 튜브(116)의 하단부(120)에 커플링된다.

내측 튜브(132)는 상부 개구를 규정하는 상단부(124), 하부 개구를 규정하는 하단부(136), 및 측벽(138)을 포함한다. 이러한 예시적인 구체예에서, 상단부(134)는 하단부(136)에 의해 규정된 하부 개구에 대략 직각인 상부 개구를 규정한다. 내측 튜브(132)는 도관(144)을 규정한다 (도 1b 참조). 본 발명의 다른 구체예에서, 도관은 초음파 프로브(100)의 경우처럼, 완전히 에워싸이지 않을 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, "소리 굽쇠(tuning fork)" 유형 배럴을 지니는 (즉, 아래로 연장되는 2개의 이격된 부재를 지니는) 프로브에서, 도관은 2개의 이격된 부재 사이에 위치한 공간을 포함할 수 있었다.

디스크 캡(140)은 개구를 규정하는 내측 림(inner rim)(142)을 포함한다. 어셈블링된 구성에서, 내측 튜브(132)의 전체는 외측 튜브(122) 내에 배치되고, 내측 튜브(132)의 상단부(134)는 측벽(128)에 배치된 쓰루 홀(130)에 맞춰 정렬되며, 내측 튜브(132)의 하단부(136)는 외측 튜브(122)의 하단부(126)에 맞춰 정렬된다. 내측 튜브(132)의 상단부(134)는 측벽(128)에 커플링된다. 디스크 캡(140)은 외측 튜브(122)의 하단부(126) 및 내측 튜브(132)의 하단부(136)에 커플링됨으로써, 외측 튜브(122)의 하단부(126)를 내측 튜브(132)의 하단부(136)에 커플링시킨다.

도관(144)은 배럴(123) 내에 배치되고, 내측 튜브(132)의 하단부(136)에 의해 규정된 하부 개구를 지닌다(하부 개구는 또한 디스크 캡(140)의 내측 림(142)에 의해 규정되는 것으로 간주될 수 있다)(도 1b 참조). 배럴(123)이 컨테이너에 삽입될 때(도 2의 컨테이너(159) 참조), 도관(144)은 액체가 도관(144)을 통해 흐를 수 있도록 액체를 보유하고 있는 컨테이너의 내부 공간과 유체 소통 관계에 있다.

외측 튜브(122)의 측벽(128) 및 내측 튜브(132)의 측벽(138)은 그 사이에 내부 공간(146)(즉, 구획)을 규정하는데, 이러한 내부 공간은, 도시된 바와 같이, 디스크 캡(140)에도 결합된다. 내부 공간(146)은 도관(144)으로부터 격리되어 (즉, 내부 공간(146)은 도관(144)과 유체 소통 관계에 있지 않다) 도관(144)을 통해 흐르는 어떠한 유체도 내부 공간(146)으로 들어갈 수 없다.

복수의 초음파 센서(156)는 배럴(123)의 내부 공간(146) 내에 배치된다. 한 가지 예시적인 구체예에서, 복수의 초음파 센서(156)는 내측 튜브(132)의 측벽(138)에 커플링된 12개의 초음파 센서(156a 내지 156l)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 복수의 초음파 센서(156a 내지 156l)는 각각 에폭시로 측벽(138)에 결합된다. 따라서, 초음파 센서(156a 내지 156l)는 측벽(138)을 향하는 방향(즉, 세로 축(1D)에 수직)으로 음파를 방출하도록 배향된다. 양면 테이프 또는 그 밖의 접착제와 같은, 커플링을 위한 다른 적합한 수단을 또한 이용할 수 있다. 그 밖의 구체예에서, 복수의 초음파 센서(156)는 더 많거나 더 적은 수의 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 초음파 센서(156)는 적어도 5개의 초음파 센서를 포함한다. 복수의 초음파 센서(156)는, 예를 들어, 압전 결정체와 같은 당업자에게 알려진 임의의 적합한 초음파 센서로 수행될 수 있다. 복수의 초음파 센서(156a 내지 156l) 중 각각의 초음파 센서는 측벽(138) 및 도관(144)(그리고 그 안에 존재하는 임의의 액체)을 통해 음파를 방출하고 에코 백(echoed back)되는 음파를 검출하도록 배향된다. 복수의 초음파 센서(156a 내지 156l) 중 각각의 초음파 센서는 내부 공간(146)으로부터, 목 튜브(108)를 통해, 그리고 케이블 시스(106)를 통해 연장되는 배선(158)(적어도 하나의 와이어 포함)을 포함한다. 배선(158)은 제어기(109)에 플러깅(plugging)된 커넥터(107)에서 끝난다(도 2 참조).

제어기(109)는 전자 신호를 복수의 초음파 센서(156)로 전송하고, 복수의 초음파 센서(156)로부터 전자 신호를 수신하고, 초음파 프로브(100)가 삽입되어 있는 컨테이너(159) 내 액체의 수위를 결정하는, 프로그래밍할 수 있는 데이터 처리 장치이다. 이러한 구체예에서, 제어기(109)는 하나 이상의 마이크로프로세서(도시되지 않음), 전원 공급장치(도시되지 않음), 커넥터(107)를 수용하기 위한 하나 이상의 입/출력 포트 (도시되지 않음), 및 컨테이너 내 액체량의 시각적 표시를 제공하는 발광 다이오드(LED) 계량기 또는 액정 디스플레이(liquid crystal display: LCD)(111)를 포함한다. 대안적인 구체예에서, 제어기(109)는 그 밖의 입/출력 포트 및/또는 컨테이너 내 액체의 수위를 나타내기 위한 그 밖의 청각 및 시각 메카니즘을 포함할 수 있다. 유사하게, 제어기(109)는 제어 소프트웨어를 실행시키는 퍼스널 컴퓨터를 포함하는, 어떠한 유형의 프로그래밍할 수 있는 데이터 처리 장치로도 구현될 수 있다.

복수의 초음파 센서(156) 중 각각의 초음파 센서에 대해, 제어기(109)는 전자 신호(예를 들어, 하나 이상의 전자 펄스)를 배선(158)을 통해 초음파 센서로 전송하고, 이는 초음파 센서로 하여금 음파를 방출하도록 한다(즉, 압전 결정체가 진동함). 그 후 초음파 센서는 에코 음파를 수신하고, 에코 파를 전자 신호로 전환시켜 배선(158)을 통해 제어기(109)로 다시 전송한다. 바람직한 구체예에서, 제어기(109)는 초음파 센서(156)의 개별 부분으로 일련의 다중 펄스(예컨대, 20개의 펄스)를 전송하고, 이는 펄스에 상응하여 음파를 방출한다. 제어기(109)는 초음파 센서가 방출된 음파로부터 회송되는 임의의 에코 파를 수신할 수 있도록 소정 기간(예컨대, 타임 윈도(time window)) 동안 기다린다. 에코 파가 초음파 센서에 의해 수신되는 경우, 센서는 제어기(109)로 전송되는 신호를 발생시킨다(예컨대, 압전 결정체는 수신된 에코 파의 주파수 및 세기에 기반한 주파수 및 세기에서 진동함). 어떠한 에코 파가 타임 윈도에 수신되는지에 기반하여 (예컨대, 초음파 센서에 의해 생성되는 임의의 신호의 주파수 및/또는 세기에 기반하여), 제어기(109)는 액체가 도관(144)에 존재하는 지를 주어진 초음파 센서에서 결정한다. 전형적으로, 어떠한 액체도 존재하지 않을 때, 에코 파는 타임 윈도에서 초음파 센서에 의해 거의 또는 전혀 감지되지 않을 것이고(예컨대, 압전 결정체 진동의 세기는 매우 낮거나, 전혀 없을 것이다), 액체가 존재할 때, 에코 파는 주파수 및 세기에 있어서 일반적으로 전송된 파와 유사하다. 타임 윈도가 만료된 후, 제어기(109)는 일련의 다중 펄스를 다음 하나의 초음파 센서에 전송하여 다음 수준의 초음파 프로브(100)에서 액체의 존재를 감지한다.

앞서 논의된 바와 같이, 제어기(109)는 수신된 신호의 세기뿐만 아니라 전자 신호를 초음파 센서로 송신하고 초음파 센서로부터 전자 신호를 수신하는데 걸린 시간을 해석하여 특정 센서가 배치된 도관(144)의 일부에 액체가 존재하는지 여부를 결정한다. 따라서, 복수의 초음파 센서(156)를 이용하여, 제어기(109)는 도관(144)의 길이에 따른 액체의 수위 및 이에 따라 배럴(123)이 삽입된 컨테이너 내 액체량을 결정할 수 있다. 복수의 초음파 센서(156)의 각각의 센서는 LED 계량 장치(111)의 LED에 의해 표시되어 컨테이너 내 액체량의 시각적 표시를 제공할 수 있다(예컨대, 액체가 특정 센서에 의해 검출될 때에만 각각의 LED가 밝아진다).

디스크 캡(140)(예컨대, 초음파 프로브(100)의 바닥 끝) 및 컨테이너(159)의 기저(179)의 내면(178) 간의 거리, D5는 액체가 초음파 프로브(100)에 의해 측정되는 도관(144)으로 흐를 수 있도록 0(제로)이 아닌 값이므로, 측벽(138) 및 도관(144)을 통해 음파를 방출하도록 배향된 복수의 초음파 센서(156) 중 바닥 초음파 센서(예컨대, 초음파 센서(156l))는 컨테이너의 기저의 내면(178) 위의 일정 거리에 있을 것이다. 따라서, 초음파 프로브(100)는 컨테이너(159) 내 액체의 정확한 수위를 측정함에 있어서 일부 고유의 부정확성을 지닐 것이다. 이에 따라, 초음파 프로브(100)의 일부 구체예는, 2014년 8월 29일자 출원된 공동 계류 중인 관련 미국 가특허 출원 제62/043668호에 기재된 바와 같이, 디스크 캡(140)(예컨대, 초음파 프로브(100)의 바닥 끝)과 컨테이너(159)의 기저(179)의 내면(178) 간의 간격, D5에 존재하는 액체의 수위를 결정하기 위해 컨테이너(159)의 기저로 디스크 캡(140)을 통해 음파를 방출하도록 배향된 초음파 센서를 이용할 수 있다.

제어기(109)는 복수의 초음파 센서(156) 중 전부가 아닌 초음파 센서(156a 내지 156l)로 동시에 신호를 전송하고 신호를 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 이러한 특징은 배선(158)을 위해 복수의 초음파 센서(156)가 개별적으로 차폐될 필요를 없애고, 또한 초음파 센서들(156a 내지 156l)가 더 가깝게 함께 배치될 수 있다. 종래 기술의 시스템에서, 초음파 센서를 제어기에 연결시키는 배선은 전형적으로, 전자 신호들이 프로브의 모든 초음파 센서로 그리고 모든 초음파 센서로부터 동시에 전송됨으로 인해 초래된 간섭(즉, 혼선)을 막기 위해 개별적으로 차폐된다. 예를 들어, 전형적인 종래 기술의 설계에서 각각의 초음파 센서의 배선은 내부 도체가 초음파 센서로의 신호 라인으로서 기능하고 외부 차폐부가 접지(예컨대, 프로브의 강철 튜브에 접지됨) 및 초음파 센서로부터의 신호 회송부로서 기능하는 동축 케이블을 포함할 수 있다. 종래 기술의 시스템에서, 프로브 내 초음파 센서들은 또한 동시에 음파를 방출시키는 초음파 센서로부터 초래된 간섭을 피하기 위해 더욱 떨어지도록 간격을 두어야 한다. 이러한 각각의 특징들(즉, 다수의 차폐 케이블로부터 추가된 벌크 및 센서들간 더 큰 간격)은 프로브 및 관련 하드웨어의 크기를 증가시키지 않으면서 프로브에 배치될 수 있는 초음파 센서의 수를 제한한다.

바람직한 구체예에서, 제어기(109)는 한 번에 복수의 초음파 센서(156) 중 하나의 초음파 센서에 신호를 전송하고 이로부터 신호를 수신하도록 프로그래밍되거나 달리 작동적으로 구성된다. 예를 들어, 제어기(109)는 먼저 전자 신호를 초음파 센서(156a)로 전송하고 초음파 센서(156a)로부터의 회송 신호의 수신을 기다린 다음, 전자 신호를 초음파 센서(156b)로 전송하고 초음파 센서(156b)로부터의 회송 신호의 수신을 기다리고, 복수의 초음파 센서(156)의 각각의 초음파 센서에 대해서도 그렇게 하도록 프로그래밍될 수 있다. 처음으로 전자 신호를 복수의 초음파 센서(156) 각각으로 전송하고 이로부터 전자 신호를 수신한 후에(예를 들어, 비록 다른 순서도 가능하지만, 초음파 센서(156a)에서 시작하고 초음파 센서(156l)에서 끝난다), 제어기(109)는 전자 신호를 재차 초음파 센서(156a) 및 복수의 초음파 센서(156) 각각으로 전송하고 이로부터 전자 신호를 수신하며, 초음파 프로브(100)가 동작하고 있는 한 이러한 순서를 반복한다. 이러한 방식으로, 각각의 초음파 센서(156a 내지 156l) 및 초음파 센서 자체에 대한 배선(158)간 간섭 가능성이 크게 감소되거나 제거되는데, 그 이유는 초음파 센서들(156a 내지 156l)가 모두 동시에 음파를 방출하거나 수신하는 것이 아니고 각각의 초음파 센서(156a 내지 156l)에 대한 배선(158)이 동시에 전자 신호를 보내는 것이 아니기 때문이다.

복수의 초음파 센서(156)를 작동시키는 이러한 방법은 배선(158)을 위해 각각의 초음파 센서(156a 내지 156l)가 개별적으로 차폐될 필요를 없애고 초음파 센서(156a 내지 156l)가 종래 기술의 시스템보다 더욱 가깝게 함께 배치될 수 있게 하는데(즉, 심지어 도 1b에 도시된 것보다 더욱 가깝게), 이러한 두 가지 사항 모두는 더 많은 수의 초음파 센서가 배럴(123) 내에 배치될 수 있게 한다. 예시적인 배치에서, 배선(158)은 개별적으로 차폐되지 않은 복수의 내부 도체를 갖는 복합 도체 차폐 케이블을 포함하고, 여기서 분리된 내부 도체는 신호 라인으로서 기능하기 위해 복수의 초음파 센서(156) 중 각각의 초음파 센서에 연결되고, 복합 도체 차폐 케이블의 외부 차폐부는 공통의 회송 라인 및 복수의 초음파 센서(156)의 모든 초음파 센서에 대한 접지로서 기능한다. 예를 들어, 동축 케이블은 복합 도체 차폐 케이블로서 이용될 수 있으며, 여기서 내부 도체는 신호 라인으로서 기능하기 위해 복수의 초음파 센서(156)에 연결되고 동축 케이블의 외부 차폐부는 공통의 회송 라인으로서 기능한다. 바람직한 구체예에서, 복합 도체 차폐 케이블은 Belden, Inc.(St. Louis, Missouri, USA)에 의해 제조된 모델 83562 케이블과 같이 상업적으로 입수가능한 케이블이다.

목 튜브(108)는 시일 피팅 부재(102a 및 102b) 및 가요성 커넥터(104) 내에 배치된다. 목 튜브(108)는 용접 구역(148) 내에 만들어진 용융 접점(즉, 비드)에 의해 시일 피팅 부재(102a)에 고정된다. 바람직하게는, 용접부는 용접 구역(148)의 일부만을 차지하고 목 튜브(108)의 측벽(114)이 시일 피팅 부재(102a)에 인접한 곳에 만들어진다. 시일 피팅 부재(102a)는 목 튜브(108) 주위로 연장되는 돌출 밀봉면(즉, 시일 페이스(seal face))(150)을 포함한다. 돌출 밀봉면(150)은 목 튜브(108)의 측벽(114)으로부터 간격 D1 만큼 떨어져 있는 내측날(151)을 지닌다. 용접 구역(148) 내에서 용접에 의한 돌출 밀봉면(150)의 손상을 방지하기 위해(예컨대, 용접 물질이 상승된 표면을 발생시킬 수 있고/거나 용접열이 돌출 밀봉면(150)을 변형시킬 수 있다), 간격 D1은 바람직하게는 적어도 2.0 mm, 더욱 바람직하게는, 적어도 6.0 mm이다. 시일 피팅 부재(102b)는 시일 피팅 어셈블리(157)의 또 다른 시일 피팅 부재(164)의 반대쪽 쓰레드 영역(166)과 맞물리는 쓰레드 영역(152)을 포함한다. 초음파 프로브(100)는 초음파 프로브(100)를 컨테이너(159)에 고정할 때 누수 검출에 이용되는 시험구(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다.

배럴(123)은 외경 D3을 지닌다(즉, 외측 튜브(122)의 외경). 목 튜브(108) 및 내측 튜브(132)는 배럴(123)의 외경 D3보다 작은 외경 D2를 지닌다. 내측 튜브(132)의 외경 D2에 비해 더 큰 배럴(123)의 외경 D3은 증가된 수의 초음파 센서(156a 내지 156l) 및 이들의 개개 배선(158)을 수용하는데 필요한 증가된 양의 공간을 내부 공간(146) 내에 제공한다. 바람직하게는, 내측 튜브(132)의 외경 D2 대 배럴(123)의 외경 D3의 비율은 0.95 또는 그 미만이다. 보다 바람직하게는, 내측 튜브(132)의 외경 D2 대 배럴(123)의 외경 D3의 비율은 0.95 또는 그 미만 및 0.3 또는 그 초과이다. 보다 바람직하게는, 내측 튜브(132)의 외경 D2 대 배럴(123)의 외경 D3의 비율은 0.8 또는 그 미만이고, 배럴(123)의 외경 D3은 0.827 인치 (21.0 mm) 이하이다. 보다 바람직하게는, 내측 튜브(132)의 외경 D2 대 배럴(123)의 외경 D3의 비율은 0.8 또는 그 미만 및 0.4 또는 그 초과이다. 보다 바람직하게는, 내측 튜브(132)의 외경 D2는 1인치의 약 16분의 5이고 (7.9 mm), 배럴(123)의 외경 D3은 1인치의 약 8분의 5이다(15.9 mm). 바람직하게는, 외측 튜브(122)의 측벽(128)과 내측 튜브(132)의 측벽(138) 간에 적어도 0.10 인치(2.5 mm)의 최소 간격이 존재하는데, 여기서 복수의 초음파 센서(156)는 적어도 네 개의 초음파 센서를 포함하고, 복수의 초음파 센서(156)가 12개의 초음파 센서(156a 내지 156l)를 포함할 때 최소 간격은 적어도 0.15 인치(3.8 mm)이다.

예컨대, 공동-계류중인 관련 미국 특허 출원 일련 번호 14/163,407호에 기재된, 다른 구체예에서, 초음파 프로브(100)는 다른 구조의 목 튜브(108) 및 배럴(123)을 채용할 수 있다. 예를 들어, 공동-계류중인 관련 미국 특허 출원 일련 번호 14/163,407호에 기재된 바와 같은, 다른 구체예에서, 목 튜브(108)의 숄더부(113)는 분리된 조각이라기보다 측벽(114)에 의해 형성되고, 예를 들어, 목 튜브(108)의 외경 D2로부터 배럴(123)의 외경이기도 한 목 튜브(108)의 외경 D3으로 이행시키는 종 모양의 숄더부(113)에 의해 목 튜브(108)의 나머지 부분과 일체형을 이룬다 (즉, 목 튜브(108) 및 숄더부(113)는 단일한 조각의 재료이다),

추가로, 공동-계류중인 관련 미국 특허 출원 일련 번호 14/163,407호에 기재된 그 밖의 구체예는 측벽(128)에 배치된 쓰루 홀을 포함하지 않는 초음파 프로브(100)의 외측 튜브(122)를 채용할 수 있고, 여기서 외측 튜브(122)의 상단부(124)는 숄더 튜브 또는 목 튜브(108)의 하단부(112)에 커플링되지 않는다. 대신, 내측 튜브(132)의 상단부(134)는 목 튜브(108)의 하단부(112) 및 외측 튜브(122)의 상단부(124)에 커플링된 칼라의 측벽에 배치된 쓰루 홀에 맞춰 정렬될 수 있다. 칼라는 배럴(123)이 하나 이상의 어셈블리로서 구성되게 할 수 있는데, 이는 유리하게는 배럴(123)의 어셈블리가 완성되기 전에 복수의 초음파 센서(156)가 시험되는 것을 가능케 할 수 있다. 또한, 이러한 특징은 배럴(123)의 대부분의 부품이 복수의 초음파 센서(156)가 설치되기 전에 함께 용접될 수 있으므로 유리한데, 용접으로부터의 열은 복수의 초음파 센서(156) 및/또는 내부 공간(146) 내의 위치에 복수의 초음파 센서(156)를 유지하고 있는 결합에 달리 손상을 입힐 수 있다.

도 2a는 본 발명의 예시적인 구체예에 따라 컨테이너(159) 상에 설치된 초음파 프로브(100)의 투시도를 도시한 것이다. 초음파 프로브(100)는 앞서 논의된 바와 같이, 제어기(109) 및 LED 계량 장치(111)를 포함한다. 컨테이너(159)는 몸체(160), 윗 부분(162), 및 윗 부분(162)에 커플링된 시일 피팅 부재(164)를 포함한다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 컨테이너(159)는 명료함 및 예시적인 목적을 위해 도 2에 도시되지 않은 그 밖의 부품들을 포함할 수 있다(예컨대, 컨테이너(159)를 재충전하기 위한 추가 밸브 및 하드웨어). 몸체(160) 및 윗 부분(162)는 유체를 함유할 수 있는 내부 공간을 규정한다. 이러한 구체예에서, 윗 부분(162)은 몸체(160)에 커플링된 리드(lid)이다. 그 밖의 구체예에서, 윗 부분(162)은 몸체(160)의 일체부일 수 있다. 시일 피팅 부재(102a 및 102b)와 같은 시일 피팅 부재(164)는 초음파 프로브(100)를 컨테이너(159)에 고정시키는 시일 피팅 어셈블리(157)의 일부이다. 이러한 예시적인 구체예에서, 컨테이너(159)의 부품은 하나 이상의 금속으로 구성된다.

도 2b는 라인 2B-2B를 따라 취해진, 도 2a의 점선 박스 안에 있는 초음파 프로브(100)의 일부 및 컨테이너(159)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 굴대(168)는 컨테이너(159)의 몸체(160)의 윗 부분(162) 내의 구멍에 배치된다. 이러한 구체예에서, 굴대(168)는 몸체(160)의 윗 부분(162)에 결합된(예컨대, 용접된) 페이스 시일 피팅 글랜드이다. 굴대(168)는 돌출 밀봉면(170), 립(172), 및 측벽(174)을 포함한다. 굴대(168)의 측벽(174)은 배럴(123)의 외경 D3보다 큰 내경 D4를 지녀서 배럴(123)이 굴대(168) 내에 삽입되게 할 수 있다. 시일 피팅 부재(164)는 굴대(168) 주위에 배치되고 시일 피팅 부재(102b)의 쓰레드 영역(152)에 맞물리는 쓰레드 영역(166)을 포함한다(즉, 쓰레드 영역(152 및 166)은 각각 암수 쓰레드와 같은 상호 보완적인 쓰레드를 지닌다). 쓰루 홀을 갖는 금속 개스킷(176)은 시일 피팅 부재(102a)의 돌출 밀봉면(150)과 굴대(168)의 돌출 밀봉면(170) 사이에 배치된다.

완전히 설치된 구성에서, 배럴(123)은 금속 개스킷(176) 및 굴대(168)를 통해 삽입되어 배럴이 컨테이너(159)의 내부에 배치되고 목 튜브가 굴대(168) 및 금속 개스킷(176) 내에 배치되게 한다. 그 후 시일 피팅 부재(102b)의 쓰레드 영역(152)은 시일 피팅 부재(164)의 쓰레드 영역(166) 상에 쓰레딩되어 시일 피팅 부재(102b)가 시일 피팅 부재(102a)의 립(149)과 맞물리고(즉, 이에 대해 압박되고), 시일 피팅 부재(164)가 굴대(168)의 립(172)과 맞물리고, 금속 개스킷(176)이 시일 피팅 부재(102a)의 돌출 밀봉면(150) 및 굴대(168)의 돌출 밀봉면(170) 사이로 압착되게 한다. 이러한 방식으로, 돌출 밀봉면(170), 돌출 밀봉면(150), 및 금속 개스킷(176)은 유체(즉, 액체, 증기, 및/또는 가스)가 컨테이너(159)를 나가거나 들어오는 것을 방지하는 금속 대 금속 시일을 형성한다.

완전히 설치된 구성에서, 이러한 예시적인 구체예에서, 간격 S1이 목 튜브(108)의 측벽(114)과 굴대(168)의 측벽(174) 사이에 존재하고; 간격 S2가 컨테이너(159)의 윗 부분(162)(즉, 리드)과 숄더 튜브(116)의 상단부(118) 사이에 존재하며, 숄더 튜브(116)의 상단부(118)는 굴대(168)의 최저부 아래에 위치하고; 간격 S3는 컨테이너(159)의 윗 부분(162) 및 배럴(123)의 외측 튜브(122)의 상단부(124) 사이에 존재한다. 바람직하게는, 간격 S2는 0.10 인치(2.5 mm) 또는 그 초과이고 간격 S1은 0.70 mm 또는 그 초과이다. 일반적으로, 간격 S1, S2 및 S3는 충분히 커서, 유체가 목 튜브(108)의 측벽(114)과 굴대(168)의 측벽(174) 사이로 이동할 수 있을 뿐 아니라 중력하에 다시 밑으로 배수되어 컨테이너(159)로 돌아가도록 할 수 있는 것이 바람직하다. 달리 말하자면, 간격 S1, S2 및 S3는 유체가 목 튜브(108)의 측벽(114)과 굴대(168)의 측벽(174) 사이에 유지되는 모세관 작용을 피할 정도로 충분히 큰 것이 바람직하다. 그러한 모세관 작용을 피하는 것은 컨테이너(159) 밖으로 빨려 나올 수 있는 화학적 시약의 이용가능한 양을 최대화하는데 도움이 되고, 또한 완전히 설치된 배치에서 컨테이너(159) 및 초음파 프로브(100)의 청소 동안, 이후 컨테이너(159)에 첨가되는 신선한 화학적 시약을 어쩌면 오염시킬 잔류 화학물질을 뒤에 남기지 않는다.

따라서, 초음파 프로브의 기재된 구체예는 표준화 치수를 갖는 현존하는 컨테이너 피팅부에 이용될 수 있는 증가된 수의 초음파 센서를 갖는 초음파 프로브에 대한 당 분야의 요구를 만족시킨다. 배럴(123)은 증가된 수의 초음파 센서(156a 내지 156l) 및 이들의 개개 배선(158)을 수용하는데 필요한 내부 공간(146) 내에 증가된 양의 공간을 제공하는 외경 D3을 갖는다. 종래 기술의 초음파 프로브 설계에서, 배럴은 전형적으로 시일 피팅 어셈블리 내로 연장된다. 따라서, 증가된 외경의 배럴은 더 크고/거나 표준이 아닌 시일 피팅 어셈블리를 요구하거나, 쓰루 홀 (예컨대, 시일 피팅 부재(102a)의 쓰루 홀(103))에 구멍을 뚫음에 의해 이것이 더 큰 배럴 직경을 수용할 수 있게 하는 등의 표준 시일 피팅 어셈블리를 변형시킬 것을 요구할 것이다. 그러나, 비-표준 피팅 어셈블리는 이들의 표준화 대응부에 비해 전형적으로 훨씬 많은 비용이 들고, 또한 그 밖의 비-표준화 부품의 이용을 요구할 수 있다. 비-표준 피팅 어셈블리는 또한 반도체 제작 공정에 사용되는 표준화 피팅 어셈블리의 광범한 시험 및 증명된 이력으로부터 이익을 얻지 못한다. 더 큰 시일 피팅부는 또한 컨테이너의 리드 (예컨대, 윗 부분(162)) 상에 더 큰 공간을 요구하며, 빈틈없는 시일을 획득하는 것이 더욱 어려워질 수 있다. 마지막으로, 본 발명자들은 더 큰 배럴 직경을 수용하도록 표준 시일 피팅 어셈블리를 변형시키는 시도가 초음파 프로브 및/또는 시일 피팅 어셈블리의 구조 보존에 부정적인 영향을 줄 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 도 1B를 참조하면, 목 튜브(108)의 외경 D2 대신 더 큰 외경 D2를 수용하도록 시일 피팅 부재(102a)의 쓰루 홀(103)에 구멍을 뚫은 경우, 간격 D1이 감소될 것이다. 결과적으로, 용접 구역(148)의 크기도 감소될 것이고, 용접 열은 돌출 밀봉면(150)을 손상시키고(즉, 휘어짐), 돌출 밀봉면(150)과 금속 개스킷(176) 사이에 만들어진 시일의 보존에 나쁜 영향을 줄 것이다.

종래 기술의 프로브 설계와 달리, 초음파 프로브(100)의 배럴(123)은 시일 피팅 부재(102a) 내로 연장되지 않는다. 대신, 배럴(123)은 목 튜브(108)에 커플링되고, 목 튜브는 차례로 시일 피팅 부재(102a)에 커플링된다. 굴대(168)의 내경 D4가 배럴(123)의 외경 D3보다 더 커지고 배럴(123)이 굴대(168) 내에 삽입될 수 있도록 굴대(168)에 구멍을 뚫는다. 목 튜브(108)는 배럴(123)의 외경 D3보다 작은 외경 D2를 갖는데 (즉, D2 대 D3의 비율은 1보다 작다), 이는 배럴(123)의 증가된 외경 D3을 제공하기 위해 더 큰 시일 피팅부 (예컨대, 1인치 시일 피팅부)를 요구하거나 시일 피팅 부재(102a)의 쓰루 홀(103)에 구멍을 내는 것과 대조적으로, 시일 피팅 부재(102a)의 쓰루 홀(103)이 보다 작은 구멍 크기를 갖도록 한다. 목 튜브(108)의 더 작은 외경 D2는 또한 충분히 큰 용접 구역(148)을 갖기 위해 필수적인 간격 D1을 제공하여 돌출 밀봉면(150)을 손상시키는 용접 물질 및/또는 용접 열 없이도 목 튜브(108) 및 시일 피팅 부재(102a)가 함께 용접될 수 있게 한다. 돌출 밀봉면(150)에 대한 그러한 손상을 방지하는 것은 돌출 밀봉면(150)과 금속 개스킷(176) 사이의 시일의 완전성을 유지하고, 이에 따라 반도체 제작에 사용되는 화학적 시약의 시금(순도)을 유지하는데 중요하다.

도 3은 복수의 초음파 센서(156)에 대한 배선(158)의 추가 세부 사항을 도시한 것이다. 본원에 기재된 바와 같이, 제어기(109)는 전기 신호를 초음파 센서(156) 중 하나로 순차적으로 전송하고, 초음파 신호로부터의 회송 신호의 수신을 대기한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배선(158)은 와이어(181, 182, 및 183)로 도시된 복수의 내부 와이어, 및 케이블 차폐(180)로 도시된 외부 차폐부를 포함하는 복합 도체 차폐 케이블이다. 도시된 바와 같이, 각각의 와이어들(181, 182 및 183)는 개별적으로 절연되지만(예를 들어, 서로 전기적으로 절연되지만), 개별적으로 차폐되지 않는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 와이어(181)는 신호 라인으로서 초음파 센서(156a)에 연결된다. 와이어(182 및 183)는 신호 라인으로서 복수의 초음파 센서(156)의 다음 센서(도 3에는 도시되지 않음)로 연결된다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 케이블 차폐부(180)는 내측 튜브(132)의 측벽(138)에 전기적으로 연결된다. 본원에 기재된 바와 같이, 케이블 차폐부(180)는 모든 초음파 센서(156)로부터 에코 신호에 대하여 일반적인 회송 라인으로서 제어기(109)로 회송시키기 위해 사용되기 때문에, 케이블 차폐부(180)를 측벽(138)에 대해 전기적으로 연결시킴으로써, 일반적인 와이어가 각각의 초음파 센서가 제공될 필요가 없고, 오히려 각각의 초음파 센서에 대한 일반적인 연결이 측벽(138)으로 전기적으로 연결될 수 있다. 이는 초음파 센서(156)가 종래 기술의 시스템에서보다 더 가깝께 함께 배치되게 하고, 초음파 프로브(100)의 구조를 단순하게 만들고, 배선에서 와이어의 갯수 및 배선(158)의 크기를 감소시킨다. 대안적인 구체예에서, 배선(158)은 2층의 외부 차폐부를 포함할 수 있는데, 여기서 차폐부 층 중 하나는 일반적인 회송이고, 다른 차폐부 층은 접지된다. 예를 들어, 예시적인 구체예에셔, 내측 차폐부 층은 일반적인 회송으로서 사용되고, 외부 차폐부 층은 접지로서 사용된다.

본원에 기재된 바와 같이, 제어기(109)는 소정 주파수에서 각각의 초음파 센서(156)를 순차적으로 펄싱할 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 제어기(109)는 100kHz의 주파수에서 초음파 센서(156)를 펄싱하지만, 다른 작동 주파수가 가능하다. 초음파 센서(156)의 순차적인 펄싱은 임의의 순서(예컨대, 상부에서 하부로, 하부에서 상부로, 또는 임의의 다른 순서)일 수 있지만, 한 가지 구체예에서, 제어기(109)는 초음파 프로브(100)의 하부에서 상부로 초음파 센서를 순차적으로 펄싱한다(예를 들어, 초음파 센서(156l)에서부터 초음파 센서(156a)로). 예시적인 구체예에서, 하나의 센서가 "건조"(예컨대, 주어진 초음파 센서에 의해 액체가 검출되지 않음)인 것으로 결정되면, 제어기(109)는 임의로 "건조" 센서 상에 물리적으로 위치된 모든 센서가 또한 "건조"일 것으로 예상되도록 프로그래밍될 수 있다(예컨대, 컨테이너 내 액체 수위는 제 1 "건조" 초음파 센서의 수위보다 낮음). 따라서, 일부 구체예에서, 예상된 액체 수위보다 높은(예컨대, "건조" 센서보다 높은) 센서가 "습윤" 상태(예컨대, 센서는 액체의 존재를 나타냄)로 되돌아가는 경우, 오류 상태가 제어기(109)에 의해 보고되어(예컨대, LED 디스플레이(111) 상에서) 작동자는 초음파 프로브(100)가 오작동일 경우를 결정하도록 컨테이너 내 액체 수위를 확인할 수 있다.

예시적인 구체예에서, 제어기(109)는 각각의 초음파 센서(156)에 상응하는 상태를 표시하기 위해 LED 디스플레이(111)를 작동시킨다. 예를 들어, 주어진 초음파 센서(156) 중 하나가 액체가 존재함("습윤")을 나타내는 경우, LED 디스플레이(111)의 상응하는 표시기가 또렷하게 밝아질 수 있다. 유사하게는, 주어진 초음파 센서(156) 중 하나가 액체가 존재하지 않음("건조")을 나타내는 경우, LED 디스플레이(111)의 상응하는 표시기는 밝아지지만 깜빡일 수 있다. 제어기(109)는 초음파 프로브(100)와 소통할 수 없거나, 컨테이너에 액체가 완전히 없는 경우, LED 디스플레이의 모든 표시키는 깜빡일 수 있다. 교대 배열이 가능하다. 예를 들어, "습윤" 표시기는 제 1 LED 색(예컨대, 녹색)이지만, "건조" 표시기는 제 2 LED 색(예컨대, 적색)이다. 유사하게는, 도표로 된 액체 수위 표시가 LCD 스크린 또는 다른 그래픽 사용자 출력 장치 상에 보여질 수 있다.

초음파 프로브(100)는 초음파 프로브(100)에 의해 감지되는 액체 수위를 일시적으로 변경할 수 있는 스플래싱(splashing), 쳐닝(churning), 버블링(bubbling), 증발/응축 또는 다른 물리적 방해에 주어질 수 있는 컨테이너 내 액체의 수위를 측정하는데 사용된다. 따라서, LED 디스플레이(111) 상에 표시되는 액체 수위의 파동을 제한하기 위해서, 제어기(109)는 히스테리시스(hysteresis) 및/또는 지연을 이용하여 컨테이너 내 액체 수위를 보다 정확하게 보고할 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 제어기(109)는 "습윤"에서 "건조"(액체 수위의 감소를 나타냄)로의 특정 센서의 판독을 변화시키기 전에 소정 시간을 지연시킬 수 있는데, 이는 제어기(109)가 액체 수위 표시를 변화시키기 전에 희망적으로는 컨테이너의 액체 수위의 임의의 일시적 방해를 막기 전에 주어진 초음파 센서(156)로부터의 다중 판독을 수신하는 것을 가능하게 할 것이다. 예시적인 구체예에서, 제어기(109)는 "습윤"에서 "건조"로 특정 센서의 판독을 변화시키기 전에 5초를 지연시킬 것이다. 이는 제어기(109)가 이전에 "습윤"으로 판독된 센서로부터 "건조"의 센서 판독을 수신하면, 센서는 제어기(109)가 센서를 건조로 나타낸 LED 디스플레이(111)를 변화시키기 전에 5초 동안 "건조"로 판독되어야 함을 의미한다. 5초 동안의 임의의 시간에 센서가 "습윤"으로 판독하는 경우, 제어기(109)는 "습윤" 표시를 유지할 것이다.

일부 구체예에서, 제어기(109)는 "건조"로부터 "습윤"(액체 수위의 증가를 나타냄)의 특정 센서의 판독에 대한 변화를 표시하기 위해 지연을 포함하지 않을 것이다. 이러한 비대칭적인 작동은 컨테이너의 과충전을 방지하기 위해서 액체 수위의 증가를 신속하게 나타내는 것이 유리할 수 있는 재충전-위치 컨테이너(refill-in-place container)에서 요망될 수 있다. 대안적으로, 보다 짧은 소정 시간 지연(예컨대, 1초)이 "건조"에서부터 "습윤"으로의 특정 센서의 판독을 변화시킬 때 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 제어기(109)는 초음파 센서의 하나 이상의 이전 판독을 기초로 하여 히스테리시스를 이용하기 위해 초음파 센서(156)의 이전 판독을 저장할 수 있다.

제어기(109)의 일부 구체예는 바람직하게는 제작 설비 내에 위치된 외부 장치, 예를 들어, 중앙 컴퓨터로 액체 수위 데이터를 소통할 수 있어서, 공장 작업자가 단일 위치로부터 원격으로 다중 컨테이너의 액체 수위를 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 제어기(109)는 외부 장치로의 소통을 위해 2개의 와이어 출력 잉크를 제공할 수 있다. 그러한 구체예에서, 제어기(109)는 컨테이너 내 액체 수위와 소통하기 위해서 "단계식 아날로그 출력(stepped analog output)" 또는 양자화된 출력(quantized output)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 고정된 전압(전류) 단계가 각각의 초음파 센서(156)에 상응하여 출력될 수 있다. 예를 들어, 가장 낮은 초음파 센서(예컨대, 초음파 센서(156l)가 액체를 감지하는 경우, 컨테이너 내 가장 낮은 액체 수위에 상응하여 제 1 전압(또는 전류)은 제어기(109)에 의해 출력될 수 있다. 이러한 전압(또는 전류)은 액체를 감지하는 초음파 센서(156l) 위의 각각의 센서에 대하여 고정된 단계에 의해 증가될 수 있다. 한 가지 예시적인 구체예에서, 단계식 아날로그 출력은 12개의 초음파 센서(156)에 걸쳐 4-20mA이다. 또 다른 예시적인 구체예에서, 단계식 아날로그 출력은 12개의 초음파 센서에 걸쳐 0-10V이지만, 다른 전압 또는 전류 범위가 가능하다(예컨대, 0-5 볼트 등). 일부 구체예에서, 단계식 아날로그 출력(예컨대, 전압 또는 전류)의 유형은, 예를 들어, 제어기(109)가 전기적으로 커플링되는 장비의 유형, 또는 제어기(109)가 작동되는 환경을 기초로 하여 사용자에 의해 선택가능할 수 있다. 예를 들어, 실행 시에, 단계식 아날로그 전류 출력은 일부 작동되는 환경에서 단계식 아날로그 전압 출력의 잡음에 덜 민감할 수 있다.

출력을 제공하고 단계식 아날로그 출력 또는 디지털 출력을 발생시키도록 제어기(109)를 구성하는 것은 컨테이너(159)가 사용되는 시스템에서 다른 부품들이 단지 2-와이어 간섭으로 컨테이너(159)에서 유체 수위와 관련된 정보를 수신될 수 있게 한다. 이는 출력이 각각의 초음파 센서(156)에 대한 적어도 하나의 출력 신호 와이어로 구성되는 것이 일반적인 종래 기술의 센서 프로브 시스템에 비해 개선된 점이다.

도 4는 제어기(109)의 회로의 블록 다이어그램을 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(109)는 마이크로제어기(186) 및 상태 디스플레이(111)를 포함한다. 기재된 바와 같이, 상태 디스플레이(111)는 하나 이상의 LED, LCD 스크린, 또는 컨테이너(159) 내 액체 수위를 표시하기에 적합한 다른 디스플레이 유형으로서 구현될 수 있다. 초음파 프로브(100)는 초음파 센서(156)와 마이크로제어기(186) 간의 전자 신호를 소통하기 위해서, 예를 들어, 케이블(106) 및 배선(158)에 의해 마이크로제어기(186)와 전기적 소통 관계에 있다. 마이크로제어기(186)는 컨테이너(159)의 액체 수위를 결정하기 위해 초음파 프로부로부터 수신된 신호를 처리한다. 마이크로제어기(186)는 이후 결정된 액체 수위를 기초로 한 표시를 나타내기 위해 상태 디스플레이(111)를 제어한다. 일부 구체예에서, 마이크로제어기(186)는 하나 이상의 외부 제어 장치(188)로, 예를 들어, 신호 출력(192) 및 케이블(190)을 통해 전기적으로 커플링된다. 외부 제어 장치(188)는 제작 설비의 컴퓨터 또는 서버에 대한 데이터베이스 또는 모니터링 적용일 수 있거나, 특정 제작 장비의 제어 유닛일 수 있다. 기재된 바와 같이, 일부 구체예에서, 케이블(190)은 2-도체 케이블(2-conductor cable)일 수 있고, 마이크로제어기(186)는 초음파 프로브(100)를 통해 제어기(159)에서 결정된 액체의 수위에 상응하는 "단계식 아날로그 출력" 또는 양자화된 출력을 통해 2-도체 케이블에 걸쳐 소통할 수 있다. 12개의 초음파 센서(156) 및 단계식 아날로그 출력, 예컨대, 단계식 아날로그 출력 전류를 사용하는 구체예에서, 단계식 아날로그 출력 전류는 하기 표 1에 나타나 있는 바와 같을 수 있다.

대안적인 구체예에서, 제어기(109)는 하나 이상의 컨테이너에서 액체 수위를 원격 모니터링할 수 있도록 제작 설비 내의 다른 컴퓨터, 서버 또는 제어기로 제어기(109)를 링킹하기 위해 표준화된 통신 링크(예컨대, 이더넷(Ethernet))를 제공할 수 있다. 그러한 구체예에서, 제어기(109)는 컨테이너 내 추정된 액체 수위를 간단히 소통할 수 있거나, 초음파 센서(156) 중 하나가 액체를 감지하는 것을 보고할 수 있거나, 각각의 초음파 센서(156)의 상태를 보고할 수 있거나, 이들의 일부 조합일 수 있다. 그러한 구체예에서, 마이크로제어기(186)는 표준화된 통신 링크의 형식으로 데이터를 제공하도록 통신 모듈(예컨대, 마이크로제어기(186)로부터 이더넷 데이터 패킷으로 데이터를 구성하기 위한 이더넷 통신 모듈)과 소통 관계에 있을 수 있다.

청구되는 본 발명의 원리가 바람직한 구체예와 연관되어 상기에 기재되었으나, 이러한 기재는 단지 예로서 제공된 것이고 청구되는 본 발명의 범위를 제한하지 않음이 명백히 이해되어야 한다.

Claims

컨테이너(container) 내에 배치된 프로브(probe)를 사용하여 컨테이너 내 유체의 유체 수위를 결정하고 표시하는 방법으로서, 프로브가 배럴(barrel) 내에 위치된 복수의 초음파 센서(ultrasonic sensor)를 지니고, 각각의 복수의 센서가 컨테이너 내 상이한 유체 수위에서 위치되고, 상기 방법이
(a) 전기 펄스(electrical pulse)를 복수의 초음파 센서의 제 1 센서로 송신하는 단계;
(b) 단계 (a)에서 송신된 전기 펄스에 반응하여 제 1 센서로부터 전기 신호를 수신하는 단계;
(c) 각각의 복수의 초음파 센서에 대하여 단계 (a)를 제 1 순서로 수행하는 단계;
(d) 단계 (a)를 제 1 주파수에서 반복하는 단계;
(e) 단계 (b)에서 수신된 제 1 센서로부터의 하나 이상의 전기 신호를 기초로 하여 제 1 센서의 상태를 결정하는 단계로서, 상태가 건조 상태, 습윤 상태, 및, 임의로 오류 상태의 군으로부터 선택되고, 습윤 상태는 제 1 센서가 위치되는 유체 수위에서 유체의 존재를 나타내고, 건조 상태는 제 1 센서가 위치되는 유체 수위에서 유체의 부재를 나타내는 단계,
(f) 하나 이상의 소정 조건이 충족되는 경우에만 단계 (e)에서 결정된 바와 같은 제 1 센서의 상태를 단계 (e)의 수행 직전에 결정된 상태와 상이한 상태로 변화시키는 단계;
(g) 단계 (e) 및 (f)를 각각의 복수의 초음파 센서에 대하여 수행하는 단계;
(h) 단계 (g)를 반복하는 단계; 및
(i) 단계 (e) 내지 (g)에서 결정된 바와 같은 각각의 복수의 초음파 센서의 상태에 대한 시각적 표시를 나타내는 단계를 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 하나 이상의 소정 조건이, 모두 동일한 상태를 표시하는 제 1 센서에 대한 단계 (b)의 순차적인 수행 동안 제 1 센서로부터 복수의 전기 신호를 수신함을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 하나 이상의 소정 조건이, 모두 동일한 상태를 표시하는 소정 기간에 걸친 제 1 센서에 대한 단계 (b)의 순차적인 수행 동안 제 1 센서로부터 복수의 전기 신호를 수신함을 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 소정 기간이 제 1 센서의 상태가 습윤 상태에서 건조 상태로 변화되는 경우의 제 1 소정 기간, 및 제 1 센서의 상태가 건조 상태에서 습윤 상태로 변화하는 경우의 제 2 소정 기간이고, 제 1 소정 기간이 제 2 소정 기간보다 큰 방법.
제 1항에 있어서, 제 1 센서의 상태의 변화가 습윤 상태에서 건조 상태로 변화하는 경우에 단계 (f)만을 수행함을 추가로 포함하는 방법.
제 3항에 있어서, 소정 기간이 5초 이상인 방법.
제 1항에 있어서, 단계 (f)가 단계 (b)에서 수신된 제 1 센서로부터의 전기 신호가 건조 상태를 표시하는 경우에 제 1 센서의 상태를 오류 상태로 결정함을 포함하고, 제 1 센서보다 높은 유체 수위에 위치된 임의의 복수의 센서가 현재 습윤 상태인 것으로 결정되는 방법.
컨테이너 내 유체의 수위를 결정하기 위한 시스템으로서, 시스템이
제어기;
컨테이너에 부착되도록 구성된 피팅 어셈블리(fitting assembly), 피팅 어셈블리로부터 아래로 연장된 배럴, 및 배럴 내에 위치된 복수의 초음파 센서를 포함하는 초음파 프로브로서, 각각의 복수의 초음파 센서가 제어기에 전기적으로 링킹되고 제어기로부터 송신된 전기 신호를 수신하고, 제어기로부터 송신된 전자 신호에 반응하여 음파를 방출하고, 음파를 검출하고, 검출된 음파를 나타내는 전자 신호를 제어기로 전송하도록 구성되고, 초음파 프로브가 컨테이너로 삽입되도록 형성되고 구성되는, 초음파 프로브;
제어기에 전기적으로 링킹된 디스플레이를 포함하고,
제어기가 작동 상 제 1 주파수에서 전기 펄스를 송신하고, 전기 펄스를 제 1 순서로 각각의 복수의 초음파 센서로 유도하도록 구성되고;
제어기가 작동 상 각각의 복수의 초음파 센서로부터 전송된 전자 신호를 기초로 하여 각각의 복수의 초음파 센서의 상태를 결정하도록 구성되고, 상태가 건조 상태 및 습윤 상태를 포함하고, 습윤 상태가, 복수의 초음파 센서 중 하나의 센서로부터 수신되는 전송된 전자 신호는 컨테이너 내 유체 수위가 그러한 센서의 위치이거나 그보다 높음을 나타내는 것을 의미하고, 건조 상태가, 복수의 초음파 센서 중 하나의 센서로부터 수신되는 전송된 전자 신호는 컨테이너 내 유체 수위가 그러한 센서의 위치보다 낮음을 나타내는 것을 의미하고,
제어기가 작동 상 디스플레이로 하여금 각각의 복수의 초음파 센서에 대한 건조 상태 또는 습윤 상태의 시각적 표시를 제공하게 하도록 구성되고;
제어기가 작동 상 하나 이상의 소정 기준이 충족되는 경우에만 복수의 초음파 센서 중 어느 하나에 대한 시각적 표시를 습윤 상태에서 건조 상태로 변화시키도록 구성되는 시스템.
제 8항에 있어서, 하나 이상의 소정 기준이 소정 기간 동안 복수의 초음파 센서 중 하나로부터의 전자 신호의 모든 전송이 복수의 초음파 센서 중 하나에 대한 건조 상태를 표시함을 포함하고, 소정 기간이 복수의 전기 펄스가 소정 기간 동안 제어기로부터 복수의 초음파 센서 중 하나로 송신될 수 있도록 충분히 긴 시스템.
제 8항에 있어서, 상태가 오류 상태를 추가로 포함하고, 제어기가 작동 상, 복수의 초음파 센서 중 하나보다 위에 위치된 임의의 복수의 초음파 센서의 상태가 습윤 상태인 경우에 복수의 초음파 센서 중 어느 하나에 대한 시각적 표시를 건조 상태에서 오류 상태로 변화시키도록 구성되는 시스템.
제 8항에 있어서, 배럴이
상부 개구, 하부 개구, 측벽, 및 측벽에 배치된 측면 개구를 지니는 외측 튜브; 및
외측 튜브에 커플링되는 내측 튜브로서, 내측 튜브가 상부 개구, 하부 개구, 측벽, 및 측벽을 포함하는 내측 튜브를 포함하고, 내측 튜브의 상부 개구가 외측 튜브의 측면 개구에 맞춰 정렬되고, 내측 튜브의 하부 개구가 외측 튜브의 하부 개구에 맞춰 정렬되고, 내측 튜브가 도관을 규정하고, 내부 공간이 내측 튜브의 측벽과 외측 튜브의 측벽 사이에 위치되고, 복수의 초음파 센서의 일부 또는 전부가 내부 공간 내에 위치되는 방법.
제 8항에 있어서, 제 1 차폐부(shield), 제 2 차폐부, 및 복수의 도체를 포함하는 복합 도체 차폐 케이블(multi conductor shielded cable)을 추가로 포함하고, 제 1 차폐부가 외부 차폐부를 포함하고, 각각의 복수의 도체가 개별적으로 절연되지만 개별적으로 차폐되지 않는 방법.
컨테이너 내 유체의 수위를 결정하기 위한 시스템으로서, 시스템이
제어기; 및
컨테이너에 부착되도록 구성된 피팅 어셈블리, 피팅 어셈블리로부터 아래로 연장된 배럴, 및 배럴 내에 위치된 복수의 초음파 센서를 포함하는 초음파 프로브로서, 각각의 복수의 초음파 센서가 제어기에 전기적으로 링킹되고 제어기로부터 송신된 전기 신호를 수신하고, 제어기로부터 송신된 전자 신호에 반응하여 음파를 방출하고, 음파를 검출하고, 검출된 음파를 나타내는 전자 신호를 제어기로 전송하도록 구성되고, 초음파 프로브가 컨테이너로 삽입되도록 형성되고 구성되는, 초음파 프로브를 포함하고,
제어기가 작동 상 제 1 주파수에서 전기 펄스를 송신하고, 전기 펄스를 제 1 순서로 각각의 복수의 초음파 센서로 유도하도록 구성되고;
제어기가 작동 상 각각의 복수의 초음파 센서로부터 전송된 전자 신호를 기초로 하여 컨테이너 내 유체 수위를 결정하도록 구성되고,
제어기가 작동 상 제어기와 전기적 소통 관계에 있는 하나 이상의 외부 장치로의 통신을 위해 출력 신호를 발생시키도록 구성되고, 출력 신호가 제어기에 의해 결정된 컨테이너 내 유체 수위를 나타내는 시스템.
제 13항에 있어서, 출력 신호가 단계식 아날로그 출력(stepped analog output)인 시스템.
제 14항에 있어서, 단계식 아날로그 출력이 전류를 지니고, 전류가 유체 수위에 정비례하는 시스템.
제 14항에 있어서, 단계식 아날로그 출력이 전압을 지니고, 전압이 유체 수위에 정비례하는 시스템.
제 13항에 있어서, 출력 신호가 유체 수위에 정비례하는 디지털 출력인 시스템.
제 13항에 있어서, 2-와이어 인터페이스(two-wire interface)가 제어기와 하나 이상의 외부 장치 간의 전기 통신을 제공하고, 제어기가 작동 상 2-와이어 인터페이스를 통해 출력 신호를 발생시키도록 구성되는 시스템.
내부 공간을 지니는 초음파 프로브로서, 초음파 프로브가
제 1 차폐부, 제 2 차폐부, 및 복수의 도체를 포함하는 복합 도체 차폐 케이블로서, 제 1 차폐부가 외부 차폐부를 포함하고, 각각의 복수의 도체가 개별적으로 절연되지만 개별적으로 차폐되지 않는, 복합 도체 차폐 케이블; 및
내부 공간 내에 배치된 복수의 초음파 센서를 포함하고,
복수의 초음파 센서의 각각의 초음파 센서가 복수의 도체 중 별개의 하나에 그리고 제 1 차폐부에 전기적으로 연결되고, 제 2 차폐부가 복합 도체 차폐 케이블의 접지 경로를 포함하는 초음파 프로브.
제 19항에 있어서, 제 2 차폐부가 복합 도체 차폐 케이블의 접지 경로를 포함하는 초음파 프로브.
제 19항에 있어서, 제 2 차폐부가 복합 도체 차폐 케이블의 최외측 차폐부인 초음파 프로브.