KR100532041B1 - 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨유량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

고가의 정밀 클록 및 카운터를 적용하지 않고 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 유량 측정 장치는 초음파 트랜스듀서에서의 초음파 출사와 유체를 거친 초음파의 입사에 연동되며 초음파의 출사 시점에 동기된 제1 펄스와 유체를 거친 초음파의 입사 시점에 동기된 제2 펄스를 생성하는 펄스 처리부와, 제2 펄스의 입력시 입력 직전의 기준클록 발생 시점으로부터 소정 개수의 기준 클록 경과시점까지 콘덴서를 방전시킨 후 상기 콘덴서의 충전을 개시하며 소정의 임계 전압으로 충전되면 충전 완료 신호를 출력하는 펄스 확장 제어부와, 상기 펄스 처리부로부터 출력된 제1 펄스의 입력 시점부터 제2 펄스의 입력 시점까지 기준 클록을 카운트하여 거친 카운트값을 구하고, 충전 개시 시점에서 충전 완료 시점까지 기준 클록을 카운트하여 미세 역카운트값을 구하는 카운터와, 거친 카운트값과, 미세 역카운트값을 기초로 구한 미세 카운트값을 사용하여 초음파의 전달 시간차를 연산하는 시간차 연산부, 및 전달 시간차를 기초로 유체의 유량을 구하는 유량 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치{Flow meter having improved measuring preciseness using charging/discharging characteristics of capacitor}

본 발명은 물 또는 유체의 사용량을 측정하는 유량 측정 장치에 관한 것으로, 특히 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치에 관한 것이다.

일반적인 유량 측정 장치는 초음파 트랜스듀서를 사용하여 펄스를 발사하고 수신하여 그 시간 차이를 측정한다. 시간차이를 측정하기 위해서는 장치내에 일정한 주파수의 펄스 발생기가 구비되고 그 펄스 발생기에서 출력된 펄스를 카운트한다.

하지만, 상기와 같은 일반적인 유량 측정 장치의 정밀도는 나노초 단위에 불과하기 때문에 정밀한 유량 측정에 한계가 있다는 문제점이 있으며, 정밀한 클록과 카운터를 적용하면 단가가 지나치게 높아진다는 한계가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고가의 정밀 클록 및 카운터를 적용하지 않고 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 유량 측정 장치는 유체로 초음파를 출사하고 유체를 거친 초음파를 입사하는 초음파 트랜스듀서를 구비하여 상기 출사된 초음파와 입사된 초음파의 시간 차이를 사용하여 유체의 유량을 측정하는 유량 측정 장치에 있어서,

초음파 트랜스듀서에서의 초음파 출사와 유체를 거친 초음파의 입사에 연동되며 초음파의 출사 시점에 동기된 제1 펄스와 유체를 거친 초음파의 입사 시점에 동기된 제2 펄스를 생성하는 펄스 처리부; 제2 펄스의 입력시 입력 직전의 기준클록 발생 시점에 대하여 소정 개수의 기준 클록 경과시점까지 콘덴서를 방전시킨 후 상기 콘덴서의 충전을 개시하며 소정의 임계 전압으로 충전되면 충전 완료 신호를 출력하는 펄스 확장 제어부; 상기 펄스 처리부로부터 출력된 제1 펄스의 입력 시점부터 제2 펄스의 입력 시점까지 기준 클록을 카운트하여 거친 카운트값을 구하고, 충전 개시 시점에서 충전 완료 시점까지 기준 클록을 카운트하여 미세 역카운트값을 구하는 카운터; 거친 카운트값과, 미세 역카운트값을 기초로 구한 미세 카운트값을 사용하여 초음파의 전달 시간차를 연산하는 시간차 연산부; 및 전달 시간차를 기초로 유체의 유량을 구하는 유량 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펄스 확장 제어부는 제2 펄스의 입력 시점에 콘덴서의 방전을 개시하기 위한 방전 개시 신호를 출력하며, 소정 개수의 기준 클록 경과시점 직후 충전 개시 신호를 출력하는 스위치 제어부; 방전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 방전시키고 충전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 충전시키도록 개폐되는 스위치; 상기 스위치의 개폐에 따라 충전 또는 방전되는 콘덴서; 및 상기 콘덴서의 충전 전압을 측정하여 측정된 충전 전압이 소정의 임계 전압에 도달하면 충전 완료 신호를 출력하는 전압 측정부;를 포함하고, 상기 카운터는 상기 충전 개시 신호 시점부터 충전 완료 신호 시점까지 카운트한 결과값을 미세 역카운트값으로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 시간차 연산부는 거친 카운트값을 기준으로 할 때 유체내 초음파 전달 시간 차이의 변화가 소정 횟수에 걸친 평균과의 편차가 소정값 범위를 초과하지 않으면 미세 카운트값을 적용하고 소정값 범위를 초과하면 미세 카운트값을 적용하지 않으며, 유체 내에서의 펄스 전달 조건이 열악한 것에 대응하기 위하여 상기 충방전, 전압 측정, 및 카운트, 방전될때까지의 시간과 충전될 때까지의 시간을 복수회 측정하고 측정된 결과를 평균화하여 보정하는 단계를 수행하는 것이 보다 바람직하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량 측정 장치의 구조를 도시한 블록도, 도 2는 도 1의 유량 측정 장치의 주요 제어 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 도 2는 이하에서 수시로 참조된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유량 측정 장치는 유체로 초음파를 출사(단계 S202)하고 유체를 거친 초음파를 입사하는 초음파 트랜스듀서(10)를 구비하여 상기 출사된 초음파와 입사된 초음파의 시간 차이를 사용하여 유체의 유량을 측정하는 유량 측정 장치에 관한 것으로 펄스 처리부(12), 기준 클록 발생부(140)를 구비하는 카운터(14), 펄스 확장 제어부(16), 시간차 연산부(17), 및 유량 계산부(18)를 포함한다.

펄스 처리부(12)는 초음파 트랜스듀서(10)에서의 초음파 출사(단계 S202)와 유체를 거친 초음파의 입사에 연동되며 초음파의 출사 시점에 동기된 제1 펄스(OUT_PULSE)와 유체를 거친 초음파의 입사 시점에 동기된 제2 펄스(IN_PULSE)를 생성한다.

카운터(14)는 초음파 펄스가 출사되었는지를 체크(단계 S202)하여 초음파 펄스가 출사되었으면 기준 펄스를 사용한 거친 카운트(단계 S204)하고 초음파 펄스가 입사되었는지를 체크(단계 S206)하여 초음파 펄스가 입사되지 않았으면 기준 펄스를 사용한 거친 카운트(단계 S204)를 계속한다.

한편, 펄스 확장 제어부(16)는 제2 펄스(IN_PULSE)의 입력 시점부터 소정 개수의 기준 클록 경과시점까지 콘덴서를 방전시킨 후 상기 콘덴서의 충전을 개시하며 소정의 임계 전압으로 충전되면 충전 완료 신호를 출력한다. 도 3은 도 1의 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위하여 초음파 입사 시점에서 콘덴서의 방전 과정을 나타낸 파형도이다. 도 3을 참조하면,초음파 출사 시점부터 기준 클록을 그대로 사용한 거친 카운트가 개시되고, 이는 유체를 거쳐 초음파가 입사되면, 거친 카운트는 종료되고, 초음파 입사를 나타내는 제2 펄스(IN_PULSE)의 입력 시점부터 소정 개수의 기준 클록 경과시점, 도 3에서는 초음파 입사이후 2 기준 클록(라이징 에지 갯수)까지 콘덴서를 방전(단계 S208)시킨다. 예를들어,시점에 초음파 입사되면 그로부터 방전을 개시하여 입사 직전 기준 클록 발생 시점으로부터 2 기준 클록까지의 시간에 해당하는 시간까지 콘덴서를 방전시키며, 시점에 초음파 입사되면 그로부터 방전을 개시하여 입사 직전 기준 클록 발생시점에 대하여 2 기준 클록까지의 시간에 해당하는 시간동안 콘덴서를 방전시킨다.

여기서, 직전 기준 클록의 발생시점으로부터 짧은 시간에 초음파 입사되면 방전 시간이 길고, 직전 기준 클록의 발생 시점으로부터 긴 시간에 초음파 입사되면 방전 시간이 짧아짐에 주목할 필요가 있다. 도 4는 도 1의 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위하여 콘덴서의 충전 과정과 확장된 펄스 카운트 과정을 설명하기 위한 파형도이다. 도 4를 참조하면, 방전이 종료되면 즉시 재충전이 개시되는데 콘덴서의 특성상 이미 충전이 되어 있는 잔량, 즉, 충전 전압이 크면 완충되는데 까지의 시간이 적게 걸리게 된다. 따라서, 방전의 시간이 상대적으로 짧았던 기간에 대하여는 기간에 비하여 콘덴서의 전압이 높다. 이로 인하여 시점에 대한 미세 역카운트값 은 시점에 대한 미세 역카운트값에 비하여 짧다. 여기서, 콘덴서의 방전시간에 비례하여 완충되는데 소요되는 시간이 늘어나게 된다는 것에 주목할 필요가 있다. 이로써, 카운터(14)는 상기 펄스 처리부(16)로부터 출력된 제1 펄스(OUT_PULSE)의 입력 시점부터 제2 펄스(IN_PULSE)의 입력 시점까지 기준 클록을 카운트(단계 S204)하여 거친 카운트값(CNT_COARSE)을 구하고, 소정의 임계 전압 이상 충전되었는지를 체크(단계 S212)하면서 소정 전압 이상 충전될 때까지 확장된 펄스 카운트로 이해될 수 있는 미세 카운트를 수행(단계 S210)한다. 도 4를 참조하면, 충전 개시 시점에서 충전 완료 시점까지 기준 클록을 카운트하여 미세 역카운트값(I_CNT_FINE: 도 4의 또는)을 구한다.

이제, 시간차 연산부(17)는 거친 카운트값(CNT_COARSE)과, 미세 역카운트값(I_CNT_FINE)을 기초로 구한 미세 카운트값(CNT_FINE)을 사용하여 초음파의 전달 시간차를 연산한다. 초음파 입사 직전 기준 클록 발생시점부터 2 기준 클록까지의 시간은 일정한 값으로서, 상수 라 하면,

의 관계가 성립하게 된다. 따라서, 위에서 구한 미세 역카운트값(I_CNT_FINE: 또는)으로부터 미세 카운트값(CNT_FINE : 또는 )을 구할 수 있고, 이제, 거친 카운트값과 미세 카운트값을 더하여(단계 S214) 전달 시간차를 구할 수 있다.

이제, 유량 계산부(18)는 전달 시간차를 기초로 유체의 유량을 구한다. 전달 시간차를 이용하여 유체의 유량을 구하는 방법은 당해 기술 분야에서 잘 기술되어 있으므로 본원 발명의 핵심을 흐뜨러뜨리지 않도록 설명을 생략한다.

위 실시예에서, 펄스 확장 제어부(16)는 스위치 제어부(162), 스위치(164), 콘덴서(166), 및 전압 측정부(168)를 포함한다. 스위치 제어부(162)는 제2 펄스의 입력 시점에 콘덴서의 방전을 개시하기 위한 방전 개시 신호를 출력하며, 소정 개수의 기준 클록 경과시점 직후 충전 개시 신호를 출력한다. 스위치(164)는 방전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 방전시키고 충전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 충전시키도록 개폐된다. 콘덴서(166)는 상기 스위치의 개폐에 따라 충전 또는 방전된다. 전압 측정부(168)는 상기 콘덴서(166)의 충전 전압을 측정하여 측정된 충전 전압이 소정의 임계 전압에 도달하면 충전 완료 신호(END_CHARGE)를 출력한다. 카운터(14)는 상기 충전 개시 신호 시점부터 충전 완료 신호(END_CHARGE) 시점까지 카운트한 결과값을 미세 역카운트값으로 사용함을 알 수 있다.

한편, 유체의 움직임은 복잡한 양상을 나타내는 경우가 많고 환경에 의하여 변할 뿐만 아니라 유체내에서의 초음파 신호는 측정이 매우 까다로울 정도로 변화가 심하여 정밀도를 높이는 것도 중요하지만 올바른 데이터는 취하고 그렇지 않은 데이터는 골라내어 사용하지 않을 필요가 있다. 이를 위하여, 시간차 연산부(17)는 거친 카운트값을 기준으로 할 때 유체내 초음파 전달 시간 차이의 변화가 소정 횟수에 걸친 평균, 예를들어 총 5회 평균과의 편차가 소정값 범위, 예를 들어, 10%를 초과하지 않으면 미세 카운트값을 적용하고 소정값 범위, 예를들어, 10%를 초과하면 미세 카운트값을 적용하지 않을 것이 바람직하다. 또한, 유체 내에서의 펄스 전달 조건이 열악한 것에 대응하기 위하여 상기 충방전, 전압 측정, 및 카운트, 방전될때까지의 시간과 충전될 때까지의 시간을 복수회 측정하고 측정된 결과를 평균화하여 보정하는 단계를 수행하는 것이 보다 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 유량 측정 장치는 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치는 고가의 정밀 클록 및 카운터를 적용하지 않고 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고가의 정밀 클록 및 카운터를 적용하지 않고 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상된 유량 측정 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량 측정 장치의 구조를 도시한 블록도,

도 2는 도 1의 유량 측정 장치의 주요 제어 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도,

도 3은 도 1의 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위하여 초음파 입사 시점에서 콘덴서의 방전 과정을 나타낸 파형도, 및

도 4는 도 1의 유량 측정 장치의 동작을 설명하기 위하여 콘덴서의 충전 과정과 확장된 펄스 카운트 과정을 설명하기 위한 파형도.

Claims (3)

1. 유체로 초음파를 출사하고 유체를 거친 초음파를 입사하는 초음파 트랜스듀서를 구비하여 상기 출사된 초음파와 입사된 초음파의 시간 차이를 사용하여 유체의 유량을 측정하는 유량 측정 장치에 있어서,

   초음파 트랜스듀서에서의 초음파 출사와 유체를 거친 초음파의 입사에 연동되며 초음파의 출사 시점에 동기된 제1 펄스와 유체를 거친 초음파의 입사 시점에 동기된 제2 펄스를 생성하는 펄스 처리부;

   제2 펄스의 입력시 입력 직전의 기준클록 발생 시점으로부터 소정 개수의 기준 클록 경과시점까지 콘덴서를 방전시킨 후 상기 콘덴서의 충전을 개시하며 소정의 임계 전압으로 충전되면 충전 완료 신호를 출력하는 펄스 확장 제어부;

   상기 펄스 처리부로부터 출력된 제1 펄스의 입력 시점부터 제2 펄스의 입력 시점까지 기준 클록을 카운트하여 거친 카운트값을 구하고, 충전 개시 시점에서 충전 완료 시점까지 기준 클록을 카운트하여 미세 역카운트값을 구하는 카운터;

   거친 카운트값과, 미세 역카운트값을 기초로 구한 미세 카운트값을 사용하여 초음파의 전달 시간차를 연산하는 시간차 연산부; 및

   전달 시간차를 기초로 유체의 유량을 구하는 유량 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 확장 제어부는,

   제2 펄스의 입력 시점에 콘덴서의 방전을 개시하기 위한 방전 개시 신호를 출력하며, 소정 개수의 기준 클록 경과시점 직후 충전 개시 신호를 출력하는 스위치 제어부;

   방전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 방전시키고 충전 개시 신호에 응답하여 콘덴서를 충전시키도록 개폐되는 스위치;

   상기 스위치의 개폐에 따라 충전 또는 방전되는 콘덴서; 및

   상기 콘덴서의 충전 전압을 측정하여 측정된 충전 전압이 소정의 임계 전압에 도달하면 충전 완료 신호를 출력하는 전압 측정부;를 포함하고,

   상기 카운터는 상기 충전 개시 신호 시점부터 충전 완료 신호 시점까지 카운트한 결과값을 미세 역카운트값으로 사용하는 것을 특징으로 하는 콘덴서의 충방전 특성을 이용하여 측정 정밀도를 향상시킨 유량 측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 시간차 연산부는,

   거친 카운트값을 기준으로 할 때 유체내 초음파 전달 시간 차이의 변화가 소정 횟수에 걸친 평균과의 편차가 소정값 범위를 초과하지 않으면 미세 카운트값을 적용하고 소정값 범위를 초과하면 미세 카운트값을 적용하지 않으며,

   유체 내에서의 펄스 전달 조건이 열악한 것에 대응하기 위하여 상기 충방전, 전압 측정, 및 카운트, 방전될때까지의 시간과 충전될 때까지의 시간을 복수회 측정하고 측정된 결과를 평균화하여 보정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.