초음파 특수 가스 레벨 측정 장치

초음파 특수 가스 레벨 측정 장치{Ultrasonic Specialty Gas Cylinder Level Measuring Device}

도 1은 종래의 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더 형상을 나타내는 단면도이고,

도 2는 종래의 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더에 대하여 초음파로 피측정물체의 레벨을 측정하는 방법을 설명하기 위한 모식도이고,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초음파 레벨 측정 장치의 구성을 나타내는 단면도이고,

도 4는 도 3의 외형 사시도이고,

도 5a 와 도 5b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 레벨 측정 장치의 초음파 센서가 아래로 움직이기 전과 후의 상태를 도시한 단면도이고,

도 6은 본 발명의 일시예에 따른 초음파 센서의 구성을 상세하게 나타내는 블럭도이고,

도 7은 본 발명의 일시예에 따른 초음파 센서의 이상적인 타이밍도이다.

**도면의 주요부분에 대한 기호의 설명**

10: 실린더 11: 하부면

20: 초음파 센서 21: 초음파 방사면

30: 스프링 40: 하단 하우징

41: 평탄면 50: 상단 하우징

본 발명은 반도체 제조용 특수 가스 실린더 내부의 액면 레벨 측정 장치에 관한 것으로, 특히 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더 내부의 피측정물체 레벨을 측정하기 위한 것이다. 더욱 상세하게는, 초음파를 송수신하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파 센서와; 상기 초음파 센서의 측면을 둘러싸고, 상기 실린더의 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

일반적으로, 액면계는 정전 용량식, 전기봉식, 플로트식 등 여러 형식으로 이루어지는데, 이 중 내용물의 용량 또는 용적을 측정하는 것은 대부분 플로트 형식으로서, 저장용기 내에 장착된 플로트가 충전물이 충전되면 부력에 의하여 상승하면서 액면의 위치가 측정되므로 그 오차가 매우 커 제품의 신뢰성이 떨어지며, 이로 인해 밀폐된 저장용기내 용량 확인은 물론 잔류량의 완전소모시점을 알 수가 없어 사용도중에 작업이 중단되는 사태가 발생되고, 초기 충전시에 얼마나 충전해야 되는지 알 수 없는 단점도 있다.

또한, 반도체 제조용 특수 가스 실린더 내부의 액면 레벨을 측정하기 위해서, 종래에는 Weight Scale(저울)로 특수 가스를 포함한 실린더의 총무게에서 실린더 자체의 무게를 제함으로써, 실린더 안에 포함된 특수 가스의 양을 측정하였다. 그러나, 이러한 측정 방법은 측정 과정이 복잡하고 관리 하기가 어려우며 고가의 Gas가 측정 중에 버려 지는 문제점이 있다.

한편, 초음파를 사용하는 기술은 초음파 거리측정 장치의 초음파 방사면을 피측정물을 향하게 위치하여 피측정물에 초음파 펄스를 보내고, 상기 초음파 펄스가 피측정물에 반사되서 다시 초음파 거리측정장치로 되돌아오는 시간을 측정하여, 상기 초음파 거리측정 장치와 피측정물간의 거리를 산출하는 방법을 사용한다.

그러나, 초음파는 음속으로 파장이 진행되고 반사면에 부딪힌 후 같은 속도로 되돌아오기 때문에 초음파 발사 후 반사되어 되돌아온 반사파의 수신되는 시간에 음속을 곱한 후 2로 나누면 거리로 환산되지만, 여기서 음속은 온도, 매질, 압력 등에 따라 차이가 나게 된다.

예를 들어, 공기 중의 음속은 0℃일 때 331.5m/s이나 다른 기체 및 가스가 섞여 있 을 경우 그에 따라 음속은 변하게 되는데, 예를 들어 염소는 206m/s, 산소는 316m/s, 메탄은 430m/s 등 큰 차이가 있고, 또한 이들 기체가 100% 단일 기체일 경우 정확한 측정값을 얻을 수 있지만, 기체가 혼합되어 있거나 중간 다른 매질이 장애물로 작용하는 경우에는 정확한 결과를 얻을 수가 없다.

즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더(100)에 있어서, 상기 실린더(100) 안에 포함되어 있는 피측정물의 함량이나 레벨을 측정하고자 하는 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 실린더(100)를 초음파 측정 장치(200) 위에 올려놓고 초음파 센서(210)로부터 초음파를 실린더(100)의 하부면(110)으로 발사하여 반사된 초음파를 수신해야 한다.

그러나, 상기 실린더(100)의 하부면이 오목한 형상으로 되어 있으면, 상기 실린더(100)의 하부면(110)과 측정 장치(200) 사이에는 소정의 공간이 생기게 되고, 상기 공간 사이에 존재하는 매질에 의해 측정 오차가 발생하며, 초음파 센서로부터 발사되는 초음파의 방사각이 넓어서 초음파 에너지가 피측정물에 집중되지 못하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더 내부의 피측정물체 레벨을 측정하기 위하여, 초음파 를 송수신하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파 센서와; 상기 초음파 센서의 측면을 둘러싸고, 상기 실린더의 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명을 통하여, 피측정물체를 포함하는 실린더의 하부면이 오목한 형상으로 되어 있더라도, 상기 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징에 초음파 센서가 포함되도록 함으로써, 실린더의 오목한 하부면과 측정 장치 사이에 존재하는 매질에 의한 오차를 줄이고, 발사되는 초음파가 실린더의 피측정물체에 바로 도달하게 하여 초음파 에너지를 집중시키고자 한다.

또한, 본 발명은 초음파 센서의 하단에 상기 초음파 센서가 상하로 움직일 수 있도록 하는 스프링을 포함하여, 평상시에는 초음파 센서가 상단 하우징의 가운데서 밖으로 돌출되어 있도록 하고, 초음파 방사면이 실린더의 하부면과 맞닿을 때만 초음파 센서가 아래로 움직여서 밀착될 수 있도록 함으로써, 실린더의 오목한 하부면과 측정 장치 사이에 존재하는 빈 공간이 거의 존재하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 레벨 측정 장치는 하부 면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더 내부의 피측정물체 레벨을 측정하기 위한 초음파 레벨 측정 장치에 있어서, 소정의 신호를 받아 초음파송신기로부터 피측정물체에 초음파를 입사시키고, 상기 피측정물체로부터 반사되어 초음파수신기에 수신되는 수신파를 검출하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파 센서와; 상기 초음파 센서의 하단에서 상기 초음파 센서가 상하로 움직일 수 있도록 하는 스프링과; 상기 스프링을 내부에 포함하고, 상기 실린더를 지지할 수 있는 평탄면을 가지는 하단 하우징과; 상기 하단 하우징의 평탄면 위에서 상기 초음파 센서의 측면을 둘러싸고, 상기 실린더의 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 초음파 센서는 상기 실린더의 하부면과 맞닿을 수 있는 초음파 방사면을 상단에 가지고, 상기 실린더의 하부면과 맞닿을 때 아래로 움직여서 밀착될 수 있도록 상기 초음파 방사면은 상기 상단 하우징의 가운데서 밖으로 돌출되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초음파 센서는 신호발생 및 판독부와 초음파송수신부로 이루어지고, 상기 신호발생 및 판독부는 소정의 제어목적을 달성하기 위한 프로그램과 수신된 초음파신호를 판정해서 피측정물체의 위치를 산정하기 위한 프로그램에 의해서 운용되는 제어부와, 상기 제어부의 제어에 따라 일정수의 펄스를 출력하는 송신펄스발생기와, 상기 초음파송수신부의 신호를 제어부가 해석할 수 있도록 잔향파들의 노 이즈성분등을 제거하는 신호처리부를 포함하고, 상기 초음파 송수신부는 상기 송신펄스발생기로부터 입력된 펄스열에 따라서 발진되어 초음파 주파수를 발생시키고 이를 증폭시키는 송신회로와, 상기 송신회로로 부터 입력된 초음파 주파수대의 신호에 의해 초음파를 발생시키는 초음파 발생기와, 상기 초음파 발생기에 의해서 피측정물체 에 입사되고, 피측정물체에서 반사되는 파를 수신하기 위한 초음파 수신기와 상기 초음파수신기의 진동을 전기적신호로 변환하고, 상기 전기적신호가 상기 신호발생 및 판독부까지 전달될 수 있도록 증폭시키는 수신회로를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알여주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 7에 근거하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초음파 레벨 측정 장치의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 외형 사시도이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 레벨 측정 장치는 하부면(11)이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더(10) 내부의 피측정물체 레벨을 측정하기 위한 초음파 레벨 측정 장치에 관한 것이다. 여기서, 상기 실린더(10) 하부면(11)이 오목하게 되어 있는 정도는 특별히 제한되지 않고, 실린더(10) 하부면(11)을 평평한 바닥에 놓았을때 소정의 공간이 생기는 정도로 오목한 것이면 모두 적용될 수 있다. 그리고, 상기 피측정물체는 액상 가스(Liquid Gas)가 된다.

그리고, 본 발명은 기본적으로 소정의 신호를 받아 초음파송신기로부터 피측정물체에 초음파를 입사시키고, 상기 피측정물체로부터 반사되어 초음파수신기에 수신되는 수신파를 검출하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파 센서(20)를 포함한다. 상기 초음파 센서(20)는 높은 주파수의 음파를 발사하여 물체에 부딪히게 한 후 되돌아온 반사파를 수신하는 원리를 이용한 것이면, 특별히 제한되는 일이 없이 이 기술분야에서 널리 알려진 다양한 센서가 사용될 수 있다. 그 중에서도, 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파를 발사하고 수신하는 초음파 방사면(21)이 초음파 센서(20)의 상면에 위치하는 것이 바람직하다. 상기 초음파 방사면(21) 위에 측정하고자 하는 실린더(10)를 올려놓아, 상기 초음파 방사면(21)과 실린더(10)의 하부면(11)이 맞닿을 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 초음파 센서(20)의 하단에는 상기 초음파 센서(20)가 상하로 움직일 수 있도록 하는 스프링(30)이 구비된다. 상기 스프링(30)은 초음파 센서(20)의 하단에 위치하여, 상기 초음파 센서(20) 위에 측정하고자 하는 실린더(10)가 올려지는 경우, 상기 초음파 센서(20)를 아래로 이동시킴으로써, 초음파 센서(20)의 초음파 방사면(21)과 실린더(10) 사이의 공극을 줄이기 위한 것이다. 즉, 평상시(실린더가 올려지지 않은 경우)에는 도 5a에 나타난 바와 같이 초음파 방사면(21)이 상단 하우징(50)의 가운데서 밖으로 돌출되어 있고, 실린더(10)의 하부면(11)과 맞닿을 때는 도 5b에 나타난 바와 같이 초음파 센서(20)가 아래로 움직여서 상기 실린더의 하부면과 밀착될 수 있도록 초음파 센서(20)의 하단에 스프링(30)이 구비되는 것이다.

다시, 도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 레벨 측정 장치는 상기 스프링(30)을 내부에 포함하고, 측정하고자 하는 실린더(10)를 지지할 수 있는 평탄면(41)을 가지는 하단 하우징(40)을 포함한다. 상기 하단 하우징(40)은 도 4에 나타난 바와 같이 사각형 형상으로 이루어질 수도 있지만, 측정하고자 하는 실린 더(10)를 올려놓을 수 있는 것이면 어떠한 형태로든지 이루어질 수 있고, 상기 평탄면(10)은 후술하는 상단 하우징(50)의 볼록한 형상과의 대비를 위해 평탄면(10)이라고 하였을 뿐, 소정의 굴곡이나 요철등을 포함하는 것도 가능하다.

이어서, 본 발명은 상기 하단 하우징(40)의 평탄면(41) 위에서 상기 초음파 센서(20)의 측면을 둘러싸고, 상기 실린더(10) 하부면(11)의 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징(50)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 상단 하우징(50)은 상기 실린더(10) 하부면(11)의 오목한 형상에 들어맞도록 볼록한 형상을 가지면서, 볼록한 형상의 가운데에서는 상기 초음파 센서(20)의 초음파 방사면(21)이 드러나도록 상기 초음파 센서(20)의 측면을 둘러싸고 있다. 더욱 구체적으로 상단 하우징(50)의 표면은, 도 4의 단면도에 도시된 바와 같이, 초음파 센서(20)의 상단에서 센서(20) 측면으로부터 외부방향으로 아래로 향하는 곡선 형상을 가지고, 이것은 하단 하우징(40)의 평탄면(41)과 맞닿아 있는 형태이다. 다시 말해서, 상기 상단 하우징(50)에서 볼록한 형상의 가운데 부분은 위아래로 관통되어 있고, 여기에 초음파 센서(20)가 위치하여 하단 하우징(40)에 있는 스프링(30)과 연결되는 구조이다.

이러한 본 발명에 의하여, 피측정물체를 포함하는 실린더(10)의 하부면(11)이 오목한 형상으로 되어 있더라도, 상기 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징(50)에 초음파 센서(20)가 포함되도록 함으로써, 실린더(10)의 오목한 하부면(11)과 측정 장치 사이에 존재하는 매질에 의한 오차를 줄일 수 있고, 발사되는 초음파가 실린더(10)의 피측정물체에 바로 도달하게 하여 초음파 에너지를 집중시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 초음파 센서(20)의 하단에 상기 초음파 센서(20)가 상하로 움직일 수 있도록 하는 스프링(30)을 포함하여, 평상시에는 초음파 센서(20)가 상단 하우징(50)의 가운데서 밖으로 돌출되어 있도록 하고, 초음파 방사면(21)이 실린더(10)의 하부면(11)과 맞닿을 때만 초음파 센서(20)가 아래로 움직여서 밀착될 수 있도록 함으로써, 실린더(10)의 오목한 하부면(11)과 측정 장치 사이에 존재하는 빈 공간이 거의 존재하지 않도록 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일시예에 따른 초음파 센서(20)의 구성을 상세하게 나타내는 블럭도이고, 본 발명의 다른 실시형태는 상기 초음파 센서(20)가 신호발생 및 판독부(60) 및 초음파송수신부(70)로 이루어진 것이다.

먼저, 상기 신호발생 및 판독부(60)는 소정의 제어목적을 달성하기 위한 프로그램과 수신된 초음파신호를 판정해서 피측정물체의 위치를 산정하기 위한 프로그램에 의해서 운용되는 제어부(61)와, 상기 제어부의 제어에 따라 일정수의 펄스를 출력하는 송신펄스발생기(62)와, 상기 초음파송수신부(70)의 신호를 제어부(61)가 해석할 수 있도록 잔향파들의 노이즈성분등을 제거하는 신호처리부(63)를 포함한다.

그리고, 상기 초음파송수신부(70)는 상기 송신펄스발생기(62)로부터 입력된 펄스열에 따라서 발진되어 초음파 주파수를 발생시키고 이를 증폭시키는 송신회로(71)와, 상기 송신회로(71)로부터 입력된 초음파 주파수대의 신호에 의해 초음파를 발생시키는 초음파 발생기(73)와, 상기 초음파 발생기(73)에 의해서 피측정물체에 입사되고, 피측정물체에서 반사되는 파를 수신하기 위한 초음파 수신기(74)와 상기 초음파수신기(74)의 진동을 전기적신호로 변환하고, 상기 전기적신호가 상기 신호발생 및 판독부(60)까지 전달될 수 있도록 증폭시키는 수신회로(72)를 포함하는 것이다.

이와 같은 구성을 가진 초음파 레벨 측정 장치의 이상적인 동작을 살펴보면 도 7에 도시된 타이밍도에 나타난 바와 같이, 제어부(61)의 제어를 받아 송신펄스발생기(62)에는 t ₁ 시각에 n번째의 전압 Vo의 구형파 펄스가 입력되고, t ₂ 시각에 n+1번째의 구형파가 입력되게 되면 ⅰ)에 도시된 바와 같은 펄스열이 송신펄스발생기(62)로부터 출력된다. ⅱ)에 도시된 바와 같이, 왜란에 의한 노이즈가 없다면 송신펄스발생기(62)로 부터의 출력은 선로의 전압강하와 왜란(distortion)을 무시하면 송신펄스발생기(62)의 출력신호와 동일하게 입력되고, 송신회로(71)의 출력은 입력신호를 초음파주파수로 변조하여 ⅲ)와 같은 송신회로 출력을 초음파송신기(73)에 보낸다. 초음파송신기(73)는 진동자로 구성되어 있기 때문에 초음파송신기(73)에 입력된 펄스기간 동안 보다 장시간동안 여진을 갖고 초음파를 발생시켜 피측정물체에 방사시킨다. 이때, 피측정물체로부터 반사된 반사파는 초음파수신기(74)에 입사되고, 이때 초음파수신기 입력파형을 V)와 같이 t ₃ -t ₁ 만큼 지연신호가 입력된다. 따라서 초음파송수신부(70)와 물체 사이의 거리L은 다음 수학식1에 의해서 결정된다.

[수학식1]

이때 Vo은 음속이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 하부면이 오목한 형상으로 되어 있는 실린더 내부의 피측정물체 레벨을 측정하기 위하여, 초음파를 송수신하여 피측정물체의 레벨을 검출하는 초음파 센서와; 상기 초음파 센서의 측면을 둘러싸고, 상기 실린더의 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 레벨 측정 장치를 제공할 수 있다.

이러한 본 발명에 의하는 경우, 피측정물체를 포함하는 실린더의 하부면이 오목한 형상으로 되어 있더라도, 상기 오목한 형상에 대응되도록 볼록한 형상을 가지는 상단 하우징에 초음파 센서가 포함되도록 함으로써, 실린더의 오목한 하부면과 측정 장치 사이에 존재하는 매질에 의한 오차를 줄일 수 있고, 발사되는 초음파가 실린더의 피측정물체에 바로 도달하게 하여 초음파 에너지를 집중시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 초음파 센서의 하단에 상기 초음파 센서가 상하로 움직일 수 있도록 하는 스프링을 포함하여, 평상시에는 초음파 센서가 상단 하우징의 가운데서 밖으로 돌출되어 있도록 하고, 초음파 방사면이 실린더의 하부면과 맞닿을 때만 초음파 센서가 아래로 움직여서 밀착될 수 있도록 함으로써, 실린더의 오목한 하부면과 측정 장치 사이에 존재하는 빈 공간이 거의 존재하지 않도록 할 수 있다.