KR101304373B1 - 초음파 트랜스듀서로 컨테이너 내의 액체 레벨을 측정하기 위한 장치 - Google Patents

초음파 트랜스듀서로 컨테이너 내의 액체 레벨을 측정하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 트랜스듀서를 포함하여, 초음파 트랜스듀서에 의해 컨테이너 내의 액체 레벨을 측정하는 장치에 관한 것으로, 이는 바닥부로부터 이격되어 위치하여, 액체 표면을 향해 또한 하부 반사기를 향해 방사한다. 초음파 트랜스듀서는 바람직하게는 큰 상부 개구부 및 작은 하부 개구부를 구비한 하우징과 일체화된다. 캐비티가 하부 개구부 아래에서 장치 바닥부 상에 배열된다.

Description

초음파 트랜스듀서로 컨테이너 내의 액체 레벨을 측정하기 위한 장치 {DEVICE FOR MEASURING THE LEVEL OF A LIQUID IN A CONTAINER BY MEANS OF AN ULTRASONIC CONVERTER}
본 발명은 초음파-에코 원리(ultrasonic-echo principle)에 따라서 초음파 트랜스듀서로 컨테이너 내의 액체 레벨을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 초음파 트랜스듀서는 바닥 영역 내에 놓인 반사 표면으로부터 이격되어 배치되고 한편으로는 액체 표면에 다른 한편으로는 반사 표면에 방사되도록 디자인된다.
이러한 장치는 예를 들어 EP 1 460 396에서 공지된다. 이러한 장치에서는, 피크 내의 에코 신호 분리는 액체 표면 상에서 그리고 컨테이너 바닥 영역에서 다중 반사의 결과로서 탐지된다는 사실에 의해서, 그리고 결정된 간격으로부터 야기된 피크의 시간 간격이 액체 내의 음속을 결정하도록 평가된다는 사실에 의해서 평가가 이루어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 형식의 장치를 제공하는데 있어서, 특히 간단하게 제조하고 초음파-에코 원리에 따라 특히 신뢰성 있는 측정을 허용하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제 1 항에 따른 장치로서 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 종속항에 기재된다.
초음파 트랜스듀서로 컨테이너 내에 초음파-에코 원리에 따른 액체 레벨 측정 장치에 있어서, 초음파 트랜스듀서는 컨테이너의 바닥 영역 내에 놓인 반사 표면으로부터 이격되어 위치하며, 한편으로는 액체 표면에 다른 한편으로는 반사 표면에 방사되도록 디자인되고, 본 발명에 따라 바람직하게는 바닥부의 함몰부(sunken portion)가 초음파 트랜스듀서 아래에 위치한다. 컨테이너 바닥부는, 보다 정확하게 함몰부 내측의 바닥부는 반사 표면으로서 또는 반사기로서 작용한다. 함몰부는 참조 간격(reference distance)을 한정한다. 따라서, 비교 측정을 위해 고정된 참조 간격이 사용되고 실제 측정 간격과 무관하게 참조 간격이 형성되며, 이러한 방법으로 2개의 측정기가 가능한 상호 영향을 거의 주지 않는 상황을 이룰 수 있다.
초음파 트랜스듀서는 신호를 초음파 진동으로 또는 그 역으로 변환하기 위한 어떠한 장치를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 초음파 트랜스듀서는 바람직하게는 트랜스미터(transmitter)로서 그리고 리시버(receiver)로서 사용될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서를 단독 트랜스미터로서 사용하는 것이 가능하며 그리고 구조적으로 구분된 리시버를 사용하는 것이 가능하다. 초음파 트랜스듀서는 바람직하게는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)로서 디자인된다. 특히, 압전 세라믹 또는 압전 크리스털이 이를 위해 사용된다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예로서, 트랜스미터와 리시버 및 바람직하게는 평가 유닛(evaluation unit)이 하나의 구성요소로서 일체화된다. 이러한 구성요소는 바람직하게는 하우징이며, 그 안에 일체화된 스위칭 회로 특히 이 경우 ASIC가 위치한다. 하우징은 바람직하게는 플라스틱 물질 또는 폴리머(polymer)로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 트랜스미터는 상하 개구부를 구비한 리세스를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 장치는 초음파를 아래보다 위에서 보다 높은 전력으로 전달한다. 이를 위해, 적합한 하우징 실시예가 바람직하게 취해지며, 특히 상이한 크기의 개구부가 하우징 상하에 제공된다. 다른 적합한 실시예로서, 예를 들어 일종의 하우징 내에 초음파 트랜스듀서 설치 또는 댐핑 부재(damping element)의 사용이 취해진다. 이를 위해, 하우징 하부 개구부 즉 참조 간격을 향한 하나의 개구부가 상부 개구부 즉 액체 표면을 향한 다른 개구부보다 작다. 하우징 내에 리세스가 제공되며, 그 안에 초음파 트랜스듀서 또는 특히 압전크리스털이 그 위로부터 꼭 맞추어져서(form-fit manner) 삽입되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 초음파 트랜스듀서는 금속 프레임 상에, 특히 "리드 프레임(lead frame)" 또는 가압 스크린(pressed screen) 상에 장착되고 다음 플라스틱 물질로 폐쇄되거나 캡슐화될 수 있다. 초음파의 보다 양호한 분리(decouple)를 위해 초음파 트랜스듀서 부재의 표면은 하우징 물질에 포함될 수 있다. 이를 위한 제조 기술로서, 초음파 트랜스듀서의 전체 작용 표면 또는 적어도 일부의 영역이 하우징 물질로부터 구분된다. 하부 및 상부 개구부는 바람직하게는 방사되는 전력에 따라 치수가 결정되며, 액체 표면을 향한 상부 개구부는 초음파 트랜스듀서와 동일한 크기를 갖거나 또는 작용 표면과 정교하게 동일한 크기를 가져서, 최대 전달 전력을 이룬다. 또한, 온도 탐지를 위한 장치가 구성요소 자체 안에 제공되는 것이 바람직하다. 이는, 온도 탐지부를 구비한 ASIC으로서 디자인되는 것이 바람직하다. 또한, 커패시터, 저항, 다이오드, 트랜지스터, 배리스터 및/또는 코일과 같은 패시브 전기 구성요소(passive electrical component)가 하우징 내에 위치한다.
또한, 일체화된 스위칭 회로, 특히 ASIC는 신호 제어 및 수신되는 신호의 처리를 위해 작용한다. 하우징은 멀티칩 모듈(multichip module)로서 지칭될 수 있으며, 코팅되는 것이 바람직하여, 센서 부재 또는 초음파 트랜스듀서의 액체 저항 특히 오일 저항을 보장한다.
본 발명에 따라서, 장치 바닥의 함몰부가 초음파 트랜스듀서 아래에 제공된다. 이를 위해, 에코는 리시버에 재전송되며, 다른 영역 특히 표면에 의해 반사된 방사와의 구분이 어려운 영역의 반사가 방지된다. 함몰부는 하우징 내의 하부 방사 개구부에 따라 치수가 결정되는 것이 바람직하다. 함몰부는 채널형으로 디자인되는 것이 바람직하다. 따라서, 검사되는 매체의 유동이 함몰부에서 발생한다. 함몰부는 하우징의 장착 영역 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 초음파 신호에 영향을 주는 배열체가 장치의 바닥부에 특히 함몰부에 제공된다. 이러한 방법으로, 에코 상에서 식별이 강조되어 신뢰성 있는 식별이 액체 표면으로부터 반사된 신호와 바닥에 의해 반사된 신호 사이에서 가능하며, 평가 전자부품은 반사된 신호들 사이에서 신뢰성 있게 구분할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 초음파 신호에 영향을 주는 배열체는 에지로 디자인된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 초음파 신호에 영향을 주는 배열체는 누적층(a stack of layer)으로 디자인된다. 따라서, 참조 신호에서 위상 변화(phase shift)를 생성하며, 이는 신호를 명확하게 제공한다. 초음파 신호에 영향을 주는 배열체의 다른 실시예의 가능성은, 2단계 및/또는 스플릿 참조 반사기(split reference reflector)이다. 전체적으로, 2개의 부분적인 에코의 간섭 효과가 참조 에코 상의 특징적인 신호 패턴을 형성하도록 함께 이루어진다.
또한, 대안적으로 반사기로부터 그리고 액체 표면으로부터의 에코는 상이한 전파 시간(propagation time)에 의해 구분될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예로서, 장치는 액체 컨테이너 특히 오일 탱크의 하부측에 장착되기 위한 플랜지(flange)로서 디자인된다. 플랜지는 논리 회로를 포함하는 초음파 트랜스듀서, 참조 간격, 및 밀봉링을 포함하는 플랜지 그룹을 포함하며, 이는 일체화된 스위칭 회로 내에 놓인다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 통해 상세히 설명된다. 도면들은 다음과 같다.
도 1은, 본 발명에 따른 장치의 원리를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 본 발명에 따른 장치의 특정 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 본 발명에 따른 도 2의 대안적 실시예의 장치를 도시한다.
도 4는, 본 발명에 따른 장치의 하우징을 개략적으로 도시하며, 다수의 구성 요소가 그 안에 포함된다.
도 5는, 본 발명에 따른 장치를 위하여 특별히 적용된 하우징의 사시도이다.
도 6은, 예를 들어 도 4 또는 5에 따른 하우징을 고정하기 위한 본 발명에 따른 장치 형성용 플랜지를 도시한다.
도 1은, 초음파 트랜스듀서(2)를 구비한 장치(1)를 개략적으로 도시하며, 이는 음파(3)를 액체 표면(4)에 방사한다. 액체 표면(4)은, 특히 오일과 같은 조사되는 매체와 특히 공기와 같이 그 위에 놓인 기체 사이에서 경계층을 형성한다. 음파(3)의 반사는 이러한 경계층에서 이루어져서, 반사된 음파(3)가 에코로서 초음파 트랜스듀서에 되돌아간다. 초음파 트랜스듀서(2)는 압전세라믹으로 형성되며, 또한 트랜스미터 및 리시버로서 작용할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(2)는 특히 오일 컨테이너인 액체 컨테이너의 바닥부로부터 이격되어 위치하여, 음파(5)가 초음파 트랜스듀서(2)에 의해 후면에서도 방사되며 특히 컨테이너 바닥부에서의 후면 반사기(6)에서 반사된다. 도 1에서 지시하였던 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(2)는 플랜지 상에 배치되며, 여기에서 채널과 함몰부가 제공되고, 후면에서 방사된 음파(5)가 일어나서 한정된 참조 간격을 형성한다. 액체, 특히 여기에서 오일은 초음파 트랜스듀서(2) 둘레로 직접 유동하며, 이에 따라 음파(5)와 사용되는 참조 간격이 매체 오일로 채워진다. 초음파 트랜스듀서(2)는 시간-제한형 초음파 패킷(time-limited ultrasonic wave packet)을 전송한다. 이러한 초음파 패킷은 오일-공기 경계에서 반사되고 전파 시간(t) 이후 동일한 초음파 트랜스듀서에 되돌아 간다. 전파 간격은 초음파 패킷의 전파 시간으로부터 결정된다. 전파 간격은 오일과 공기 사이의 경계면과 초음파 트랜스듀서 사이의 간격의 정확히 2배이다. 최적의 경우, 초음파 트랜스듀서가 컨테이너 바닥부에 장착되고 전달 표면은 바닥 표면과 동일하고 반사 표면은 전달 표면과 평행면인 한, 이러한 간격은 액체 컨테이너 레벨과 동일하다. 측정 매체 내의 음속 정보는 전파 간격을 계산하는데 필요하다. 후자는 무엇보다 측정 매체 및 온도에 의한다. 따라서, 참조 간격은 이러한 유동을 보정하고 음속을 계산하도록 사용된다. 음속은 정확히 알 수 없는데, 이는 이러한 반사 표면에서 반사되는 신호의 전파 시간과 초음파 트랜스듀서(2)로부터 반사 표면 또는 보다 정확히는 후면 반사기(6)의 공지된 간격으로부터 결정된다.
도 2는, 장치(1)의 특징으로서, 후면 반사기(6) 내의 추가 에지(7)를 도시한다. 그 효과는, 후면 반사기의 에코 신호가 명백한 신호를 갖도록 하고 따라서 액체 표면으로부터 반사된 신호와 명백히 구분되도록 한다.
대안으로서, 누적층(8)이 도 3의 후면 반사기(6) 내에 배치된다. 이러한 누적층 또는 하나의 층의 팩(pack)은 참조 신호에 대한 위상 변화(phase shift)를 제공하며, 이는 액체 표면의 에코 신호로부터 참조 신호가 명확히 구분되는 것을 보장한다.
도 4는, 다른 구성요소를 포함한 하우징(10) 내에 일체화된 초음파 트랜스듀서(2)를 도시한다. 이러한 하우징은 전체적인 센서 부재로서 디자인되고, 초음파 트랜스듀서(2)는 별도로 하더라도 온도 탐지부(14)를 구비한 ASIC 및 예를 들어 커패시터, 저항, 다이오드, 트랜지스터, 배리스터 및/또는 코일과 같은 다수의 패시 브 구성요소(15)를 포함한다.
도 5는, 하우징(10)을 도시하며, 여기에는 초음파 트랜스듀서(2)를 수용하기 위한 리세스(11)가 도시된다. 상부 측면에서, 리세스(11)는 비교적 크고 수용되는 초음파 트랜스듀서(2)의 형태에 적합하다. 하부 영역에서, 링(12) 형태의 지지 부재가 제공되며, 여기에서 초음파 트랜스듀서가 위치하며, 더욱이 최종층(final layer)이 제공되는데 비교적 작은 개구부(13)가 있어서, 이를 통해 후면에 방사되는 음파의 오직 작은 부분만이 하방으로 후면 반사기에 통과된다. 이러한 리세스의 크기는 바람직한 에너지의 신호가 하방으로 방사되도록 한다.
도 6은, 플랜지 그룹(20)을 도시하며, 이는 특히 오일 탱크인 액체 컨테이너의 하부측에 장착되고, 액체 컨테이너 내의 개구부로 인해 액체 특히 엔진 오일과 직접 접촉한다. 축방향 고무 가스킷(22)은 시스템을 외부에 대해 단단히 폐쇄한다. 플랜지 그룹(20)은 초음파 트랜스듀서(2)를 구비한 하우징(10)용 장착면(23)을 갖는다. 장착면(23)에 함몰부가 제공되고, 이는 채널(21)로서 디자인된다. 채널(21)의 너비는 하우징(10) 내의 하부 개구부(13)의 크기에 적합하다.

Claims (14)

  1. 초음파 트랜스듀서(2)로 컨테이너에서 초음파-에코 원리(ultrasonic-echo principle)에 따라 액체의 레벨을 측정하기 위한 액체 레벨 측정 장치로서, 상기 초음파 트랜스듀서(2)는, 상기 컨테이너의 바닥에 놓인 반사 표면으로부터 이격되어 위치되고, 액체 표면 및 하부의 반사 표면(6)에 방사하도록 구성되며,
    상기 바닥 내의 함몰부(sunken portion)(21)가, 상기 트랜스듀서(2) 및 상기 함몰부(21)의 바닥 사이의 참조 거리 측정을 위해, 상기 초음파 트랜스듀서(2)의 아래에 위치되고,
    상기 액체 레벨 측정 장치는 상기 컨테이너의 하부측의 개구에 장착되기 위하여 밀봉 링(22)를 구비한 플랜지(flange)(20)로서 구성되고,
    상기 함몰부(21)는 채널(channel)형으로 구성되어 상기 액체의 상기 함몰부(21) 내의 유동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서(2)는 리시버(receiver)로서도 작동하는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 레벨 측정 장치는 리시버 및 평가 유닛(evaluation unit)을 더 포함하되,
    상기 초음파 트랜스듀서(2), 상기 리시버 및 상기 평가 유닛은 제 1 구성요소로 일체화되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 레벨 측정 장치는 하우징을 구비하며, 상기 하우징은 상기 하우징에 일체화되는 전기 구성요소를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 레벨 측정 장치는 상기 초음파 트랜스듀서(2)를 수용하도록 하부 개구부 및 상부 개구부를 구비한 제 2 구성요소를 갖는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부 개구부(13) 및 상부 개구부(11)는 서로 다른 크기로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상부 개구부(11) 및 상기 하부 개구부(13)는 방사되는 에너지에 상응하여 치수가 결정되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징은 온도 탐지부(14)를 위한 장치인 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  9. 삭제
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 함몰부(21)는 상기 하우징(10)을 위한 장착 표면(23) 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    초음파 신호에 영향을 주는 배열체가 상기 액체 레벨 측정 장치의 바닥에서 상기 함몰부(21) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 초음파 신호에 영향을 주는 배열체는 에지(7)로서 구성되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 초음파 신호에 영향을 주는 배열체는 누적층(a stack of layer)(8)으로서 구성되는 것을 특징으로 하는,
    액체 레벨 측정 장치.
  14. 삭제
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