KR100533685B1

KR100533685B1 - 코일을 이용한 위치측정장치, 플로우트식 유량계 및위치측정방법

Info

Publication number: KR100533685B1
Application number: KR10-2003-0035680A
Authority: KR
Inventors: 세이지 도미타; 세쓰로 가와사키; 모토히로 소토메; 쓰요시 와타나베
Original assignee: 에스엠씨 가부시키 가이샤
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2005-12-06
Also published as: DE10325786A1; JP2004012308A; CN1467483A; US6889563B2; US20030226407A1; CN100545585C; DE10325786B4; TW200401100A; KR20030095251A; TW591212B

Abstract

플로우트식 유량계(90)는 관(91) 하부로부터 상부로 유동하는 유체의 유량을 관(91) 내에 배치된 자성재료를 포함하는 플로우트(92)의 위치에 의해 측정한다. 관(91)의 외측표면에는 인덕턴스변화 검출기(18)로부터 교류로 여자되고, 권취밀도가 서서히 치밀하게 변화하도록 코일(94)이 권취되어 있다. 인덕턴스 변화검출기(18)는 자성재료를 포함하는 플로우트(92)의 축방향 A의 이동에 따라 코일(94)의 인덕턴스의 변화를 검출하고, 검출전압 Va를 발생한다. 전압위치(유량)변환기(100)는 검출전압 Va과 위치 x(위치 x1∼x2)에 대응하는 유량 F와의 변화특성의 테이블을 참조하여 플로우(92)의 위치 x로부터 유량 F를 산출한다.

Description

코일을 이용한 위치측정장치, 플로우트식 유량계 및 위치측정방법{Position Measuring Device Using Change in Inductance of Coil, Float-type Flowmeter, and Position Measuring Method}

본 발명은, 예를 들어 10∼100[㎖/min] 정도의 유량을 측정할 수 있는 미소유량계 또는 피스톤로드 등의 진입 또는 퇴출시의 길이 등을 측정하는 측장기(length measuring unit) 등에 적용하여 적절한 코일을 이용한 위치검출장치, 플로우트식(float-type) 유량계 및 위치측정방법에 관한 것이다.

예를 들어 유체가 진한 색을 갖기 때문에 플로우트위치를 볼 수 없는 경우, 또는 플로우트위치를 검출하여 유체의 유량을 자동제어하는 경우 등, 플로우트위치를 시각에 의하지 않고 전기적으로 검출할 수 있는 플로우트식 유량계에 대한 시장의 요구가 있다.

플로우트위치를 전기적으로 검출하는 종래의 플로우트식 유량계로서, 예를 들어 일본국특개평10-38644호 공보에 공표된 기술을 들 수 있다.

이 기술은 "통관 내를 유동하는 유체의 유량에 대응하여 위치가 변화하는 플로우트를 갖는다. 통관을 금속제의 재질로 형성하고, 플로우트를 투자성 재질로 형성한다. 또 통관의 주위에 일차코일과 이차코일을 권취하여 그 플로우트를 자심으로 하는 비례가변차동변압기를 구성하고, 플로우트의 위치를 직접 전기적으로 검출한다"라는 기능을 갖는다고 공보에 기재되어 있다.

그러나, 이 공보에 기재된 기술에는 플로우트 길이를 코일의 전 길이보다 길게 하지 않으면 소정의 유량을 측정할 수 없다. 또 비례가변차동변압기의 구성이 복잡하다.

한편, 피스톤로드 등의 진입 또는 퇴출시의 길이 등을 측정하는 측장기로는 예를 들어 직선상에 미소자석이 연속적으로 자화형성된 로드, 소위 자기스케일(magnescale)을 이용한 것도 고려되고 있지만, 고가이고 회로구성이 복잡하다는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 구조가 간단하고 단가가 낮으며 전기적인 출력을 얻을 수 있는 위치측정장치, 플로우트식 유량계 및 위치측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 위치측정장치, 플로우트식 유량계 및 위치측정방법에서는 교류에 의해 여자되는 코일을 사용하고, 축상의 자속밀도가 코일의 길이방향으로 서서히 변화(감소 또는 증가)하도록 권취된 컨덕터를 포함한다. 상기 코일의 축방향을 따라 상대이동하는 자성재료를 포함하는 이동자의 위치는 상기 이동자의 상대이동에 따라 코일의 인덕턴스의 변화에 기초하여 측정된다.

구체적으로 본 발명의 위치측정장치는 코일, 이동자, 인덕턴스변화검출기, 위치산출기를 구비한다. 코일은 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체가 권취되어 있다. 이동자는 자성재료로 상기 코일의 축방향으로 평행하게 이동가능하게 되어 있다. 인덕턴스변화검출기에 의해 코일이 교류로 여자되고, 이동자의 이동에 따라 코일의 인덕턴스의 변화가 검출된다. 위치산출기는 검출된 인덕턴스의 변화에 기초하여 이동자의 축방향의 위치를 구한다(제1항의 발명).

본 발명에 의하면 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 권취된 코일을 교류여자하고, 교류여자된 코일의 축방향에 평행하게 자성재료의 이동자를 이동시킴에 따라 자속밀도가 작은 쪽으로 이동자가 위치하는 경우에 비해서 자속밀도가 큰 쪽으로 이동자가 위치하는 경우가 인덕턴스의 변화가 보다 크게 된다는 원리를 이용하여 이동자의 축방향의 위치를 구하도록 하고 있다.

이 때문에, 이동자의 길이를 코일의 전 길이에 비해 비교적 짧게 할 수 있다. 또 코일은 차동코일(differential coil)에 비교하여 구성이 간단하다. 또 이동자의 위치를 전기출력으로 구할 수 있다.

이경우, 인덕턴스변화검출기는 인덕턴스변화를 발진주파수의 변화로 변환하는 LC발진회로로 구성할 수 있다(제2항의 발명).

또 인덕턴스변화검출기는 코일에 일정한 주파수의 교류정전류를 공급하는 교류전류원, 교류정전류에 의해 인덕턴스에 발생하는 전압을 측정하는 전압계를 포함하고, 상기 전압계에 의해 인덕턴스의 변화를 전압변화로 변환하는 구성으로 할 수 있다. 또는 인덕턴스변화검출기는 코일에 일정한 주파수의 교류정전압을 공급하는 교류전압원, 교류정전압에 의해 인덕턴스에 흐르는 전류를 측정하는 전류계를 포함하고, 상기 전류계에 의해 인덕턴스의 변화를 전류의 변화로 변환하는 구성으로 할 수 있다(제3항의 발명).

코일로는, 예를 들어 축방향과 직교하는 방향의 단면형상이 일정하고, 도체의 권취간격을 서서히 변화시킨 코일로 할 수 있다(제4항의 발명).

코일은 도체를 권취하기 위한 안내홈이 외표면에 설치된 비자성재료의 로드또는 중공로드를 사용하여 제작할 수 있다.

또 코일은 도체의 권취간격이 일정하고, 축방향과 직교하는 방향의 단면형상을 상사형상(닮은꼴)으로 서서히 변화시킨 코일로 할 수 있다(제5항의 발명). 이경우 코일은 밀착권취할 수도 있다.

또 상기 코일을 상기 축방향과 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 서서히 작게하는 경우에는 상기 도체의 권취간격을 서서히 좁게하고, 상기 축방향과 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 서서히 크게하는 경우에는 도체의 권취간격을 서서히 넓게하는 것으로, 축방향의 자속밀도 변화를 급격하게 할 수 있기 때문에, 그 결과 인덕턴스의 변화를 급격하게 할 수 있다(제6항의 발명).

또 본 발명의 위치측정장치는 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체가 권취된 코일을 복수직렬로 접속한 직렬코일, 상기 직렬코일의 축방향에 평행하게 이동가능한 자성재료의 이동자, 상기 직렬코일을 교류로 여자하고, 상기 이동자의 이동에 따라 상기 직렬코일의 인덕턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기, 상기 인덕턴스변화에 기초하여 상기 이동자의 상기 축방향의 위치를 구하는 위치산출기를 구비하는 것을 특징으로 한다(제7항의 발명).

본 발명에 의하면, 코일을 직렬로 접속하여 이용하도록 되어 있기 때문에 코일을 1개 사용하는 경우에 비해 이동자의 이동범위를 길게 할 수 있다.

또 본 발명의 플로우트식 유량계는 축을 연직방향에 일치시킨 관의 하측으로부터 상측으로 유동하는 유체의 유량을 상기 관내에 배치된 플로우트의 위치에 의해 측정하는 플로우트식 유량계에 있어서, 상기 관을 비도전 재료로 하고, 이 관의 외측표면에 직류전류가 공급될 때에는 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체를 권취하여 코일을 형성하며, 상기 플로우트에 자성재료가 포함되도록 하고, 상기 코일을 교류로 여자하고, 상기 자성재료가 포함된 상기 플로우트의 이동에 따라 상기 코일의 인덕턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기, 상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 자성재료가 포함된 플로우트의 상기 축방향의 위치를 구하는 위치검출기를 구비한 것을 특징으로 한다(제8항의 발명).

본 발명에 의하면, 유량에 따라 플로우트가 이동하고, 상기 플로우트의 이동에 따라 코일의 인덕턴스가 변화하도록 되어 있기 때문에, 플로우트의 위치를 전기적으로 검출할 수 있다. 플로우트의 위치는 미리 유량과 1대1로 대응시켜 놓을 수 있기 때문에, 플로우트의 위치를 검출하는 것만으로 유량변으로 환산할 수 있다. 플로우트의 길이는 코일의 전체 길이에 비해 짧게 할 수 있고, 비례가변차동변압기를 사용할 필요가 없기 때문에 구조가 간단할 수 있다.

또 본 발명의 이동위치측정장치는 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체가 로드에 권취된 코일을 갖는 코일부착로드, 상기 코일부착로드에 끼워져 이동이 자유로운 자성재료의 중공축, 상기 코일을 교류로 여자하여 상기 중공축의 이동에 따라 상기 코일의 인덕턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기, 상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 중공축의 축방향의 이동위치를 구하는 위치산출기를 구비하는 것을 특징으로 한다(제9항의 발명).

본 발명에 의하면, 자기스케일을 사용하지 않고 간단한 구성으로 중공부의 축방향의 이동위치를 구할 수 있다.

이 경우 코일부착로드의 중공축 내부로의 진입단측에 설치되고, 중공축의 코일부착로드에 끼워져 이동중에 중공축의 축과 코일부착로드의 축이 어긋나지 않도록 중공축의 내벽과 미끄럼이동하는 복수개의 돌기부를 갖도록 코일부착로드를 구성함에 따라 코일부착로드를 간단하게 유지할 수 있다(제10항의 발명).

또 코일부착로드의 적어도 관축에 자성재료를 사용함으로써 중공축의 이동에 따른 인덕턴스의 변화를 크게 할 수 있다(제11항의 발명).

본 발명의 위치측정방법은 축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체가 권취된 코일을 교류로 여자하고, 자성재료의 이동자를 상기 코일의 축방향에 평행하게 이동하며, 상기 이동자의 이동에 따라 상기 코일의 인덕턴스 변화를 검출하고, 검출된 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 이동자의 축방향 위치를 구할 수 있는 것을 특징으로 한다(제12항의 발명).

본 발명의 방법은 위치측정, 플로우트식 유량계, 및 측장기 등에 이용될 수 있다.

또한 코일은 도체를 권취하기 위한 안내홈이 외표면에 설치된 로드 또는 중공로드의 상기 안내홈에 상기 도체가 권취되어 있는 코일로 할 수 있다(제13항의 발명). 이와 같이 하면 코일을 간단하게 제작할 수 있다.

이하에, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 위치측정장치(10)의 원리적인 구성를 나타낸 것이다.

이 위치측정장치(10)는 직류전류가 공급될 때, 즉 직류로 여자될 때 또는 교류로 여자될 때 축방향 A를 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체(12)가 보빈인 중공로드(14) 상에 권취된 코일(16)을 갖는다.

도 1의 위치측정장치(10)에 있어서, 단자(22, 24)를 갖는 코일(16)은 축방향 A과 직교하는 방향의 단면형상이 일정 면적의 원으로 되어 있고, 도체(12)의 권취간격이 일단 측의 위치 x1으로부터 타단측의 위치 x2쪽으로 서서히 치밀하게 좁아지도록 구성되어 있다. 단면형상은 도 1의 코일(16)과 같이 원에 한정되지 않고 삼각형, 사각형, 타원형 등 적당한 형상으로 할 수 있다.

권취간격을 좁고 정확하게 서서히 변화시키기 위해서, 불소수지제 등의 수지제의 중공로드(14)의 외표면에 도체(12)를 설치하는데, 이 실시형태에서는 절연전선인 Φ0.2의 에나멜 피복동선 등을 권취하기 위한 나선상의 안내홈(미도시)이 설치되어 있다. 또한 이 실시예에서 중공로드(14)의 외경은 약 Φ=8∼10[mm]이다.

도 2에 모식적으로 강조하여 권취간격이 도시된 바와 같이, 코일(16)의 권취간격은 단자(24) 측의 위치 x2의 최초 권선은 밀착권취되어 있고, 이후 위치 x1(도 1 참조) 쪽으로 권취당 2/100[mm]씩 간격을 넓게 되도록 구성으로 되어 있다. 또한 도 2에서, d는 절연전선인 도체(12)의 직경이다. 권취방향은 도 2와 같이, 간격이 등차급수적으로 되는 권취방향이 아니라 간격이 지수관계적인 권취방향이 되도록 할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 원통상의 코일(16)은 축방향 A에 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체(12)가 중공원추상의 이형보빈(17) 상에 권취된 구성의 코일(30)로 대체할 수 있다.

이 코일(30)은 도체(12)의 권취간격이 일정하고, 출방향 A와 직교하는 방향의 단면형상을 상사형상(여기에서, 원의 상사형상)으로 서서히 변화시킨 구성의 코일이다. 단면형상은 상기 코일(16)과 마찬가지로 원형에 구애될 필요가 없고 임의의 형상으로 할 수 있다. 이 코일(30)의 경우에도 간격을 두고 권취할 때에는 도체(12)를 권취하기 위한 안내홈을 이형보빈(17)의 외주면에 설치한다. 다만 도 3의 코일(30)의 경우에는 안내홈이 불필요한 밀착권취할 수 있기 때문에 코일(30)의 단가를 절감할 수 있다. 밀착권취이어도 축방향 A를 따라 코일(30)의 단면형상에 대응하여 자속밀도가 서서히 변화하기 때문이다. 밀착권취인 경우가 자속밀도가 크기때문에 위치측정장치(10)의 다른 구성요소에 요구되는 사양을 완화할 수 있다.

또한 코일(16) 및 코일(30)의 도체(12)는 전선이 아닌 도전성 도료를 사용할 수도 있다. 이 경우 중공로드(14)로서 유리 또는 세라믹 등을 사용할 수 있다.

도 1에 도시된 위치측정장치(10)는 기본적으로 상술한 코일(16), 이 코일(16)의 축방향 A에 평행하게 이동할 수 있는 자성재료의 이동자(20), 코일(16)을 교류로 여자함과 동시에 코일(16)의 양단자(22, 24)에 접속되는 이동자(20)의 축방향 A에의 이동에 수반하는 코일(16)의 인덕턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기(18), 인덕턴스변화검출기(18)에 접속되는 이동자(20)의 축방향 A의 위치를 구하는 위치산출기로서의 전압 위치변환부(26)로 구성되어 있다.

이동자(20)는 이 실시예에서 거의 원추상의 형상으로 되어 있고, 고투자성 자성재료인 페라이트가 사용되고 있다. 이동자(20)의 축방향 A의 길이는 코일(16)의 전체 길이에 비해 상당히 길고, 예를 들어 1/5 이하의 길이로 되어 있다. 또한 이동자(20)는 코일(16)의 내부가 아닌 외부에 위치해도 된다.

인덕턴스변화검출기(18)는 일정 주파수의 교류정전류를 양단자(22, 24)를 통해 코일(16)에 공급하는 교류정전류원(28), 상기 교류정전류에 의해 코일(16)이 여자되고, 코일(16)의 인덕턴스에 발생하는 전압(= 코일(16)의 인덕턴스 ×교류전류) Va를 측정하는 전압계(32)로 구성되어 있다.

전압 위치변환부(26)는 예를 들어 마이크로컴퓨터로 구성되어 있다. 이 실시예에서의 마이크로컴퓨터는 제어, 연산, 판단기능을 하는 CPU(central processing unit), 프로그램 등이 기억되는 ROM(read only memory), 전기적으로 기입삭제 가능한 EEPROM(electric erasable programmable ROM), RAM(random acess memory), A/D변환기, D/A변환기 등의 입출력인터페이스, 시계, 타운터, 타이머 등을 포함한다.

이 경우, 페라이트제의 이동자(20)가 코일(16)의 일단측의 권취밀도가 낮은 위치 x1으로부터 권취밀도가 조밀한 타단측 위치 x2로 이동하게 되고, 자속집중도(자속밀도)가 높아지기 때문에 코일(16)의 인덕턴스는 권취간격이 좁아지는 방향으로 증가하는 경향이 있다. 따라서 코일(16)의 인덕턴스에 발생하는 전압 Va는 이 인덕턴스의 변화에 비례하여 상승한다.

도 4에서, 실선의 특성은 코일(16)의 인덕턴스에 발생하는 전압 Va의 전압 V1으로부터 전압 V2까지의 변화특성(36)을 나타내고 있다. 도 3에 도시한 코일(30)의 경우에도 마찬가지의 변화특성이 있다.

변화특성(36)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 위치 x1으로부터 이동자(20)가 축방향 A 상의 위치 x2의 방향으로 위치 x[m]분 나아가는 전압 Va[V]의 변화율[전압/단위이동거리]이 상승한다.

이 경우, 전압 위치변환부(26)의 기억수단인 EEPROM 등의 메모리에는 미리 이 변화특성(36)이 테이블 또는 연산식으로 기억된다. 전압 위치변환부(26)의 CPU는 이 변화특성(36)의 테이블를 참조하거나 연산식을 이용하여 전압계(32)로부터 입력되는 전압 Va에 기초하여 이동자(20)의 위치 x를 구할 수 있다.

또한 코일(16)의 인덕턴스에 발생하는 전압 Va의 변화특성(36)은 경시변화 또는 경년변화할 가능성이 있기 때문에 일정 시간이 경과할 때 그 때의 변화특성(36)을 학습(측정)하고, 전압 위치변환부(26)의 기억수단인 EEPROM 등의 메모리 내부를 갱신해 두는 것으로, 상항 정확하고 정밀한 측정값을 얻을 수 있다.

측정된 이동자(20)의 위치는 전압 위치변환부(26)에 의해 액정표시장치 등의 표시부(40)에 표시됨과 동시에 출력단자(42)에 아날로그출력 또는 디지탈출력으로 도출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 도 1의 위치측정장치(10)에 의하면, 이동자(20)의 길이를 코일(16)의 전체 길이보다 짧고 간단한 구성으로 할 수 있다. 또 비례 가변차동변압기를 사용하지 않기 때문에 구성이 간단하다. 그 결과 단가가 낮고 정밀한 전기출력이 얻어지는 위치측정장치(10)를 제조할 수 있다.

또한 도 1에 도시한 인덕턴스변화검출기(18)는 교류정전류원(28)에 의한 교류정전류여자방식를 채용하고 있으나, 이것 대신에 교류정전압여자방식으로 할 수도 있다. 즉 도 1중의 박스에 기재되어 있는 바와 같이 교류정전류원(28)과 전압계(32)를 각각 코일(16)에 일정 주파수의 교류정전압을 인가공급(교류정전압원)하면 교류정전압에 의해 인덕턴스에 흐르는 전류(Ia)를 측정(교류계)하는 것 대신에 그것(전류계)으로 인덕턴스의 변화를 전류변화로 변환하는 구성으로 할 수있다. 이 경우, 전압 위치변환부(26)는 (전류 위치변환부)로 대체할 수 있다.

도 5는 인덕턴스의 변화특성(36)을 보다 급격하게 하는 경우의 코일(46)의 구성을 나타낸다. 이 코일(46)은 축방향 A와 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 서서히 작아지게 될 때에는 도체(12)의 권취간격이 서서히 좁아지게 된다. 다시말하면 축방향 A와 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 서서히 커지게 될 때에는 도체(12)의 권취간격이 서서히 넓어지도록 권취한 코일이다.

이 경우, 이동자(20)가 코일(46)의 일단측의 위치 x1으로부터 타단측의 위치 x2로 이동하게 되고, 자속집중도(자속밀도)가 급격하게 높아지기 때문에 코일(46)의 인덕턴스는 권취간격이 좁아지는 방향으로 급격하게 증가하는 경향이 된다. 도 4중의 일점쇄선으로 표시된 코일(46)의 인덕턴스에 발생하는 전압 Va의 전압 V1으로부터 전압 V3로의 변화특성(48)이 이 경우의 변화특성을 나타내고 있다. 이 코일(46)을 사용하는 것으로 필요한 곳에서의 위치검출정밀도를 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위치측정장치(52)의 원리적인 구성을 나타낸다.

또한 이 위치측정장치(52)에서는 코일로서 도 3에 도시된 코일(30)을 이용하고 있지만, 도 1에 도시된 코일(16) 또는 도 5에 도시된 코일(46)을 이용할 수도 있다.

이 위치측정장치(52)는 인덕턴스변화검출기(54)를 가지며, 이 인덕턴스변화검출기(54)가 코일(30)의 양단에 접속한 콘덴서(60), 상기 코일(30)의 인덕턴스와 콘덴서(60)로 구성된 LC회로, 상기 LC회로에 접속되는 LC발진회로(56), 상기 LC발진회로(56)의 출력측에 접속되는 주파수카운터(58)로 구성되어 있다.

주파수카운터(58)의 출력측에는 마이크로컴퓨터에 의한 주파수 위치변환부(62)가 접속되고, 이 주파수 위치변환부(62)에는 표시부(40)와 출력단자(42)가 접속되어 있다.

이와 같이 구성되는 위치측정장치(52)에서는 이동자(20)의 축방향 A의 이동에 따라 코일(30)의 인덕턴스가 변화하고, 이 인덕턴스와 콘덴서(60)의 용량에서 측정하는 LC발진회로(56)의 발진신호의 발진주파수 fa가 변화한다. 이 때 코일(30)은 교류여자되어 있다.

이 발진주파수 fa의 주파수가 주파수카운터(58)에서 검출되고, 발진주파수 fa로서 주파수 위치변환부(62)에 공급된다.

주파수 위치변환부(62)는 미리 자신의 메모리에 저장되어 있는, 예를 들어 도 7에 도시된 인덕턴스의 변화에 대응하는 발진주파수 fa(발진주파수 f1∼f2)와 위치 x(위치 x1∼x2)와의 변화특성(66)의 테이블를 참조하여 이동자(20)의 현재위치 x를 산출한다. 산출된 현재위치 x는 표시부(40)에 표시되거나 또는 출력단자(42)에 공급된다.

이상 상술한 도 1 및 도 6의 위치측정장치(10, 52)를 이용한 위치측정방법에 의하면 도 8의 공정도에 나타난 바와 같이, 우선 축방향 A를 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체(12)가 권취된 코일(16, 30, 46)을 준비하는 단계 S1가 있다.

다음에 코일(16, 30, 46)에 대해서 자성재료인 이동자(20)을 코일(16, 30, 46)의 축방향 A에 평행하게 이동할 필요에 따라 정지되는 단계 S2가 있다.

이동자(20)의 이동에 따라 코일(16, 30, 46)의 인덕턴스의 변화를 검출하는 단계 S3가 있고, 검출된 인덕턴스의 변화에 기초하여 이동자(20)의 축방향의 위치를 구하는 단계 S4가 있다.

이 방법에 의하면 위치 x를 간단한 구성으로 정확하게 측정할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 블릿지형의 위치측정장치(72)의 원리적인 구성을 나타낸 것이다.

또한 이 위치측정장치(72)에서는 코일로서 도 1에 도시된 코일(16)의 권선 밀도가 높은 쪽을 대향시켜 직렬로 접속된 코일(76)을 이용하고 있다. 물론 도 3 또는 도 5에 도시된 코일(30, 46)을 직렬로 접속한 코일을 이용할 수도 있다.

이 위치측정장치(72)는 인덕턴스변화검출기(84)를 가지고 있다. 인덕턴스변화검출기(84)는 동일한 저항값을 갖는 직렬접속된 저항기(78, 80), 일정한 주파수의 교류정전압원(82), 전압계(32)로 구성되어 있다.

이 경우, 코일(76)의 양단자(22, 23)에 대하여 직렬접속한 저항기(78, 80)가 병렬로 접속되고, 코일(76)의 양단자(22, 23) 사이에 일정한 주파수의 교류정전압원(82)이 접속된다. 즉 코일(16, 16)과 저항기(78, 80)이 블릿지접속된 회로가 된다. 그리고 저항기(78, 80)의 접속점인 중심과 코일(16, 16)의 접속점인 위치 x2의 단자(24), 즉 코일(76)의 중심과의 사이의 전압 Vb가 전압계(32)에 공급된다.

전압계(32)의 출력측에는 도 1과 마찬가지로 전압 위치변환부(85)가 접속되고, 전압 위치변환부(85)에는 표시부(40)와 출력단자(42)가 접속되어 있다.

이와 같이 구성되는 위치측정장치(72)에서는 이동자(20)의 축방향 A의 이동에 따라 코일(76)의 인덕턴스가 변화하고, 중심간의 전압 Vb가 변화한다.

전압계(32)는 검출된 전압 Vb를 전압 위치변환부(85)에 공급한다.

전압 위치검출부(85)는 미리 자신의 메모리에 저장되어 있는, 예를 들어 도 10에 도시된 인덕턴스의 변화에 대응하는 전압 Vb(전압 -V4[V]∼0[V]∼+V4[V])와 위치 x(위치 x1∼x2∼x3)의 변화특성(86)의 테이블을 참조하여 이동자(20)의 현재위치 x를 산출한다. 산출된 현재위치 x는 표시부(40)에 표시되거나 또는 출력단자(42)에 공급된다.

도 9의 위치측정장치(72)에 의하면 이동자(20)에 의해 긴 이동범위에서 위치를 측정할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일실시예의 플로우트식 유량계(90)의 일부 생략구성을 나타낸다.

이 플로우트식 유량계(90)은 축을 연직방향으로 일치시킨 관(91)의 하측으로부터 상측으로 흐르는 유체의 유량을 관(91)의 중심에 배치된 플로우트(92)의 위치에 의해 측정하는 것이다.

여기에서 관(91)의 재료로서 유리, 불소수지 등의 비도전재료가 사용되고, 관(91)의 중공부는 하측으로부터 상측으로 서서히 넓어져 테이퍼형(원추대상)으로 형성되어 있다. 위에 어느 정도의 유효 단면적을 증가시키는 것으로, 짧은 관(91)에서도 측정가능한 유량을 크게할 수 있다.

관(91)의 외측표면에는 축방향 A를 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체(12)가 권취된 코일(94)이 형성되어 있다.

도 1 등에 도시된 이동자(20)에 대응하는 플로우트(92)는 도 12의 단면도에 도시된 바와 같이, 원주상의 양저면에 원추와 플랜지가 있는 거의 비즈상의 형상으로 되어 있는 페라이트 등의 투자성 재료의 원주체형(또는 원통형)의 심(96)이 불소수지 등의 수지의 외피(98)로 피복된 구조로 되어 있다. 자속을 집중시키기 위해서 플로우트(92)의 일부에 자성재료를 포함시키는 것이 필수적이다. 또한 실제적으로는 플로우트(92)의 두부의 플랜지부에 홈을 설치하고, 플로우트(92)가 보다 잘 회전하도록 구성하며, 발생하는 기포가 플로우트(92)에 부착되지 않도록 되어 있다. 기포가 플로우트(92)에 부착되면 측정오차가 있다.

또 단자(22, 24) 사이에는 도 2과 마찬가지로 인덕턴스변화검출기(18), 전압 위치(유량)변환부(100), 표시부(40), 출력단자(42)로 구성되는 위치측정장치가 접속된다.

여기에서 인덕턴스변화검출기(18)는 상기 자성재료가 포함된 플로우트(92)의 축방향 A(상하방향)의 이동에 따라 인덕턴스의 변화를 검출하고, 검출전압 Va를 발생한다.

전압 위치(유량)변환부(100)는 미리 자신의 메모리에 저장되어 있는 인덕턴스의 변화에 대응하는 전압 Va와 위치 x(위치 x1∼x2)에 대응하는 유량 F와의 변화특성의 테이블(도시되지 않았지만, 도 4의 변화특성(36)에 있어서, 종축의 전압 Va를 유량 F로 환산한 테이블)을 참조하여 플로우트(92)의 위치 x, 즉 유량 F를 산출한다. 산출된 유량 F는 표시부(40)에 표시되거나 출력단자(42)에 공급된다.

플로우트식 유량계(90)에 의하면 유량에 따라 플로우트(92)가 축방향 A로 이동하고, 이 플로우트(92)의 이동에 따라 코일(94)의 인덕턴스가 변화하도록 되어 있기 때문에 플로우트(92)의 위치, 즉 유량 F를 전기적으로 검출할 수 있다. 인덕턴스의 변화를 검출할 수 있을 정도면 되지 때문에 플로우트(92)의 길이는 코일(94)의 전체 길이에 비해 단축될 수 있다. 종래기술과 같이 비례가변차동변압기를 이용할 필요가 없기 때문에 구조가 간단하게 된다.

또한 플로우트식 유량계(90)에서도 도 6의 위치측정장치(52)의 구성을 물론 적용할 수 있다.

또 이와 같은 구성의 플로우트식 유량계(90)는 예를 들어 10∼100[㎖/min] 정도의 유량을 측정할 수 있는 미소유량계에 적용하기 적당하다. 이와 같은 미세유량계는 예를 들어 반도체제조장치의 분야에서 웨이퍼에 약액이나 순수한 물을 정확하게 공급하는 시스템에서 사용된다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 일실시예의 이동위치측정장치(120)의 일부생략 단면구성을 나타낸다.

이 이동위치측정장치(120)는 원통상의 튜브본체(114), 액체의 입출력포트(122, 124)가 설치된 양저면(116, 118)으로 구성되어 있는 실린더튜브(126)가 구비되어 있다. 이 이동위치측정장치(120)는 구조적으로는 상기한 실린더튜브(126) 외에, 기본적으로 저면(118)에 시일 지지부재(128)에 의해 캔틸레버식(cantilevered fashion)으로 지지되는 코일부착로드(130), 상기 코일부착로드(130)에 대해 축방향 A로 끼워져 자유롭게 이동하는 중공축(134)를 갖는 피스톤로드(132)로 구성되어 있다.

피스톤로드(132)는 철 등의 자성재료로 제조되는 저면을 갖는 중공축(134), 플랜지(136)로 구성되어 있다. 플랜지(136)의 외주는 튜브본체(114)의 내주벽을 축방향 A로 미끄러져 이동한다. 이 때 중공축(134)의 외주는 저면(116)에 동축상으로 끼워진 링상의 시일(138)의 내벽을 미끄러져 이동한다.

코일부착로드(130)는 직류전류가 공급될 때 축방향 A를 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체(12)가 로드에 권취된 코일(142)을 갖는다.

저면(118)의 외측에 도입된 코일(142)의 단자(22, 24)에는, 번잡하기 때문에 도시하지 않았으나 도 1에 도시된 교류정전류원(28)과 전압계(32)로 되어 있는 인덕턴스변화검출기(18)를 구비한 위치측정장치(10), 또는 도 6에 도시된 LC발진회로(56)를 갖는 인덕턴스변화검출기(54)를 구비하는 위치측정장치(52)가 접속된다.

이 경우, 자성재료의 피스톤로드(132)가 튜브본체(114)의 내주벽을 축방향 A에 미끄러져 움직이는 것으로, 다시말하면 피스톤로드(132)의 중공축(134)이 코일부착로드(130)에 끼워져 이동되는 것으로 코일(142)의 인덕턴스가 변화하고, 이 인덕턴스의 변화가 인덕턴스변화검출기(18, 54)로 산출된다. 이 인덕턴스변화검출기(18, 54)의 출력전압 Va 또는 출력주파수 fa가 전압 위치변환부(26) 또는 주파수 위치변환부(62)에 공급된다. 이것에 전압 위치변환부(26) 또는 주파수 위치변화부(62)에 의해 피스톤로드(132)의 이동위치, 다시말해 중공축(134)의 이동위치가 구해진다.

이와 같이 구성되는 이동위치측정장치(120)는 피스톤로드(132), 다시말해 중공축(134)의 저면(116)으로부터의 돌출길이를 측정하는 측장기로도 기능을 한다.

이 이동위치측정장치(120)에 의하면 종래기술에서 기술한 바와 같이, 자기스케일을 이용하지 않는 간단한 구성으로 중공축(134)의 축방향 A의 이동위치를 구할 수 있다.

또한 도 15와 도 15의 ⅩⅥ∼ⅩⅥ선의 일부 생략도면을 도시한 도 16에 도시된 바와 같이, 도 13에 도시된 코일부착로드(130)의 중공축(134)의 내부로의 진입단측에 90도 간격으로 폴리아세탈수지 등 활성이 좋은 수지제의 4개의 돌기(154)를 설치한 코일부착로드(152)를 제작한다.

그와 같이 하면, 이 코일부착로드(152)의 중공축(134)에 대해 상대적으로 끼워지는 도중에 중공축(134)의 축과 코일부착로드(152)의 축이 어긋나지 않도록 코일부착로드(152)가 유지된다. 이에 따라 캔틸레버식 코일부착로드(152)를 간단하게 유지할 수 있다.

또한 돌기(154)는 축이 흔들리지 않도록, 바람직하게는 3개(120도 간격) 이상설치한다. 수가 많을수록 미끄럼저항이 커지게 되고, 유체의 출입저항이 증가하기 때문에 크기나 용도에 적정한 수, 형상으로 하는 것이 바람직하다. 돌기(154)가 2개(180도 간격)이어도 유지기능을 발휘할 수 있다.

도 17에 도시된 바와 같이, 도 13, 도 15에 도시된 코일부착로드(130, 152) 대신에, 적어도 관축에 페라이트 등의 자성재료의 심봉(158)을 넣은 코일부착로드(160)을 사용하는 것으로, 코일부착로드(160)의 중공축(134)에 대한 상대적 이동에 따라 인덕턴스의 변화를 크게 할 수 있다. 자성재료의 심봉(158)을 넣은 코일부착로드(160)를 사용하는 경우, 인덕턴스의 변화가 도 13과 동일하게 되면 코일부착로드(160)의 권취수를 적게하거나 직경을 작게 할 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 예를 들어 이동자(20)를 플로우트로 하는 액면계에 적용하는 등, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고 여러가지 구성을 채택할 수 있는 것은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 구조가 간단하고, 전기적인 출력이 가능한 위치측정장치, 유량계 등을 저렴하게 구성할 수 있다.

도 1은 코일의 인덕턴스 변화를 전압으로 측정하는 위치측정장치의 일례를 나타낸 구성도,

도 2는 위치검출장치를 구성하는 코일의 권취간격의 일례를 나타낸 설명도,

도 3은 위치검출장치를 구성하는 코일의 다른예를 나타낸 구성도,

도 4는 이동자의 축방향 위치에 따른 전압변화(인덕턴스의 변화에 대응)를 나타낸 특성도,

도 5는 위치검출장치를 구성하는 코일의 또다른 예를 나타낸 구성도,

도 6은 코일의 인덕턴스 변화를 주파수로 측정하는 위치검출장치의 일례를 나타낸 구성도,

도 7은 이동자의 축방향 위치에 따른 주파수변화(인덕턴스의 변화에 대응)를 나타낸 특성도,

도 8은 위치측정방법을 설명하기 위한 공정도,

도 9는 코일의 인덕턴스 변화를 전압으로 측정하는 블릿지형 위치측정장치의 일례를 나타낸 구성도,

도 10은 도 9의 블릿지형 위치측정장치에서의 이동자의 축방향 위치에 대한 전압변화(인덕턴스변화에 대응)를 나타낸 특성도,

도 11은 플로우트식 유량계의 일례를 나타낸 구성도,

도 12는 플로우트식 유량계의 플로우트의 일례를 나타낸 구성도,

도 13은 피스톤로드의 이동위치측정장치의 일례를 나타낸 단면도,

도 14는 도 13의 이동위치측정장치에서 피스톤로드가 코일부착 로드에 끼운 상태를 나타낸 단면도,

도 15는 코일부착로드의 다른예를 나타낸 구성도,

도 16은 도 15에 나타낸 코일부착로드의 ⅩⅥ∼ⅩⅥ선에 따른 일부 생략단면도,

도 17은 자성재료의 심봉을 갖는 코일부착로드를 나타낸 구성도.

(도면부호의 설명)

10, 52, 72: 위치측정장치 12: 도체

14: 중공로드 17: 이형보빈

16, 30, 46, 76, 94, 142: 코일 18, 54, 84: 인덕턴스변화검출기

20: 이동자 22, 23, 24: 단자

26, 85: 전압위치변환기 28: 교류정전류원

32: 전압계 36, 48, 66, 86: 변화특성

40: 표시부 42: 출력단자

56: LC발진회로 58: 주파수카운트

60: 콘덴서 62: 주파수 위치변환기

78, 80: 저항기 82: 교류정전압원

90: 플로우트식 유량계 91: 관

92: 플로우트 96: 심

98: 외피 100: 전압위치(유량)변환기

114: 튜브본체 116, 118: 저면

120: 이동위치측정장치 122, 124: 입출력포트

126: 실린더튜브 128: 시일지지부재

130: 코일부착로드 132: 피스톤로드

134: 중공축 136: 플랜지

138: 시일 152, 160: 코일부착로드

154: 돌기 158: 심봉

Claims

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축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변하도록 도체가 권취된 코일(16, 30, 46, 76),

상기 코일의 축방향에 평행하게 이동가능한 자성재료의 이동자(20),

상기 코일을 교류로 여자하고 상기 이동자의 이동에 따라 상기 코일의 인덕 턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기(18)

상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 축방향의 위치를 구하는 위치산출기(26)를 포함하고,

상기 코일(30)은 상기 도체의 권취간격이 일정하고, 상기 축방향과 직교하는 방향의 단면형상을 상사형상으로 서서히 변화시킨 코일인 것을 특징으로 하는 위치 측정장치.
축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변하도록 도체가 권취된 코일(16, 30, 46, 76),

상기 코일의 축방향에 평행하게 이동가능한 자성ㅈ료의 이동자(20),

상기 코일을 교류로 여자하고 상기 이동자의 이동에 따라 상기 코일의 인덕턴스의 변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기(18)

상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 축방향의 위치를 구하는 위치산출기(26)를 포함하고,

상기 코일(46)은 상기 축방향과 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 서서히 작아지게 될 때에 상기 도체의 권취간격이 서서히 좁아지고, 상기 축방향과 직교하는 방향의 단면형상이 상사형상으로 커질 때에는 상기 도체의 권취간격이 서서히 넓어지는 것을 특징으로 하는 위치측정장치.
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축방향을 따라 자속밀도가 서서히 변화하도록 도체가 로드에 권취된 코일을 갖는 인덕턴스부착 로드(130),

자성재료로 되어 있고 상기 코일부착로드에 대해 자유롭게 끼워지는 중공축(134),

상기 코일을 교류로 여자하고, 상기 중공축을 따라 상기 코일의 인덕턴스의변화를 검출하는 인덕턴스변화검출기, 및

상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 중공축의 상기 축방향의 이동위치를 구하는 위치산출기를 포함하는 것을 특지으로 하는 이동위치측정장치.
제9항에 있어서, 상기 코일부착로드의 상기 중공축의 내부로 진입단측에 설칙되고, 상기 중공부가 상기 코일부착로드에 끼워지는 도중에 상기 중공축의 축과 상기 코일부착로드이 축이 어긋나지 않도록 상기 중공축의 내벽과 미끄럼이동하는 복수개의 돌기부(154)를 갖는 것을 특징으로 하는 이동위치측정장치.
제9항에 있어서, 상기 코일부착로드는 적어도 그 관축에 자성재료(158)가 사용되는 것을 특징으로 하는 이동위치측정장치.
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