KR101323399B1 - 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치 - Google Patents

초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 요소수 공급 장치의 요소수 보관 챔버 내의 요소수 수위를 측정하기 위한 것으로, 상하단이 개방된 관 형태이고, 하단이 상기 요소수 보관 챔버 내의 바닥면에 인접하여 배치된 수위 측정관; 및 상기 수위 측정관의 상단에 설치되는 초음파 레벨 센서를 포함하는 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치에 대해 개시하고 있다.

Description

초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치{UREA SOLUTION LEVEL MEASURING APPARATUS USING ULTRASONIC WAVE LEVEL SENSOR}
본 발명은 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치에 관한 것으로, 특히, 요소수 판매처에서 설치되어 요소수를 안전하게 보관할 수 있도록 형성된 요소수 공급 장치에서 내부의 요소수 수위를 실시간으로 정확하게 감지할 수 있는 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치에 관한 것이다.
환경오염에 관한 문제가 사회적으로 주요한 이슈로 부각되면서 화석 연료를 사용하는 내연기관 자동차에 대한 배기가스 규제가 점차로 엄격해지고 있다. 특히, 버스나 트럭과 같이 디젤 연료를 사용하는 디젤 엔진 차량의 배기가스에는 산성비 및 호흡기 질환의 원인물질로 밝혀진 질소산화물(NOx)이 포함되어 있어, 최근에 적용되고 있거나 적용될 예정인 유럽 자동차 배기가스 규제기준인 유로 5(EURO-5) 및 유로 6(EURO-6)은 질소산화물의 배출 기준을 더욱 엄격하게 규제하고 있다.
이러한 배출 기준에 대응하기 위하여, 차량에 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법) 시스템을 적용하여, 차량 디젤 엔진의 배기가스 중에 포함되어 있는 질소산화물을 저감하는 방법이 사용되고 있다. SCR 시스템은 촉매제로서 요소수를 이용하여 질소산화물을 질소와 물로 환원함으로써 배기가스 중의 질소산화물을 제거한다. 이러한 SCR 시스템은 현재에는 트럭 등의 대형 차량에 주로 사용되고 있으나 최근에는 승용차까지 그 적용 범위가 확장되고 있다.
SCR 시스템은 질소산화물 저감을 위해 연료 사용량의 약 4~6%에 이르는 요소수를 사용한다. 따라서 차량에 연료를 충전하는 것처럼 요소수도 충전되어야 한다. 이를 위해 디젤 엔진 차량에는 연료 탱크와 함께 요소수 탱크가 구비되어 있다.
SCR 시스템 장착 차량이 증가함에 따라 요소수의 수요는 급증하고 있음에도 불구하고, 아직까지 차량 운전자가 요소수를 연료 주유처럼 간편하게 주입할 수 있는 장치가 존재하지 않아, 많은 불편을 겪고 있다.
이러한 요소수 공급 장치에서는 내부의 요소수 수위 즉, 충전량과 잔량을 정확하게 감지할 수 있는 요소수 수위 측정 장치가 필요한 데, 종래의 수위 측정 장치는 인접한 표면에서 반사되는 잡음과, 수면의 출렁임과 같은 요동에 의하여 정확한 수위 측정의 정확성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 요소수 판매처에서 설치되어 요소수를 안전하게 보관할 수 있도록 하면서 차량에 연료를 주입하는 것처럼 간편하게 요소수를 차량 요소수 탱크에 주입할 수 있는 요소수 공급 장치의 요소수 보관 챔버 등과 같이 정확한 수위 변화의 감지가 필요한 곳에서, 수면 출렁임 등의 장애 요인에 관계없이 정확한 수위 측정이 가능한 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위해, 요소수 공급 장치의 요소수 보관 챔버 내의 요소수 수위를 측정하기 위한 것으로, 상하단이 개방된 관 형태이고, 하단이 상기 요소수 보관 챔버 내의 바닥면에 인접하여 배치된 수위 측정관; 및 상기 수위 측정관의 상단에 설치되는 초음파 레벨 센서를 포함하는 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 수위 측정관의 상단에는 상기 초음파 레벨 센서가 결합되는 커플러를 구비하고, 상기 커플러에는 공기 출입을 가능하게 하는 공기홀이 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 요소수가 충전 보관되며 외부와의 공기 출입을 가능하게 하는 에어벤트가 설치된 요소수 보관 챔버; 및 상기 요소수 보관 챔버와 격벽으로 구획되어 분리되며 상기 요소수 보관 챔버 내의 요소수를 외부로 공급하기 위한 주입 노즐이 설치된 장치 챔버를 포함하는 요소수 공급 장치에 구비되어, 상기 요소수 보관 챔버 내의 요소수 수위를 측정하기 위한 것으로서, 상하단이 개방된 관 형태로 형성되고, 하단이 상기 요소수 보관 챔버 내의 바닥면에 인접하여 배치되고, 상단은 상기 요소수 보관 챔버의 상면을 관통하여 외부로 연장된 수위 측정관; 초음파를 상기 수위 측정관 내의 요소수에 발사하여 초음파가 반사되어 되돌아 오는 시간을 측정 환산하여 요소수의 수위를 측정하는 초음파 레벨 센서; 및 하단이 상기 수위 측정관에 결합되고 상단에는 상기 초음파 레벨 센서가 결합되며, 주면으로 공기 출입이 가능하게 공기홀이 형성된, 상하단으로 개방된 관 형태의 커플러를 포함하는 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에 따른 수위 측정 장치를 구비한 요소수 공급 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치에 의하면, 요소수 판매처에서 설치되어 요소수를 안전하게 보관 판매할 수 있도록 하면서 차량에 연료를 주입하는 것처럼 간편하게 요소수를 차량 요소수 탱크에 주입할 수 있는 요소수 공급 장치의 요소수 보관 챔버 등과 같이 정확한 수위 변화의 감지가 필요한 곳에서, 수면 출렁임 등의 장애 요인에 관계없이 정확한 수위 측정이 실시간으로 가능하게 된다.
따라서, 수면이 변동하는 환경에서 수위의 실시간이 측정이 필요한 곳에서 신뢰성 있는 요소수 수위 정보를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 공급 장치의 외관 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 공급 장치의 내부 구조를 보인 부분 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 공급 장치의 내부 구조를 보인 부분 단면도이다.
도 4 본 발명에 따른 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 장치의 외관 사시도이고, 도 2 및 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 장치의 내부 구조를 각도를 달리하여 보인 부분 단면도이다.
도면을 참조하면, 요소수 공급 장치는, 외관을 이루며 내부에 요소수 보관 챔버(100)와, 장치 챔버(200)를 포함하는 하우징(1)을 포함하며, 하우징(1)의 일측으로 주입 노즐을 수납할 수 있는 주입 노즐 수납부(20)를 포함한다.
본 발명에 따른 요소수 수위 측정 장치는 요소수 보관 챔버(100)의 내의 요소수 수위를 측정하기 위해 설치된다.
먼저, 본 발명에 따른 요소수 수위 측정 장치가 채용된 요소수 공급 장치의 전체적인 구성을 살펴본다.
요소수 공급 장치의 외관을 이루는 하우징(1)은 바닥 프레임(3)에 고정 설치되며, 내부의 요소수 보관 챔버(100)에는 요소수가 충전 보관되며, 장치 챔버(200)는 상기 요소수 보관 챔버(100)와 격벽(101)으로 구획되어 분리되어 있으며, 주입 노즐(50)을 통한 요소수 공급과 관련된 기구들이 설치된다.
요소수 공급 장치는 주유소 등과 같은 요소수 판매처에 고정적으로 설치되고, 판매자가 차량 연료를 판매하는 것처럼 동일한 방식으로 요소수 판매할 수 있도록 하며, 차량 운전수는 필요한 시기에 연료를 구매 주유 받는 것처럼, 요소수를 구매 주입받을 수 있도록 하는 장치이다.
본 발명에 따르면, 요소수를 차량의 요소수 탱크에 주입할 수 있는 장치인 주입 노즐(50)은 하우징(1)의 일측에 마련되고 외부로 개방된 주입 노즐 수납부(20)에 수납 거치되고, 그 상부에는 제어판(19)이 설치된다. 주입 노즐 수납부(20)에는 도어(21)가 구비되어 주입 노즐 수납부(20) 내부의 보온을 가능하게 한다.
제어판(19)은 주입 노즐(50)을 통한 요소수의 판매 즉, 주입 노즐(50)을 통한 요소수 주입량에 따른 금액 모니터링, 리터 단위 또는 금액 단위의 요소수 주입을 가능하도록 구성된다. 또한, 제어판(19)은 충전호스(130)를 통하여 요소수 보관 챔버(100)에 충전되는 요소수량을 모니터링하고 잔량 감시 표시하는 기능을 한다.
하우징(1)은 일측으로 장치 챔버 도어(201)를 포함하여, 장치 챔버(200) 내부를 개폐 가능하게 구성되어 있다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 요소수 보관 챔버(100)는 운반 차량으로부터 요소수를 공급받아 판매를 위해 보관하는 공간으로, 배출호스(112)가 연결된 수정펌프(110)와, 히터(120) 및 온도센서(125)를 포함하는 온도 조절 시스템과, 충전호스(130)와 및 요소수의 수위를 측정하기 위한 본 발명에 따른 수위 측정 장치가 설치된다.
온도 조절 시스템이 요소수 보관 챔버(100) 내에 설치된다. 히터(120)는 수중펌프(110)에 인접하여 격벽(101)에 설치된다. 히터(120)는 겨울철에 내부의 온도가 일정 온도 이하로 내려가는 경우에 가동하여 수중펌프(110) 주변을 가열한다. 히터(120)에 의해 수중펌프(110) 주변이 항상 일정한 온도를 유지하므로 온도 저하에 따른 수중펌프(110)의 기능 이상을 방지할 수 있고, 요소수 보관 챔버(100) 내의 요소수 결빙을 방지하여 수중펌프(110)에 의한 요소수의 원활한 공급을 보장한다.
또한, 온도 조절 시스템은, 수중펌프(110)에 인접하여 요소수 보관 챔버(100)의 바닥면에는 온도 센서(125)가 설치된다. 온도 센서(125)는 요소수 보관 챔버(100) 내의 온도를 감지하여 히터(120)의 가동을 제어하고, 수중펌프(110)의 주변부의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
충전호스(130)가 외부로부터 요소수 보관 챔버(100) 내부로 요소수를 충전하기 위해 설치된다. 운반차량을 통해 요소수 공급 장치가 있는 요소수 판매처로 운반되어 온 요소수는 충전호스(130)를 통해 요소수 보관 챔버(100)에 충전된다. 요소수 충전호스(130)는 그 일단이 요소수 보관 챔버(100)의 바닥면에 위치하고 상부로 연장된 후 타단이 요소수 보관 챔버(100)의 외부로 연장된다. 본 실시예에 의하면 충전호스(130)는 장치 챔버(200) 내로 연장된다.
요소수 보관 챔버(100)의 상면에는 요소수 보관 챔버(100)로의 공기출입을 가능하게 하는 에어벤트(150)가 설치된다. 에어벤트(150)에 의해 요소수 보관 챔버(100) 내부의 요소수의 수위 변화에 따라 공기가 출입 가능하므로 요소수 보관 챔버(100) 내외부는 압력 차이 없이 동일한 압력 상태를 유지할 수 있다. 따라서 요소수 보관 챔버(100) 내부에 부압 내지 정압이 생성되는 것을 방지하여 안정성이 향상된다.
요소수 보관 챔버(100)에는 요소수의 수위를 측정할 수 있는 본 발명에 따른요소수 수위 측정 장치가 설치된다. 요소수 수위 측정 장치에 관해서는 아래에서 상세하게 다시 설명한다.
본 발명에 따른 요소수 공급 장치에 의하면, 장치 챔버(200)는 요소수 보관 챔버(100)와 격벽(101)으로 구분되어, 요소수 보관 챔버(100)의 일측으로 위치한다. 장치 챔버(200)는 요소수 보관 챔버(100)로부터 연장된 충전호스(130)의 타단과, 노즐호스(220)와, 노즐호스(220)를 거치하는 리트랙터(210)와, 히터(230)를 포함한다. 또한 일측으로 주입 노즐(50)을 보관하는 공간인 주입 노즐 수납부(20)가 형성되어 있다. 장치 챔버(200)는 장치 챔버 도어(201)를 구비한다.
장치 챔버(200) 내부로 연장된 충전호스(130)는 그 타단이 장치 챔버 도어(201) 부근에서 격벽(101)에 고정되고, 타단에는 충전 커플러(132)가 결합된다. 충전 커플러(132)는 이에 대응되는 공급 커플러가 결합되는 경우에만 개방되도록 설계되어, 대응되는 공급 커플러를 가지지 아니한 운반 차량으로부터는 요소수가 공급될 수 없도록 한다. 따라서, 충전 권한을 가지고 대응 공급 커플러를 구비한 운반 차량에 의해서만 요소수 보관 챔버(100)로의 요소수 충전이 가능한 바, 정품 요소수의 사용을 강제할 수 있다. 즉, 부정 충전이 방지될 수 있는 것이다.
또한 본 발명에 의하면 충전호스(130)의 타단이 장치 챔버(200) 내부에 배치됨으로 인해, 요소수 충전 관리가 가능하게 된다. 요소수 보관 챔버(100)에 요소수를 충전할 때 사용하는 충전 커플러(132)가 장치 챔버(200) 내에 배치되어 있으므로, 작업자는 장치 챔버 도어(201)를 열어야만 충전 커플러(132)를 통해 요소수를 요소수 보관 챔버(100)에 충전할 수 있다. 그런데, 장치 챔버 도어(201)에는 록킹부(미도시)가 구비되고, 제어판(19)에 승인된 코드를 입력하는 경우에만 록킹부가 해제되어 개방되도록 되어 있으므로, 승인된 권한을 가진 작업자 외의 제3자는 승인 없이 요소수를 요소수 보관 챔버(100)에 충전할 수 없게 되는 것이다.
장치 챔버(200) 내부에는 주입 노즐(50)로 요소수를 공급하는 노즐호스(220)가 구비된다. 노즐호스(220)는 수중펌프(110)에 연결된 배출호스(112)로부터 요소수를 공급받는다. 노즐호스(220)는 제어블럭(115)을 매개로 배출호스(112)와 연결되는 데, 제어블럭(115) 내부에는 리미트 스위치, 유량계 등이 구비되고 제어판(19)과 연결되어 주입 노즐(50)을 통한 차량으로의 요소수 주입을 제어하고 제어판(19)을 통해 관련 정보를 제공한다. 또한 제어블럭(115) 내부에는 통신 모듈이 내장되어 주입 노즐을 통한 요소수 주입량 즉, 판매량이 실시간으로 관리자에게 송신될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 초음파 레벨 센서(145)와 연결되어 충전호스(130)를 통한 요소수 충전량을 실시간으로 감시할 수 있도록 구성된다.
장치 챔버(200) 내부에는 노즐호스(220)를 탄력적으로 거치하는 리트랙터(210)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 리트랙터(210)로서 공지의 노즐호스 릴(211)을 포함한다. 노즐호스(220)는 노즐호스 릴(211)에 감겨진다. 노즐호스(220)를 당기는 힘 작용하는 경우에 노즐호스(220)가 풀려나가고, 당기는 힘이 제거되고 반대방향으로 소정의 힘이 작용하는 경우 노즐호스(220)를 다시 감는다. 따라서 노즐호스(220)는 장치 챔버(200) 내에서 탄력적으로 거치될 수 있다.
장치 챔버(200) 내부에는 히터(230)가 설치된다. 히터(230)는 설정 온도 이하에서 자동으로 작동하도록 설정된다. 이를 위해 장치 챔버(200) 내부에 별도의 온도센서를 설치하는 것이 가능하다. 겨울철에 온도가 하강함에 따라 노즐호스(220)는 뻣뻣하게 경직되면서 유연성이 저하된다. 따라서 주입 노즐(50)을 이용하여 차량에 요소수를 주입하기 위하여 노즐호스(220)를 당기는 경우 유연성 저하된 상태에서는 노즐호스(220)의 파손 가능성이 있으며, 노즐호스(220)가 파손되지 않더라도 경직된 노즐호스(220)를 조작하는 데는 상대적으로 큰 힘이 소요된다.
그러나 본 발명에 의하면 노즐호스(220)가 히터(230)에 의해 일정 온도를 유지하는 장치 챔버(200) 내부에서 보관되므로 유연성 저하로 인한 파손 가능성 및 조작 어려움 등은 발생하지 않는다. 더욱이 요소수의 결빙이 발생할 수 있는 혹한기에서도 히터(230)가 장치 챔버(200)를 일정한 온도로 유지하므로 배출호스(112) 또는 노즐호스(220)에 잔존하는 요소수가 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
히터(230)는 노즐호스 릴(211) 부근 장치 챔버(200) 내벽에 설치되므로, 상대적으로 최적 열효율로서 노즐호스(220)의 경직을 방지할 수 있다.
장치 챔버(200) 상면에는 공기출입을 가능하게 하는 에어벤트(250)가 설치되고, 요소수 보관 챔버(100) 및 장치 챔버(200)의 에어벤트(150, 250)는 커버에 의해 덮혀진다.
도 4 는 도 2 및 도 3 에서 보이는 본 발명에 따른 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4 를 참조하면, 본 발명에 따른 요소수의 수위를 측정하기 위한 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치는, 수위 측정관(140)과 초음파 레벨 센서(145) 및 커플러(147)를 포함한다.
수위 측정관(140)은 상하단이 개방된 직선형의 관으로, 하단이 요소수 보관 챔버(100)의 바닥면에 인접하여 배치되고, 수직 방향으로 연장하여 상단은 요소수 보관 챔버(100)의 상면을 관통하여 외부로 연장된다. 그리고 수위 측정관(140)의 상단에 초음파 레벨 센서(145)가 장착된다.
초음파 레벨 센서(145)는 초음파를 대상물에 발사하여 초음파가 반사되어 되돌아오는 시간을 측정, 환산하여 대상물과의 거리를 산출하는 방식으로 수위를 측정한다. 그러나 측정되는 대상이 액상 물질의 수위인 경우 수면의 요동 즉, 출렁임 등이 발생하는 경우에는 출렁임에 의해 반사 표면이 왜곡되므로 정확한 수위 측정이 될 수 없다. 또한 반사표면이 넓은 경우 다른 방향에서 반사되어 되돌아오는 초음파 잡음의 문제 또한 정확한 측정을 방해한다. 따라서 초음파 레벨 센서만을 이용하여 가변하는 수위를 측정하고자 하는 경우 신뢰도의 문제가 발생하여, 정확한 수위를 알 수 없다는 문제점이 있다.
그러나 본 발명에 따른 요소수 수위 장치는 수위 측정관(140)을 구비하고 그 상단에 초음파 레벨 센서(145)를 설치함으로써, 이러한 문제점들을 해소하고, 정확한 수위 측정을 할 수 있다. 즉, 수위 측정관(140)에 의해 측정 표면이 한정되고 외부의 출렁임이 내부로 전파되지 않고 균일한 수면을 가지도록 함으로써 주변 왜곡 상황을 모두 해소할 수 있게 되는 것이다.
바람직하게는, 수위 측정관(140)의 상단에는 초음파 레벨 센서(145) 고정을 위한 커플러(147)를 구비하며, 커플러(147)에는 수위 측정관(140) 내부로의 공기 소통을 위한 공기홀(148)이 형성된다.
초음파 레벨 센서(145)를 수위 측정관(140) 상단에 설치할 때 고려하여야 하는 요소 중의 하나의 수위 측정관(140)의 상단이 밀봉되지 않는 상태로 설치되어야 하는 것이다. 밀봉 설치되는 경우 수위 측정관(140) 내부의 압력이 요소수 보관 챔버(100) 내의 압력이 동일하지 않으므로 수위 측정관(140) 내의 수위와 요소수 보관 챔버(100) 내의 수위가 동일하지 않을 수 있거나, 수면이 서서히 상승하는 문제점이 발생할 수 있다.
그러나 공기홀(148)이 구비한 커플러(147)를 이용하는 경우 설치시 공기 소통을 위한 조립 간격 등을 고려함이 보다 단순하게 설치하는 것이 가능하다. 즉, 설치의 편의성을 확보하게 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치는, 그 액상 용액이 요소수가 아닌 경우에도 다양하게 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 설명하였다. 그러나 본 발명의 보호 범위는 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
1: 하우징 20: 주입 노즐 수납부
100: 요소수 보관 챔버 110: 수중펌프
112: 배출호스 120: 히터
125: 온도센서 130: 충전호스
132: 충전 커플러 140: 수위 측정관
145: 초음파 레벨 센서 147: 커플러
148: 공기홀 200: 장치 챔버
210: 리트랙터 220; 노즐호스

Claims (3)

  1. 요소수가 충전 보관되며 외부와의 공기 출입을 가능하게 하는 에어벤트가 설치된 요소수 보관 챔버; 및 상기 요소수 보관 챔버와 격벽으로 구획되어 분리되며 상기 요소수 보관 챔버 내의 요소수를 외부로 공급하기 위한 주입 노즐이 설치된 장치 챔버를 포함하는 요소수 공급 장치에 구비되어, 상기 요소수 보관 챔버 내의 요소수 수위를 측정하기 위한 것으로서,
    상하단이 개방된 관 형태로 형성되고, 하단이 상기 요소수 보관 챔버 내의 바닥면에 인접하여 배치되고, 상단은 상기 요소수 보관 챔버의 상면을 관통하여 외부로 연장된 수위 측정관;
    초음파를 상기 수위 측정관 내의 요소수에 발사하여 초음파가 반사되어 되돌아 오는 시간을 측정 환산하여 요소수의 수위를 측정하는 초음파 레벨 센서; 및
    하단이 상기 수위 측정관에 결합되고 상단에는 상기 초음파 레벨 센서가 결합되며, 주면으로 공기 출입이 가능하게 공기홀이 형성된, 상하단으로 개방된 관 형태의 커플러를 포함하는 초음파 레벨 센서를 이용한 요소수 수위 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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