KR100560179B1 - 아날로그 액체 레벨 센서 - Google Patents

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이미징 앤드 센싱 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

용기 내의 액면의 위치를 측정하는 센서로서, 상기 용기 내에 삽입되며, 상기 액면 위에 배열되는 부분과 상기 액체 속에 잠기는 부분을 갖춘 프로브와, 상기 프로브 내에 배열되어 상기 액면 위의 온도를 검출하는 제 1 열전쌍과, 상기 프로브 내에 배열되어 상기 액면 아래의 지점에서의 상기 액체의 온도를 검출하는 제 2 열전쌍과, 상기 프로브 내에 배열되는 저항선과, 상기 저항선의 단부에 전류를 공급하는 전류 공급원과, 다음의 식에 따라 상기 저항선의 저항을 측정하는 저항계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
Figure 112004043601192-pct00004
여기서, RT는 상기 저항선의 저항이고, f는 "~의 함수"를 나타내는 기호이고, kd는 프로브의 제 1 부분의 상수이고, Td는 제 1 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, kw는 프로브의 제 2 부분의 상수이고, Tw는 제 2 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, H는 상기 제 1 및 제 2 온도 센서 사이의 수직 거리이며, h는 상기 제 1 온도 센서에서 상기 액면까지의 수직 거리이며, 액체의 레벨은 h의 값으로 표시된다.

Description

아날로그 액체 레벨 센서{ANALOG LIQUID LEVEL SENSOR}
본 발명은 액체 레벨 센서에 관한 것으로, 특히 용기 내의 액면의 위치를 아날로그 형태로 측정하는 센서에 관한 것이다.
가끔씩 탱크 또는 용기 내의 액체의 높이를 아는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 다수의 기술이 개발된 바 있다. 일부는 기계적으로 계량봉(dip stick)의 액체가 묻은 부분으로부터 액체의 레벨을 측정하며, 일부는 광학적인 구조로 되어 있고, 또 일부는 전기적인 구조로 되어 있다.
미국 특허 제 3,898,638 호에는 가열된 전극(16)이 두개의 감지 프로브로부터 각기 다른 거리를 두고 배치된 온도차 센서가 개시되어 있다. 유체가 프로브를 장착한 도관을 통해 흐르면, 두개의 센서는 그들 사이의 적절한 온도차를 감지하지 못한다. 한편, 도관을 통한 흐름이 중단되면, 감지 프로브는 감지 프로브의 전기 저항의 변화를 인식하게 된다.
미국 특허 제 4,449,403 호에는 안내관이 삽입된 액체 레벨 센서가 개시되어 있다. 이 장치는 직렬 연결된 저항 온도 장치(RTD)의 체인 형태로 이루어져서 안내관 내의 온도 변화를 측정한다. 이 특허의 도면중 도 2에는 도면 부호 29 및 38로 표시된 두개의 RTD가 도시되어 있다. 하나의 RTD는 근접 히터(30)에 의해 가열된 다. 센서는 젖은 상태이다. 비등 및 방출 조건은 RTD의 저항의 차이에 의해 감지된다.
미국 특허 제 4,532,799 호에는 액체가 들어 있는 용기 내에 삽입되는 프로브를 갖춘 액체 레벨 센서가 개시되어 있다. 저항선은 가열 요소 내의 코어 상에 나선상으로 감겨 있다. 많은 열이 액체보다는 증기에 의해 전해져 나가게 된다. 따라서, 전체 저항선의 전기 저항 (즉, 증기 내의 부분의 저항과 액체 내의 부분의 저항)은 액체 레벨의 변화를 나타내는 아날로그 신호를 제공한다, 그러나, 액체의 특정 레벨을 측정하기 위해서는 공기의 온도와 액체의 온도를 아는 것이 극히 중요하다. 부연하면, 이 특허에 도시된 장치는 액체 레벨의 변화를 보여주는데에는 유용하지만, 액체 레벨 자체의 절대 아날로그 값을 나타내지는 못한다.
미국 특허 제 5,210,769 호에는 차량용 액체 레벨 측정 시스템이 개시되어 있다. 기본적으로, 유체 레벨은 일부는 젖어 있고 일부는 젖지 않은 정의(positive) 온도 계수 도체의 전기 저항의 함수로서 결정된다. 이 특허에 개시된 센서는 엔진 오일, 냉각제, 앞유리창의 세척용 유체, 전동 장치 유체, 및 그밖의 다른 유체의 레벨을 측정하는데 사용된다.
따라서, 아날로그적으로 용기 내의 액체의, 레벨의 변화가 아닌, 절대적인 레벨을 측정하는데 사용될 수 있는 저항식 센서를 제공할 필요가 있다.
본 발명은 용기 내의 액면의 아날로그 높이를 전기적인 수단으로 측정하는 개량된 센서(20)를 제공한다.
본 발명에 따른 센서는, 용기 내에 삽입되어 액면 위에 배열되는 부분(21a)과 액체 속에 잠기는 부분(21w)을 갖춘 프로브와, 프로브 내에 배열되어 액면 위의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서(TC1)와, 프로브 내에 배열되어 액면 아래의 지점에서의 액체의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서(TC2)와, 프로브 내에 배열되는 저항선(53)과, 저항선의 단부에 전류를 공급하는 전류 공급원(60)과, 아래의 식에 따라 저항선의 저항을 측정하는 검출기 수단(61)을 포함한다.
Figure 112000011094706-pct00001
여기서, RT는 상기 저항선의 저항이고, f는 "~의 함수"를 나타내는 기호이고, ka는 프로브의 제 1 부분의 상수이고, Ta는 제 1 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, kw는 프로브의 제 2 부분의 상수이고, Tw는 제 2 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, H는 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 사이의 수직 거리(즉, 최대 측정 범위)이며, h는 상기 제 1 온도 센서에서 상기 액면까지의 수직 거리이다. 따라서, 액체의 레벨은 h의 값으로 표시된다.
바람직한 실시예에 있어서, 전류 공급원은 저항선의 단부에 일정 전류를 공급하며, 각각의 온도 센서는 열전쌍으로 이루어진다. 프로브는 가늘고 길며 양 끝이 폐쇄된 스테인리스 강으로 된 튜브이다. 이 프로브는 그 바닥으로부터 용기 내로 상향 연장될 수도 있고, 위로부터 용기 내로 삽입될 수도 있다. 본 발명의 센서는 액면 위의 프로브 내에 배열되는 제 3 온도 센서(TC3)와, 액면 아래의 프로브 내에 배열되는 제 4 온도 센서(TC4)와, 액체 공급원과 연결된 펌프를 또한 포함한다. 제 3 및 제 4 온도 센서는 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 사이에 배열되고, 제 3 및 제 4 센서는 펌프 또는 밸브의 동작을 제어하여 제 3 및 제 4 센서 사이에서 액체 레벨을 유지한다.
따라서, 본 발명의 목적은 용기 내의 액면의 위치를 측정하는 개량된 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 용기 내의 액체 레벨의 아날로그 값을 전기적 수단으로 측정하는 개량된 액체 레벨 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 보호 환경으로부터 액면의 레벨을 측정할 수 있는 개량된 액체 레벨 센서를 제공하는 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일부가 액체로 채워진 용기에 삽입된 개량된 프로브를 보인 센서의 일부 단면 정면도이다.
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1의 3-3선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 1의 4-4선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 4개의 열전쌍과 저항선을 보인 개략도이다.
도 6은 액체 속에 부분적으로 잠긴 프로브를 보인 개략도로서, 맨 위쪽의 열전쌍으로부터의 거리 h의 식으로 액체 레벨을 나타낸 도면이다.
도면 부호의 기재에 있어서, 동일한 도면 부호는 전체 도면을 통해서 동일한 요소, 부분 또는 표면을 나타내며, 그러한 요소, 부분 또는 표면은 이 상세한 설명이 속하는 명세서 전반에 걸쳐서 더욱 상세히 설명된다. 달리 나타내지 않는 한, 도면은 본 명세서와 함께 이해되어야 하며 (예를 들어, 부품의 배열, 장착, 등등), 본 발명의 명세서의 일부를 구성한다. 이하의 설명에서, "수평", "수직", "왼쪽", "오른쪽", "위" 및 "아래"이라는 용어와, 그의 형용사적인 파생어 및 부사적인 파생어 (예를 들어, "수평으로", "오른쪽으로", "위쪽으로" 등등)는 특정 도면이 보는 사람을 마주한 때에 예시된 구조의 방위를 단순히 나타내는 것이다. 달리 나타내지 않는 한, "안쪽으로" 및 "바깥쪽으로"라는 용어는 가늘고 긴 축선 또는 회전축선에 대한 표면의 방위를 나타낸다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명은 도면 부호 20으로 나타낸 개량된 아날로그 액체 레벨 센서를 제공한다. 개량된 장치 도면 부호 21로 표시된 프로브를 포함하고 있으며, 프로브는, 도면부호 22로 표시된 헤드에 의해 그 상단부가 지지되고, 액체(L)를 담고 있고 도면 부호 23으로 그 일부가 표시된 용기 내에 아래를 향해 삽입된다. 이하의 설명에서, 액체는 물로서 설명이 되지만, 다른 액체를 사용할 수도 있다. 액면 위의 공간은 실온 또는 약 200℃ 에 이르는 온도의 공기 또는 다른 가스로 채워진다. 프로브가 잠기는 부분은 21w로 표시되어 있다. 액체 위에 놓이는 부분은 21a로 표시되어 있다. 공기와 용기(23) 내의 액체간의 온도차는 존재하지 않는다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 프로브는 얇은 벽 형태의 스테인리스 강 외장(24)을 갖춘 가늘고 긴 관상 부재로 이루어져 있다. 프로브의 하단부는 밀봉된 벌브형 단부(25)에 의해 폐쇄되어 있다. 도 1을 참조하면, 안내부 또는 스페이서(26)는 프로브(24)의 외표면 둘레에 스테인리스 강선을 여러번 감아서 형성한다. 프로브의 축방향 길이를 따라 약 2 m 간격으로 배치되는 이들 스페이서의 기능은 프로브 슬리브가 용기의 벽과 접촉하는 것을 방지하는 것이다. 부연하면, 스페이서는 원통형 용기 내의 중앙 위치에 프로브를 지지하고 유지한다. 특히, 프로브는 하부 원통형 부분(28)과 상부 원통형 부분(29)을 구비하며, 이들은 적절한 주변 용접(30)에 의해 상호 접합되어 있다. 원통형 부분들(28, 29)은 별도로 형성되어 나중에 조립될 수도 있고, 일체로 형성될 수도 있다. 원통형 부분들(28, 29)은 모두 스테인리스 강으로 형성되며, 양쪽이 개방된 관상 부재이다. 앞서 설명한 바와 같이, 튜브(28)의 하단부는 튜브에 용접되어 하단부를 완전하게 밀봉하는 벌브형 단부(25)에 의해 폐쇄되어 있다. 튜브(29)의 상단부는 적절한 충전재(31)에 의해 폐쇄되어 있다.
프로브 헤드(22)는 상호 적절히 조립된 다수의 부분으로 이루어진 특별한 구성의 부재로 이루어져 있다. 특히, 프로브 헤드는 프로브의 상부 튜브(29)의 상부 가장자리를 둘러싸는 얇은 벽 형태의 가늘고 긴 원통형 튜브(32)와, 튜브(32)의 상부 가장자리를 둘러싸는 하부 부분을 구비하며 그로부터 위로 연속하고 외부에 나사가 형성된 직경이 확대된 상부 부분을 갖춘 부재(33)와, 부재(34)의 상부 가장자리 단부 부분 내에 신축가능하게 수용되는 직경이 확대된 부분을 갖춘 상부 부분(35)과, 금속 외장재로 둘러싸인 광물 절연 케이블(38)의 가장자리와 결합하는 수직 배치되고 얇은 벽 형태로 된 원통형 튜브(36)를 포함하고 있다. 부재(35)의 상부 가장자리는 튜브(36)의 하부 가장자리를 둘러싸고 있다. 프로브 헤드의 여러 부분들은 모두 스테인리스 강 따위의 적절한 금속으로 형성된다. 여러 부분들은 다양한 주변 용접에 의해 상호 연결되어 있다. 예를 들어, 튜브(32)의 하단부는 용접(39)에 의해 튜브(28)에 고정되어 있고, 부재(33)의 하단부는 용접(40)에 의해 튜브(32)의 중간 부분에 고정되어 있다. 튜브(36)의 상단부는 용접(41)에 의해 외장재로 둘러싸인 케이블(38)에 고정되어 있고, 부재(35)의 상단부는 주변 용접(42)에 의해 튜브(36)의 중간 부분에 고정되어 있다. 부재들(33, 35)의 직경이 확대된 부분 내에 형성된 챔버에는 분말 알루미나 및 드라이 가스 등의 적절한 절연 재료로 채워져 있다. 이들 두 부재는 주변 용접(44)에 의해 상호 밀봉되어 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 도면 부호 45로 표시된 동심의 내부 보호 튜브는 외부 봉쇄 부재 내에 적절히 고정되어 있다. 두 개의 너트형 부재(46, 48)는, 각각 헤드 부재(33)의 외표면 상에 나사 결합되어 있고, 내부 보호 튜브(45)의 환상 수평 상단부에 놓여 있다. 부재(33) 위의 이들 너트형 부재의 위치는 보호 튜브 내의 튜브의 위치를 변경함으로써 조정할 수 있다.
외장재로 둘러싸인 케이블(35)은 프로브 헤드(22) 내에 위치한 오른쪽 가장자리 단부 부분과 왼쪽 가장자리 단부 부분 사이에서 연장되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 케이블(38)은 얇은 벽 형태의 관상 스테인리스 강 외피(49)로 둘러싸여 있다. 이 케이블은 광물 절연체 내에서 도면 부호 50으로 나타낸 다수의 도체를 이송한다. 바람직한 실시예에 있어서, 광물 절연체는 산화 마그네슘이며, 도체로는, 구리 코어가 두 개, 크로멜(chromel) 코어가 네 개, 그리고 하나의 알루멜(alumel) 코어가 존재한다. 케이블(38)의 오른쪽 가장자리 단부 부분은 도면 부호 51로 나타낸 적절한 에폭시에 의해 폐쇄되고, 에폭시를 관통하여 나온 도체는 열수축 플라스틱 코팅(52)에 의해 둘러싸인다. 도체(50)는 적절한 전류 공급원 및 저항계에 연결된다.
도 1 및 도 3 내지 도 5를 참조하면, 프로브는 네 개의 열전쌍 및 하나의 저항선을 그 안에 수용하고 있다. 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 이들 열전쌍은 각각 TC1, TC2, TC3 및 TC4로 도시되어 있다. 더욱이 전기 저항선(53)은 프로브 내로 하향 연장된다. 저항선(53)의 하부 말단 루프는 열전쌍(TC2)과 일치한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가열선은 도체(54)를 통해 이송되고, 열전쌍(TC1, TC2, TC3, TC4)은 도체(55, 56, 58, 59)에 의해 각각 이송된다. 이들 도체는 각각 스테인리스 강으로 둘러싸인 케이블 내에서 이송된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상부 열전쌍(TC1) 아래에서, 프로브는 가열용 도선 및 세 개의 하부 열전쌍의 도선을 수용한다.
열전쌍의 수직 위치가 도 5에 도시되어 있다. 이들 네 개의 열전쌍은 동일하며, 아래로 내려가면서 TC1, TC3, TC4 및 TC2의 순서로 배열되어 있다. 따라서, 열전쌍(TC1)은 가장 위쪽의 열전쌍이고, 열전쌍(TC2)은 가장 아래쪽의 열전쌍이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 전류 공급원(60)은 일정한 전류를 저항선(53)에 공급한다. 이 저항선의 전기 저항은 저항계(61)에 의해 검출된다. 열전쌍(TC1)은 액체 레벨 위의 프로브 내의 온도를 검출할 수 있도록 배열된다. 반대로, 열전쌍(TC2)은 액체 레벨 아래의 프로브 내의 온도를 검출할 수 있도록 배열된다. 저항선의 젖은 부분과 마른 부분의 상대적 길이의 함수로서 전기 저항을 적절히 계산하기 위하여, 이들 두 온도를 알아야 한다. 실제로, 이 함수는 다음의 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112000011094706-pct00002
여기서, RT는 상기 저항선의 저항이고, f는 "~의 함수"를 나타내는 기호이고, ka는 프로브의 마른 부분 또는 제 1 부분의 상수이고, Ta는 제 1 온도 센서(TC1)에 의해 검출된 온도이고, kw는 프로브의 젖은 부분 또는 제 2 부분의 상수이고, Tw는 제 2 온도 센서(TC2)에 의해 검출된 온도이고, H는 온도 센서들(TC1, TC2) 사이의 수직 거리(즉, 최대 측정 범위)이며, h는 가장 위쪽의 온도 센서(TC1)에서 액면(L) 까지의 수직 거리이다. 따라서, 액체의 레벨은 h의 값으로 표시될 수 있다.
중간의 열전쌍(TC3, TC4)은 액체 레벨을 직접적으로 측정하는 데에는 사용되지 않는다. 오히려, 이들 열전쌍은 도 6에 도면 부호 63으로 나타낸 펌프 또는 밸브를 작동시키는데 사용된다. 이들 펌프 또는 밸브는 유체 공급원(S) 및 유체 복귀부(R)에 연결되어 있다. 부연하면, 열전쌍(TC3, TC4)은 펌프 또는 밸브(63)를 작동시켜 이들 두 열전쌍 사이에 액체 레벨을 유지하는데 사용된다.
본 발명은 여러가지로 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 프로브는 용기 내에서 그 바닥으로부터 위로 연장될 수도 있고, 위로부터 아래로 연장될 수도 있다. 액체/가스는 물/공기일 수도 있고, 그밖의 다른 유체의 조합일 수도 있다. 온도 센서(TC3, TC4)는 제공될 수도 있고, 제공되지 않을 수도 있다. 프로브는 도시된 바와 같은 구성을 취하거나, 다른 구성을 취할 수도 있다. 스페이서(26)는 제공되는 것이 바람직하지만, 제공되지 않아도 좋다. 이와 유사하게, 온도 감지 장치는 열전쌍이거나 다른 형태의 장치일 수도 있다. 저항선의 정확한 형태와 속성은 필요에 따라 변할 수도 있다.
따라서, 이상에서와 같이 개량된 액체 레벨 센서의 바람직한 형태가 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 이하에 기재하는 청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 한 여러가지로 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (7)

  1. 용기 내의 액면의 아날로그 위치를 측정하는 센서로서,
    상기 용기 내에 삽입되며, 상기 액면 위에 배열되는 부분과 상기 액체 속에 잠기는 부분을 갖춘 가늘고 긴 프로브와,
    상기 프로브 내에서 프로브의 상단부 근방에 배열되어 상기 액면 위의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서와,
    상기 프로브 내에서 프로브의 하단부 근방에 배열되어 상기 액면 아래의 지점에서의 상기 액체의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서와,
    상기 프로브 내에 배열되는 저항선과,
    상기 저항선의 단부에 전류를 공급하는 전류 공급원과,
    아래의 식에 따라 상기 저항선의 저항을 측정하는 검출기 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
    Figure 112004043601192-pct00003
    여기서, RT는 상기 저항선의 저항이고, f는 "~의 함수"를 나타내는 기호이고, ka는 프로브의 제 1 부분의 상수이고, Ta는 제 1 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, kw는 프로브의 제 2 부분의 상수이고, Tw는 제 2 온도 센서에 의해 검출된 온도이고, H는 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 사이의 수직 거리이며, h는 상기 제 1 온도 센서에서 상기 액면까지의 수직 거리이며, 액체의 레벨은, 액체 레벨이 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 사이에 있을 때에는 h의 값으로 표시되지만, 제 2 온도 센서가 상기 액면 위에 놓여질 때에는 제 1 부분의 상수로 표시되고, 제 1 온도 센서가 상기 액면 아래에 놓여질 때에는 제 2 부분의 상수로 표시된다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 공급원은 상기 저항선의 단부에 일정 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제 1 온도 센서는 열전쌍인 것을 특징으로 하는 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제 2 온도 센서는 열전쌍인 것을 특징으로 하는 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프로브는 가늘고 길며 폐쇄된 스테인리스 강으로 된 튜브인 것을 특징으로 하는 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로브는 프로브의 바닥이 상기 액체 내에 잠길 수 있도록 상기 용기 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액면 위의 상기 프로브 내에 배열되는 제 3 온도 센서와, 상기 액면 아래의 상기 프로브 내에 배열되는 제 4 온도 센서와, 액체 공급원과 연결된 펌프 또는 밸브를 또한 포함하며, 상기 제 3 및 제 4 온도 센서는 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 사이에 배열되고, 상기 제 3 및 제 4 센서는 상기 펌프 또는 밸브의 동작을 제어하여 상기 제 3 및 제 4 센서 사이에서 액체 레벨을 유지하는 것을 특징으로 하는 센서.
KR1020007005941A 1998-10-01 1999-10-01 아날로그 액체 레벨 센서 KR100560179B1 (ko)

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