KR101057536B1 - 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계 - Google Patents

Abstract

본발명은 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것으로서, 적외선 발광소자와 수광소자를 한 쌍으로 하여 대향 하게 설치하고 임펠러 축상에 광선로 개구부를 형성시켜 임펠러의 회전에 따라 적외선의 선로를 개폐[ON/OFF] 시키는 구조로 하여 수광소자의 응답신호를 탐지하여 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 것이다
수광소자의 응답신호는 응답 전압 감지회로에 연결되어 전압 레벨의 변화로 나타나며 이를 감지 연산하는 제어부 및 표시부 통신부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 임펠러의 회전수 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써 외부 자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 능력과 외부 자연광으로부터 발생하는 적외선을 완전히 차단하는 구조를 형성함으로써 내부 회로의 감도를 높여 내부 동작 전류 소모를 크게 줄임으로써 신뢰성과 내구성이 있는 유량측정 장치를 제공하는 것이다.

Description

적외선 센서를 이용한 전자식 유량계{ELECTRONIC FLOW METER OF INFRARED SENSOR TYPE}

본발명은 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 임펠러의 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 유량계에서 회전수 감지 방법으로 적외선 센서를 이용하는 것이다. 센서의 구동전류를 최소화 하기 위하여 자연광을 완전히 차단할 수 있는 광 차폐구조 내부에 적외선 발광소자와 수광소자를 한 쌍으로 하여 마주보게 설치하고 중앙에 임펠러와 연동하여 회전하는 회전체가 회전하면서 적외선의 선로를 개폐[ON/OFF] 시키는 구조로 하여 개[ON]구간과 폐OFF]구간의 발생횟수를 감지하여 정확하고 효율적으로 회전수를 감지할 수 있도록 적외선 센서의 구동 구조와 측정 방법을 적용하는 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계에 관한 것이다.

일반적으로 수도 미터기 등 가정용 유량 측정기기의 유량측정 방법은 측정 미터기 함체 내부에서 유체가 흐르는 힘으로 임펠러를 회전시키고 그 회전수를 감지하여 유량의 값을 환산하는 방법을 사용한다.

유체가 흐르는 유량계 함체 내부에서 임펠러를 회전시켜 회전운동의 정보를 함체 외부에서 감지하기 위하여 함체 내부의 함체 덮개와 근접한 임펠러 상부에 영구자석을 부착하고 함체 덮개의 외부에 내부 자석의 회전 운동에 따라 자력의 힘의 변화가 발생하는 위치에 리드-스위치, MR 센서등 자기센서를 부착하고 회전운동에 따른 자력의 힘에 의해 단속되는 자기센스의 단속(ON/OFF)정보를 전자회로에 접속하여 회전수를 검출하고 이 회전수를 기초로 유량을 측정하는 방법을 사용한다

이러한 자석과 자기센서의 사용방식은 설치구조나 전력소모 면에서 우수한 평가를 받을수 있지만 자력에 아주 취약하여 가까이에 자성체를 두면 동작이 불능상태가 되는 것이 커다란 문제점으로 지적되고 있으며 또한 자석을 사용하므로 수년간 사용하면 물속에 철 성분의 잔유물들이 자석에 엉겨붙어 고장이나 오차를 발생시키게 되는 취약점으로 알려져 있다.

이러한 자기센서의 문제점에 대응하는 방법으로 임펠러의 회전수를 감지하는 방법으로 임펠러와 같이 회전하는 도체 부와 부도체 부가 각각 반씩으로 나누어 형성시킨 원반 회전체와 가까이에 위치한 인덕터를 이용하여 와전류를 발생시켜서 LC 공진회로를 적용하여 임펠러의 회전수를 감지하는 방법이 대두 되고 있지만 원반 회전체와 인덕터의 거리를 아주 가까이 근접시켜야 하므로 구조적으로 취약하며 순수한 물은 전기 전도성이 없으나 일반적인 용수는 전기 전도성이 크므로 원반 회전체가 물속에 위치하게 되면 물의 전기 전도성 등을 고려해야 한다는 등의 문제점이 있다. 이에 따라 본 발명은 반도체소자로써 적외선을 수 발광센서를 이용하여 내구성과 신뢰성이 보장되며 전력소모 면에서도 우수한 구조와 감지회로를 구성하여 임펠러의 회전수를 감지하여 유량측정을 기초로 하는 유량계에 적용하고자 한다.

본 발명은 가정용 수도 온수 미터기, 적산 열량계 등의 유량측정용 미터기의 유량을 측정하기 위해 임펠러의 회전 감지부에 적외선 센서를 이용한다. 적외선 센서는 여러 분야에서 많이 사용되고 있지만 배터리를 사용하는 가정용 유량측정계기에는 전류소모가 많아 적절치 않은 것으로 알려져 있다. 본 발명은 적외선 센서 적용시에 난제로 여겨져 왔던 전류소모에 관한 문제를 해결하고, 임펠러의 회전 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써, 외부자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 방법을 제공할 수 있어 신뢰성이 높고, 경쟁력 있는 전자식 유량 측정기를 제공하는 것이다.

유체가 흐르고 높은 유압이 작용하는 내갑 내부에서 회전하는 임펠러의 회전감지를 위해 적외선 센서를 적용하는 방법으로 임펠러의 회전 축 상에 일정방향으로 발광 되는 광선을 회전하면서 단절시킬 수 있도록 하는 광 선로 개폐부를 형성시키고 그 임펠러상의 광선로 개폐부를 내갑 외부에 설치되는 한쌍의 적외선 발광 수광 센서 사이로 노출시키기 위해서 내갑 내부의 유압에 견디면서 광신호의 투과를 방해하지 않는 투명재질로서 내갑의 덮개부에 광선로 관통관을 형성하고 외부의 적외선 유입이 완전히 차폐되는 환경속에서 한쌍의 적외선 센서를 동작시킨다.

대낮에는 상당한 밝기의 조명등 불빛도 인지하기 어렵지만 캄캄한 밤에는 하나의 촛불 빛도 먼 거리에서 인지할 수 있다. 적외선은 인간의 눈에는 보이지 않지만 가시광선과 유사한 특성을 나타낸다. 자연광속에 많이 포함되어 있으며 직진성이 있고 투명한 재질은 잘 투과하고 불투명한 재질을 만나면 차단된다.

대기중의 태양광속에는 적외선이 많이 분포되어 있으므로 자연광에 노출된 환경속에서 적외선 센서를 구동시키려면 적외선 발광소자로부터 발광되는 적외선의 양은 자연광속의 적외선의 양보다 구별될 수 있을 만큼 많아야 하므로 많은 빛을 발광 시켜야 하는 만큼 많은 구동전류가 필요하다. 그러나 불투명한 재질로 적외선을 차폐한 즉 외부 적외선으로부터 완전히 자유로운 공간속에서는 적외선 센서를 동작시키면 미세한 양의 적외선의 변화에도 수광센서가 회로에서 인지할 수 있는 반응을 하므로 아주 적은 동작전류에서도 센서로서의 기능이 가능하며

임펠러의 회전속도와 연동하여 센서의 응답속도를 감안하여 짧은 시간 동안 감지회로를 동작시키고 수광센서의 반응을 스캔하는 회로를 적용하면 사용목적에 적합하도록 전류소모를 줄일 수 있다.

본 발명의 이러한 목적은 한 쌍의 적외선 발광소자와 수광소자의 동작환경이 수광소자가 인지하는 적외선이 오직 대응 설치된 수광소자로부터 발광된 적외선일 수 있도록 불투명한 재질로 완전히 자연광을 차폐시킨 환경을 만들어 주고 그 속에서 유체가 흐르는 유량계의 내갑속에서의 임펠러의 회전을 감지할 수 있도록 임펠러 축의 상부에 회전체의 투명부 불투명부로 구분되어 구성되는 적외선의 선로의 개폐부를 가진 임펠러를 적용하고, 유량부 내갑 덮개 상에 투명한 재질로 형성하여 임펠러 적외선 개폐부를 노출시키고 임펠러 축상의 적외선 개폐부와 대응되는 높이에서 한쌍의 적외선 발광소자와 수광소자가 자리 잡고 동작할 수 있는 구조를 형성하여 적외선 발광소자와 수광소자에 동작 전류를 공급하고 임펠러의 회전에 따라 적외선 개폐 구조부가 적외선 발광소자에서 방출되는 적외선이 수광소자에 도달하는 선로를 개폐시킴으로써 수광소자의 반응 횟수를 측정하여 임펠러의 회전속도를 감지할 수 있도록 설계된 PCB상의 회로와 제어부에서 그 회전 값을 적산하여 정확한 유량 값을 표시부 LCD에 표시하고 통신 선로를 통하여 원격감시장치 등에 측정값을 제공함으로써 적외선 센서를 이용한 전자식 유량계의 목적을 달성한다.

본 발명은 임펠러의 회전 감지를 위해 반도체 소자인 적외선 발광 수광소자를 사용함으로써 외부 자성체의 영향이나 유체에 함유된 성분이나 유체의 전기 전도성 등에 완전히 자유로운 회전체의 회전 감지 능력으로 신뢰성을 확보하고

한쌍의 적외선 소자가 완전히 외부 광선으로부터 차단된 미터기 함체 내부 공간에 존재 함으로서 적외선 수광소자는 오직 적외선 발광소자가 발생시키는 적외선과 임펠러 개구부의 회전에 따른 광선로의 개폐 상태에 따라 민감하게 동작하기 때문에 센서의 동작 전류를 크게 줄이고 반도체인 적외선 소자에 흐르는 전류가 감소하는 만큼 센서 소자의 수명은 연장되므로 센서의 반영구적 내구성을 확보할 수 있으며 그 구조가 단순하므로 생산에 따른 품질의 오차가 거의 없는 기능과 생산성에서 경쟁력 있는 유량측정 장치를 제공하는 것이다.

[도1]은 본 발명의 실시 예에 따른 적외선 센서 감지부, 전자 제어부를 포함하는 외갑부와 유체가 흐르고 회전하는 임펠러를 내장하는 내갑부를 보여주는 제품의 종단면도
[도2]는 유량부의 센서 입 출력단과 연계되는 전자 제어부의 블럭도
[도3]적외선센서을 이용한 유량측정 장치의 유량부 전체의 부분품 구성도
[도4]열린 원통형구조의 적외선 광선로 개폐구를 가진 임펠러 적용시의 적외선센서 설치부의 횡단면도
[도5]임펠러 적외선 개폐구 및 외갑 덮개상의 적외선 관통부구조의 변형 구조도
[도6] 도[5]에 따른 적외선 광선로 개폐구를 가진 임펠러 적용시의 적외선 센서 설치부의 횡단면도
[도7]적외선센서의 구동 신호도
===== 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 =====
10: 유량부 내갑부 11: 외갑부 12:임펠러 회전축
20: 임펠러 21: 임펠러 축 22: 임펠러 상의 적회선 신호 폐구부
23: 임펠러 상의 적회선 신호 개구부
30: 유량부 덮개 31: 적외선 광선로 관통관
40: 외부적외선 차단 덮개 41: 적외선 수광소자 42: 적외선 발광소자
50.51.52.53: 적외선 수 발광소자의 회로 연결선로
60: 전자회로를 포함하는 PCB회로 기판

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용하는 전자식 유량계를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용하는 전자식 유량계가 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선센서를 이용한 전자식 유량계의 설치 상태를 절단한 면을 도시한 종단면도, 도 2는 동작 소프트웨어가 내장되는 제어부를 포함하는 PCB상의 기능 블럭도, 도 3은 적외선 센서을 이용한 유량측정 장치의 유량부 전체의 부분품 구성도, 도 4는 도3에 적용된 열린 원통형구조의 적외선 광선로 개폐구를 가진 임펠러 적용시의 적외선센서 설치부의 횡단면도, 도 5는 임펠러 적외선 개폐구 및 외갑 덮개의 적외선 관통부구조의 또다른 실시 예를 보여주는 변형 구조도, 도 6은 도[5]에 적용된 원기둥형 적외선 광선로 개폐구를 가진 임펠러 적용시의 적외선센서 설치부의 횡단면도, 도 7은 임펠러 회전시 적외선센서의 구동과 감지 신호도를 보여준다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 적외선 센서식 전자식 유량계는 임펠러 회전축(12)에 지지되어 피측정 유체의 흐름에 따라 회전하고 축의 상부에 적외선 신호의 개폐부(22,23)를 가진 임펠러(20)가 있고 유량부 덮개중앙부에 임펠러 축상의 적외선 개폐구(22,23)를 노출시키고, 적외선을 잘 통과시키며 유체의 압력에 견딜 킬 수 있도록 투명한 재질로 몰딩하여 형성시킨 투명 적외선 관통관(31) 임펠러 축상의 적외선 개폐부(22,23)와 대응되는 높이에 한쌍의 적외선 발광 수광소자(41,42)를 위치시키고 불투명하여 외부의 자외선을 차단하고 적외선 센서를 지지할 수 있는 외부 적외선 차폐용 덮개(40)를 장착하고 센서의 구동회로 연결선을 PCB상의 회로(50,51,52,53)와 결선하고 제어부의 소프트웨어를 구동함으로써 완성된다.

상기 구조에서 외부 적외선 차폐용 덮개(40)는 외갑부(11)와 일체로 구성할 수도 있는 것이다.

본 발명은 미터기 유량부에 피측정 유체가 흐르는 양에 따라 비례하여 회전하는 임펠러(20)의 회전을 한쌍의 적외선 발광소자(41)와 수광소자(42)가 있어 발광소자(41)로 부터 방출되는 적외선이 투명한 광선로 관통관(31)을 통해 수광소자(42)에 손실 없이 도달할 수 있도록 하고 그사이를 회전하는 임펠러의 광선로 개폐부가 광로를 개폐[ONN/OFF]함으로써 수광소자의 반응을 감지하여 회전수를 감지하는 것이다. 즉 적외선 발광소자(41)와 수광소자(42) 사이에 임펠러의 개폐부의 흑색 불투명부 즉 개구간(23)이 위치하면 수광소자는 반응하여 수신 회로정보는 하이레벨 값(1)으로 임펠러의 폐구간(22)가 위치하면 수광소자는 반응하지 못하므로 수신 회로정보는 로우레벨 값(0)으로 나타나게 되므로 이 정보를 이용하여 제어부에서 임펠러의 회전수를 감지하여 유량을 측정하는 것이다.

적외선 관통관(31)의 구조는 유량부의 적외선 발광소자(41)에서 발광된 적외선은 적외선 관통관의 발광소자쪽 관벽을 통과하고 임펠러가 개구부 위치에 있을때 광신호는 투과하여 적외선 수광소자(42)에 도달 하게된다. 이때 적외선 관통관의 원통형으로 하면 광투과 구간의 중심에서 멀어 질수록 두께가 넓어지는 오목렌즈의 구조(45)를 갖게 되어 빛을 분산 시켜서 비효율 적이므로 광 투과부를 볼록렌즈 형태(43,43a)로 구성하여 빛을 집중시키는 구조를 채택하여 효율을 높인다.

이러한 사상을 기초로 하면 임펠러의 적외선 개구부의 형태를 원통형으로 하고

적외선 관통관의 구조와 적외선 센서의 위치등을 도[5]와 도[6]과 같이 하면 같은 기능을 같는 변형 구조가 되는 것이다

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

LCD : 액정표시부
PCB : 인쇄회로 기판
Comparator : 입력 값을 기준 값과 비교하여 보다 크면 High 작으면 Low
두 가지값으로 변환하여 출력하는 반도체 소자

Claims (3)

1. 임펠러 축상에 적외선 광선로 개폐부(22,23)를 가진 임펠러와 유량계 내갑 내부에서 회전하는 임펠러상의 적외선 광선로 개폐부를 투명체를 이용하여 적외선 센서의 구동 환경속으로 노출시켜서 광신호로서 회전을 감지할 수 있도록 투명한 재질의 광선로 관통의 기능을 갖는 광선로 관통관(31)을 형성시킨 내갑의 덮개(30)구조와 광선로 관통관(31) 외부에 임펠러의 광선로 개폐부에 대응되는 위치에 설치되는 한 쌍의 적외선 발광 수광소자(41,42)와 한 쌍의 적외선 발광 수광소자(41,42)와 접속되어 회전감지를 구현하는 회로를 특징으로 하는 전자식 유량계
   
2. 청구항 1에 있어서 임펠러의 적외선 광선로 개폐부(22,23)는 열린 원통형 형태로써 반은 투명한 광선로 개구부(23)로 반은 불투명한 광선로 폐구부(22)로 형성되는 구조를 이루고 내갑 덮개 상의 임펠러의 광선로 관통관(31)은 임펠러의 적외선 광선로 개폐부의 회전공간이 있는 열린 원통형 구조를 이루고 원통형의 내부와 외부에 대응설치되는 한 쌍의 적외선 발광 수광소자(41,42) 사이의 광투과 경로부가 볼록렌즈 형태(43)의 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
3. 청구항 1에 있어서 임펠러의 적외선 광선로 개폐부(22a,23a)는 불투명체의 원기둥 형태로써 그 일부에 광선로 개구간(23a)을 형성되는 구조를 이루고 내갑 덮개 상의 임펠러의 광선로 관통관(31a)은 투명재질로 임펠러의 적외선 광선로 개폐부(22a,23a)를 적외선 동작환경으로 노출시키고 대응 설치되는 한 쌍의 적외선 발광 수광소자(41a,42a) 사이의 광투과 경로부가 볼록렌즈 형태(43a)의 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   

Images