KR100211114B1 - Liquid level detector - Google Patents
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Abstract
본 발명의 액체 레벨 검출기는, 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판, 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판, 연산 증폭기, 제1 전자적 스위칭 회로 및 제2 전자적 스위칭 회로를 포함한다. 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판은 액체의 밑면에 위치한다. 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판은, 측정 범위에 상당한 높이를 가지고 액체의 밑면 위에 세워진다. 연산 증폭기는 적어도 제1 입력 단자와 출력 단자를 갖추고, 출력 단자를 통하여 레벨 검출용 전압을 발생시킨다. 제1 전자적 스위칭 회로는, 기준 입력 전압 단자와 연산 증폭기의 제1 입력 단자 사이에 연결되어, 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판 사이의 정전 용량에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다. 제2 전자적 스위칭 회로는, 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결되어, 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판 사이의 정전 용량에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다.The liquid level detector of the present invention includes a first electrode plate and a second electrode plate for dielectric constant detection, a third electrode plate and a fourth electrode plate for level detection, an operational amplifier, a first electronic switching circuit, and a second electronic switching circuit. The first electrode plate and the second electrode plate for detecting the dielectric constant are located at the bottom of the liquid. The third electrode plate and the fourth electrode plate for level detection are built on the bottom surface of the liquid with a considerable height in the measurement range. The operational amplifier has at least a first input terminal and an output terminal, and generates a voltage for level detection through the output terminal. The first electronic switching circuit is connected between the reference input voltage terminal and the first input terminal of the operational amplifier to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance between the third and fourth pole plates for level detection. The second electronic switching circuit is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier, to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance between the first electrode plate and the second electrode plate for dielectric constant detection.
Description
본 발명은 액체 레벨 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid level detector.
액체 레벨 검출기란 저장된 액체 또는 흐르는 액체의 액면 높이를 검출하는 장치를 말한다. 이와 같이 검출된 액면 높이는, 현재 저장된 액체의 양 또는 단위 시간 당 흐르는 액체의 양에 비례한다. 따라서 액체 레벨 검출기는, 액체 연료량 측정, 수위 측정 및 유량 측정 등을 위하여 각종 산업 분야에서 다양하게 이용된다.The liquid level detector refers to a device for detecting the liquid level of a stored liquid or a flowing liquid. The detected liquid level is proportional to the amount of liquid currently stored or the amount of liquid flowing per unit time. Therefore, the liquid level detector is used in various industrial fields for liquid fuel amount measurement, water level measurement, flow rate measurement, and the like.
종래의 액체 레벨 검출기의 대표적인 예로서 부력(浮力)을 이용한 액체 레벨 검출기를 들 수 있다. 이 액체 레벨 검출기에는, 액체 위에 띄워지는 부재(浮材)가 마련되어, 상기 부재의 높이에 따라 가변 저항기의 저항값이 변한다. 그리고 상기 가변 저항기의 저항값이 변함에 따라 출력 전압이 변한다. 즉, 상기 부재의 높이는 액체 레벨과 같으므로, 상기 출력 전압에 의하여 액체 레벨이 검출될 수 있다.As a representative example of a conventional liquid level detector, a liquid level detector using buoyancy is mentioned. The liquid level detector is provided with a member that floats on the liquid, and the resistance value of the variable resistor changes depending on the height of the member. The output voltage changes as the resistance of the variable resistor changes. That is, since the height of the member is equal to the liquid level, the liquid level can be detected by the output voltage.
종래의 액체 레벨 검출기의 다른 예로서, 정전 용량을 이용한 액체 레벨 검출기를 들 수 있다. 이 액체 레벨 검출기에는 정전 용량 검출용 극판들 및 복잡한 회로들로 구성된다. 상기 극판들은 액체의 밑면 위에 대향되게 세워지고, 그 사이의 정전 용량은 액면 높이에 따라 변화한다. 변화하는 정전 용량은 발진기의 출력 주파수를 제어하고, 이 주파수 신호는 복잡한 회로를 거쳐 전압 신호로 변환된다. 즉, 상기 정전 용량은 액체 레벨에 비례하므로, 상기 전압 신호에 의하여 액체 레벨이 검출될 수 있다.Another example of a conventional liquid level detector is a liquid level detector using capacitance. This liquid level detector consists of electrode plates for capacitive detection and complex circuits. The electrode plates are erected on the underside of the liquid, and the capacitance therebetween varies with the liquid level. The changing capacitance controls the output frequency of the oscillator, which is converted into a voltage signal through a complex circuit. That is, since the capacitance is proportional to the liquid level, the liquid level can be detected by the voltage signal.
상기와 같은 종래의 액체 레벨 검출기는 다음과 같은 문제점들을 갖는다. 첫째, 부력을 이용한 검출기의 경우, 부재의 승강 운동에 따라 그 메카니즘이 계속 동작하므로 수명이 짧아진다. 둘째, 정전 용량을 이용한 검출기의 경우, 측정될 액체의 유전율에 따라 그 출력값이 변화한다. 즉, 액체의 유전율에 영향을 받아, 검출의 호완성(compatibility) 및 정밀도가 떨어진다.The conventional liquid level detector as described above has the following problems. First, in the case of a detector using buoyancy, the mechanism continues to operate in accordance with the lifting and lowering motion of the member, thereby shortening the lifespan. Second, in the case of a detector using an electrostatic capacitance, its output value changes according to the permittivity of the liquid to be measured. In other words, depending on the permittivity of the liquid, the compatibility and accuracy of detection are inferior.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 부력 메카니즘을 이용하지 않고서도 액체의 유전율에 영향을 받지 않는 액체 레벨 검출기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a liquid level detector which is not affected by the permittivity of the liquid without using a buoyancy mechanism.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 검출기의 극판들을 나타낸 개략적 사시도이다.1 is a schematic perspective view showing pole plates of a level detector according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 레벨 검출기의 전체적 회로를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the overall circuit of the liquid level detector according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 도 2의 회로의 제어 원리를 설명하기 위한 기본 회로도이다.3A is a basic circuit diagram for explaining a control principle of the circuit of FIG. 2.
도 3b는 도 3a의 회로에 적용될 제어 펄스 신호의 타이밍도이다.3B is a timing diagram of a control pulse signal to be applied to the circuit of FIG. 3A.
도 4는 도 2의 회로의 동작을 설명하기 위한 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram for describing an operation of the circuit of FIG. 2.
도 5는 도 2의 회로가 간략화된 등가 회로도이다.FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the simplified circuit of FIG. 2.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11, 12 : 유전율 검출용 극판 21, 22 : 레벨 검출용 극판11, 12: pole plate for detecting
L1, L2 : 극판의 높이 a : 극판들의 폭L1, L2: Height of pole plates a: Width of pole plates
d : 극판의 간격,H...액면 높이d: Spacing of pole plates, H ... liquid level
B1 : 제1 전자적 스위칭 회로 B2 : 제2 전자적 스위칭 회로B1: first electronic switching circuit B2: second electronic switching circuit
B1-1 : 제1-1 전자적 스위칭 회로B1-1: First-1-1 Electronic Switching Circuit
B2-1 : 제2-1 전자적 스위칭 회로B2-1: 2-1 electronic switching circuit
Vk : 입력 기준 전압 Vout : 출력 전압Vk: input reference voltage Vout: output voltage
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 액체 레벨 검출기는, 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판, 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판, 연산 증폭기, 제1 전자적 스위칭 회로 및 제2 전자적 스위칭 회로를 포함한다. 상기 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판은 액체의 밑면에 위치한다. 상기 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판은, 측정 범위에 상당한 높이를 가지고 상기 액체의 밑면 위에 세워진다. 상기 연산 증폭기는 적어도 제1 입력 단자와 출력 단자를 갖추고, 상기 출력 단자를 통하여 레벨 검출용 전압을 발생시킨다. 상기 제1 전자적 스위칭 회로는, 기준 입력 전압 단자와 상기 연산 증폭기의 제1 입력 단자 사이에 연결되어, 상기 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판 사이의 정전 용량에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다. 상기 제2 전자적 스위칭 회로는, 상기 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결되어, 상기 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판 사이의 정전 용량에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다.The liquid level detector of the present invention for achieving the above object comprises a first electrode plate and a second electrode plate for dielectric constant detection, a third electrode plate and a fourth electrode plate for level detection, an operational amplifier, a first electronic switching circuit and a second electronic switching circuit. Include. The first electrode plate and the second electrode plate for detecting the dielectric constant are located at the bottom of the liquid. The third electrode plate and the fourth electrode plate for level detection are built on the bottom surface of the liquid with a considerable height in the measurement range. The operational amplifier has at least a first input terminal and an output terminal, and generates a voltage for level detection through the output terminal. The first electronic switching circuit is connected between a reference input voltage terminal and a first input terminal of the operational amplifier to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance between the third electrode plate and the fourth electrode plate for level detection. . The second electronic switching circuit is connected between the first input terminal and the output terminal of the operational amplifier to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance between the first electrode plate and the second electrode plate for detecting the dielectric constant.
본 발명의 액체 레벨 검출기의 출력 전압은, 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판 사이의 정전 용량에 비례하고, 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판 사이의 정전 용량에 반비례하므로, 액체의 유전율이 상쇄되어 영향을 받지 않고 액면 높이에 비례한다.Since the output voltage of the liquid level detector of the present invention is proportional to the capacitance between the third electrode plate and the fourth electrode plate for level detection, and inversely proportional to the capacitance between the first electrode plate and the second electrode plate for dielectric constant detection, the dielectric constant of the liquid This offset is unaffected and proportional to the liquid level.
바람직하게는, 상기 제1 전자적 스위칭 회로 및 제2 전자적 스위칭 회로는, 전자적 스위치들로 되어, 상기 레벨 검출용 제3 극판과 제4 극판 사이와, 상기 유전율 검출용 제1 극판과 제2 극판 사이에서 각각 충전 및 방전이 연속적으로 수행되게 한다.Preferably, the first electronic switching circuit and the second electronic switching circuit are electronic switches, between the third electrode plate and the fourth electrode plate for level detection, and between the first electrode plate and the second electrode plate for dielectric constant detection. In each case, the charging and discharging are performed continuously.
또한, 상기 제1 전자적 스위칭 회로는, 그 일단이 상기 기준 입력 전압 단자와 연결되고, 다른 일단이 상기 제3 극판과 연결된 제1 전자적 스위치; 그 일단이 상기 제3 극판과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제2 전자적 스위치; 그 일단이 상기 제4 극판과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제3 전자적 스위치; 및 그 일단이 상기 제4 극판과 연결되고, 다른 일단이 상기 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 연결된 제4 전자적 스위치;를 포함한다.The first electronic switching circuit may further include a first electronic switch having one end connected with the reference input voltage terminal and the other end connected with the third electrode plate; A second electronic switch, one end of which is connected to the third electrode plate and the other end of which is grounded; A third electronic switch, one end of which is connected to the fourth electrode plate and the other end of which is grounded; And a fourth electronic switch, one end of which is connected to the fourth electrode plate and the other end of which is connected to the first input terminal of the operational amplifier.
여기서 상기 제2 전자적 스위칭 회로는, 그 일단이 상기 연산 증폭기의 제1 입력 단자와 연결되고, 다른 일단이 상기 유전율 검출용 제1 극판과 연결된 제5 전자적 스위치; 그 일단이 상기 유전율 검출용 제1 극판과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제6 전자적 스위치; 그 일단이 상기 유전율 검출용 제2 극판과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제7 전자적 스위치; 및 그 일단이 상기 유전율 검출용 제2 극판과 연결되고, 다른 일단이 상기 연산 증폭기의 출력 단자와 연결된 제8 전자적 스위치;를 포함한다.The second electronic switching circuit may include a fifth electronic switch having one end connected to a first input terminal of the operational amplifier and the other end connected to the first electrode plate for detecting the dielectric constant; A sixth electronic switch having one end connected to the first electrode plate for detecting the dielectric constant and the other end grounded; A seventh electronic switch, one end of which is connected to the second electrode plate for detecting the dielectric constant and the other end of which is grounded; And an eighth electronic switch, one end of which is connected to the second electrode plate for detecting the dielectric constant and the other end of which is connected to an output terminal of the operational amplifier.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 검출기의 극판들의 구조가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 레벨 검출기의 극판들은, 유전율 검출용 제1 극판(11)과 제2 극판(12), 레벨 검출용 제3 극판(21)과 제4 극판(22)을 포함한다. 유전율 검출용 극판들(11, 12)은 액체의 밑면에 위치한다. 레벨 검출용 극판들(21, 22)은, 측정 범위에 상당한 높이(L2)를 가지고 상기 유전율 검출용 극판들(11, 12) 위에 이격되어 세워진다. 유전율 검출용 극판들(11, 12)은 서로 대향되는 평판형 구조이다. 이와 마찬가지로, 레벨 검출용 극판들(21, 22)도 서로 대향되는 평판형 구조이다. 상기 극판들(11, 12, 21, 22)의 폭은 a, 간격은 d 이다. 유전율 검출용 극판들(11, 12)의 높이는 L1 로서 레벨 검출용 극판들(21, 22)의 높이보다 더 짧다. 참조 부호 H는 액면 높이를 나타낸다.1 shows a structure of pole plates of a level detector according to an embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the pole plates of the level detector according to the present embodiment include the
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 레벨 검출기의 전체적 회로가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 레벨 검출기의 회로는 연산 증폭기(U1), 제1 전자적 스위칭 회로(B1), 제2 전자적 스위칭 회로(B2), 제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)를 포함한다. 연산 증폭기(U1)는 음극 입력 단자(-), 양극 입력 단자(+) 및 출력 단자를 갖추고, 출력 단자를 통하여 레벨 검출용 전압(Vout)을 발생시킨다. 제1 전자적 스위칭 회로(B1)는, 기준 입력 전압(Vk) 단자와 연산 증폭기(U1)의 음극 입력 단자(-) 사이에 연결되어, 레벨 검출용 제3 극판(도 1의 21)과 제4 극판(도 1의 22) 사이의 정전 용량(Cd)에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다. 제2 전자적 스위칭 회로(B2)는, 연산 증폭기(U1)의 음극 입력 단자(-)와 출력 단자 사이에 연결되어, 유전율 검출용 제1 극판(도 1의 11)과 제2 극판(도 1의 12) 사이의 정전 용량(Ce)에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다.2 shows an overall circuit of a liquid level detector according to an embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the circuit of the level detector according to the present embodiment includes an operational amplifier U 1 , a first electronic switching circuit B1, a second electronic switching circuit B2, and a 1-1 electronic switching circuit B1-1. 1) and the 2-1 electronic switching circuit B2-1. The operational amplifier U 1 has a negative input terminal (−), a positive input terminal (+), and an output terminal, and generates a level detection voltage Vout through the output terminal. The first electronic switching circuit B1 is connected between the reference input voltage Vk terminal and the negative input terminal (−) of the operational amplifier U 1 to connect the
제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)는, 연산 증폭기(U1)로부터의 레벨 검출용 전압(Vout)의 정밀도를 높이기 위한 보조 회로들이다. 제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1)는, 제1 전자적 스위칭 회로(B1)와 병렬 연결되어 제1 캐페시터의 정전 용량(C1)에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다. 또한, 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)는, 제2 전자적 스위칭 회로(B2)와 병렬 연결되어 제2 캐페시터의 정전 용량(C2)에 반비례하는 전기적 등가 저항을 발생시킨다.The first-first electronic switching circuit B1-1 and the second-first electronic switching circuit B2-1 are auxiliary circuits for increasing the accuracy of the level detection voltage Vout from the operational amplifier U 1 . . The first-first electronic switching circuit B1-1 is connected in parallel with the first electronic switching circuit B1 to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance C 1 of the first capacitor. In addition, the 2-1 electronic switching circuit B2-1 is connected in parallel with the second electronic switching circuit B2 to generate an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance C 2 of the second capacitor.
제1 전자적 스위칭 회로(B1) 및 제2 전자적 스위칭 회로(B2)는, 제어 펄스 신호에 의하여 동작하는 전자적 스위치들(S1, S2, S31, S41, S42, S32, S5, S6)로 되어, 상기 레벨 검출용 제3 극판(21)과 제4 극판(22) 사이와, 상기 유전율 검출용 제1 극판(11)과 제2 극판(12) 사이에서 각각 충전 및 방전이 연속적으로 수행되게 한다.The first electronic switching circuit B1 and the second electronic switching circuit B2 are electronic switches S 1 , S 2 , S 31 , S 41 , S 42 , S 32 , and S 5 operated by a control pulse signal. , S 6 , and are charged and discharged between the
제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)는, 제어 펄스 신호에 의하여 동작하는 전자적 스위치들(S7, S8, S33, S43, S44, S34, S9, S10) 및 캐페시터들로 되어, 정전 용량 C1의 캐페시터 및 C2의 캐페시터에서 각각 충전 및 방전이 연속적으로 수행되게 한다.[0075] The electronic switching circuit (B1-1) and the second-first electronic switching circuit (B2-1) is an electronic switch operable by a control pulse signal (S 7, S 8, S 33, S 43, S 44 , S 34 , S 9 , S 10 ) and capacitors, so that charging and discharging are continuously performed in the capacitor of the capacitance C 1 and the capacitor of C 2 , respectively.
제1 전자적 스위칭 회로(B1)는, 그 일단이 기준 입력 전압(Vk) 단자와 연결되고, 다른 일단이 상기 제3 극판(21)과 연결된 제1 전자적 스위치(S1); 그 일단이 상기 제3 극판(21)과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제2 전자적 스위치(S2); 그 일단이 상기 제4 극판(22)과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제3 전자적 스위치(S31); 및 그 일단이 상기 제4 극판(22)과 연결되고, 다른 일단이 연산 증폭기(U1)의 음극 입력 단자(-)와 연결된 제4 전자적 스위치(S41);를 포함한다.The first electronic switching circuit B1 includes: a first electronic switch S 1 having one end connected to a reference input voltage Vk terminal and the other end connected to the
제2 전자적 스위칭 회로(B2)는, 그 일단이 연산 증폭기(U1)의 음극 입력 단자(-)와 연결되고, 다른 일단이 상기 유전율 검출용 제1 극판(11)과 연결된 제5 전자적 스위치(S42); 그 일단이 상기 유전율 검출용 제1 극판(11)과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제6 전자적 스위치(S32); 그 일단이 상기 유전율 검출용 제2 극판(12)과 연결되고, 다른 일단이 접지된 제7 전자적 스위치(S5); 및 그 일단이 상기 유전율 검출용 제2 극판(12)과 연결되고, 다른 일단이 연산 증폭기(U1)의 출력 단자와 연결된 제8 전자적 스위치(S6);를 포함한다.The second electronic switching circuit B2 includes a fifth electronic switch having one end connected to the negative input terminal (−) of the operational amplifier U 1 and the other end connected to the
제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)도 상기한 제1 전자적 스위칭 회로(B1) 및 제2 전자적 스위칭 회로(B2)와 같이 각 캐페시터를 중심으로 된 π형 구조이다.Like the first electronic switching circuit B1 and the second electronic switching circuit B2, the first-first electronic switching circuit B1-1 and the second-first electronic switching circuit B2-1 also use the same capacitors. It is a π-type structure with a center.
도 3a는 도 2의 회로의 제어 원리를 설명하기 위한 기본 회로가 도시되어 있다. 도 3b는 도 3a의 회로에 적용될 제어 펄스 신호가 도시되어 있다. 도 3a의 기본 회로는 도 2의 제1 전자적 스위칭 회로(B1), 제2 전자적 스위칭 회로(B2), 제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)에 모두 적용된다. 도 3a의 기본 회로의 소자들은 도 2의 각 전자적 스위칭 회로(B1, B2, B1-1, B2-1)에 다음과 같이 해당된다. 즉, 도 3a의 전자적 스위치 S17은 도 2의 S1, S42, S7, S44에, 도 3a의 전자적 스위치 S18은 도 2의 S2, S32, S8, S34에, 도 3a의 전자적 스위치 S19는 도 2의 S31, S5, S33, S9에, 도 3a의 전자적 스위치 S20은 도 2의 S41, S6, S43, S10에 해당된다. 또한, 도 3a의 정전 용량 C는 상기 유전율 검출용 극판들(도 1의 11, 12) 사이의 정전 용량 Ce, 레벨 검출용 제3 극판(도 1의 21)과 제4 극판(도 1의 22) 사이의 정전 용량 Cd, 제1 캐페시터의 정전 용량 C1및 제2 캐페시터의 정전 용량 C2에 해당된다.FIG. 3A shows a basic circuit for explaining the control principle of the circuit of FIG. 2. 3B shows a control pulse signal to be applied to the circuit of FIG. 3A. The basic circuit of FIG. 3A includes the first electronic switching circuit B1, the second electronic switching circuit B2, the first-first electronic switching circuit B1-1, and the second-first electronic switching circuit B2- of FIG. 2. Applies to all 1). The elements of the basic circuit of FIG. 3A correspond to the respective electronic switching circuits B1, B2, B1-1, and B2-1 of FIG. 2 as follows. That is, the electronic switch S 17 of FIG. 3A is S 1 , S 42 , S 7 , S 44 of FIG. 2, and the electronic switch S 18 of FIG. 3A is S 2 , S 32 , S 8 , S 34 of FIG. 2, The electronic switch S 19 of FIG. 3A corresponds to S 31 , S 5 , S 33 , and S 9 of FIG. 2, and the electronic switch S 20 of FIG. 3A corresponds to S 41 , S 6 , S 43 , and S 10 of FIG. 2. In addition, the capacitance C of FIG. 3A is a capacitance Ce between the dielectric plates for detecting
도 3a 및 도 3b의 도면들을 참조하여, 도 3a의 기본 회로에 대한 제어 원리를 설명하기로 한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 적용될 제어 펄스 신호의 주기는 T이고, 상기 주기 T는 제1 제어 주기 T1 및 제2 제어 주기 T2로써 이루어진다. 도 3a에서 참조 부호 V1은 입력 전압, I는 전류, 그리고 V2는 출력 전압을 나타낸다. 도 3b에서 참조 부호 V는 전압, t는 시간을 나타낸다. 제1 제어 주기 T1 동안, 전자적 스위치 S17과 S20을 온(On)시키고 S18과 S19를 오프(Off)시키면, 이동 전하량 Q1은 아래의 수학식 1로써 구해진다.Referring to the drawings of FIGS. 3A and 3B, the control principle for the basic circuit of FIG. 3A will be described. As shown in Fig. 3B, the period of the control pulse signal to be applied is T, and the period T consists of the first control period T1 and the second control period T2. In Fig. 3A, reference numeral V1 denotes an input voltage, I denotes a current, and V2 denotes an output voltage. In FIG. 3B, reference numeral V denotes a voltage and t denotes a time. During the first control period T1, when the electronic switches S17 and S20 are turned on and S18 and S19 are turned off, the moving charge amount Q1 is obtained by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
Q1 = C( V1 - V2 )Q1 = C (V1-V2)
제2 제어 주기 T2 동안, 전자적 스위치 S17과 S20을 오프(Off)시키고 S18과 S19를 온(On)시키면, 캐페시터 C는 방전하여 그 내부 전하량은 0(零)이 된다. 따라서 한 주기 T 동안 전자적 스위치 S17과 S20을 통과하는 평균 이동 전하량 Q는 아래의 수학식 2로써 구해진다.During the second control period T2, when the electronic switches S17 and S20 are turned off and S18 and S19 are turned on, the capacitor C discharges so that its internal charge amount is zero. Therefore, the average amount of moving charges Q passing through the electronic switches S17 and S20 during one period T is obtained by the following equation (2).
[수학식 2][Equation 2]
Q = C( V1 - V2 ) = ITQ = C (V1-V2) = I T
여기서 제어 펄스 신호의 주파수를 f라 하면, 도 3a의 기본 회로에 대한 등가 저항 R은 아래의 수학식 3으로써 구해진다.Here, if the frequency of the control pulse signal is f, the equivalent resistance R for the basic circuit of Fig. 3A is obtained by the following equation (3).
[수학식 3][Equation 3]
R = ( V1 - V2 ) / I = T / C = 1 / ( fC )R = (V1-V2) / I = T / C = 1 / (f C)
즉, 상기와 같이 제어 펄스 신호로써 전자적 스위치들(S17, ...S20)을 동작시킴으로써, 도 3a의 기본 회로는 상기 등가 저항 R의 기능을 수행함을 알 수 있다.That is, by operating the electronic switches (S17, ... S20) as a control pulse signal as described above, it can be seen that the basic circuit of Figure 3a performs the function of the equivalent resistor R.
한편, 제1 제어 주기 T1 동안, 전자적 스위치 S17과 S19를 온(On)시키고 S18과 S20을 오프(Off)시키면, 이동 전하량 Q1은 아래의 수학식 4로써 구해진다.On the other hand, when the electronic switches S17 and S19 are turned on and S18 and S20 are turned off during the first control period T1, the moving charge amount Q1 is obtained by the following equation (4).
[수학식 4][Equation 4]
Q1 = CV1Q1 = C V1
제2 제어 주기 T2 동안, 전자적 스위치 S17과 S19를 오프(Off)시키고 S18과 S20을 온(On)시키면, 이동 전하량 Q2는 아래의 수학식 5로써 구해진다.During the second control period T2, when the electronic switches S17 and S19 are turned off and S18 and S20 are turned on, the mobile charge amount Q2 is obtained by the following expression (5).
[수학식 5][Equation 5]
Q2 = CV2Q2 = C V2
따라서 한 주기 T 동안 전자적 스위치 S17과 S20을 통과하는 평균 이동 전하량 Q는 아래의 수학식 6으로써 구해진다.Therefore, the average amount of moving charges Q passing through the electronic switches S17 and S20 during one period T is obtained by the following equation (6).
[수학식 6][Equation 6]
Q = Q1 - Q2 = C( V1 - V2 ) = - ITQ = Q1-Q2 = C (V1-V2) =-I T
상기 수학식 6에서 전류 I에 음의 부호 (-)가 붙은 이유는, 전류의 방향이 도 3a에 도시된 I의 방향과 반대이기 때문이다.The reason why the negative sign (-) is attached to the current I in Equation 6 is because the direction of the current is opposite to the direction of I shown in FIG. 3A.
여기서 제어 펄스 신호의 주파수를 f라 하면, 도 3a의 기본 회로에 대한 등가 저항 R은 아래의 수학식 7로써 구해진다.Here, if the frequency of the control pulse signal is f, the equivalent resistance R for the basic circuit of Fig. 3A is obtained by the following equation (7).
[수학식 7][Equation 7]
- R = ( V1 - V2 ) / I = T / C = 1 / ( fC )R = (V1-V2) / I = T / C = 1 / (f C)
즉, 상기와 같이 제어 펄스 신호로써 전자적 스위치들(S17, ...S20)을 동작시킴으로써, 도 3a의 기본 회로는 상기 부성 등가 저항 - R의 기능을 수행함을 알 수 있다.That is, by operating the electronic switches (S17, ... S20) as a control pulse signal as described above, it can be seen that the basic circuit of Figure 3a performs the function of the negative equivalent resistance-R.
이상 설명된 바와 같이, 제어 펄스 신호로써 전자적 스위치들(S17, ...S20)을 동작시킴으로써, 도 3a의 기본 회로는 상기 등가 저항 R 또는 부성 등가 저항 - R의 기능을 수행함을 알 수 있다. 이와 같은 특성 및 연산 증폭기를 이용하여, 도 2의 액체 레벨 검출기의 전체적 회로는 도 4의 등가 회로로서 표현될 수 있다. 즉, 제1 전자적 스위칭 회로(도 2의 B1)에서 레벨 검출용 제3 극판(도 1의 21)과 제4 극판(도 1의 22) 사이의 정전 용량(Cd)에 반비례하는 전기적 등가 저항 -Rd를 발생시킬 수 있다. 또한, 제2 전자적 스위칭 회로(도 2의 B2)에서 유전율 검출용 제1 극판(도 1의 11)과 제2 극판(도 1의 12) 사이의 정전 용량(Ce)에 반비례하는 전기적 등가 저항 Re를 발생시킬 수 있다. 또한, 제1-1 전자적 스위칭 회로(도 2의 B1-1)는 제1 캐페시터의 정전 용량(C1)에 반비례하는 전기적 등가 저항 R1을 발생시킬 수 있다. 그리고, 제2-1 전자적 스위칭 회로(도 2의 B2-1)는, 제2 전자적 스위칭 회로(B2)와 병렬 연결되어 제2 캐페시터의 정전 용량(C2)에 반비례하는 전기적 등가 저항 -R2를 발생시킬 수 있다.As described above, by operating the electronic switches (S17, ... S20) as a control pulse signal, it can be seen that the basic circuit of Figure 3a performs the function of the equivalent resistance R or negative equivalent resistance -R. Using this characteristic and operational amplifier, the overall circuit of the liquid level detector of FIG. 2 can be represented as the equivalent circuit of FIG. In other words, an electrical equivalent resistance inversely proportional to the capacitance Cd between the third electrode plate 21 (see FIG. 1) and the fourth electrode plate 22 (FIG. 1) for level detection in the first electronic switching circuit B1. Rd may be generated. In addition, in the second electronic switching circuit B2 of FIG. 2, an electrical equivalent resistance Re inversely proportional to the capacitance Ce between the
따라서, 액체 레벨 검출기의 출력 전압 Vout은, 레벨 검출용 제3 극판(21)과 제4 극판(22) 사이의 정전 용량 Cd에 비례하고, 유전율 검출용 제1 극판(11)과 제2 극판(12) 사이의 정전 용량 Ce에 반비례하므로, 액체의 유전율이 상쇄되어 영향을 받지 않고 액면 높이(도 1의 H)에만 비례한다. 한편, 제1-1 전자적 스위칭 회로(B1-1) 및 제2-1 전자적 스위칭 회로(B2-1)로써 적절한 등가 저항이 발생되게 하여, 액체 레벨 검출기의 출력 전압 Vout의 정밀도를 높일 수 있다. 이와 관련된 구체적 작용을 아래에 설명한다.Therefore, the output voltage Vout of the liquid level detector is proportional to the capacitance Cd between the
도 4에서, 등가 저항 -Rd와 R1의 합성 저항을 RT1, Re와 -R2의 합성 저항을 RT2라 하면, 기준 입력 전압 Vk에 대한 출력 전압 Vout의 비율은 아래의 수학식 8로써 구해진다.In FIG. 4, when the combined resistance of the equivalent resistors -Rd and R 1 is R T1 , and the combined resistance of Re and -R 2 is R T2 , the ratio of the output voltage Vout to the reference input voltage Vk Is obtained by Equation 8 below.
[수학식 8][Equation 8]
= - =-
상기 수학식 8에서, 등가 저항 -Rd와 R1의 합성 저항 RT1은 아래의 수학식 9로써 구해진다.In Equation 8, the combined resistance R T1 of the equivalent resistance -Rd and R 1 is obtained by Equation 9 below.
[수학식 9][Equation 9]
= =
상기 수학식 3을 참조하면, 등가 저항 R1은이고 Rd는이다. 여기서 f는 상기 제어 펄스 신호의 주파수를 나타낸다. 이를 상기 수학식 9에 대입하면, 아래의 수학식 10이 성립한다.Referring to Equation 3, the equivalent resistance R 1 is And Rd is to be. Where f represents the frequency of the control pulse signal. Substituting this into Equation 9, Equation 10 below holds.
[수학식 10][Equation 10]
= =
이와 마찬가지로, 등가 저항 Re와 -R2의 합성 저항 RT2는 아래의 수학식 11로써 구해진다.Similarly, the equivalent resistance Re and the composite resistance R T2 of -R 2 are obtained by the following equation (11).
[수학식 11][Equation 11]
= =
여기서, 등가 저항 Re는이고 R2는이므로, 이를 상기 수학식 11에 대입하면, 아래의 수학식 12가 성립한다.Where equivalent resistance Re is And R 2 is Therefore, by substituting this into
[수학식 12][Equation 12]
= =
상기 수학식 10 및 12를 상기 수학식 8에 대입하면, 아래의 수학식 13이 성립한다.Substituting
[수학식 13][Equation 13]
= - =-
= - =-
= =
여기서, 유전율 검출용 극판들(도 1의 11, 12) 사이의 정전 용량 Ce는, 도 1의 도면에 도시된 구조에서 아래의 수학식 14에 의하여 구해진다.Here, the capacitance Ce between the dielectric plates for detecting the
[수학식 14][Equation 14]
Ce = aL1 / dCe = a L1 / d
= aL1 0 r/ d= a L1 0 r / d
= Ke r = Ke r
여기서,은 액체의 유전율, 0는 유전 상수( 약 8.85510-12), r은 액체의 비유전율(比誘電率), 그리고 Ke는 유전율 검출용 극판들(도 1의 11, 12)의 구조에 따른 상수이다. 따라서, 유전율 검출용 극판들(도 1의 11, 12) 사이의 정전 용량 Ce는 액체의 비유전율 r에 정비례한다.here, Permittivity of silver liquid, 0 is the dielectric constant (approximately 8.855) 10 -12 ), r is the relative dielectric constant of the liquid, and Ke is a constant according to the structure of the electrode plates for detecting the dielectric constant (11, 12 of FIG. 1). Therefore, the capacitance Ce between the dielectric plates for detecting
한편, 레벨 검출용 극판들(도 1의 21, 22) 사이의 정전 용량 Cd는, 도 1의 도면에 도시된 구조에서, 액체가 채워지지 않은 공간의 정전 용량과 액체가 채워진 영역의 정전 용량의 합이다. 따라서 상기 레벨 검출용 극판들(21, 22) 사이의 정전 용량 Cd는 아래의 수학식 15에 의하여 구해진다.On the other hand, the capacitance Cd between the level detecting
[수학식 15][Equation 15]
Cd = 액체가 채워지지 않은 공간의 정전 용량 + 액체가 채워진 영역의 정전 용량Cd = capacitance of the liquid-filled space + capacitance of the liquid-filled area
= a(L2 - H) 0/ d + aH 0 r/ d= a (L2-H) 0 / d + a H 0 r / d
상기 액체가 채워지지 않은 공간의 정전 용량은 공기(air)에 의한 정전 용량이다. 여기서 공기의 비유전율은 1 이므로, 그 유전율은 유전 상수 0와 같다. 레벨 검출용 극판들(21, 22)의 높이 L2에 대한 액면 높이 H의 비율(H/L2)을 Hr이라 하면, 액면 높이 H는 L2Hr 이다. 이를 상기 수학식 16에 대입하면, 아래의 수학식 16이 성립한다.The capacitance of the space not filled with liquid is the capacitance by air. Since the relative dielectric constant of air is 1, the dielectric constant is dielectric constant Same as 0 When the ratio H / L2 of the liquid level H to the height L2 of the
[수학식 16][Equation 16]
Cd = a(L2 - L2Hr) 0/ d + aL2Hr 0 r/ dCd = a (L2-L2 Hr) 0 / d + a L2 Hr 0 r / d
= aL2(1 - Hr) 0/ d + aL2Hr 0 r/ d= a L2 (1-Hr) 0 / d + a L2 Hr 0 r / d
여기서 (aL2 0) / d를 상수 Kd라 하면, 상기 수학식 16은 아래의 수학식 17과 같다.Where (a L2 When 0 ) / d is a constant Kd, Equation 16 is expressed by Equation 17 below.
[수학식 17][Equation 17]
Cd = Kd(1 - Hr) + KdHr r Cd = Kd (1-Hr) + Kd Hr r
= Kd - KdHr + KdHr r = Kd-Kd Hr + Kd Hr r
= KdHr r- KdHr + Kd= Kd Hr r -Kd Hr + Kd
= KdHr( r- 1) + Kd= Kd Hr ( r -1) + Kd
따라서 상기 수학식 14 및 17을 상기 수학식 13에 대입하면, 아래의 수학식 18이 성립한다.Therefore, by substituting Equations 14 and 17 into Equation 13, Equation 18 below holds.
[수학식 18]Equation 18
= =
= =
= =
상기 수학식 18에서, 제1 캐페시터의 정전 용량 C1을 Kd의 값과 동일하게, 그리고 제2 캐페시터의 정전 용량 C2를 Ke의 값과 동일하게 설정하면, 아래의 수학식 19가 성립한다.In Equation 18, when the capacitance C 1 of the first capacitor is set equal to the value of Kd and the capacitance C 2 of the second capacitor is equal to the value of Ke, Equation 19 below is established.
[수학식 19][Equation 19]
= =
= =
따라서 액체 레벨 검출기의 출력 전압 Vout은 아래의 수학식 20에 따라 발생된다.Therefore, the output voltage Vout of the liquid level detector is generated according to Equation 20 below.
[수학식 20][Equation 20]
= =
즉, 액체 레벨 검출기의 출력 전압 Vout은, 액체의 유전율이 상쇄되어 영향을 받지 않고 액면 높이에만 비례함을 알 수 있다.That is, it can be seen that the output voltage Vout of the liquid level detector is proportional to only the liquid level without being affected by the dielectric constant of the liquid being canceled.
한편, 각 전자적 스위칭 회로(도 2의 B1, B2, B1-1, B2-1)에 적용될 제어 펄스 신호의 위상을 적절히 조정함으로써, 도 2의 액체 레벨 검출기의 회로를 도 5의 회로와 같이 간략화할 수 있다. 즉, 도 5의 전자적 스위치 S3은 도 2의 전자적 스위치들 S31, S32, S33및 S34의 기능을 수행할 수 있고, 도 5의 전자적 스위치 S4는 도 2의 전자적 스위치들 S41, S42, S43및 S44의 기능을 수행할 수 있다.On the other hand, by appropriately adjusting the phase of the control pulse signal to be applied to each of the electronic switching circuits (B1, B2, B1-1, and B2-1 in FIG. 2), the circuit of the liquid level detector of FIG. 2 is simplified as in the circuit of FIG. can do. That is, the electronic switch S 3 of FIG. 5 may perform the functions of the electronic switches S 31 , S 32 , S 33 and S 34 of FIG. 2, and the electronic switch S 4 of FIG. 5 is the electronic switches S of FIG. 2. 41 , S 42 , S 43 and S 44 can perform the functions.
이상 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 액체 레벨 검출기에 의하면, 부력 메카니즘을 이용하지 않고서도 액체의 유전율에 영향을 받지 않으므로, 그 수명이 연장될 뿐만 아니라, 검출의 호완성 및 정밀도가 향상된다.As described above, according to the liquid level detector according to the present invention, since it is not influenced by the permittivity of the liquid even without using the buoyancy mechanism, the life thereof is extended, and the compatability and precision of the detection are improved.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and modifications and improvements are possible at the level of those skilled in the art.
Claims (6)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101264943B1 (en) | 2004-12-22 | 2013-05-15 | 이너지 오토모티브 시스템즈 리서치 (소시에떼 아노님) | Capacitive liquid level sensor and level-estimation method |
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CN113218470B (en) * | 2021-04-19 | 2023-09-05 | 上海应用技术大学 | Test tube liquid level detection device and detection method |
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- 1997-05-27 KR KR1019970020984A patent/KR100211114B1/en not_active IP Right Cessation
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