KR100981928B1 - 정전용량 방식 복합 압력계 - Google Patents

정전용량 방식 복합 압력계 Download PDF

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Abstract

정전용량 방식 복합 압력계가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계는, 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위하는 부르동관을 구비한 정전용량 방식 복합 압력계에 있어서, 상기 부르동관의 외부에 설치되고, 상기 부르동관의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하여 유체압력을 측정하는 센서부, 상기 센서부로부터 측정되는 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부 및 상기 아날로그 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.

Description

정전용량 방식 복합 압력계{Capacitive-hybrid pressure transmitter}
본 발명은 압력계에 관한 것으로서, 특히 기계식 압력계의 구성을 그대로 유지하면서 정전용량 센서를 이용한 전자식 압력센서를 사용하는 정전용량 방식 복합 압력계에 관한 것이다.
유체의 압력을 측정하는 압력계에는 기계식 압력계와 전자식 압력계가 통상적으로 사용되고 있다.
기계식 압력계는 탄성 압력계의 일종으로서 금속 등으로 만든 수압체(受壓體)에 생기는 변형을 기계적 작동으로 확대해서 압력을 지시한다. 기계식 압력계에는 부르동관식 압력계, 다이어프램식 압력계 등이 있으며, 일반적으로 취급하기가 간편하고 제조원가도 저렴하여 공업용으로 널리 사용되고 있다. 이 중에서도 부르동관식 압력계가 일반적으로 사용되고 있다.
부르동관이라 함은, 탄력성이 있는 금속판으로 만든 중공의 편평한 관을 원호형으로 구부려 끝을 밀폐한 것으로, 관의 한쪽 끝을 고정하고 압력을 가하면 고정되지 않은 다른 한 쪽 끝이 곡률반경이 증가하는 방향으로 이동하고, 이동량은 공급된 압력의 크기나 관의 크기와 두께, 재질, 구부려진 곡률반경에 따라 증감하 도록 작동하는 관을 말하며, 이 부르동관을 이용하여 유체의 압력을 측정하는 장치를 부르동관 압력계라 한다.
상기 압력계에 사용되는 부르동관은 원형으로 구부려진 형상에 따라 원호(반원)형, 헬리컬(나선)형, 태엽형 등으로 구분되며, 상기 원호형과 헬리컬형은 자유단의 이동거리가 상대적으로 매우 작아서, 지렛대 원리나 부채꼴형의 피니언 기어 등으로 증폭하여 지침을 움직여야 한다. 또한, 상기 태엽형은 매우 얇고 편평한 관을 시계태엽과 같은 형상으로 감아서 상대적으로 길고 예민한 부르동관을 형성하여 자유단의 이동거리를 크게 한 것으로, 다른 증폭 기구없이 자유단에 지침을 직접 부착하여 사용할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 압력계를 통하여 표시되는 압력 지시 값을 측정하여 이를 다른 기기에 사용할 수 있게 입력하고자 할 경우에는 상기 압력계가 지시 눈금을 사용자가 읽어서 이를 다른 기기에 입력하거나 별도의 고가 장비를 구비하여 하여야만 가능하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 기계식 압력계의 구성을 그대로 유지하면서 정전용량 센서를 이용하여 전자식 압력전송기 기능을 추가한 정전용량 방식 복합 압력계를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계는, 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위하는 부르동관을 구비한 정전용량 방식 복합 압력계에 있어서, 상기 부르동관의 외부에 설치되고, 상기 부르동관의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하여 유체압력을 측정하는 센서부; 상기 센서부로부터 측정되는 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 및 상기 아날로그 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.
상기 아날로그 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 제어부를 더 포함한다. 상기 센서부는 기판; 및 상기 기판 상에, 서로 평행하게 일정거리 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다.
상기 센서부는 기판; 및 상기 기판 상에, 서로 수직으로 인터디지테이티드(inter-digitated) 형태로 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 센서부는, 상기 부르동관의 변위가 적은 곳에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격이 상기 부르동관의 변위가 많은 곳에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전 극간의 간격보다 좁은 것을 특징으로 한다. 주변환경의 습도 영향을 제거하기 위해, 상기 정전용량 방식 복합 압력계 내부에는 오일이 채워진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계는, 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위하는 부르동관을 구비한 정전용량 방식 복합 압력계에 있어서, 상기 부르동관의 외부에 설치되고, 상기 부르동관의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하는 제1 센서부; 상기 제1 센서부의 외부에 설치되고, 온도 및 습도와 같은 주위환경에 따라 변하는 정전용량을 감지하는 제2 센서부; 상기 제1 센서부와 제2 센서부의 사이에 설치되는 지지부; 상기 제1 센서부 및 제2 센서부로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 제1 센서부로부터 출력되어 변환된 디지털 신호와 상기 제2 센서부로부터 출력되어 변환된 디지털 신호간의 차를 구하여 온도 및 습도와 같은 주위환경 변화를 보상하는 제어부 ; 및 상기 제어부로부터의 출력을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.
상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은, 기판; 및 상기 기판 상에, 서로 평행하게 일정거리 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은, 기판; 및 상기 기판 상에, 서로 수직으로 인터디지테이티드(inter-digitated) 형태로 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다.
상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은, 상기 부르동관의 변위가 적은 곳에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격이 상기 부르동관의 변위가 많은 곳에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격보다 좁다. 주변환경의 습도 영 향을 제거하기 위해, 상기 정전용량 방식 복합 압력계 내부에는 오일이 채워진다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계는, 기계식 압력계를 사용함과 동시에 정전용량을 이용한 전자식 압력센서를 사용함으로써, 기계식 압력계의 기어의 영향을 줄여 오차를 감소시킬 수 있다. 또한, 주변의 온도와 습도에 의한 영향을 배제시킬 수 있는 구조를 가지고 있어 순전한 유체의 압력을 측정할 수 있다. 그리고, 광학식 센서에 비해 저렴하고 구조가 간단한 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 구조를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 복합 압력계(100)는 부르동관(110), 센서부(120), 아날로그 디지털(A/D: Analog to Digital) 변환부(130) 및 디스플레이부(150)를 포함한다.
부르동관(110)은 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위한다. 부르동관(110)의 구조 및 동작은 종래기술란에 기술하였으므로, 여기서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
센서부(120)는 부르동관(110)의 외부에 설치되고, 부르동관(110)의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하여 유체압력을 측정한다. 센서부(120)의 구조는 도 2 및 도 3에 상세히 도시된다.
도 2에는 센서부(120)의 제1 실시예가 도시된다.
센서부(120)는 기판 상에 제1 전극(L) 및 제2 전극(H)을 구비한다. 도면부호 G는 그라운드를 의미한다.
기판은 폴리이미드(Polyimide) 필름(film)으로 이루어진 플렉시블 인쇄회로기판인 것이 바람직하다. 폴리이미드 필름은 제조단가가 매우 저렴하기 때문에 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 제1 전극(L) 및 제2 전극(H)은 기판(110) 상에 서로 평행하게 일정거리 이격되어 형성된다. 제1전극(L)과 제2전극(H)에 펄스 형태의 전압을 인가하면 제1전극(L)과 제2전극(H)이 커패시터 전극 역할을 하게 되고 부르동관(110)이 센서부(120)로 접근시 센서의 정전용량이 변화되며 이 변화량을 측정한다.
도 2에 도시된 센서부(120)를 일명 루프(loop) 형이라고 한다.
도 3에는 센서부(120)의 제2 실시예가 도시된다. 도 3의 센서부(120)는 도시된 바와 같이 제1 전극 및 제2 전극이 서로 수직으로 인터디지테이티드(inter-digitated) 형태로 형성된다.
또한, 센서부(120)는 부르동관(110)의 변위가 적은 곳에 위치하는 부분은 제1 전극과 제2 전극간의 간격을 좁게 하고, 부르동관(110)의 변위가 많은 곳에 위치하는 부분은 제1 전극과 제2 전극간의 간격을 넓게 한다. 이렇게 함으로써, 센서부(120)는 부르동관(110)의 변위에 더 민감하게 작용할 수 있게 되며 따라서 측정되는 정전용량 변화를 최대로 할 수 있다.
도 3에 도시된 센서부(120)를 일명 콤(comb) 형이라고 한다. 콤형 센서부(120)는 도 2에 도시된 루프형 센서부(120)에 비해 더 큰 정전용량의 변화를 얻을 수 있다.
도 4에는 부르동관과 센서부간에 형성되는 전기장의 모습이 도시된다. 도면에서 여러 개의 곡선은 등전위면을 의미한다.
다시 도 1로 되돌아가, 아날로그 디지털 변환부(130)는 센서부(120)로부터 출력되는 정전용량의 변화를 디지털 신호로 변환한다.
디스플레이부(150)는 아날로그 디지털 변환부(130)로부터의 디지털 신호를 디스플레이한다.
또한, 복합 압력계(100)는 아날로그 디지털 변환부(130)로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 제어부(130)를 더 포함한다. 복합 압력계(100)가 외부에 연결된 장치들을 제어하기 위해서는 일반적으로 산업용으로 사용되는 4~20mA의 범위의 아날로그 신호를 출력해야 하는데 제어부(130)는 디지털 신호를 상기의 아날로그 신호로 변환시켜 출력한다.
또한, 복합 압력계(100)는 측정된 압력에 대한 디지털 신호 또는 아날로그 신호를 유선 또는 무선을 통해 외부의 장치로 전송하기 위한 통신 인터페이스부(170)를 더 포함한다.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 정면 단면도를 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 센서부(120)는 지지부(510)의 내면에 설치된다.
또한, 지시침(520)은 부르동관(110)의 변위에 따라 측정된 유체의 압력을 표시한다. 부르동관(110)과 지시침(520)의 연결 관계는 당업자에게 널리 알려져 있으므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.
유체관 연결부(530)는 유체관에 연결되어 유체관 내의 유동하는 유체의 압력을 압력계(110)로 전달하는 기능을 한다.
또한, 복합 압력계(100) 내부에 오일을 채울 수 있다. 이때, 오일은 유전상수( r > 3~4)가 높아야 한다. 오일을 채우면 주변 환경의 습도 영향을 제거할 수 있다. 다만, 이 때 오일이 복합 압력계(100) 밖으로 새어나오지 않도록 하여야 한다. 특히, 압력계(100) 내부에 유전상수가 큰 캐스터 오일(Caster oil) 또는 올리브 오일(olive oil)을 채울 수 있다.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계를 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 정면 단면도를 도시한 것이고, 도 8은 도 7의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 복합 압력계(700)는 부르동관(710), 제1 센서부(720), 제2 센서부(730) 및 지지부(740)를 포함한다. 또한, 압력계(700)는 도 1에 도시된 A/D 변환부(130), 제어부(140) 및 디스플레이부(150)를 포함한다.
도 1, 도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 센서부(720)는 부르동관(710)의 외부에 설치되고, 부르동관(710)의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하여 유체압력을 측정한다.
제2 센서부(730)는 제1 센서부(720)의 외부에 설치되고, 온도 및 습도와 같이 주위환경의 변화에 따라 변하는 정전용량을 감지한다.
지지부(740)는 제1 센서부(720)와 제2 센서부(730)의 사이에 설치된다. 지지부(740)는 제2 센서부(730)가 부르동관(710)의 변위에 영향을 받지 않도록 제2 센서부(730) 전체를 둘러싸도록 설치될 수 있다. 이러한 경우, 지지부(740)의 재질은 어떠한 재질로도 만들어질 수 있다.
A/D 변환부(130)는 제1 센서부(720) 및 제2 센서부(730)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환한다.
제어부(140)는 제1 센서부(720)로부터 출력되어 변환된 디지털 신호와 제2 센서부(730)로부터 출력되어 변환된 디지털 신호의 차를 구하여 온도 및 습도와 같은 주위환경 변화를 보상한다.
즉, 제1센서부(720)는 부르동관(710)의 변위에 반응하므로 유체의 압력을 측정할 수 있고, 제2센서부(730)는 부르동관(710)의 영향을 받지 않고 주변환경에 존 재하는 온도 및 습도로 인한 정전용량의 변화를 측정할 수 있으므로, 제1센서부(720)의 출력값에서 제2센서부(730)의 출력값을 빼면 도 7의 복합 압력계(700)는 주변환경에 존재하는 온도 및 습도의 영향을 배제시킨 순수한 유체의 압력을 측정할 수 있다.
디스플레이부(150)는 제어부(140)로부터의 출력을 디스플레이한다.
제어부(140)는 제1 센서부(720)로부터 출력되어 변환된 디지털 신호와 제2 센서부(730)로부터 출력되어 변환된 디지털 신호의 차를 구하는 것 뿐만 아니라, 도 1의 복합 압력계(100)에서 설명된 바와 같이 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력할 수도 있다.
이 외에는, 도 7 및 도 8에 도시된 정전용량 방식 복합 압력계(700)는 도 5 및 도 6에 도시된 정전용량 방식 복합 압력계(100)와 구조 및 동작이 동일하다. 따라서 동작에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 9는 2개의 센서를 사용한 복합 압력계 내부에 발생되는 전기장의 모습을 도시한 것이다.
도 9의 930은 "C"형태의 부르동관을 곧게 펴놓은 것이며, 910과 920은 정전용량 변화를 측정하기 위한 도 2 또는 도3의 구조를 가지는 센서부들을 의미한다. 부르동관(930)이 압력을 받아서 아래서 위로 변위가 발생한다고 가정한다. 그러면 센서부(910)의 정전용량이 증가하고 센서부(920)의 정전용량이 감소한다.
센서부(910)와 센서부(920)에서 측정된 압력에 따른 정전용량의 변화는 비직선적이다. 센서부(910)를 도 8의 제1센서부(720)에 대응된다고 가정하고, 센서 부(920)를 도 8의 제2센서부(730)에 대응된다고 가정한다. 그리고, 센서부(910)의 정전용량에서 센서부(920)의 정전용량을 뺀 값에서 센서부(910)와 센서부(920)의 정전용량의 합의 값을 나누면 압력에 따른 직선적인 값을 얻을 수 있으며, 이는 주변 환경의 온도나 습도에 의한 전전용량 값의 변화 영향을 최대로 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 정전용량 방식 복합 압력계가 유무선을 통해 연결되는 장치들을 도시한 것이다.
복합 압력계(1100)는 유선을 통해 디지털 디스플레이(1110)에 연결되거나, 또는 무선을 통해 리모트 모니터(1120) 또는 리모트 디스플레이(1130)에 연결된다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 구조를 나타내는 도.
도 2는 도 1의 센서부의 제1 실시예를 나타내는 도.
도 3은 도 1의 센서부의 제2 실시예를 나타내는 도.
도 4는 부르동관과 센서부간에 형성되는 전기장의 모습을 나타내는 도.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 정면 단면도.
도 6은 도 5의 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 방식 복합 압력계의 정면 단면도.
도 8은 도 7의 실시예에 따른 정전용량 방식 압력계의 분해 사시도.
도 9는 2개의 센서부를 사용한 복합 압력계 내부에 발생되는 전기장의 모습을 나타내는 도.
도 10은 본 발명에 따른 복합 압력계가 유무선을 통해 연결되는 장치들을 나타내는 도.

Claims (11)

  1. 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위하는 부르동관을 구비한 정전용량 방식 복합 압력계에 있어서,
    상기 부르동관의 외부에 설치되고, 상기 부르동관의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하여 유체압력을 측정하는 센서부;
    상기 센서부로부터 측정되는 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 및
    상기 아날로그 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하며,
    상기 센서부는,
    기판; 및
    상기 기판 상에, 서로 수직으로 인터디지테이티드(inter-digitated) 형태로 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 부르동관의 자유단쪽에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격이 상기 부르동관의 자유단의 반대쪽에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  6. 제1항에 있어서,
    주변환경의 습도 영향을 제거하기 위해, 상기 정전용량 방식 복합 압력계 내부에는 오일이 채워지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  7. 유체의 압력의 크기에 의해서 곡률 반경이 커져 외향으로 자유단이 변위하는 부르동관을 구비한 정전용량 방식 복합 압력계에 있어서,
    상기 부르동관의 외부에 설치되고, 상기 부르동관의 변위에 따라 변하는 정전용량을 감지하는 제1 센서부;
    상기 제1 센서부의 외부에 설치되고, 온도 및 습도에 따라 변하는 정전용량을 감지하는 제2 센서부;
    상기 제1 센서부와 제2 센서부의 사이에 설치되는 지지부;
    상기 제1 센서부 및 제2 센서부로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부;
    상기 제1 센서부로부터 출력되어 변환된 디지털 신호와 상기 제2 센서부로부터 출력되어 변환된 디지털 신호간의 차를 구하여 온도 및 습도의 변화를 보상하는 제어부 ; 및
    상기 제어부로부터의 출력을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은,
    기판; 및
    상기 기판 상에, 서로 평행하게 일정거리 이격되어 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은,
    기판; 및
    상기 기판 상에, 서로 수직으로 인터디지테이티드(inter-digitated) 형태로 형성된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 센서부 및 제2 센서부 각각은,
    상기 부르동관의 자유단쪽에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격이 상기 부르동관의 자유단의 반대쪽에 위치하는 부분의 제1 전극과 제2 전극간의 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
  11. 제7항에 있어서,
    주변환경의 습도 영향을 제거하기 위해, 상기 정전용량 방식 복합 압력계 내부에는 오일이 채워지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식 복합 압력계.
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